基于單片機(jī)的多功能智能小車(chē)設(shè)

1、基于單片機(jī)的多功能智能小車(chē)設(shè)（實(shí)物制作）摘要 隨著社會(huì)的發(fā)展，智能化越來(lái)越受到人們的關(guān)注。本設(shè)計(jì)通過(guò)模擬汽車(chē)的自動(dòng)行駛及避障功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化。本設(shè)計(jì)主要有三個(gè)模塊包括信號(hào)檢測(cè)模塊、主控模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。在此設(shè)計(jì)中，用STC89C51單片機(jī)作為主控芯片，處理接收到的各種信號(hào)，并作出相應(yīng)的反饋；用紅外對(duì)管來(lái)進(jìn)行黑線(xiàn)檢測(cè)，從而達(dá)到循跡和避障的目的；通過(guò)編寫(xiě)的程序，保證了電機(jī)的左右轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到小車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)定的目標(biāo)。 由于小車(chē)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了模塊化的設(shè)計(jì)思路，所以在進(jìn)行調(diào)試時(shí)非常方便。我們可以分別對(duì)每一個(gè)功能部分來(lái)進(jìn)行調(diào)試，驅(qū)動(dòng)部分調(diào)試時(shí)，只要給電機(jī)向前或者向后的信號(hào)，就可以調(diào)試出其功能。循跡

2、部分調(diào)試時(shí)，只要通過(guò)檢測(cè)到黑線(xiàn)，判斷是否沿黑線(xiàn)行駛，即可以調(diào)試出。在進(jìn)行避障調(diào)試中，我們可以把障礙物放在小車(chē)前方，然后看小車(chē)兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)向。這種模塊化的設(shè)計(jì)思想不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，而且對(duì)我們以后的設(shè)計(jì)也會(huì)有一定啟發(fā)。ABSTRACT Along with the development of society, more and more intelligent attention. This design by simulating a car driving and automatic obstacle avoidance, to achieve intelligent. This desi

3、gn has three main modules including drive module, signal detection module, main control module, motor. In this design, with STC89C51 SCM as the master chip, processing various signals received, and make corresponding feedback; using Infrared to tube to detect the black line, so as to achieve the pur

4、pose of tracking; Through the program, ensure the motor rotation, so as to achieve the design of the car when the scheduled target. As the car in the design process, using a modular design concept, so very convenient during debugging. We were part of each function for debugging, debugging driving pa

5、rt, as long as the motor forward or backward signal, you can debug the functionality. When debugging tracking part, simply by detecting the black line, to determine whether the black line running along, that you can debug a. Avoidance during commissioning, we can put an obstacle in front of the car,

6、 and then look at the car two steering wheels. This modular design not only simplifies the design, but also for our future designs also have some inspiration.Key Words : Intelligent，SCM，Infrared to tube，Obstacle avoidance tracking目錄一、緒論 1.1智能小車(chē)的研究與意義 1.2智能小車(chē)的現(xiàn)狀 1.3論文研究?jī)?nèi)容與主要結(jié)構(gòu)二、方案選型設(shè)計(jì) 2.1車(chē)體設(shè)計(jì) 2.2 電機(jī)驅(qū)

7、動(dòng)選擇 2.3 PWM調(diào)速技術(shù) 2.4 循跡模塊技術(shù) 2.5 避障模塊技術(shù) 2. 6 驅(qū)動(dòng)模塊 2. 7 控制系統(tǒng)模塊 2. 8 電源選擇三、硬件設(shè)計(jì) 3.1總體設(shè)計(jì) 3.2電源電路設(shè)計(jì) 3.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 3.4 循跡部分電路 3.5 避障部分電路 3.6 主控電路設(shè)計(jì)四、軟件設(shè)計(jì) 4.1主程序設(shè)計(jì)概述 4.2主程序流程圖 4.3 驅(qū)動(dòng)程序流程圖 4.4 循跡程序流程圖 4.5 避障程序流程圖五、制作安裝與調(diào)試 5.1 小車(chē)的安裝 5.2小車(chē)運(yùn)動(dòng)模式調(diào)試 5.3小車(chē)循跡調(diào)試 5.4小車(chē)避障調(diào)試 5.5小車(chē)的功能六、結(jié)論七、參考文獻(xiàn)八、致謝第1章 緒論1.1 智能小車(chē)的研究意義隨著計(jì)算機(jī)、微電

