循迹避障带上位机红外超声波功能智能小车讲解.docx
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循迹避障带上位机红外超声波功能智能小车讲解
青岛滨海学院
项目设计报告
项目：
超声波避障小车的设计与制作
专业计算机应用技术
学生姓名刘少鹏
班级14微高
学号20141080523
指导教师郭志卓
完成日期2015.05.12
摘要
STC89C52单片机是一款八位单片机，他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。
本文提出一种智能避障，循迹小车的设计方法，利用红外技术检测障碍物，轨迹信息，采用STC89C52单片机进行实时控制，实现智能避障，循迹。
再利用无线通信实现上位机与下位机的通信，智能小车采用前轮驱动，两轮各用一个直流电机控制，避障,循迹用的传感器采用红外反射式传感器。
整个系统的电路结构简单，可靠性能较高。
实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及程序设计。
采用的技术主要有：
（1）PWM调速；
（2）红外传感器；
（3）无线通信及串口通信；
（4）上位机.
（5）LCD
（6）超声波传感器
摘要------------------------------------------------------------------------------0
前言------------------------------------------------------------------------------2
功能概述------------------------------------------------------------------------3
硬件设计------------------------------------------------------------------------3
避障电路------------------------------------------------------------------------3
循迹电路------------------------------------------------------------------------5
单片机电路---------------------------------------------------------------------7
电机转速控制电路------------------------------------------------------------8
电源电路------------------------------------------------------------------------8
电机驱动电路------------------------------------------------------------------9
通信系统-------------------------------------------------------------------------11
测速模块儿----------------------------------------------------------------------15
上位机设计----------------------------------------------------------------------16
附录一----------------------------------------------------------------------------17
附录二----------------------------------------------------------------------------20
小结------------------------------------------------------------------------------42
参考文献------------------------------------------------------------------------42
前言
---------------------------------------------------
随着生产自动化的发展需要，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，机器人的传感器种类也越来越多，其中红外传感器已经成为自动行走和驾驶的重要部件。
红外的典型应用领域为自主式智能导航系统，机器人要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，感知障碍物相当给机器人一个视觉功能。
智能避障是基于红外传感系统，采用红外传感器实现前方障碍物检测，并判断障碍物远近。
而利用红外对不同颜色物体反射强弱差别
可以检测到不同颜色的物体，从而实现循迹功能。
由于时间和水平有限，我们暂选最基本的避障，循迹功能作为此次设计的目标。
目前,在自动控制领域中,经常要实现上位机和下位机的通信。
有时甚至要求上位机和多台下位机建立通信。
因此人们常常将工控机和ＰＣ机结合起来构成主从式控制系统。
在这过程中,上位机主要负责人机接口管理和系统资源的高层控制。
下位机主要完成数据采集、处理、接收，本次我们基于串口通信和VB通过NRF24L01设计了一个上位机下位机无线通信的系统。
本设计通过小车这个载体再结合由STC89C52为核心的控制板可以达到其基本功能，再辅加由反射式光电开关E18-D80NK组成的避障电路，由TCRT5000光电对管和LM324设计的循迹电路，基于PWM技术的转速控制、基于LM2940电源电路、基于L298N的电机驱动电路以及基于NRF24L01的无线通信系统就可以完成整个硬件设计。
一.功能概述
