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鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計 題 目：基于單片機的自動避障小車設(shè)計與實現(xiàn) 指導(dǎo)教師： 張朝陽 職稱： 講師 學(xué)生姓名： 周紅宇 學(xué)號： 1102120515 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 院 （系）： 機電工程學(xué)院 答辯日期： 年 月 日 2015年 月 日 摘 要 智能小車是一種能夠通過編程手段完成特定任務(wù)的小型化機器人，主要是在自動化控制領(lǐng)域，它具有制作成本低，電路結(jié)構(gòu)簡單，程序調(diào)試方便等優(yōu)點，具有很強的趣味性。智能小車深受廣大機器人愛好者以及高校學(xué)生的喜愛。 該設(shè)計利用單片機STC89C52RC作為主控芯片，該芯片是一種高速、低功耗、抗干擾能力強的芯片，其最高時鐘工作頻率為48MHz，用戶應(yīng)用程序空間為8K。能夠滿足程序空間需要。驅(qū)動采用L298N驅(qū)動芯片，它是一種雙全橋步進電機專用芯片，通過對其輸入端的控制可以實現(xiàn)小車的啟動、轉(zhuǎn)向、停止等動作。為節(jié)省成本，小車由兩個直流減速電機加一個萬向輪構(gòu)成，并采用后輪驅(qū)動。采用了E18-D50NK紅外光電開關(guān)組成的避障傳感器來避障。由于采用了6節(jié)干電池供電使系統(tǒng)的抗干擾性得到加強。充分利用STC89C52的系統(tǒng)資源，使智能小車完美的實現(xiàn)了障礙物檢測、避開障礙物自動巡航等功能。經(jīng)實踐驗收測試，該智能小車的電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，系統(tǒng)反映快速、靈活，設(shè)計方案正確、可行，各項指標(biāo)穩(wěn)定、可靠。 本文首先介紹了智能車的發(fā)展前景，接著介紹了該課題設(shè)計構(gòu)想，各模塊電路的選擇及其電路工作原理，最后對該課題的設(shè)計過程進行了總結(jié)與展望,并附帶各個模塊的電路原理圖和本設(shè)計實物圖及完整的C語言程序。 關(guān)鍵詞：智能小車 單片機 避障 紅外線 Abstract Smart car is a small robot to accomplish specific tasks by programming, mainly in the field of automation control, it has low production cost, simple circuit structure, debugging convenient, has the very strong interest. Smart car robot lovers as well as by the majority of College students. This design uses STC89C52RC micro controller as the main control chip, the chip is a chip of high speed, low power consumption, strong anti-interference ability, and the maximum clock frequency is 48MHz, the user application space for 8K. To meet the needs of the space program. Driven by the L298N drive chip, it is a kind of dual full bridge stepper motor dedicated chip, the input end of the control can realize the car start, stop, turn. In order to save costs, the car by two DC motor and a universal wheel, and the rear wheel drive. The obstacle avoidance sensor E18-D50NK infrared photoelectric switch to obstacle avoidance. Due to the adoption of the 6 battery supplies power to the anti-interference of the system has been strengthened. To make full use of the system resources of STC89C52, the perfect realization of the intelligent vehicle obstacle detection, obstacle avoidance automatic cruise function. Through the practice of acceptance testing, circuit structure of the smart car is simple, convenient debugging, the system to reflect the rapid, flexible, the design scheme is correct and feasible, stable, reliable indicators. This paper first introduces the development prospects of the smart car, and then introduces the design idea, working principle and circuit of each