8、子、信息技術(shù)的快速發(fā)展，智能化技術(shù)的發(fā)展速度也越來(lái)越快， 智能化與人們生產(chǎn)生活的聯(lián)系越來(lái)越緊密，智能化將是未來(lái)社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)不斷提升、對(duì)自動(dòng)化技術(shù)要求不斷加深的背景下，智能車(chē)以及在智能車(chē)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品已成為自動(dòng)化物流運(yùn)輸、柔性生產(chǎn)組織等系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。智能小車(chē)是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。它集中的運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感器、信息。通信、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。在我所研究的自動(dòng)循跡避障系統(tǒng)中，我們可以利用小車(chē)來(lái)模擬汽車(chē)自動(dòng)避障功能，來(lái)避免現(xiàn)實(shí)中汽車(chē)因與障礙物碰撞而產(chǎn)生的車(chē)禍。因此，自動(dòng)循跡避障小車(chē)對(duì)于在進(jìn)行自動(dòng)避障的時(shí)

9、候，有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2 智能小車(chē)的現(xiàn)狀智能小車(chē)的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用涉及傳感技術(shù)、電氣技術(shù)、電氣控制技術(shù)、智能控制等學(xué)科，智能控制技術(shù)是一門(mén)跨科學(xué)的綜合性技術(shù)，當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。眾所周知機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)國(guó)家高科技水平和工業(yè)自動(dòng)化程度的重要標(biāo)志和體現(xiàn)。因此目前世界各國(guó)都在開(kāi)展對(duì)機(jī)器人技術(shù)的研究。機(jī)器人由于有很高的靈活性、可以幫助人們提高生產(chǎn)率、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，在世界各地的生產(chǎn)生活領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。智能小車(chē)正是模仿機(jī)器人的一種嘗試。它是一種以汽車(chē)電子為背景，涵蓋多學(xué)科的科技創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，一般主要由路徑識(shí)別、速度采集、角度控制以及車(chē)速控制等模塊組成。這種智能小

10、車(chē)能夠自動(dòng)搜尋前進(jìn)路線(xiàn)，還能爬坡，感知前方的障礙物，并自動(dòng)尋找前進(jìn)方向，避開(kāi)障礙物。另外如果加入相關(guān)聲光訊號(hào)后，更能體現(xiàn)出智能化和人性化的一面。首先,國(guó)外智能車(chē)輛的研究歷史較長(zhǎng)，始于上世紀(jì)50年代。它的發(fā)展歷程大體可以分成三個(gè)階段：第一階段 20世紀(jì)50年代是智能車(chē)輛研究的初始階段。1954年美國(guó)Barrett Electronics 公司研究開(kāi)發(fā)了世界上第一臺(tái)自主引導(dǎo)車(chē)系統(tǒng)AGVS（Automated Guided Vehicle System）。第二階段 從80年代中后期開(kāi)始，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)智能車(chē)輛開(kāi)展了卓有成效的研究。在歐洲，普羅米修斯項(xiàng)目開(kāi)始在這個(gè)領(lǐng)域的探索。在美洲，美國(guó)成立了國(guó)家

11、自動(dòng)高速公路系統(tǒng)聯(lián)盟（NAHSC）。在亞洲，日本成立了高速公路先進(jìn)巡航/輔助駕駛研究會(huì)。第三階段 從90年代開(kāi)始，智能車(chē)輛進(jìn)入了深入、系統(tǒng)、大規(guī)模研究階段。最為突出的是，美國(guó)卡內(nèi)基.梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）機(jī)器人研究所一共完成了Navlab系列的10（Navlab1Navlab10）的研究，取得了顯著的成就。臺(tái)自主車(chē)目前，智能車(chē)的發(fā)展正處第三階段。這一階段的研究成果代表了當(dāng)前國(guó)外智能車(chē)的主要發(fā)展方向。其次,國(guó)內(nèi)智能車(chē)輛的現(xiàn)狀研究相比于國(guó)外，我國(guó)開(kāi)展智能車(chē)輛技術(shù)方面的研究起步較晚，開(kāi)始于20世紀(jì)80年代，而且大多數(shù)研究尚處于針對(duì)某個(gè)單項(xiàng)技術(shù)研究的階段。雖然

