循迹避障智能小车设计.docx
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循迹避障智能小车设计
摘要
本系统以设计题目的要求为目的，采用80C51单片机为控制核心，利用红外线传感器进行寻线，控制电动小汽车的自动循迹，并再通过光电开关探测障碍，从而控制电机转向，实现进行壁障功能。
整个系统的电路结构简单，可靠性能高，实验测试结果满足要求。
本文着重叙述了该系统的硬件设计方法、软件设计方法及测试结果分析。
小车运行方案，在现有玩具电动车的基础上，加装红外线光电开关模块和红外寻线模块，实现对电动车位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。
关键词：
80C51单片机、红外线传感器、光电开关、电动小车
Abstract
Thesystemrequirementsofthedesignprojectforthepurposeofthe80C51microcontrollerforthecontrolofthecore,theuseofthehuntandinfraredsensors,automaticobstacleacoidancecontrolofelectriccars,andthephotoelectricswitchtothebarrierfunction.Theelectriccircuitconstructionofwholesystemissimple,thefunctionisdependable.Experimenttestresultsatisfytherequest,thistextemphasizesintroducedthehardwaresystemdesignsandtheresultanalyse.Carisrunningtheprogram,undertheexistingtoyelectriccar,basedontheinstallationofsupersonicsensorandinfraredsensors,toachievethelocationofelectricvehicles,operationalstatusofthereal-timemeasurement,andmeasurementdatasenttothemicrocontrollerforprocessing,thenSCMdetectedaccordingtoavarietyofdatatoachieveintelligentcontrolofelectricvehicles.
Keywords:
80C51singlechipcomputer,infraredsensors,photoelectricswitch,theelectriccar
Contents
第1章绪论
随着生产自动化的发展，机器人已经越来越广泛地应用到生产自动化上，随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。
智能小车的研究、开发和应用涉及传感技术、电气控制工程、智能控制等学科，智能控制技术是一门跨学科的综合性技术，当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。
本课题所设计的智能小车，既具有操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成灵活运动的自动化生产设备。
随着工业自动化的不断发展,工业机器人被广泛应用于工业生产的各个部门,如采掘、喷涂、焊接、医疗等各大领域。
由于工业机器人的出现,它不断替代了人们的繁重劳动,大大提高了劳动生产率,减轻了人们的劳动强度,此外,它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作,日益体现出它的优越性。
智能控制小车模拟机器人的运作，可以通过自己的动手排除故障，更加可以给学生一个实践操作的空间，加强学生的动手能力和思维能力。
在制作的产品中，发现一些比较符合实际应用的玩具，而且成本低廉，能够运用实际生产并且有一定的新颖度，有一定的社会需求。
在制作中提高自身对社会需求方向的灵敏度，发现商机，为自己在以后实现创业这个宏伟的目标中打下一个坚实的基础。
1.1研究目的及意义
通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。
在实践过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测障碍、寻线和电机驱动等外围电路，采用智能控制算法实现小车的智能循迹以及避障。
在此过程中，加深对控制理论的理解和认识。
从对红外线、电机驱动和光电开关在智能小车上的应用，可以进一步研发，将红外线技术应用到现实中的车辆上，比如红外线倒车警报系统、红外车辆防盗系统等等很多方面都可以利用。
1.2国内外发展情况
十九世纪末，随着内燃机的诞生，人们发明了最现代化的交通工具——汽车。
经过一个多世纪的发展，汽车技术、性能有了很大的提高，人们充分享受到了汽车带来的巨大便利。
但是，在享受汽车带来便利的同时，人们也发现汽车也给社会的发展带来了不少的损失，甚至危害到了人们的人身安全。
由于公路客运、货运输量的迅速增长，人们深受交通拥挤、堵塞严重事故频繁和环境污染等公害的困挠。
尤其是随着高速公路发展，汽车速度的提高，各类恶性交通事故的发生呈不断上升趋势，给人们的生命财产造成了巨大的损失。
同时，经常性的交通拥挤和环境污染等也给现代城市的可持续发展带来了严重的影响。
这迫使人们采用高、新技术以提高车辆的安全性、可靠性，以解决道路交通的公害问题。
我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪80年代，而且大多数研究尚处于针对某个单项技术研究的阶段。
虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体落后于发达国家，并且存在一定的技术差距，但是我国也取得了一系列的成功。
中国第一汽车集团公司和国服科技大学机电工程与自动化学院于2003年研制成功了我国第一辆自主驾驶轿车。
