紅外避障小車課程設(shè)計(jì)方案報(bào)告

1、、八 前言 隨著生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展需要，機(jī)器人已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用到 生產(chǎn)自動(dòng)化上，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的傳感器種類也越來 越多，其中紅外傳感器已經(jīng)成為自動(dòng)行走和駕駛的重要部件。 紅外的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng)，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自 動(dòng)避障功能就必須要感知障礙物，感知障礙物相當(dāng)給機(jī)器人一個(gè)視 覺功能。智能避障是基于紅外傳感系統(tǒng)，采用紅外傳感器實(shí)現(xiàn)前方 障礙物檢測(cè)，并判斷障礙物遠(yuǎn)近。 由于時(shí)間和水平有限，我們暫選最基本的避障功能作為此次設(shè) 計(jì)的目標(biāo)。 本設(shè)計(jì)通過小車這個(gè)載體再結(jié)合由 AT89S51 為核心的控制板可 以達(dá)到其基本功能，再輔加由漫反射式光電開關(guān)組成的避障電路、 555 組成的

2、轉(zhuǎn)速控制電路、電源電路、差分驅(qū)動(dòng)電路就可以完善整 個(gè)設(shè)計(jì)。 目錄 前言 1 目錄 2 摘要 3 功能概述 3 硬件設(shè)計(jì) 3 避障電路 4 單片機(jī)電路 7 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路 7 電源電路 8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 9 主程序設(shè)計(jì) 12 小結(jié) 23 參考文獻(xiàn) 23 1. 【摘要】 : 本文提出一種智能避障小車的設(shè)計(jì)方法，利用紅外技 術(shù)檢測(cè)障礙物信息，米用AT89S5單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)智能避 障，智能小車采用后輪驅(qū)動(dòng)，兩輪各用一個(gè)直流電機(jī)控制，避障用 的傳感器米用紅外漫反射式傳感器。 【關(guān)鍵詞】 : 避障 光電開關(guān) 差分控制 LCD 2. 功能概述 智能小車米用前輪驅(qū)動(dòng)，前輪左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，

3、分 別控制兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)從而達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬向輪，起支 撐的作用。將三個(gè)紅外線光電傳感器分別裝在車體的左中右，當(dāng)車 的左邊的傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，主控芯片控制右輪電機(jī)停止左輪 轉(zhuǎn)動(dòng)，車向右方轉(zhuǎn)向，當(dāng)車的右邊傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，主控芯 片控制左輪電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，車向左方轉(zhuǎn)向，當(dāng)前面有障礙物時(shí)規(guī)定 車右轉(zhuǎn)。于此同時(shí)測(cè)定速度并顯示，在避障小車前進(jìn)的同時(shí)從LC煎 陣液晶顯示器上顯示小車當(dāng)時(shí)速度。在小車左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)時(shí)在顯示器 上顯示出左或右。 3硬件設(shè)計(jì) 如下圖所示，是本次設(shè)計(jì)智能小車的電路框圖。以 AT89S5偽電 路的中央處理器，來處理傳感器米集來的數(shù)據(jù)，處理完畢之后以便 去控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來

4、驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電源部分是為整個(gè)電路模塊提供 電源，以便能正常工作。 4. 避障電路 （1） 障礙物探測(cè)方案的選擇 方案一：脈沖調(diào)制的反射式紅外線發(fā)射接受器。由于采用該有交流 分量的調(diào)制信號(hào)，則可大幅度減少外界干擾；另外紅外線接受官的 最大工作電流取決于平均電流。如果采用占空比小的調(diào)制信號(hào)，再 品均電流不變的情況下，順勢(shì)電流很大（50 100mA，則大大提高 了信噪比。并且其反應(yīng)靈敏，外圍電路也很簡(jiǎn)單。它的優(yōu)點(diǎn)是消除 了外界光線的干擾提高了靈敏度。 方案二：采用超聲波傳感器，如果傳感器接收到反射的超聲波，則 通知單片機(jī)前方有障礙物，如則通知單片機(jī)可以向前行駛。市場(chǎng)上 很多紅外光電探頭也都是基于這個(gè)原