12、我國(guó)在智能車(chē)輛技術(shù)方面的研究總體上落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，并且存在一定的技術(shù)差距，但使我國(guó)也取得了一系列的成果，主要有：中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)公司和國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院于2003年研制成功了我國(guó)第自主駕駛轎車(chē)。吉林大學(xué)設(shè)計(jì)并制造了一輛用CCD識(shí)別地面鋪設(shè)的條狀路標(biāo)導(dǎo)航的智能車(chē)輛，車(chē)輛由圖像識(shí)別、行駛、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、避障和其他輔助系統(tǒng)組成。目前，該車(chē)可以穩(wěn)定的跟蹤直線(xiàn)、弧線(xiàn)、S型線(xiàn)等軌跡自動(dòng)行駛，車(chē)速可達(dá)20km/h。在國(guó)家科工委和國(guó)家862計(jì)劃的資助下，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自1988年開(kāi)始研制的THMR系列移動(dòng)機(jī)器人取得了很大的成功。它兼有面向高速公路和一般道路的功能，目前

13、已經(jīng)能夠在校園的非結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境下，進(jìn)行道路跟蹤和避障自主行駛。南京理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)等多所院校聯(lián)合研制了7B.8軍用室外自主車(chē)，該車(chē)裝有彩色攝像機(jī)、激光雷達(dá)、陀螺慣導(dǎo)定位等傳感器智能車(chē)輛研究也是智能交通系統(tǒng)ITS的關(guān)鍵技術(shù)。目前,國(guó)內(nèi)的許多高校和科研院所都在進(jìn)行ITS關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備的研究，隨著ITS研究的興起，我國(guó)已形成了一支ITS技術(shù)研究開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)隊(duì)伍。并且各個(gè)交通、汽車(chē)企業(yè)越來(lái)越加大了對(duì)ITS及智能車(chē)輛技術(shù)研發(fā)的投入，整個(gè)社會(huì)的關(guān)注程度在不斷提高。交通部已將ITS研究列入“十五”科技發(fā)展計(jì)劃和2010年長(zhǎng)期規(guī)劃。相信經(jīng)過(guò)相關(guān)領(lǐng)域的共同努力，我國(guó)I

14、TS及智能車(chē)輛的技術(shù)水平一定會(huì)得到很大的提高?？梢灶A(yù)計(jì)，我國(guó)飛速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)實(shí)力將為智能車(chē)輛的研究提供一個(gè)更加廣闊的前景。因此，對(duì)智能小車(chē)進(jìn)行深入細(xì)致的研究，不但能加深課堂上學(xué)到的理論知識(shí)，更能將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際運(yùn)用，為將來(lái)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1.3 論文研究?jī)?nèi)容與主要結(jié)構(gòu)論文主要研究的內(nèi)容就是小車(chē)的循跡與避障，因?yàn)樵趯?shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)時(shí)，如何確保小車(chē)按照所設(shè)定的路線(xiàn)行進(jìn)，是至關(guān)重要的。在進(jìn)行避障循跡小車(chē)研究時(shí)，我們首先要確保電路圖的設(shè)計(jì)合理。這樣的話(huà)，在后面進(jìn)行的硬件調(diào)試時(shí)，才可以避免因?yàn)殡娐吩淼腻e(cuò)誤，而使得設(shè)計(jì)達(dá)不到預(yù)定要求。論文主要由九部分組成，第一部分：主要介紹選題的目的意義，以及選題目前在國(guó)內(nèi)外