该自主驾驶轿车的正常交通惊恐下得高速公路上，形式的最高温度速度为12km/h，最高峰值速度可达170km/h，并且具有超车功能，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。
在国外，美国国家科学委员会曾预言：
“20世纪的核心武器是坦克，21世纪的核心武器是无人作战系统，其中2000年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部队，并走向战场。
”为此，从80年代开始美国国防高级研究计划局（DARPA）专门立项，制定了地面无人作战平台的战略计划，目标是研制出满足战场需要的智能车辆，可以在崎岖的地形上沿规划的路线自主导航及躲避障碍，必要时重新规划其路线。
另外，日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划、欧洲尤里卡中的移动机器人计划等。
虽然智能车辆的研究起源于军事的要求，但是在其他领域的应用也有极大的价值，并且在研究上也取得了一定的成果。
在太空探索方面，美国NASA研制的火星探测机器人索杰那于1997年成功登上火星，这是一个具有六个轮子的自主移动机器人。
在民用方面，智能车辆也有许多成功的例子。
如日本的VERTIS智能汽车系统，该智能汽车主要有23个ITSZ子系统，主要用于实现车载通讯、信息加工处理、环境探测、辅助控制（自动驾驶）等四项功能。
另据报道，雷诺正在研制的自动汽车或智能车辆将让汽车能够感知周围环境，如道路状况、附近车辆的距离及行驶速度等，并能根据具体情况及时作出调整车速、校正方向等正确反应。
目前，雷诺公司正在进行红外摄像、雷达、随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。
第2章整体设计框架
2.1方案选择及论证
根据题目要求，系统要实现循线、壁障功能，必须要划分成为六个模块。
对各个模块的实现，分别有以下一些不同的设计方案。
2.1.1控制模块选择
方案一：
采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器，CPLD可以实现各种复杂的功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O资源丰富、易于进行功能扩展。
采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。
但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。
且从使用及经济的角度考虑，最终放弃了此方案。
方案二：
采用凌阳的16位单片机，它是16位控制器，且有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。
处理速度高。
但是当凌阳单片机作为处理器时，电路较为复杂，而且方案成本较高。
方案三：
采用ATMEL公司的AT89C51单片机作为主控制器，AT89C51是一个低功耗、高性能的51内核的CMOS8位单片机，该单片机结果简单、功耗低、接口丰富，完全能满足此次智能小车设计的要求。
最重要的是，它相对前两者成本最为低廉。
从节约成本的角度考虑，最终选择了方案三
2.1.2路面探测黑线轨迹模块
在该设计中智能小车从起跑线到终点是对路面轨迹进行探测，探测路面黑线轨迹模块的大致原理是：
光线照射到路面并反射，由于黑线和白线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱判断是否小车沿黑线行驶。
方案一：
采用可见光发光二级管与光敏二极管组成的发射-接收电路。
这种方案的缺点在于其它环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界条件改变，很可能造成误判和漏判；虽然采用超高亮发光管可以降低一定的干扰，但这又将增加额外的功率损耗。
方案二：
采用反射式红外发射-接收器。
采用红外管代替普通可见光管，可以明显降低环境光源干扰，提高了控制精度。
基于此，拟选用方案二。
2.1.3探测路面障碍模块
方案一：
采用红外线光电开关。
由于红外线指向性强，在介质中传播远，因而红外线经常应用于距离的测量、障碍物的探测等。
红外线探测障碍物并绕过障碍物模块是利用红外线发射器向某一方向红外线，红外线在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，红外线接收器收到反射光经相应的电路进行处理，以测定障碍物的方位及距离，并向小车发送控制信号以使小车绕过障碍物。
方案二：
采用超声波穿感器，超声波传感器探测障碍是利用超声波发送模块向某一方向发射超声波，超声波在空气中传播，在一定距离内遇到测定的障碍物就会立即返回超声波接受模块接受，再由相关电路处理，以测定障碍物的相关方位、距离。
超声波传感器成本相对较高，
以上两种方案都是比较可行的。
尤其是红外线光电开关，应用相当广泛、但是为了本题目更加的实用和有效，超声波传感器成本相对较高，电路较为复杂，采用红外线光电开关，更加合适与有效，更加有利于发现前方障碍物。
所以本设计选择方案一。
2.1.4电机模块
方案一：
采用步进电机，步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。
另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。
方案二：
采用普通直流电机。
直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足各种不同的特殊运行要求。
由于普通直流电机更易于购买，并且电路相对简单，因此采用直流电机作为动力源。
2.1.5电机驱动模块
方案一：
使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。
线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大，对于小车的长时间运行不利。