module circuit, the design process of the project are summarized and prospects, with each module circuit diagram and the design of the physical map and the integrity of the C language program. Keywords: Smart Cars Single-chip Obstacle Avoidance Infrared 目 錄 1 緒論 1 1.1 課題研究背景及意義 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.3 單片機及直流電機的發(fā)展 1 1.4 課題主要研究內(nèi)容 4 2 工作原理及總體設(shè)計 5 2.1 工作原理 5 2.2 總體設(shè)計 5 3 硬件設(shè)計 7 3.1 小車車體設(shè)計 7 3.2 電源模塊 7 3.3 電機驅(qū)動模塊 8 3.4 電機模塊 9 3.5 檢測模塊 9 3.6 最終方案 9 4 硬件實現(xiàn)及單元電路設(shè)計 11 4.1 主控制模塊 11 4.2 單片機的復(fù)位電路與振蕩電路設(shè)計 11 4.3 電源設(shè)計 13 4.4 驅(qū)動電路 14 4.5 E18-D50NK光電開關(guān)避障模塊 15 4.6 紅外光電開關(guān)傳感器的安裝 17 4.7 小車車體總體設(shè)計 17 5 軟件設(shè)計與仿真調(diào)試 18 5.1 主程序流程 18 5.2 Keil uVision3環(huán)境 19 5.3 單片機程序燒寫 21 5.4 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試 22 結(jié)束語 24 致 謝 25 參考文獻 26 附錄 27 附錄A 整體電路圖 27 附錄B 部分源程序 28 附錄C 小車實物圖 32 1 緒論 1.1 課題研究背景及意義 隨著第一臺機器人的誕生，機器人的發(fā)展已經(jīng)涉及到航空、交通、國防等領(lǐng)域。近年來機器人的智能化水平不斷提高，也在改變著人們的生活方式。人們在不斷探討、認識和改變自然的過程中，制造能代替人力勞動的機器一直是人類的夢想。智能避障電動小車是一個運用傳感器、單片機、電機驅(qū)動等來實現(xiàn)環(huán)境感和自動行駛為一體的高新技術(shù)綜合體，它在民用和科學(xué)研究等發(fā)面已獲得了廣泛應(yīng)用。 當(dāng)前的電動小汽車大部分是直線行駛，也有一部分是在遙控下實現(xiàn)前進、后退、轉(zhuǎn)彎、停車等動作。但這并不能滿足某些特殊場合下的要求。因此，本文設(shè)計了智能避障小車的控制系統(tǒng)。它的主要功能是探測前方是否有障礙物，如果有障礙物時，經(jīng)過判斷障礙物的位置，實現(xiàn)避障功能。 智能是現(xiàn)代社會的標(biāo)志性產(chǎn)物，是以后的發(fā)展趨勢，它可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在特定的環(huán)境里運作，無需人為操作，便可以完成預(yù)期達到的目的。此設(shè)計主要體現(xiàn)小車的智能避障模式，設(shè)計中理論、分析方法及創(chuàng)新都可以為運輸機器人、采礦機器人、家用清潔機器人等自動半自動機器人的設(shè)計提供一些依據(jù)。同時小車也是玩具的發(fā)展方向，為中國玩具市場技術(shù)含量的缺乏進行一定的彌補，實現(xiàn)經(jīng)濟增長，形成商業(yè)價值。我國是一個世界大國，在高科技領(lǐng)域也應(yīng)占據(jù)一席之地，汽車的智能化是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，在這種情況下研究智能避障小車具有深遠意義。本智能小車的前景就可用于未來的智能汽車上了，當(dāng)駕駛員因瞌睡或疏忽時這樣的智能汽車的設(shè)計就能體現(xiàn)出它的作用。如果汽車偏離車道或距離障礙物小于安全距離時，汽車就會發(fā)出報警，如果駕駛員沒有及時作出反應(yīng)，汽車就會自動減速或停止。這樣的小車同樣可以用于月球探測的無人探月車，幫助我們傳達月球上的信息，讓我們更加的了解月球。 該智能小車是機器人的典型代表。它有三大部分組成：傳感器檢測模塊、驅(qū)動電路和單片機模塊。機器人要實現(xiàn)自動避障功能，還可以發(fā)展循跡功能，感知引導(dǎo)物和障礙物?？梢詫崿F(xiàn)小車自動識別路線，選擇正確的路線，還可以檢測到障礙物自動躲避。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能機器人在各方面的應(yīng)用也越來越廣泛。這是一個蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，在各方面都有很大的發(fā)展空間，它將會向著更高定位精度發(fā)展，隨著智能機器人技術(shù)的進步，機器人將從具有單一的判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能、創(chuàng)新能力的全智能化機器人。 雖說目前我們對智能機器人的研究尚處于探索階段，但是我們已經(jīng)取得了很多不凡成就。在70年代，斯坦福研究院研制出了名叫Shakey的自主智能機器人。目的是研究復(fù)雜環(huán)境下機器人的自主推理、規(guī)劃和控制能力。同時，首個步行機器人也研制成功，對此種機器人結(jié)構(gòu)的研究是為了解決機器人在不平整地理狀況下的運動問題。在此基礎(chǔ)上，研制成功了多足步行機器人，其中最著名的是General Electric Quadruped的步行機器人。 從80年代開始美國國防高級研究計劃局專門立項制訂了地面無人作戰(zhàn)平臺戰(zhàn)略計劃。