15、的發(fā)展現(xiàn)狀。這樣我們?cè)谶M(jìn)行課題設(shè)計(jì)的時(shí)候，有很大的參考意義；第二部分：主要是在論證小車(chē)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，并根據(jù)實(shí)際情況，例如實(shí)現(xiàn)難易程度、生產(chǎn)成本以及后續(xù)的維護(hù)是否方便來(lái)進(jìn)行篩選，得出最后本小車(chē)的設(shè)計(jì)方案；第三部分：小車(chē)的系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，我們?cè)趯?shí)現(xiàn)小車(chē)功能時(shí)，必須通過(guò)構(gòu)建硬件電路；第四部分：系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，這是一個(gè)很重要的部分，因?yàn)橹挥型ㄟ^(guò)系統(tǒng)軟件的控制，小車(chē)才可以按照設(shè)定功能進(jìn)行一系列動(dòng)作，比如循跡以及避障；第五部分：小車(chē)的測(cè)試，這是對(duì)小車(chē)設(shè)計(jì)完成后，其功能是否達(dá)到最初的設(shè)計(jì)規(guī)劃，是設(shè)計(jì)工作是否準(zhǔn)確完成的一個(gè)很重要的指標(biāo)；第六部分：總結(jié)，是對(duì)整個(gè)小車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中所遇到的一些問(wèn)題，所付出的努力，還

16、有最后的結(jié)果進(jìn)行一個(gè)大致總結(jié)；第七部分：致謝，對(duì)于這幾個(gè)月中，老師以及領(lǐng)導(dǎo)在對(duì)本次論文設(shè)計(jì)編寫(xiě)過(guò)程中所給予的幫助；第八部分：參考文獻(xiàn)：在小車(chē)設(shè)計(jì)及論文編寫(xiě)過(guò)程中，所參考的一系列的資料，進(jìn)行一個(gè)歸納整理；第九部分：附錄，最要用來(lái)展示小車(chē)的整體硬件電路情況以及小車(chē)的系統(tǒng)程序，這樣便于閱讀。第2章 方案選型2.1車(chē)體設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中，所采用的是兩輪驅(qū)動(dòng)的車(chē)體。顧名思義，指的是用兩個(gè)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)小車(chē)的兩個(gè)輪子，能夠使得動(dòng)力分布的更均勻，可以減少車(chē)體滑動(dòng)。相對(duì)于四輪驅(qū)動(dòng)的安全性、靈活性來(lái)說(shuō)，兩輪驅(qū)動(dòng)也比較高?？梢园凑招旭偮访鏍顟B(tài)的不同而將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩分別分布在兩個(gè)輪子上，提高小車(chē)的行駛能力。而且，兩輪驅(qū)

17、動(dòng)在車(chē)體結(jié)構(gòu)及元器件分布上，也相較于四輪來(lái)說(shuō)更加密集。兩輪驅(qū)動(dòng)在控制上，相對(duì)于四輪驅(qū)動(dòng)也比較容易，在設(shè)計(jì)時(shí)更加便于實(shí)現(xiàn)。2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)選擇小車(chē)要向前行駛，必須要有動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)輪子，因?yàn)槲覀冊(cè)诳刂菩≤?chē)的行進(jìn)時(shí)，并不是每個(gè)輪子的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速都一樣。在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，就必須區(qū)別每個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速快慢和轉(zhuǎn)向，所以就必須用到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)對(duì)小車(chē)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。直流電機(jī)在驅(qū)動(dòng)時(shí)，只需要合適的直流電壓就可以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。而且，直流電機(jī)可以承受反復(fù)沖擊，對(duì)于小車(chē)在急速轉(zhuǎn)彎或者反復(fù)前后轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，有很好的容納性。在調(diào)速特性方面，直流電機(jī)可以很方便的進(jìn)行調(diào)速，且調(diào)速范圍廣。在控制時(shí)只要加上合適的電壓就會(huì)轉(zhuǎn)，我們并不需要精確的計(jì)算其所轉(zhuǎn)的圈