方案二：
采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。
方案三：
采用由集成了双极性管组成的H桥电路芯片L298N。
用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H桥电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也很高，是一种广泛采用的调速技术。
综合三种方案的优缺点，决定选择方案三。
2.1.6车架选择
方案一：
使用四轮驱动的电动小车，这样速度方面非常流畅，但灵活性不足，特别是遇到障碍物时，转弯非常不流畅，程序方面还要相对复杂，对于小车的躲避障碍物非常不利。
方案二：
使用两轮驱动的电动小车，虽然速度上无法与四轮的小车相提并论，不过灵活性上却是大大的提升，对于躲避障碍物方面有重要的改变，非常适合题目要求。
综合两种方案的优缺点，决定选择方案二。
2.1.7最终方案选择
经过反复论证，最终确定了如下方案：
采用AT89C51单片机作为控制器；
用反射式红外发射-接收器进行黑线检测；
采用红外线光电开关来探测路面障碍物；
L298N作为直流电机的驱动芯片；
电机模块使用普通直流电机；
使用两轮的车架增加灵活性。
2.2方案可行性分析
红外寻线模块，是通过红外二极管发出红外线，根据红外线在白色和黑色物质上反射回来的强弱，来判断黑线的位置。
本项目采用的是一体红外接收装置，当遇到黑色物时送给单片机一个高电平触发，进而通过事先编辑好的程序控制电机的运转。
通过分析，此模块可以准确的进行循线功能。
光电开关避障模块，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。
物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。
光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。
本次设计采用红外线漫反射型光电开关，它是通过发光器发出一个光信号，当障碍物挡住光时，把部分光线反射回来，收光器就接受到光信号，输出一个开关信号。
输出的开关信号由控制器处理，判断前方是否由障碍，从而确定是否要转向。
通过分析，此模块可以用来探测障碍。
动力方面，此次设计使用了L298N电机驱动模块，L298N是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。
通过分析，它能很好的驱动电机。
综上所述，可以看出方案的可行性非常之高，可以安心地进行智能小车实物的创作。
根据题目要求，做出以下电路图以及各模块实现功能概述。
第3章硬件设计
智能小车采用两轮驱动，左右两边各用一个电机驱动，调制两个后面两个轮子的转速从而达到控制转向的目的，前轮是万象轮，起支撑的作用。
将八个红外线光电传感器分别装在车体的左右，当车的左边的传感器检测到黑线的边界时，主控芯片控制左轮电机减速，车向左修正，当车的右边传感器检测到黑线时，主控芯片控制右轮电机减速，车向右修正。
避障的原理和循线一样，在车头的前面装了一个红外线光电开关，当前方传感器检测到障碍物时，车子向右转，从而避开障碍物。
3.1系统总体设计框图
系统硬件电路的设计采用了模块化的设计方法，系统硬件电路由光电开关避障模块，单片机最小系统模块，电源模块，电机驱动以及寻迹模块多部分组成，各模块即可组合联调也可单独使用。
如图3-1所示为智能小车硬件设计方框图。
图3-1系统功能模块图
3.2红外线光电开关模块
在本设计中红外光电开关模块是智能小车前向通道的主要组成部分，本设计采用E3F-DS30C4作为探测前方障碍物体的检测元件，光电开关发出信号由单片机89C51产生。
E3F-DS30C4的工作电压为5V，工作电流为10mA，驱动电流为100mA，感应距离为30cm。
结合题目指标和实际测试结果，本设计中设定感应距离为6cm。
3.2.1光电开关的工作原理
光电开关是传感器中的一种,它把发射端和接受端之间光的强弱变化为电流的变化以达到探测的目的。
光电开关是光接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无得。
所以能反射光线的物体均可被检测。
光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱对目标物体进行探测。
工作原理如图3-2所示。
图3-2光电开关工作原理图
3.2.2光电开关的类型
红外线光电开关它利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。
根据检测方式的不同，红外线光电开关可分为四种：
漫反射式光电开关、镜反射式光电开关、对射式光电开关、槽式光电开关。
漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。
图3-3为漫反射光电开关工作原理图。
图3-3漫反射式光电开关工作原理图
镜反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。
图3-4为镜反射式光电开关工作原理图。
图3-4镜反射式开关工作原理图
对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。
当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。
当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。
图3-5为对射式光电开关工作原理图。
槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。
图3-6为槽式光电开关工作原理图。
图3-5对射式光电开关工作原理图
槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。
图3-6为槽式光电开关工作原理图。
图3-6槽式开关工作原理图
本次设计所使用的光电开关德国SICD公司所生产的E3F-DS30C4，如图3-7。