如DARPR的“戰(zhàn)略計算機”計劃中的自主地面車輛計劃。能源部制訂了為期十年的機器人和智能系統(tǒng)計劃，以及后來的空間機器人計劃。美國NASA研究的火星探測機器人于1997年登上了火星。為了在火星上進行距離探測，又開始了新一代樣機的研制，命名為Rocky7，并在Lavic湖的巖溶流上和干枯的湖床上進行了成功的實驗。美國的MDARS項目是在著名的保安機器人ROBART的基礎(chǔ)上建立的一個多智能機器人平臺，后來在指定地點執(zhí)行巡邏任務(wù)。 德國研制了一種輪椅機器人，并在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境中和1998年漢諾威工業(yè)商品展覽會大廳環(huán)境中進行了超過36消失的考驗，所表現(xiàn)出的性能是其它現(xiàn)存的輪椅機器人和智能機器人所不可比的。日本開發(fā)出協(xié)助盲人行走的導(dǎo)盲機器人LZI. 清華大學(xué)智能機器人于1994年通過鑒定，涉及到五個方面的關(guān)鍵技術(shù)：基于地圖的全局路徑規(guī)劃研究；基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃研究；路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)研究；傳感器技術(shù)、信息融合技術(shù)研究；智能機器人的設(shè)計和實現(xiàn)。另外，還有中國科學(xué)院沈陽自動化研究所的AGV和防爆機器人；中國科學(xué)院自動化所自行設(shè)計制造的全方位智能機器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)于1996年研制成功了導(dǎo)游機器人。 1.3 單片機及直流電機的發(fā)展 單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等共跟那個集成到一塊硅片上的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)。從上世紀(jì)80年代的4位、8位單片機，發(fā)展到現(xiàn)在的300M的高速單片機。 目前單片機已經(jīng)參與到我們生活的各個領(lǐng)域，很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的影子。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機上不同儀表的控制，計算機的通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的控制和數(shù)據(jù)處理，各種IC卡，豪華汽車的安全系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動型洗衣機控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領(lǐng)域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機械了。因此，單片機的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計算機應(yīng)用與智能化控制的高科技人才。 單片機的誕生是計算機發(fā)展史上的又一個里程碑。近年來，隨著高科技技術(shù)的發(fā)展，以及市場對產(chǎn)品功能和性能的要求不斷提高，直流電動機的應(yīng)用更加廣泛，尤其是在智能機器人中的應(yīng)用。而作為其核心單片機，正朝著多功能、高速度、低功耗、大存儲容量和強I/O功能等方向發(fā)展。隨著計算機功能的不斷完善，單片機已更加廣泛地應(yīng)用在各種領(lǐng)域的自動化、智能化等方面，特別是在直流電動機的調(diào)速控制系統(tǒng)中。單片機具有體積小、功能全、抗干擾能力強、可靠性高、結(jié)構(gòu)合理、指令豐富、控制功能強，造價低等優(yōu)點。所以選用單片機作為控制系統(tǒng)的核心。直流電機PWM控制系統(tǒng)的主要功能包括：對直流電機的加速、減速，能夠很方便的實現(xiàn)電機的智能控制。直流電機PWM控制模塊電路主要由STC89C52單片機的I/O端口、定時計數(shù)器、外部中斷擴展等控制直流電機的加速、減速以及轉(zhuǎn)彎，并且可以調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速。其間是通過STC89C52單片機產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號輸入到L298驅(qū)動芯片來控制直流電機工作。 早期直流傳動控制由模擬分離器件構(gòu)成，由于模擬器件有其固有的缺點，如存在溫漂電壓、零漂電壓等，使得模擬直流傳動的控制系統(tǒng)精度以及可靠性都比較低。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，微處理器已經(jīng)越來越多的應(yīng)用于直流傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)了全數(shù)字化控制。微處理器已數(shù)字信號工作，控制手段靈活方便，抗干擾能力強。所以，直流傳動控制采用微處理器實現(xiàn)全數(shù)字化，使直流調(diào)速系統(tǒng)進入一個嶄新的時代。 隨著集成電路級超大規(guī)模集成電路制造工藝的發(fā)展，微處理器性價比越來越高。此外，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，制作工藝的提升，使得大功率電子器件的性能大大提高。使微處理器普遍用于控制電機成為可能，利用微處理器控制電機完成各種新的、高性能的控制策略，使電機的各種能力得到充分發(fā)揮，使電機的性能更符合工業(yè)生產(chǎn)使用要求，還促使了電機生產(chǎn)商研發(fā)出各種如步進電機、無刷直流電機、開關(guān)磁阻電動機等便于控制且使用的新型電機。