18、數(shù)。步進(jìn)電機(jī)則是靠脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，對(duì)于脈沖信號(hào)來(lái)說(shuō)，我們不能直接使用直流電壓產(chǎn)生，必須借助于單片機(jī)的I/O來(lái)產(chǎn)生，這樣的話(huà)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，就會(huì)增加I/O的使用數(shù)量，使得設(shè)計(jì)難度增加。我們?cè)陔姍C(jī)選擇時(shí)，可以選用直流電機(jī)。因?yàn)橥ㄟ^(guò)對(duì)兩種電機(jī)的綜合性能比較，直流電機(jī)在控制是更加方便，而步進(jìn)電機(jī)在控制時(shí)，相較于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，比較困難一點(diǎn)，因此我們不采用步進(jìn)電機(jī)，選擇更加簡(jiǎn)單的直流電機(jī)。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路為“H橋式驅(qū)動(dòng)電路”（如圖1所示），整個(gè)電路是由四個(gè)晶體管和一個(gè)電機(jī)組成。在電路中，四個(gè)晶體管分別表示H的四個(gè)角，分別接上“+”、“-”電壓，這樣通過(guò)四個(gè)腳的電壓輸入，就可以驅(qū)動(dòng)電機(jī).而電機(jī)在H型電路中，

19、是表示中間的橫杠。在實(shí)際使用的時(shí)候，如果我們用單獨(dú)的元器件來(lái)實(shí)現(xiàn)H橋式電路的話(huà)，是比較困難的。因此，我們可以采用市面上的已有封裝的芯片。這樣的話(huà)，我們只要在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，考慮芯片的工作電壓范圍，功率以及所需的控制信號(hào)即可，就不用再通過(guò)自己來(lái)一個(gè)一個(gè)搭建電路。驅(qū)動(dòng)模塊采用專(zhuān)用芯片L298N 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，L298N 是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，其響應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)。以下為L(zhǎng)298N的引腳圖和輸入輸出關(guān)系表。L298N 的5、7、10、12 四個(gè)引腳接到單片機(jī)上，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的編程就可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)的PWM調(diào)速控制。圖2 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2.

20、3 PWM調(diào)速技術(shù)PWM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要有兩種方法，一種是硬件調(diào)制法，另外一種就是軟件生成法。硬件生成法是把所希望得到的波形作為調(diào)制信號(hào)，我們可以根據(jù)需要的波形來(lái)進(jìn)行改變參數(shù)選擇。被調(diào)制信號(hào)作為載波信號(hào)，通過(guò)對(duì)載波信號(hào)的幅頻、相頻等進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以得到所需要的PWM信號(hào)波形。由于三角在實(shí)現(xiàn)時(shí)比較容易，而且其各種參數(shù)的調(diào)制也方便，因此我們一般將其作為載波信號(hào)。由于各種復(fù)雜的信號(hào)都可以認(rèn)為是許多不同的正弦信號(hào)疊加而成，我們可以把正弦波作為調(diào)制信號(hào)，這樣我們得到的信號(hào)波形就是PWM信號(hào)。軟件生成方法是利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生PWM波的調(diào)制，這種技術(shù)產(chǎn)生信號(hào)更加容易。而且在進(jìn)行PWM波形變換時(shí)，只要在

21、軟件程序里進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改，即可以進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。由于硬件調(diào)制法電路是屬于模擬電路，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且在實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)和搭建時(shí)，相比較起來(lái)不方便，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。而軟件生成法就比較簡(jiǎn)單，只要在控制程序里加上PWM調(diào)制就可以。因此，我采用軟件生成法來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM波形。2.4 循跡模塊技術(shù)在小車(chē)進(jìn)行循跡時(shí)，我們要考慮小車(chē)對(duì)循跡黑線(xiàn)檢測(cè)的靈敏性。有比較好的靈敏性，而且可以進(jìn)行路徑成像。紅外對(duì)管則是由于紅外線(xiàn)接收二極管在光線(xiàn)下照明，通過(guò)調(diào)用產(chǎn)生的光電流。如果連接到外部電路上的負(fù)載，所需的電信號(hào)通過(guò)負(fù)載獲得，并且這個(gè)電信號(hào)會(huì)隨光的改變而發(fā)生相應(yīng)的變化。這種獲得的信號(hào)相對(duì)比較模糊，而且受光強(qiáng)度影響較大。在本次設(shè)