智能小车采用前轮驱动，前轮左右两边各用一个电机驱动，分别控制两个轮子的转动从而达到转向的目的，后轮是万向轮，起支撑的作用。
避障部分，将3个红外线光电传感器分别装在车体的左中右，当车的左边的传感器检测到障碍物时，主控芯片控制右轮电机停止左轮转动，车向右方转向，当车的右边传感器检测到障碍物时，主控芯片控制左轮电机停止转动，车向左方转向，当前面有障碍物时规定车右转。
而当小车同时有两个传感器接收到信号时，采用倒退方式转弯以避免碰到障碍物，于此同时测定速度并显示，在避障小车前进的同时,通过无线通信系统，把小车的速度和路程传到上位机显示。
循迹部分，采用七个红外传感器置于车身前下方，中间五个主要用于循迹普通道路，外边两个略比中间的靠前，主要用来检测直角弯道。
车向左偏时右拐，右偏时左拐，左右拐又分为校正和转弯两档。
遇到直角时极易冲出跑道，故给车施加一个反向脉冲。
行驶过程中上位机显示车速及路程。
二．硬件设计
如下图所示，是本次设计智能小车的电路框图。
以STC89C52为电路的中央处理器，来处理传感器采集来的数据，处理完毕之后以便去控制电机驱动电路来驱动电机，并通过无线传输到上位机。
电源部分是为整个电路模块提供电源，以便能正常工作。
三.避障电路
1. 障碍物探测方案的选择
方案一：
脉冲调制的反射式红外线发射接受器。
由于采用该有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外红外线接受官的最大工作电流取决于平均电流。
如果采用占空比小的调制信号，再品均电流不变的情况下，顺势电流很大（50—100mA），则大大提高了信噪比。
并且其反应灵敏，外围电路也很简单。
它的优点是消除了外界光线的干扰提高了灵敏度。
方案二：
采用超声波传感器，如果传感器接收到反射的超声波，则通知单片机前方有障碍物，如则通知单片机可以向前行驶。
市场上很多红外光电探头也都是基于这个原理。
这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性
由以上两种方案比较可知。
方案一要比方案二优势大，市场上很多红外观点探头也都基于这个原理。
其电路简单，工作可靠，性能比较稳定。
从而避免了电路的复杂性，因此我先用方案二作为小车的监测系统。
避障电路采用漫反射式光电开关进行避障。
光电开关是集发射头和接收头于一体的检测开关，其工作原理是根据发射头发出的光束，被障碍物反射，接收头据此做出判断是否有障碍物。
当有光线反射回来时，输出低电平；当没有光线反射回来时，输出高电平。
单片机根据接收头电平的高低做出相应控制，避免小车碰到障碍物，由于接收管输出TTL电平，有利于单片机对信号的处理。
2．光电开关工作原理：
光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。
光电开关在一般情况下，有三部分构成，它们分为：
发送器、接收器和检测电路。
避障电路功能表：
传感器
避障电路输出（上升沿动作）
待执行命令
左
中
右
左转信号（P2.1）
右转信号（P2.0）
0
0
0
√
后右转
0
0
1
√
右转
0
1
0
√
右转
0
1
1
√
右转
1
0
0
√
左转
1
0
1
√
右转
1
1
0
√
左转
1
1
1
前进
注解（“0”表示有障碍物；“1”表示无障碍物）
四.循迹模块
TCRT5000传感器
小车循迹原理是小车在画有黑线的白纸“路面”上行驶，由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”—黑线。
笔者在该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法——红外探测法。
红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射性质的特点。
在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色地面时发生漫发射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，则小车上的接收管接收不到信号，再通过LM324作比较器来采集高低电平，从而实现信号的检测。
避障亦是此原理。
电路图如图3.4。
市面上有很多红外传感器，在这里我选用TCRT5000型光电对管。
图3.4循迹原理图
循迹模块儿功能表
1
2
3
4
5
6
7
左拐
1
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
Z
Z
0
0
0
0
0
小左
0
1
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
Z
1
0
0
0
0
直走
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
Z
1
Z
0
0
小右
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
1
Z
0
右拐
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
Z
Z
特殊
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
右直角
0
0
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
Z
Z
Z
1
1
1
左直角
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
Z
Z
Z
0
全白
0
0
0
0
0
0
0
全黑
1
1
1
1
1
1
1
五.单片机电路
本设计的主控芯片选择STC89C52，负责检测传感器的状态并向电机驱动电路发出动作命令。
复位电路采用手动复位。
单片机电路如下：
六.电机转速控制电路
转速控制采用基于PWM技术的脉冲调制技术，通过单片机输出两列PWM信号，经过l298N对电机进行速度调控。
PWM（脉冲宽度调制）控制，通常配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大，它的原理就是直流斩波原理。