對于簡單的微處理器控制電機，只需利用微處理器控制繼電器、電子開關(guān)元器件，使電路開通或關(guān)斷就可實現(xiàn)對電機的控制。現(xiàn)在帶微處理器的可編程控制器已經(jīng)在各種機床設(shè)備和各種生產(chǎn)流水線中普遍應(yīng)用，通過對可編程控制器進行編程就可以實現(xiàn)對電機的自動化控制。對于復(fù)雜的微處理器控制電機，則要利用微處理器控制電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等，使電機按給定的指令工作。通過微處理器控制，可使電機的性能有很大的提高。 交流電機，不論是異步電動機還是同步電動機，結(jié)構(gòu)都比直流電機簡單，工作也比直流電機可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運行時，它們的速度不能方便的調(diào)節(jié)。高性能的微處理器的實現(xiàn)，為采用新的控制理論和控制策略提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，使電機傳動的自動化程度大大提高。 1.4 課題主要研究內(nèi)容 系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為核心控制單元，小車車體前方的紅外線傳感器檢測前方障礙物，用于判斷是否需要轉(zhuǎn)彎，防止小車碰到障礙物。 本設(shè)計題目為基于單片機的自動避障小車設(shè)計，主要研究小車的避障功能，小車遇到障礙物時，當(dāng)距離障礙物大于25cm，PWM信號自增，驅(qū)動電機加速，小車加速前進，當(dāng)小于15cm時，PWM信號自減，驅(qū)動電機減速，小車減速前進，并且小車采取相應(yīng)的避障措施。這里探測裝置必不可少，因為紅外在距離檢測方面的準(zhǔn)確定位。所以采用紅外線傳感器作為探測裝置。運用單片機搭建控制電路，把紅外信號接到單片機上，通過單片機對信號的檢測和處理，控制外圍電路使小車轉(zhuǎn)向，來避開障礙物。通過H橋驅(qū)動電路來控制電機的轉(zhuǎn)向和前進。 2 工作原理及總體設(shè)計 2.1 工作原理 在這里我們采用STC89C52作為控制電路，把兩個紅外信號接到單片機上，通過單片機對信號的接收和處理，控制外圍電路使小車轉(zhuǎn)向，來避開障礙物。通過H橋驅(qū)動電路來控制電機的轉(zhuǎn)向和前進。通過為微控制芯片對數(shù)據(jù)進行處理，處理速度遠遠滿足小車的運行和避障的需求。也可以通過編寫不同的程序，增加模塊來增加小車的功能。 本小車使用STC89C52單片機作為主控芯片，它通過紅外線傳感器獲知前方的障礙物情況，若不存在障礙物，小車直線前進；若左前方發(fā)現(xiàn)障礙物，左前放的紅外傳感器將信號傳給單片機，單片機作出處理后控制小車向右轉(zhuǎn)彎以躲開障礙物；若右前方發(fā)現(xiàn)障礙物，右前放的紅外傳感器將信號傳給單片機，單片機作出處理后控制小車向左轉(zhuǎn)彎以躲開障礙物；若正前方發(fā)現(xiàn)障礙物，則兩個紅外傳感器將信號傳給單片機，單片機作出處理后控制小車倒車至合適距離后，通過傳感器傳來的信號決定轉(zhuǎn)彎方向，以躲開障礙物。 2.2 總體設(shè)計 通過學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)資料可了解到，紅外測模塊是系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，紅外檢測方案的好壞直接關(guān)系到整體性能的優(yōu)劣，因此確定紅外檢測方案是總體方案的關(guān)鍵。 檢測使用的紅外傳感器是專業(yè)的紅外避障傳感器，當(dāng)有障礙物時，它能夠反映出電平高低的變化，而且更加廉價易得，適合簡單的避障。系統(tǒng)總體設(shè)計方框圖如圖2-1所示。 圖2-1 系統(tǒng)總體設(shè)計方框圖 根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計，系統(tǒng)包括以下模塊：STC89C52主控模塊、L298N電機驅(qū)動模塊、電源模塊、紅外檢測模塊等。各模塊作用如下： STC89C52主控模塊，作為整個智能小車的“大腦”，將根據(jù)傳感器的信號，控制算法做出控制決策，驅(qū)動直流電機等完成對智能小車的控制。 電源模塊，為整個系統(tǒng)提供合適而又穩(wěn)定的電源。 紅外檢測模塊，檢測障礙信號，為單片機提供前方道路信息。 電機驅(qū)動模塊，驅(qū)動直流電機完成智能車的加減速和轉(zhuǎn)向控制。 3 硬件設(shè)計 3.1 小車車體設(shè)計 小車的車體是整個智能小車的載體，在這個載體上，添加合適的控制單元以實現(xiàn)智能化，因此這個小車車體需要符合相關(guān)的設(shè)計要求。我們有以下兩種方案可以考慮： 方案1： 市場上存在很多不同型號的電動玩具小車，這種小車都有完整的車體和車輪以及電機和驅(qū)動電路。但是這種小車存在很多的缺點，由于是成品電動玩具車，一般都是裝配緊湊，要想在其才車體上安裝用于檢測的傳感器十分困難。還有就是這種小車一般采用的都是前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動的模式，不能方便迅速的進行原地90度或180度旋轉(zhuǎn)。而且這種電動玩具車多為直流電機，力矩小，負載性能差，且不易調(diào)速，因此我們放棄了此方案。 方案2： 買現(xiàn)成的車模。經(jīng)過反復(fù)考慮論證，我們制定了買左右兩輪分別驅(qū)動，后萬向輪轉(zhuǎn)向的車模方案。即左右輪分別用兩個轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的直流減速電機進行驅(qū)動，后裝一個萬向輪。