22、計(jì)中，我們考慮小車(chē)對(duì)黑線(xiàn)的檢測(cè)，并在實(shí)用、成本等綜合因素，我考慮使用紅外對(duì)管進(jìn)行循跡。紅外對(duì)管是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（如圖2所示）的光敏器件或者光電變換裝置?？梢?jiàn)光信息源、紅外光信息源、紫外光信息源等都直接或者間接地輻射出一定功率的光能，包括含有一定信息量的光能量由紅外對(duì)管接收后，紅外對(duì)管能夠按一定的規(guī)律將光能中所包括的模擬或者數(shù)字信息轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號(hào)，從而可以以電信號(hào)的形式還原出光能中所攜帶的信息。圖3 紅外光電傳感器工作原理2.5 避障模塊技術(shù)小車(chē)進(jìn)行避障時(shí)，我們需要提前探知其前方是否存在障礙物，這樣就可以在行進(jìn)過(guò)程中，自動(dòng)選擇遠(yuǎn)離障礙物的路線(xiàn)。在避障模塊的選擇時(shí)，有兩種選擇，一種是使用

23、紅外避障，還有一種是超聲波避障。采用紅外線(xiàn)光電開(kāi)關(guān)。由于紅外線(xiàn)指定性強(qiáng)，在介質(zhì)傳播遠(yuǎn)，因而紅外線(xiàn)經(jīng)常應(yīng)用于距離的測(cè)量、障礙物的探測(cè)等。紅外線(xiàn)探測(cè)障礙物并繞過(guò)障礙物模塊是利用紅外線(xiàn)發(fā)射器向某一方向紅外線(xiàn)，紅外線(xiàn)在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，紅外線(xiàn)接收器收到反射光經(jīng)相應(yīng)的電路進(jìn)行處理，以測(cè)定障礙物的方位及距離，并向下車(chē)發(fā)送控制信號(hào)以使小車(chē)?yán)@過(guò)障礙物。而采用超聲波傳感器是利用超聲波發(fā)送模塊向某一方向發(fā)射超聲波，超聲波在空氣中傳播，在一定距離內(nèi)遇到測(cè)定的障礙物就會(huì)立即返回超聲波接收模塊接受，再有相應(yīng)電路處理，以測(cè)定障礙物的相關(guān)方位、距離。超聲波傳感器成本相對(duì)較高。以上兩種傳感器都是可行的，

24、尤其是紅外線(xiàn)光電開(kāi)關(guān)，應(yīng)用相當(dāng)廣泛，但是為了本論文更加的使用和有效，超聲波傳感器成本相對(duì)較高，電路較為復(fù)雜，采用紅外線(xiàn)光電開(kāi)關(guān)，更加合適與有效，更加有利于發(fā)現(xiàn)前方障礙物。2.6 控制系統(tǒng)模塊在本小車(chē)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，我們采用STC公司生產(chǎn)的一款單片機(jī)STC89C51。由于在小車(chē)的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，其需要處理的數(shù)據(jù)比較多，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，就需要通過(guò)單片機(jī)的I/O口來(lái)輸出控制信號(hào)，使得小車(chē)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)彎等功能。在小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，還需要接收很多的控制信號(hào)，像循跡信號(hào)、超聲波信號(hào)等。這樣就可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)的速度控制、循跡行駛以及躲避障礙物等功能。圖4 51單片機(jī)引腳圖2.7 電源選擇在小車(chē)電源選擇時(shí)，

25、我們需要特別注意，因?yàn)橄到y(tǒng)單片機(jī)的額定工作電壓為5V。對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)，用5V驅(qū)動(dòng)又不能讓小車(chē)行駛，而過(guò)高的電壓可能會(huì)使系統(tǒng)芯片燒壞。因此，我們需要通過(guò)計(jì)算得到小車(chē)的可允許電壓電流范圍，一般采用9V12V為好，本小車(chē)采用9V供電。這樣既可以保證電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需電壓，又不會(huì)因?yàn)殡妷哼^(guò)大而造成元器件的燒壞。三、硬件電路設(shè)計(jì)3.1總體設(shè)計(jì)小車(chē)的整體系統(tǒng)是以51單片機(jī)為CPU，通過(guò)紅外對(duì)管來(lái)進(jìn)行黑線(xiàn)檢測(cè)循跡行走，通過(guò)超聲波探測(cè)器進(jìn)行障礙物感知，進(jìn)行避障功能實(shí)現(xiàn)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，從而達(dá)到小車(chē)的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)電路圖見(jiàn)附錄1：3.2電源電路設(shè)計(jì)在小車(chē)的電源系統(tǒng)，采用9V直流供電，為了防止在誤操作時(shí)接入過(guò)高