5、理。這樣不但能準(zhǔn)確完成測(cè) 量，而且能避免電路的復(fù)雜性 由以上兩種方案比較可知。方案二要比方案一優(yōu)勢(shì)大，市場(chǎng)上很 多紅外觀點(diǎn)探頭也都基于這個(gè)原理。其電路簡(jiǎn)單，工作可靠，性能 比較穩(wěn)定。從而避免了電路的復(fù)雜性，因此我先用方案二作為小車 的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 避障電路采用漫反射式光電開關(guān)進(jìn)行避障。光電開關(guān)是集發(fā)射 頭和接收頭于一體的檢測(cè)開關(guān)，其工作原理是根據(jù)發(fā)射頭發(fā)出的光 束，被障礙物反射，接收頭據(jù)此做出判斷是否有障礙物。當(dāng)有光線 反射回來時(shí)，輸出低電平；當(dāng)沒有光線反射回來時(shí)，輸出高電平。 單片機(jī)根據(jù)接收頭電平的高低做出相應(yīng)控制，避免小車碰到障礙 物，由于接收管輸出TTL電平，有利于單片機(jī)對(duì)信號(hào)的處理。 光

6、電開關(guān)工作原理： 光電開關(guān)是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來實(shí)現(xiàn)控制的。 光電開關(guān)在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和 檢測(cè)電路。 避障電路如下: 避障電路功能表: 傳感器 避障電路輸出（上升沿動(dòng)作） 待執(zhí)行命令 左中右 左轉(zhuǎn)信號(hào)（P2.1） 右轉(zhuǎn)信號(hào) （P2.0） 0 0 0 V 右轉(zhuǎn) 0 0 1 V 右轉(zhuǎn) 0 1 0 V 右轉(zhuǎn) 0 1 1 V 右轉(zhuǎn) 1 0 0 V 左轉(zhuǎn) 1 0 1 V 右轉(zhuǎn) 1 1 0 V 左轉(zhuǎn) 1 1 1 前進(jìn) 4.單片機(jī)電路 本設(shè)計(jì)的主控芯片選擇AT89S51負(fù)責(zé)檢測(cè)傳感器的狀態(tài)并向電 機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出動(dòng)作命令。復(fù)位電路采用手動(dòng)復(fù)位。 單片機(jī)電路

7、如下： 5. 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路 由555時(shí)基電路構(gòu)成多諧振蕩器提供一個(gè) PWM信號(hào)，通過控制該 信號(hào)的占空比來實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。 阻容元件的取值初步定為圖中所示 多諧振蕩器如下: 其中占空比： q=(R1+Rx1)/(R1+R2+Rx) 周期：T=(R1+R2+Rx)CIn2 6. 電源電路 本系統(tǒng)所有芯片都需要+5V的工作電壓，而干電池只能提供的 電壓為1. 5V的倍數(shù)的電壓，并且隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，其電壓會(huì) 逐漸下降，則需要LM7805穩(wěn)壓芯片。L7805能提供300至500mA 的電流，足以滿足芯片供電的要求。雖然微處理器和微控制器不需 要支持電路，功耗也很低，但必須要加以考慮。 電源電路擬

8、定為: 7. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 市場(chǎng)上用很多種類的小電壓直流電動(dòng)機(jī)，很方便的選擇到。主要 有普通電動(dòng)機(jī)、和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 方案一：采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)顯著的特點(diǎn)就 是具有快速啟動(dòng)和停止能力，能夠達(dá)到我們所要求的標(biāo)準(zhǔn)。如果負(fù) 荷不超過步進(jìn)電機(jī)所能提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能夠立即是步進(jìn)電機(jī) 啟動(dòng)或反轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)換靈敏度比較高。正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制靈活。但是步 進(jìn)電機(jī)的價(jià)格比較昂貴，對(duì)于我們的現(xiàn)狀相差太遠(yuǎn)。 方案二：采用普通的直流電機(jī)。直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速 特性，調(diào)速平滑、方便。調(diào)整范圍廣；過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的 沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無極快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。能滿足各種 不容的特殊運(yùn)行要求。 由于普通直