這樣，當(dāng)兩個直流電機轉(zhuǎn)向相反同時轉(zhuǎn)速相同時就可以實現(xiàn)電動車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松的實現(xiàn)小車坐標(biāo)不變的90度和180度的轉(zhuǎn)彎。 綜上考慮，本設(shè)計選擇方案2。 3.2 電源模塊 本設(shè)計為避障小車的設(shè)計，由于小車需要獨立運行進行避障，因此系統(tǒng)采用電池供電，我們考慮了如下幾種方案為系統(tǒng)供電。 方案1： 采用12V蓄電池為系統(tǒng)供電。蓄電池具有較強的電流驅(qū)動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。但是蓄電池的體積過于龐大，在小型電動車上使用極為不方便。因此我們放棄了此方案。 方案2： 采用6節(jié)1.5 V干電池共9V做電源，經(jīng)過7805的電壓變換后為單片機，傳感器供電。經(jīng)過實驗驗證小車工作時，單片機、傳感器的工作電壓穩(wěn)定能夠滿足系統(tǒng)的要求，而且電池更換方便。 綜上所述，本設(shè)計采用方案2 3.3 電機驅(qū)動模塊 電機的驅(qū)動模塊是小車運行的基礎(chǔ)，也是小車實現(xiàn)自動避障的實現(xiàn)方法，因此合適的電機驅(qū)動模塊就顯得尤為重要。我們有以下幾種方案可以考慮。 方案1： 利用繼電器控制電機，通過繼電器的開關(guān)來切換小車的速度，此方案電路簡單，但是其有嚴重缺點，就是繼電器的響應(yīng)時間較長，不利于小車較為精準(zhǔn)的躲避障礙，且易損壞,壽命較短,可靠性不高。 方案2： 利用電阻或者電位器控制電機，電阻或電位器控制電機的電壓，進而達到控制電機速度的目的。但是，數(shù)字電阻元器件成本較高，且電機的電流較大，采用分壓的方法會降低效率，而且是指操作困難。 方案3： 利用三極管控制電機，三極管控制電機的電路原理簡單，而且加速性能強，利用功率三極管組成的H型橋式電路如下圖3-1所示。 圖3-1 H型橋式電路 用單片機控制功率三極管在占空比可調(diào)的狀態(tài)下工作，精準(zhǔn)的對電動機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)整。H型橋式電路工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高，H型橋式電路保證了簡單的實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速大小和運行方向的控制，由于電子三極管的開關(guān)速度很快，其穩(wěn)定性也極強，是被廣泛采用的 PWM調(diào)速技術(shù)?，F(xiàn)市面上有很多此種芯片，我選用了L298N，L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，該驅(qū)動芯片的工作頻率較高，而且一枚芯片可以控制兩個直流電機的運行，還具有控制使能端。利用該芯片作為電機驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能可靠優(yōu)良。 因此本設(shè)計選用方案3。 3.4 電機模塊 本系統(tǒng)為智能自動巡航電動車，對于電動車來說，其驅(qū)動輪電機的選擇就顯得十分重要。我們綜合考慮了一下兩種方案。 方案1： 采用步進電機，步進電機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅(qū)動器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護單元等組成。驅(qū)動單元與步進電動機直接耦合，也可理解成步進電動機微機控制器的功率接口。雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但用好步進電機實非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。且步進電機輸出力矩低，轉(zhuǎn)速升高力矩會下降，在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于有特定速度要求的系統(tǒng)。綜合比較考慮，我們放棄了此方案。 方案2： 采用直流減速電機。直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生大扭力。能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，因此本設(shè)計選擇此方案。 3.5 檢測模塊 檢測模塊，是小車自動避障的“眼睛”，它的存在至關(guān)重要，它為單片機提供障礙信號，為小車的運行提供參考數(shù)據(jù)。檢測的方法很多，比如超聲波檢測、紅外線檢測等，綜合考慮，紅外線線檢測更加實用，因此我們采用紅外線檢測，市場上有現(xiàn)成的紅外E18-D50NK光電開關(guān)，完全符合我們本次設(shè)計的要求，且使用簡單，因此我們采用這種紅外避障傳感器作為檢測模塊。 3.6 最終方案 經(jīng)過反復(fù)論證，最終確定如下方案： 1、車模用兩驅(qū)車模。 2、采用STC89C52單片機作為主控制器。 3、用6節(jié)干電池供電。 4、用紅外E18-D50NK光電開關(guān)進行避障巡航。 5、L298N作為直流電機的驅(qū)動芯片。 4 硬件實現(xiàn)及單元電路設(shè)計 4.1 主控制模塊 主控制最小系統(tǒng)電路圖如圖4-1所示： 圖4-1 最小系統(tǒng)電路圖 4.2 單片機的復(fù)位電路與振蕩電路設(shè)計 本系統(tǒng)采用STC系統(tǒng)列單片機，相比其他系列單片機具有很多優(yōu)點。