26、的電流使整個(gè)電路燒毀，一般會(huì)在電路中接入防擊穿電容。3.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖5 驅(qū)動(dòng)電路框架圖在驅(qū)動(dòng)電路部分設(shè)計(jì)時(shí)，我們要考慮的是驅(qū)動(dòng)芯片的選擇，一般是在L298N和L293D這兩款芯片中選擇。對(duì)于L298N芯片，是使用的15腳直插式封裝模式，具有四通道驅(qū)動(dòng)邏輯電路，可以很方便的驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。而且它的工作電壓以及單通道輸出電流都比較高，一般可達(dá)到46V和2A L293D在功能上和L298N基本一樣，但是它的工作電壓和通道電流都相比于L298N要小，其采用的是直插式16腳SOIC-20封裝模式。所以，在應(yīng)用時(shí)，一般使用L298N而不采用L293D，從經(jīng)濟(jì)方面來(lái)考慮，L298N也更具有優(yōu)勢(shì)。L298N

27、輸出電壓的方式有兩種，一種是直接通過(guò)電源的調(diào)節(jié)來(lái)進(jìn)行電壓輸出；另一種就是直接使用單片機(jī)上的輸入輸出口提供電壓信號(hào)。該驅(qū)動(dòng)芯片可驅(qū)動(dòng)2路直流電機(jī)，使能端ENA、ENB 為高電平時(shí)有效，控制方式及直流電機(jī)狀態(tài)表如下所示。如果PWM直流電機(jī)的速度控制，需要設(shè)置IN1和IN2，確定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，并使輸出PWM脈沖，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。請(qǐng)注意，當(dāng)使能信號(hào)是0，電動(dòng)機(jī)自由停止?fàn)顟B(tài)；若使能ENA信號(hào)為1，并且IN1 和IN2 都為00 或11 時(shí)，電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。3.4 循跡避障部分電路圖5 循跡模塊框架在進(jìn)行小車(chē)循跡電路設(shè)計(jì)時(shí)，我們要考慮到當(dāng)紅外對(duì)管檢測(cè)到黑線(xiàn)以后，如何進(jìn)行下一步操作。首先將紅外對(duì)管接收

28、的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，再將模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。紅外線(xiàn)探測(cè)障礙物并繞過(guò)障礙物模塊是利用紅外線(xiàn)發(fā)射器向某一方向紅外線(xiàn)，紅外線(xiàn)在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，紅外線(xiàn)接收器收到反射光經(jīng)相應(yīng)的電路進(jìn)行處理，以測(cè)定障礙物的方位及距離，并向下車(chē)發(fā)送控制信號(hào)以使小車(chē)?yán)@過(guò)障礙物。3.4主控電路設(shè)計(jì)小車(chē)的主控電路是以51單片機(jī)作為控制芯片，結(jié)合復(fù)位電路、晶振電路來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。在電路中，我們一般使用的晶振位12MHz，這樣的話(huà)，單片機(jī)的每一個(gè)機(jī)器周期為1uS，這樣在利用單片機(jī)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)時(shí)時(shí)，比較方便。圖6 最小單片機(jī)系統(tǒng)四、程序設(shè)計(jì)4.1主程序設(shè)計(jì)概述在小車(chē)整體設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅有著大量的

