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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，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)檢測障礙物信息，采用AT89S51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，避障用的傳感器采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 智能小車采用前輪驅(qū)動(dòng)，前輪左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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)測定速度并顯示，在避障小車前進(jìn)的同時(shí)從LCD點(diǎn)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AT89S51為電路的中央處理器，來處理傳感器采集來的數(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。市場上很多紅外光電探頭也都是基于這個(gè)原理。這樣不但能準(zhǔn)確完成測量，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)勢大，市場上很多紅外觀點(diǎn)探頭也都基于這個(gè)原理。其電路簡單，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 　 √ 右轉(zhuǎn) 0 0 1 　 √ 右轉(zhuǎn) 0 1 0 　 √ 右轉(zhuǎn) 0 1 1 　 √ 右轉(zhuǎn) 1 0 0 √ 　 左轉(zhuǎn) 1 0 1 　 √ 右轉(zhuǎn) 1 1 0 √ 　 左轉(zhuǎn) 1 1 1 　 　 前進(jìn) 注解（“0”表示有障礙物； “1”表示無障礙物） 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)Cln2 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，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。 電源電路擬定為： 7.電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 市場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。 由于普通直流電機(jī)價(jià)格適宜，更易于購買，并且電路相對(duì)簡單，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)。 驅(qū)動(dòng)電路原路框圖如下： 電路圖如下： 注釋：將圓盤12等分 半徑2CM，周長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)距離 為S ,則：速度V大小為S 。 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 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0030H MAIN: MOV P2,#0FFH MOV P1,#1FH ;前進(jìn) MOV TMOD,#10H MOV R1,#0C8H SETB TR1 TIME:MOV 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 ORL C, P3.4 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 ;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 MOV B, R7 MUL AB ;計(jì)算總弧長 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1 INC A CLR C LOOP8: DA A ;十進(jìn)制調(diào)整 MOV R6, A JNC LOOP9 INC 70H ;十進(jìn)制調(diào)整如果CY被置1，70H賦值1 CLR C LOOP9: MOV A, R6 ;解釋R6，R5分別表示總長的高位和低位 ANL A, #0F0H ;取R6的高四位，賦給71H SWAP A MOV 71H, A MOV A, R6 ANL A, #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 MOV A, 10000000B ACALL WC51R MOV A, "G" ACALL WC51DDR MOV A, "0" ACALL WC51DDR MOV A, " " ACALL WC51DDR MOV A, "A" ACALL 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 MOV A, 71H 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 ;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,LOOP3 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 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 ACALL WC51R MOV A, #00111000B ;使用8位數(shù)據(jù) LCALL WC51R 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 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 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, ACC 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系列光電開關(guān)作為檢測元件，AT89S51單片機(jī)作為主控芯片，完成了小車避障功能的實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)應(yīng)用LCD顯示狀態(tài)，本設(shè)計(jì)不僅對(duì)于了解單片機(jī)的結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計(jì)及控制功能有一定的幫助，還有益于誘發(fā)學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣。 參考文獻(xiàn) 【1】 李朝青．單片微機(jī)原理及接口技術(shù)（第三版）。 [M]北京航空航天大學(xué)出版社 【2】 閻 石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（清華大學(xué)電子學(xué)教研組編 第五版） 高等教育出版社 【3】 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版） 高等教育出版社 【4】 《無線電》2009年第2期 宋澤清 關(guān)于靈活避障 快速循跡 【5】 楊加國 單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì) 清華大學(xué)出版社