一般STC單片機資源比其他單片機要多，而且執(zhí)行速度快；STC系列單片機使用串口對單片機進行燒寫，下載程序較為方便；STC51單片機內(nèi)部集成了看門狗電路；且具有很強抗干擾能力。 單片機的置位和復(fù)位，都是為了把電路初始化到一個確定的狀態(tài)，一般來說，單片機復(fù)位電路作用是把一個例如狀態(tài)機初始化到空狀態(tài)，而在單片機內(nèi)部，復(fù)位的時候單片機是把一些寄存器以及存儲設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的一個值。 單片機復(fù)位電路原理是在單片機的復(fù)位引腳RST上外接電阻和電容，實現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個機器周期以上時復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時間必須大于單片機的兩個機器周期。具體數(shù)值可以由RC電路計算出時間常數(shù)。 復(fù)位電路由上電復(fù)位和上電與按鍵均有效的復(fù)位兩種基本形式。 上電復(fù)位要求接通電源后，單片機自動實現(xiàn)復(fù)位操作。上電瞬間RST引腳獲得高電平，隨著電容器的充電，RST引腳的高電平將逐漸下降。RST引腳的高電平只要能保持足夠的時間（2個機器周期），單片機就可以進行復(fù)位操作。 上電與按鍵均有效復(fù)位其原理和上電復(fù)位基本相同，另外在單片機運行期間，還可以利用按鍵完成復(fù)位操作。 本系統(tǒng)采用上電與按鍵均有效的復(fù)位電路，如下圖4-2所示： 圖4-2 復(fù)位電路 單片機系統(tǒng)里都有晶振，在單片機系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，單片機的運行速度也就越快，單片機執(zhí)行的所有指令都要依賴于這種時鐘頻率。 一般工作條件下，普通晶振頻率絕對精度一般可達百萬分之五十。高級晶振頻率的精度更高。壓控振蕩器（VCO）可以在外加電壓的作用下于一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率。晶振用一種能把電能和機械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。 單片機晶振是為了給系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。一般情況下一個系統(tǒng)共用一個晶振，以便于各部分保持同步。在部分特殊情況下使用不同的晶振，但是要通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。 晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供。 STC89C52使用11.0592MHz的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個容量在15pF至50pF之間的電容即可，如圖4-3所示。 圖4-3 振蕩電路 由于單片機P0口內(nèi)部不含上拉電阻，為高阻態(tài)，不能正常地輸出高/低電平，因而該組I/O口在使用時必須外接上拉電阻。 4.3 電源設(shè)計 電源部分的設(shè)計主要采用7805芯片，使用7805芯片搭建的電路的優(yōu)點是簡單、實用，7805三端穩(wěn)壓IC內(nèi)部電路具有過壓保護、過流保護、過熱保護功能，這使它的性能很穩(wěn)定。能夠?qū)崿F(xiàn)1A以上的輸出電流。器件具有良好的溫度系數(shù)，因此產(chǎn)品的應(yīng)用范圍很廣泛，而且價格便宜。并且完全能夠滿足壁障小車單片機控制系統(tǒng)和L298N芯片的邏輯供電的供電需要。 7805芯片有3個引腳，分別為輸入IN端、輸出OUT端和接地GND端，通常情況下可以提供1.5A的電流，在散熱足夠的情況下可以提供大于1.5A的電流。7805芯片的輸入電壓可以為9V、12V、15V不等，輸出電壓穩(wěn)定在5V，正負誤差不超過0.2V。7805芯片如圖4-4所示。 圖4-4 7805芯片 基于這樣的情況再結(jié)合電機的工作電壓，選取了6節(jié)干電池9V作為7805的輸入電源，搭建的電源部分電路如下圖4-5所示： 圖4-5 系統(tǒng)電源模塊電路圖 4.4 驅(qū)動電路 電機驅(qū)動一般采用H橋式驅(qū)動電路，L298N內(nèi)部集成了H橋式驅(qū)動電路，從而可以采用L298N電路來驅(qū)動電機。通過單片機給予L298N電路PWM信號來控制小車的速度，起停。其引腳圖如圖4-6所示，驅(qū)動電路原理圖如圖4-7所示。 圖4-6 L298N芯片引腳圖 圖4-7 驅(qū)動電路原理圖 4.5 E18-D50NK光電開關(guān)避障模塊 本系統(tǒng)對障礙物的檢測采用E18-D50NK型號的紅外傳感器，E18-D50NK傳感器是一種紅外線反射式接近開關(guān)傳感器，用于物體的反射式檢測，該傳感器具有體積小，功耗低，應(yīng)用方便，穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。輸出信號為數(shù)字量，不需要進行A/D轉(zhuǎn)換，可直接與單片機的I/O口相連，檢測到目標(biāo)時信號線輸出是低電平，正常狀態(tài)時為高電平，為能讓單片機正常檢測，在信號輸出端需外接一個1KΩ上拉電阻。檢測距離可達50cm，距離可通過可調(diào)電位器調(diào)節(jié)。 