E3F-DS30C4为常开型红外线漫反射式光电开关，由于漫反射光电开关的工作方式，决定了其功用，正符合本设计检测障碍物所用。
图3-7E3F-DS30C4红外线漫反射式光电开关
3.2.3光电开关电路的设计
E3F-DS30C4是常开型漫反射式红外线光电开关，它有三个引脚：
1引脚为红色，接电源；2引脚为黑色，接地；3引脚为黄色，接输出端。
输出端接单片机时加一个1K上拉电阻，使电路更加稳定。
如图3-8所示E3F-DS30C4电路连接图。
图3-8光电开关电路连接图
3.3电机驱动模块
由于单片机I/O口驱动能力弱，不能直接连接直流电机，故需要驱动芯片进行驱动。
该设计采用的是基于L298N的电路连接方式，L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。
L298N是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。
其电路如图3-9所示。
1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，成电流传感信号。
本电路未用到采样所以将其接地。
L298N可以驱动2个直流电机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。
5脚、7脚、10脚、12脚接输入控制信号，控制电机的正反转，ENA，ENB为电机控制使能端，控制电机的停转。
本电路中分别与单片机89C51相连，L298N的逻辑功能如表3-1所示。
表3-1L298N逻辑功能表
ENA（B）
IN1（IN3）
IN2（IN4）
电机运行情况
H
H
L
正传
H
L
H
反转
H
H
H
快速停止
H
L
L
快速停止
L
任意
任意
停止
图3-9电机驱动电路原理图
图3-10电机驱动实物图
由于电机在正常工作时对电源的干扰很大，所以在电机的驱动信号输入端并联电容，用以滤除噪声干扰。
电机驱动模块实物图如图3-10所示。
3.4红外循线模块
3.4.1红外放射式光电传感器特性与工作原理
反射式光电传感器的光源有多种，常用的有红外发光二极管，普通发光二极管，以及激光二极管。
理论上光电传感器只要位于被测区域反射表面可受到光源照射同时又能被接收管接收到的范围就能进行检测，然而这是一种理想的结果。
因为光的反射受到多种因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光洁度，日光、日光灯照射等不确定因素。
如果直接用发射和接收管进行测量将因为干扰产生错误信号，采用对反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和准确性。
红外反射光强法的测量原理是将发射信号经调制后送红外管发射，光敏管接收调制的红外信号，原理如图3-11所示。
图3-11红外发射接收原理
3.4.2红外循线具体设计与实现
接近传感器应用场合不同选择不同，感觉的距离范围不同，可从几毫米到几米。
对于自动寻迹和小车轮子的测速传感器，反射距离都在1cm左右，探测环境都在阴影之下，不易受到日光的干扰。
因此，这两种探测的传感器都选用FS-359F反射红外传感器，048W型封装。
该封装形状规则，便于安装。
在对6个型号的传感器测试后，选用了价格、性能基本适合的048W封装的反射红外传感器。
传感器的使用数量应该尽量少以减少单片机的信号处理量，寻迹小车一共安装有两个红外光电传感器，选用运算放大器LM324，光电传感器检测到的信号经放大器放大整形送微处理器判断、运算、控制。
LM324是14脚DIP封装，内置四个运算放大器的集成器件，用1个LM324便能完成所有传感器与MCU的连接，并且电路简单，响应速度快，波形规则，调试简单。
含有LM324的红外循线模块原理图如图3-12所示。
图3-12含有LM324的红外传感器电路原理图
3.5最小系统模块
3.5.1晶振电路的设计
晶振电路由频率为12MHz的晶体作为时钟，两个20pF的瓷片电容构成，如图3-13所示。
由于机器周期为晶体周期的12倍，因此使用该晶体时，机器周期=1us。
晶体和瓷片电容相同，在焊接时没有正负极之分
外部时钟电路完成后，给单片机上电，如果时钟电路及单片机工作正常，则X2对地电压和X1对地电压均在2.3V左右（±0.5V）。
图3-13晶振电路
3.5.2复位电路的设计
复位电路比较简单，由一个10pF的电解电容、一个开关按键、一个10K的电路构成，如图3-14所示。
图3-14复位电路图
3.6电源模块
本次设计所用的电源为12V直流电源，经过7812和1805的降压稳压，把12V的直流电源变为5V的电源，供电给单片机工作。
而12V电源则提供给电机足够的电压，使电机能够正常工作。
如图3-15所示，此图为含有7805的稳压电路图。
7805是三端正电源稳压电路，它有一系列固定的电压输出，应用非常的广泛。
7805有三个管脚，1管脚为输入，2管脚为接地，3管脚为输出。
图3-15含有7805的稳压电路图
第4章软件设计
在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。
因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。
对于本系统，软件更为重要。
在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。
数据处理包括：
数据的采集、数字滤波、标度变换等。
过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制小车。
为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。
所谓“模块”，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。
本系统软件采用模块化结构，由主程序﹑避障子程序﹑循线子程序、中
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