如图1所示，若S3、S4关断，S1、S2受PWM控制，假设高电平导通，忽略开关管损耗，则在一个周期内的导通时间为t，周期为T，波形如图6，则电机两端的平均电压为：
U=Vcct/T=αVcc，其中，α=t/T称为占空比，Vcc为电源电压（电源电压减去两个开关管的饱和压降）。
电机的转速与电机两端的电压成比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比α＝1时，电机转速最大。
PWM控制波形的实现可以通过模拟电路或数字电路实现，例如用555搭成的触发电路，但是，这种电路的占空比不能自动调节，不能用于自动控制小车的调速。
而目前使用的大多数单片机都可以直接输出这种PWM波形，或通过时序模拟输出，最适合小车的调速。
我们使用的是STC89C52单片机，它是8位单片机，内部设有3个独立的计数器，完全可以模拟任意频率、占空比随意调节的PWM信号输出，用以控制电机调速。
在小车行进的过程中，占空比不应该太高，在直线前进和转弯的时候应该区别对待。
若车速太快，则在转弯的时候，方向不易控制；而车速太慢，则很浪费时间。
这时可以根据具体情况慢慢调节
七.电源电路
本系统所有芯片都需要+5V的工作电压，而干电池只能提供的电压为1．5V的倍数的电压，并且随着使用时间的延长，其电压会逐渐下降，故采用了一个12v蓄电池，再用LM2940稳压芯片。
LM2940具有纹波小、电路结构简单的优点，对于单片机，需要提供稳定的5V电源，由于LM2940的稳压的线性度非常好，所以选用
LM2940-5对其进行供电；能提供最大1A的电流，足以满足芯片供电的要求。
虽然微处理器和微控制器不需要支持电路，功耗也很低，但必须要加以考虑。
电源电路拟定为：
八.电机驱动电路
市场上用很多种类的小电压直流电动机，很方便的选择到。
主要有普通电动机、和步进电动机。
方案一：
采用步进电机，步进电动机的一个显著的特点就是具有快速启动和停止能力，能够达到我们所要求的标准。
如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即是步进电机启动或反转。
其转换灵敏度比较高。
正转、反转控制灵活。
但是步进电机的价格比较昂贵，对于我们的现状相差太远。
方案二：
采用普通的直流电机。
直流电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，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转。
能满足各种不容的特殊运行要求。
由于普通直流电机价格适宜，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本设计采用L298N驱动使电机正反转从而做到前进，左转
驱动电路（参考文献[4]）
电机驱动一般采用H桥式驱动电路，L298N内部集成了H桥式驱动电路，从而可以采用L298N电路来驱动电机。
通过单片机给予L298N电路PWM信号来控制小车的速度，起停。
其引脚图如3.2，驱动原理图如图3.3。
图3.2L298N引脚图
图3.3电机驱动电路
九.通信系统
1．NRF24L01工作原理简介：
发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式，接着把地址TX_ADDR和数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据；若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号。
如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从发送堆栈中清除；若未收到应答，则自动重新发射该数据（自动重发已开启），若重发次数（ARC_CNT）达到上限，MAX_RT置高，TX_PLD不会被清除；MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，以便通知MCU。
最后发射成功时，若CE为低，则nRF24L01进入待机模式1；若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射；若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入待机模式2。
接收数据时，首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。
当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在接收堆栈中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，以便通知MCU去取数据。
若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。
最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。
模式
PWR_UP
PRIM_RX
CE
FIFO寄存器状态
接收模式
1
1
1
-
发射模式
1
0
11
数据存储在FIFO寄存器中，发射所有数据
发射模式
1
0
0→12
数据存储在FIFO寄存器中，发射一个数据
待机模式II
1
0
1
TXFIFO为空
待机模式I
1
-
0
无正在传输的数据
掉电模式
0
-
-
-
2.SPI介绍
同步串行外设接口（SPI）是由摩托罗拉公司开发的全双工同步串行总线，该总线大量用在与EEPROM、ADC、FRAM和显示驱动器之类的慢速外设器件通信。
SPI（SerialPeripheralInterface）是一种串行串行同步通讯协议，由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备启动一个与从设备的同步通讯，从而完成数据的交换。