圖4-8 E18-D50NK光電開關(guān) 光電開關(guān)E18-D50NK的技術(shù)參數(shù): 1、輸出電流 DC/SCR/繼電器 Control output：100mA/5V供電 2、消耗電流 DC<25mA 3、響應(yīng)時間 <2ms 4、指向角：≤15,有效距離3-50CM可調(diào) 5、檢測物體：透明或不透明體 6、工作環(huán)境溫度：-25℃~+55℃ 7、標(biāo)準(zhǔn)檢測物體：太陽光10000LX以下 白熾燈3000LX以下 8、外殼材料：塑料 電氣特性： U:5VDC I:100mA Sn:3-50CM 尺寸： 直徑:17MM 傳感器長度:45MM 引線長度:45CM 其工作原理如圖4-9所示： 圖4-9 光電開關(guān)工作原理圖 E18-D50NK紅外光電開關(guān)發(fā)射出紅外線，被物體阻斷或部分反射，E18-D50NK內(nèi)部紅外接收管接收到反射回來的紅外線，然后有一個由高到低的電壓變化，E18-D50NK內(nèi)部電壓比較器根據(jù)這個電壓的變化輸出數(shù)電信號給單片機處理。當(dāng)有光線反射回來時E18-D50NK信號腳輸出低電平。 4.6 紅外光電開關(guān)傳感器的安裝 我們所設(shè)計的紅外光電傳感器在每一側(cè)都有一個，為了可以全面的檢測前方障礙物的實際情況，傳感器的安裝方向為略向外15度。 紅外光電傳感器的實物安裝圖如圖4-10所示： 圖4-10 紅外光電傳感器安裝圖 4.7 小車車體總體設(shè)計 本系統(tǒng)共設(shè)計兩個減速電機，分別置于車體兩端控制左右車輪；后輪使用萬向輪，維持車身平衡；E18-D50NK紅外光電開關(guān)置于車體前方左右兩邊；電池盒置于主板下方。小車車體設(shè)計如圖4-11所示： 圖4-11 小車整體設(shè)計圖 5 軟件設(shè)計與仿真調(diào)試 該方案的編程思路是先確定主程序，之后根據(jù)各硬件電路功能來設(shè)計子程序模塊，最后再將各模塊嵌入主程序中。這樣編程結(jié)構(gòu)簡單，由于子程序模塊與硬件電路一一對應(yīng)，所以調(diào)試起來十分方便。本設(shè)計軟件方框圖如圖5-1所示。 圖5-1 軟件設(shè)計方框圖 5.1 主程序流程 微機控制系統(tǒng)的設(shè)計，除了系統(tǒng)的硬件設(shè)計，大量的工作是根據(jù)各生產(chǎn)設(shè)計應(yīng)用的實際需要怎樣的對象。因此，軟件設(shè)計占據(jù)了計算機控制系統(tǒng)設(shè)計的重要地位。 單片機中的程序是控制整個系統(tǒng)的最重要的一部分，所有的控制系統(tǒng)中，程序的重要性是毋庸置疑的，要想寫出合理的正確的程序，首先要做的是成功設(shè)計出對應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備的控制程序的流程圖，也只有有完善合理的流程圖后，后續(xù)的編寫程序就會順利很多。此次設(shè)計的智能避障小車為簡單的設(shè)計，經(jīng)我們多方設(shè)計，確定其主程序流程圖如圖5-2所示。 圖5-2 系統(tǒng)流程圖 5.2 Keil uVision3環(huán)境 Keil軟件是眾多單片機應(yīng)用開發(fā)的軟件之一，keil uVision3不僅支持許多品牌的單片機，還支持ARM的開發(fā)，Keil uVision3內(nèi)嵌C編程器/匯編器/工程管理器/調(diào)試器等功能模塊，是一款穩(wěn)定可靠的開發(fā)工具，適用于不同層次的用戶，能夠滿足從專業(yè)的應(yīng)用開發(fā)工程師到初學(xué)嵌入式軟件開發(fā)的學(xué)生的所有使用要求。類似于8051的智能平臺將大幅度縮短開發(fā)周期，各大半導(dǎo)體廠商的所有ARM型號將逐一得到全面支持。還增添了一些更具人性化的功能，使初學(xué)者易學(xué)易懂。 Keil的使用 第一步 單擊Keil uVision3圖標(biāo)，出現(xiàn)如圖5-3所示界面： 圖5-3 Keil uVision3開始界面 第二步 新建工程 1、 單擊“文件”菜單，在下拉菜單中“新建”中選擇“新建工程”。 2、 選擇保存路徑，輸入工程名，點擊保存。 保存后會彈出如下圖5-4所示的對話框，單擊Atmel選項，選擇下拉菜單的STC89C52,單擊確定。 圖5-4 芯片選擇界面 這時出現(xiàn)下面的對話框，單擊“否”選項。 4、單擊“文件”菜單，選擇下拉菜單中的“新建”選項中的“新建文件”，然后單擊“文件”菜單下的“保存”，出現(xiàn)保存對話框，輸入“文件名.c”或“文件名.asm”單擊保存，注：如果用C語言編寫程序文件的擴展名是.c，如果用匯編語言編寫程序文件的擴展名是.asm。 5、添加文件 右擊Target 1菜單下Source Group1，選擇其下拉菜單中的Add Files-選項，這時會出現(xiàn)添加文件對話框，單擊“.c”文件，之后單擊“Add”，當(dāng)“Source Group1”文件前出現(xiàn)加號，說明添加文件成功，然后單擊“Close”。 6、 在空白處編輯程序，并編譯程序。 編譯步驟如下： 第一步 單擊Project下拉菜單的Translate選項； 第二步 單擊Project下拉菜單的Build Target選項； 第三步 單擊Project下拉菜單的Rebuild all target files選項。 編譯完成之后，軟件的Output Window窗口會出現(xiàn)“0Error(s)，0Warning(s)”，說明編譯成功。 7、 生成HEX文件 右擊Project Workspace窗口下的Target 1,單擊下拉菜單中的“Options for Target ‘Target 1’”，出現(xiàn)下面對話框，選中Output選項卡下的“Create HEX File”單擊確定。 單擊確定后，再單擊Project下拉菜單的Rebuild all target files選項，“Output Window”會出現(xiàn)“Greating hex file form--”如圖所示，HEX文件成功生成。 5.3 單片機程序燒寫 打開STC下載軟件，此時出現(xiàn)如下圖5-5操作界面： 圖5-5 程序燒寫界面 1、將單片機與計算機連接起來，打開單片機電源； 2、單擊STC-ISP.EXE圖標(biāo)，出現(xiàn)上圖對話框； 3、在上圖“單片機型號”選擇與所使用單片機相同型號的單片機； 4、在上圖“最高最低波特率”處選擇與程序相對應(yīng)的波特率，一般默認的波特率為115200； 5、打開HEX文件，單擊上圖“打開程序文件”選項，按照文件設(shè)置的保存路徑選用編譯成功的擴展名為HEX的文件，打開文件； 6、單擊“下載/編程”按鈕，下載程序。 