29、硬件電路設(shè)計(jì)，更多的是對(duì)于系統(tǒng)軟件的分析設(shè)計(jì)。因?yàn)樵谟布娐反罱ㄍ暌院螅挥型ㄟ^(guò)軟件程序的控制，才可以讓小車(chē)按照設(shè)想的運(yùn)行路徑進(jìn)行行駛，達(dá)到所需要的功能。由于小車(chē)整體功能比較多，如果在最開(kāi)始程序設(shè)計(jì)時(shí)就進(jìn)行整體設(shè)計(jì)的話(huà)，無(wú)疑會(huì)對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)工作帶來(lái)困難，而且在設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試時(shí)，也會(huì)造成困難。因此，我在設(shè)計(jì)程序時(shí)，采用了模塊化設(shè)計(jì)，即先對(duì)每一個(gè)部分子功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，在驗(yàn)證各個(gè)功能程序的完整性以及正確性以后，再把各個(gè)子程序組合成一個(gè)完整的程序。4.2 主程序流程圖圖7 系統(tǒng)程序流程圖4.3 驅(qū)動(dòng)程序流程圖圖8 驅(qū)動(dòng)程序流程圖4.4 循跡程序流程圖圖9 循跡程序流程圖4.5 避障程序流程圖圖1

30、0 避障程序流程圖五、制作安裝與調(diào)試5.1 小車(chē)的安裝在小車(chē)各個(gè)部分的電路焊接完成后，我們就開(kāi)始對(duì)小車(chē)進(jìn)行整體組裝。利用購(gòu)買(mǎi)的高強(qiáng)度塑料制成的模型作為小車(chē)的車(chē)體，然后分別將各模塊按照功能安裝固定好。紅外循跡模塊固定在車(chē)體底部，因?yàn)槠渥饔檬莵?lái)檢測(cè)地面黑線(xiàn)存在，而且其工作距離也有一定限制，所以不能放在離地面太高的地方。超聲波探測(cè)模塊則應(yīng)該置于小車(chē)正前方，其目的主要是用來(lái)發(fā)現(xiàn)前方障礙物，其安裝高度要合適。對(duì)于驅(qū)動(dòng)模塊和最小單片機(jī)系統(tǒng)，安裝在小車(chē)正中間，因?yàn)槠湟c各模塊之間進(jìn)行連接。供電電源則放在小車(chē)車(chē)尾，這樣有利于小車(chē)整體重量的均勻分布，也可以在進(jìn)行充電時(shí)，更加方便拆裝。5.2 小車(chē)運(yùn)動(dòng)模式調(diào)試對(duì)小

31、車(chē)的左右轉(zhuǎn)彎進(jìn)行調(diào)試時(shí)，可以在程序里給定每個(gè)電機(jī)引腳信號(hào)，看小車(chē)的轉(zhuǎn)動(dòng)是否滿(mǎn)足所設(shè)定的方向。通過(guò)調(diào)試可知，小車(chē)的運(yùn)動(dòng)方向與初始設(shè)置相同，能夠?qū)崿F(xiàn)。圖11 小車(chē)驅(qū)動(dòng)調(diào)試圖。為了便于明確知道小車(chē)電機(jī)轉(zhuǎn)向的控制信號(hào)，表3給出了每個(gè)I/O的控制信號(hào)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行不同的改變，可以選擇在不同情況下電機(jī)的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而得到小車(chē)行駛的數(shù)據(jù)。5.3小車(chē)循跡調(diào)試小車(chē)的循跡是通過(guò)五路紅外對(duì)管實(shí)現(xiàn)，當(dāng)左側(cè)檢測(cè)到有黑線(xiàn)時(shí)，左側(cè)LED指示燈會(huì)亮（圖24），當(dāng)右側(cè)指示燈亮?xí)r，那么小車(chē)檢測(cè)到的黑線(xiàn)在右側(cè)（圖25），如果當(dāng)小車(chē)在黑線(xiàn)中間是中間指示燈會(huì)亮（圖26），這時(shí)候，小車(chē)就會(huì)循著黑線(xiàn)一直行進(jìn)。123在進(jìn)行循跡測(cè)試時(shí)，黑線(xiàn)的寬度對(duì)我們循跡成功也有一定的影響，因此，我還進(jìn)行了黑線(xiàn)寬度的測(cè)試，其結(jié)果如表4：5.4小車(chē)避障調(diào)試在進(jìn)行小車(chē)避障調(diào)試時(shí)，當(dāng)把障礙物