9、流電機(jī)價(jià)格適宜，更易于購買，并且電路相對(duì)簡(jiǎn) 單，因此采用直流電機(jī)作為動(dòng)力源 本設(shè)計(jì)采用差分放大驅(qū)動(dòng)使電機(jī)正反轉(zhuǎn)從而做到前進(jìn)，左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)。 采用四個(gè)大功率晶體管組成H橋式電路，四個(gè)大功率晶體管分為兩 組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機(jī)控制使之工作在開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而控 制電機(jī)的運(yùn)行。該控制電路由于四個(gè)大功率晶體管只工作在飽和與截止?fàn)顟B(tài)下，效率非常高，并且大功率晶體管開關(guān)的速度很快，穩(wěn) 定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的電路。 采用與門對(duì)兩電機(jī)進(jìn)行選擇控制，從而實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右 轉(zhuǎn)。 JLLHJ 注釋：將圓盤12等分 半徑2CM，周長(zhǎng)4*pi .用 程序設(shè)定1S內(nèi)采集到的脈 沖數(shù)可以轉(zhuǎn)化為速度。 單位時(shí)間內(nèi)前進(jìn)距

10、離 為S，則：速度V大小為 驅(qū)動(dòng)狀態(tài)表: 注解：（“ 0”代表低電平“ 1”代表高電平） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路功能表 輸入 小車狀態(tài) P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 1 1 1 1 1 0 前進(jìn) 1 1 1 1 0 0 停止 1 0 0 0 1 1 左轉(zhuǎn) 0 1 0 0 1 1 右轉(zhuǎn) 8.主程序流程圖 源程序: RS BIT P2.2 RW BIT P2.3 E BIT P2.4 LJMP MAIN ORG 0030H MAIN: MOV P2,#0FFH MOV P1,#1FH 。前進(jìn) MOV TMOD,#10H MOV R1,#0C8H SETB TR1 TIME:MO

11、V TH1,#0D8H MOV TL1,#0F0H JNB TF1,$ DJNZ R1,TIME CLR TR1 MOV R7, #00H 。脈沖個(gè)數(shù) MOV R1, #64H MOV TMOD, #10H SETB TR1 LOOP6: MOV TH1, #08H MOV TL0, #0F0H NEXT: MOV C, 0 JB TF1, LOOP7 。判斷 TF1 是否溢出 JNC LOOP6 。判斷 C 是否為 1 INC R7。 1S內(nèi)出現(xiàn)的脈沖個(gè)數(shù) JB TF1, LOOP7 SJMP NEXT LOOP7: DJNZ R1, LOOP6 CLR TR1 CLR C MOV A,R7

12、 。脈沖個(gè)數(shù)乘以 2 ADDC A,R7 MOV R7,A MOV A, #01H 。一個(gè)碼格的弧長(zhǎng) MOV B, R7 MUL AB 。計(jì)算總弧長(zhǎng) DA A 。十進(jìn)制調(diào)整 MOV R5, A MOV A, B 。B的值給A JNC LOOP8 。 判斷十進(jìn)制調(diào)整是 CY 有沒有被置 INC A CLR C MOV R6, A JNC LOOP9 LOOP9: MOV A, R6 INC 70H 。十進(jìn)制調(diào)整如果 CY 被置 1，70H 賦值 1 CLR C ANL A, #0F0H 。取 R6 的高四位， 賦給 71H SWAP A MOV 71H, A MOV A, R6 ANL A, #

13、0FH 。取 R6 的低四位， 賦給 72H MOV 72H, A MOV A, R5 ANL A, #0F0H 。取 R5 的高四位， 賦給 73H SWAP A MOV 73H, A MOV A, R5 ANL A, #0FH 。取 R5 的低四位， 賦給 74H MOV 73H, A /* 顯示前進(jìn) */ MOV SP, #50H ACALL INIT 解釋 R6，R5 分別表示總長(zhǎng)的高位和低位 MOV A, 10000000B MOV A, G ACALL WC51DDR MOV A, 0 ACALL WC51DDR MOV A, ACALL WC51DDR MOV A, A ACAL