5.4 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試 本設(shè)計的智能避障小車，一共分為四大模塊。分別是單片機主控模塊、電機驅(qū)動模塊、紅外檢測模塊和電源模塊。其中的電源模塊和紅外檢測模塊采用現(xiàn)成的實物，無需焊接。單片機主控模塊的電路部分相對簡單，對于焊接只要多加練習(xí)就可以了，但單片機的電路系統(tǒng)出現(xiàn)一處錯誤，就會對后來的檢測造成極大的不便，而且電路的交叉線較多，對于各種鋒利的引腳都要注意處理，防止刺破帶有包皮的導(dǎo)線，造成短路現(xiàn)象。 在小車的測試中，首先將電機控制小程序燒錄入單片機，通電后測試控制電機的正反轉(zhuǎn)以及停止均正常。說明電機及驅(qū)動電路無誤。然后在程序中加入避障子程序，在小車運轉(zhuǎn)正常時，調(diào)節(jié)避障效果的靈敏度達到理想效果。在調(diào)試程序時，發(fā)現(xiàn)有的指令不正確，導(dǎo)致電路功能不能完全實現(xiàn)，另外軟件程序中的延時過長或過短等類似問題，都可以通過調(diào)試來解決。最后測試出合理的正確的程序，燒入單片機后，組裝出整車，完成小車的實物制作和整車驗收。 結(jié)束語 本智能小車電路在硬件上采用了E18-D50NK紅外光電開關(guān)組成的避障傳感器來避障。由于采用了6節(jié)干電池供電使系統(tǒng)的抗干擾性得到加強。在軟件上，充分利用了STC89C52的系統(tǒng)資源，使智能小車完美的實現(xiàn)了障礙物檢測、避開障礙物自動巡航等功能。 本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，系統(tǒng)反映快速靈活，硬件電路由可拆卸模塊拼接而成有很大的擴展空間。經(jīng)實驗測試，該智能小車設(shè)計方案正確、可行，各項指標(biāo)穩(wěn)定、可靠。 雖然智能小車系統(tǒng)有很多優(yōu)點，但在設(shè)計當(dāng)中也存在著一些不足。由于紅外光電開關(guān)有檢測死角，對很小的障礙物難以檢測出來，所以在使用中需要注意障礙物大小。 通過這次對作品的制作，使我學(xué)到許多東西，不管軟件方面還是硬件方面都需要掌握，還有合作協(xié)調(diào)方面，動手能力，調(diào)試時候注意的事項，都有著很大的要求，使我收獲頗大。 致 謝 歷時幾個月的畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)結(jié)束。通過自己不斷的努力以及老師的耐心指導(dǎo)和熱情幫助，本設(shè)計已經(jīng)完成。在這段時間里，老師嚴禁的治學(xué)態(tài)度和熱忱的工作作風(fēng)令我十分欽佩，他的指導(dǎo)使我受益匪淺。 俗話說興趣是最好的老師，在這次畢業(yè)設(shè)計中我深深的體會到了興趣所帶給我的動力。我們都是從小孩子過來的，都有著一段奇特的童年經(jīng)歷，我們都有著各式各樣的小玩具，我們總是嘆服人家的智慧，覺得人家有多么的了不起，能設(shè)計出那么好的東西，有些事我們想做但是總是缺少勇氣。但經(jīng)過此次設(shè)計后我將不再害怕，我在此次設(shè)計之前就打定主意為自己制作一個玩具，但這個過程是艱辛的，為了這次設(shè)計，我查閱了很多的資料，了解了很多關(guān)于單片機、驅(qū)動電路等方面的知識，也去學(xué)習(xí)了那些枯燥的編程。這些不僅僅使我成功的設(shè)計制作出了此次的設(shè)計內(nèi)容，也將為我以后這方面的生活、工作帶來巨大的收益。我熱愛這次設(shè)計，喜歡那種成功之后的喜悅。我會把這種精神帶到以后的工作生活中，讓自己更加的充實。 通過此次畢業(yè)設(shè)計，使我深刻的認識到了學(xué)好一門專業(yè)知識的重要性，也了解了理論聯(lián)系實際的含義，并且檢驗了我大學(xué)四年的學(xué)習(xí)成果。雖然在這次設(shè)計中對于知識的運用不夠熟練。但我將在以后的工作和學(xué)習(xí)中繼續(xù)努力、不斷完善。這幾個月的設(shè)計是我對過去所學(xué)知識的系統(tǒng)提高和擴充的過程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。 由于自身水平和專業(yè)知識有限，設(shè)計中仍舊存在諸多不足之處，敬請各位老師批評指正。 參考文獻 [1] 常健.檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999 [2] 李科杰.新編傳感器技術(shù)手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002 [3] 王之芳.傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].西安：西安工業(yè)大學(xué)出版社，1996 [4] 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delay_1ms(380); } else if(biz_l == 0) //左邊傳感器都有障礙物時，先停下然后再右轉(zhuǎn) { stop(); delay_1ms(100); right_s(); delay_1ms(200); } else if(biz_r == 0) //右邊傳感器都有障礙物時，先停下然后再左轉(zhuǎn) { stop(); delay_1ms(100); left_s(); delay_1ms(200); } go(); } /***************主函數(shù)*****************/ void main() { while(1)