SPI接口由SDI（串行数据输入），SDO（串行数据输出），SCK（串行移位时钟），CS（从使能信号）四种信号构成，CS决定了唯一的与主设备通信的从设备，如没有CS信号，则只能存在一个从设备，主设备通过产生移位时钟来发起通讯。
通讯时，数据由SDO输出，SDI输入，数据在时钟的上升或下降沿由SDO输出，在紧接着的下降或上升沿由SDI读入，这样经过8/16次时钟的改变，完成8/16位数据的传输。
总线协议
该总线通信基于主-从（所有的串行的总线均是这样，USB，IIC，SPI等）配置，而且下面提到的方向性的操作合指代全部从主设备的角度说得。
它有以下4个信号：
MOSI:
主出/从入
MISO:
主入/从出
SCK:
串行时钟
SS:
从属选择；芯片上“从属选择”（slave-select）的引脚数决定了可连到总线上的器件数量。
在SPI传输中，数据是同步进行发送和接收的。
数据传输的时钟基于来自主处理器的时钟脉冲（也可以是IO上的电平的模拟时钟），摩托罗拉没有定义任何通用SPI的时钟规范。
然而，最常用的时钟设置基于时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）两个参数，CPOL定义SPI串行时钟的活动状态，而CPHA定义相对于SO-数据位的时钟相位。
CPOL和CPHA的设置决定了数据取样的时钟沿。
数据方向和通信速度
SPI传输串行数据时首先传输最高位。
波特率可以高达5Mbps，具体速度大小取决于SPI硬件。
例如，Xicor公司的SPI串行器件传输速度能达到5MHz。
SPI总线接口及时序
SPI总线包括1根串行同步时钟信号线以及2根数据线。
SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。
如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。
时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。
如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。
SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。
SPI读写时序见下面两图。
在写寄存器之前，一定要进入待机模式或掉电模式。
其中，Cn——SPI指令位；Sn——状态寄存器位；Dn——数据位（低字节在前，高字节在后；每个字节中高位在前）
SPI读时序
SPI写时序
3.串口通信
串口是计算机上一种非常通用的设备通信协议（不要与通用串行总线UniversalSerialBus或者USB混淆）。
大多数计算机包含两个基于RS232的串口。
串口同时也是仪器仪表设备通用的通信接口；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。
同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。
串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。
尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。
它很简单并且能够实现远距离通信。
比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总长不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达1200米。
典型地，串口用于ASCII码字符的传输。
通信使用3根线完成：
（1）地线，
（2）发送，（3）接收。
由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。
其他线用于握手，但是不是必须的。
串口通信最重要的参数是比特率、数据位、停止位和奇偶校验。
对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配：
a，比特率：
这是一个衡量通信速度的参数。
它表示每秒钟传送的bit的个数。
例如300波特表示每秒钟发送300个bit。
当我们提到时钟周期时，就是指比特率，例如如果协议需要4800波特率，那么时钟是4800Hz。
这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800Hz。
通常电话线的比特率为14400，28800和36600。
比特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。
高比特率常常用于放置的很近的仪器间的通信，典型的例子就是GPIB设备的通信。
b，数据位：
这是衡量通信中实际数据位的参数。
当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值是5、7和8位。
如何设置取决于你想传送的信息。
比如，标准的ASCII码是0～127（7位）。
扩展的ASCII码是0～255（8位）。
如果数据使用简单的文本（标准ASCII码），那么每个数据包使用7位数据。
每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。
由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。
c，停止位：
用于表示单个包的最后一位。
典型的值为1，1.5和2位。
由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。
因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。
适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。
d，奇偶校验位：
在串口通信中一种简单的检错方式。
有四种检错方式：
偶、奇、高和低。
当然
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