14、L WC51DDR MOV A, H ACALL WC51DDR MOV A, E ACALL WC51DDR MOV A, A ACALL WC51DDR MOV A, D ACALL WC51DDR MOV A, 11000101B ACALL WC51R MOV A, 70H ACALL WC51DDR ACALL WC51R ACALL WC51DDR MOV A, 72H ACALL WC51DDR MOV A, . ACALL WC51DDR MOV A, 73H ACALL WC51DDR MOV A, 74H ACALL WC51DDR MOV C,P2.0 JC LOOP1

15、。判斷 P2.0 MOV P1,#0FH 。停車 LCALL LOOP2 MOV P1,#32H 。右轉(zhuǎn) LCALL RIGHT LJMP LOOP4 LOOP1:MOV C,P2.1 JC NEXT1 。判斷 P2.1 MOV P1,#0FH 。停車 LCALL LOOP2 MOV P1,#31H 。左轉(zhuǎn) LCALL LEFT LJMP LOOP4 NEXT1:LJMP MAIN * 停車定時(shí) */ LOOP2:MOV TMOD,#10H MOV R0,#64H SETB TR1 LOOP3:MOV TH1,#0D8H MOV TL1,#0F0H JNB TF1,$ DJNZ R0,LOOP

16、3 CLR TR1 RET * 轉(zhuǎn)向定時(shí) */ LOOP4:MOV TMOD,#10H MOV R1,#0C8H SETB TR1 LOOP5:MOV TH1,#0D8H MOV TL1,#0F0H JNB TF1,$ DJNZ R1,LOOP5 CLR TR1 MOV P1,#1FH 。前進(jìn) LJMP MAIN /* 顯示左轉(zhuǎn) */ LEFT: MOV SP, #50H ACALL INIT MOV A, 10000000B ACALL WC51R MOV A, L ACALL WC51DDR MOV A, E ACALL WC51DDR MOV A, F ACALL WC51DDR MOV

17、 A, T ACALL WC51DDR RET * 顯示右轉(zhuǎn) * RIGHT: MOV SP, #50H ACALL INIT MOV A, 10000000B ACALL WC51R MOV A, R ACALL WC51DDR MOV A, I ACALL WC51DDR MOV A, G ACALL WC51DDR MOV A, H ACALL WC51DDR MOV A, T ACALL WC51DDR RET * 初始化子程序 * INIT: MOV A, #00000001H 。清屏 使用 8 位數(shù)據(jù) ACALL WC51R MOV A, #00111000B LCALL WC51

18、R MOV A, #00000110B 。字符不動(dòng)，光標(biāo)自動(dòng)右移一格 LCALL WC51R * 檢查忙子程序 */ F_BUSY:PUSH ACC 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) PUSH DPH PUSH DPL PUSH PSW * WAIT: CLR RS SETB RW CLR E SETB E MOV A, P1 CLR E JB ACC.7,WAIT 。忙，等待 POP PSW 。不忙，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) POP DPL POP DPH POP ACC ACALL DELAY RET 寫入命令子程序 * WC51R: ACALL F_BUSY CLR E CLR RS CLR RW SETB E MOV P1, ACC CLR E ACALL DELAY RET /* 寫入數(shù)據(jù)子程序 */ WC51DDR:ACALL F_BUSY CLR E SETB RS CLR RW SETB E MOV P1, AC CLR E ACALL DELAY RET * 延時(shí)子程序 */ DELAY: MOV R6, #5 D1: MOV R7, #248 DJNZ R7, $ DJNZ R6, D1 RET END 9. 小結(jié) 本文提出了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的智能小車設(shè)計(jì)方法，給出了從硬件 電路設(shè)計(jì)到軟件設(shè)計(jì)的一系列步驟。采用了直流電機(jī)作為執(zhí)行元 件， E3F 系列