自动避障寻迹小车硬件设计学位论文.docx

自动避障寻迹小车硬件设计学位论文.docx

《自动避障寻迹小车硬件设计学位论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动避障寻迹小车硬件设计学位论文.docx（41页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

自动避障寻迹小车硬件设计学位论文

西安工业大学北方信息工程学院

本科毕业设计（论文）

题目：

自动避障寻迹小车硬件设计

系别：

电子信息系

专业：

通信工程

班级：

B090310

学生：

李春健

学号：

B09031009

指导教师：

王青岳

2013年06月

毕业设计（论文）任务书

系别电子信息系专业通信工程班级B090310姓名李春健学号B09031009

1.毕业设计（论文）题目：

自动避障寻迹小车硬件设计

2.题目背景和意义：

利用超声波进行位置检测广泛应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面，而根据地面特定标识自动寻迹在工业自动化生产及汽车工业中也得到广泛应用。

本题目以单片机为核心，以玩具小车为控制对象，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，同时根据地面特定标识，引导小车快慢速行驶以及自动停车，并可以自动记录时间、里程以及行驶速度。

涉及到传感器位置检测，直流电机调速控制及计算机应用等多方面的知识。

3.设计（论文）的主要内容（理工科含技术指标）：

本题目以玩具小车为控制对象，要求小车在地面标识引导下能够自动寻迹，寻迹路线设有随机布置的障碍，要求小车能够根据检测自动躲避障碍，并恢复对路线的寻迹。

同时小车能够自动显示、记录时间、里程以及行驶速度。

4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）：

设计地点：

单片机实验室；

起始时间：

1-18周；基本要求：

1）系统电源设计；2）寻迹模块接口硬件设计；3）超声波换能器接口设计；4）直流电机驱动电路设计；5）1602液晶接口设计；6）转速检测接口设计等

5.毕业设计（论文）的工作量要求

①实验（时数）*或实习（天数）：

400学时

②图纸（幅面和张数）*：

A4图纸5张

③其他要求：

论文字数1.5万字以上；外文翻译5000字以上；参考文献15篇以上（含英文参考文献3篇）

指导教师签名：

年月日

学生签名：

年月日

系（教研室）主任审批：

年月日

说明：

1本表一式二份，一份由学生装订入附件册，一份教师自留。

2带*项可根据学科特点选填。

自动避障寻迹小车硬件设计

摘要

本系统以AT89S52单片机为控制核心，利用红外对管检测行驶轨道的黑线引导线实现寻迹功能，用超声波模块实现避障检测。

采用直流电机驱动小车的后轮，用一个转向电机控制小车的前轮。

利用舵机控制小车的行驶方向，采用PWM技术调节占空比以此来控制电机的转速，使小车实现自动寻迹避障的功能。

行驶时间、速度、里程的显示用一块1602LCD。

关键词：

AT89S52单片机；红外对管；超声波；PWM技术；寻迹；避障；1602LCD

AutomaticObstacleAvoidanceCarTracingHardwareDesign

Abstract

ThesystemiscontrolledbyAT89S52single-chipmicrocomputer.Itusesinfraredtubetodetecttheblackguidelineontherunningtracksoastorealizethetracingfunction,anditusesultrasonicmoduletodetectobstacleavoidance.TherearwheelsofthecararedrivedbyDCmotorandthefrontwheelsofthecararecontrolledbyasteering motor.ThedrivingdirectionofthecariscontrolledbyServo.ItadoptedPWMtechnologytoadjustthe duty cyclesoastocontrolthespeedofthemotorandrealizethefunctionofautomatictracingandobstacleavoidance.Thetraveltime,speedandmileagearedisplayedonthe1602LCD.

KeyWords:

AT89S52MCU；InfraredTube；UltrasonicWave；PWMTechnology；Tracing;ObstacleAvoidance;1602LCD

1绪论

1.1前言

随着电子技术、计算机技术、智能控制技术的飞速发展，产品的智能化和小型化越来越成为人们关注的热点。

各种智能小车在智能化玩具中占了很大的比例。

近年来，传统玩具的市场逐步缩水，高科技智能化的电子类玩具则逐步成为市场的主流。

因此，可遥控的智能化小车的研究是非常有意义的，具有很大潜在市场价值的。

机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现。

机器人由于具有高度的灵活性、可以帮助人们提高生产率、改进产品质量和改善劳动条件等优点，在世界各地的生产生活领域得到了广泛的应用[1]。

智能小车正是模仿机器人的一种尝试。

它是一种以汽车电子为背景，涵盖控制，模式识别，电子、电气、单片机、机械等多学科的科技创新性设计，一般主要由路径识别、速度采集、角度控制以及车速控制等模块组成。

这种智能小车能够自动搜寻前进路线，还能爬坡；感知前方的障碍物，并自动寻找前进方向，避开障碍物；加入相关声光讯号后，更能体现出智能化和人性化的一面。

机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。

避障控制系统是基于自动导引小车（AVG—auto-guidevehicle）系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线。

使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。

1.2课题研究的背景及意义

1.2.1题目背景

在生产实际中，某些场合要求工作小车有自动寻迹、自动规避障碍的功能。

路线检测的准确与否直接影响小车寻迹时的行驶状态及速度，而自动规避障碍在实际生产生活中有广泛应用，因此寻求一种低成本、抗干扰性强并且位置指示准确的障碍检测方法具有重要意义。

1.2.2研究意义

自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。

近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人

们的生活方式。

人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想，智能小车可以作为机器人的典型代表。

电子技术的飞速发展，对自动化要求越来越高，智能汽车检测并完成特殊的任务将成为以后的一个新的发展方向。

在危险或不利于人工作业的环境下，利用智能小车替代人工作业完成特殊任务，避免人员伤亡，更可减少经济损失。

1.3课题研究的主要内容及技术指标

1.3.1主要内容

本题目以玩具小车为控制对象，要求小车在地面标识引导下能够自动寻迹，寻迹路线设有随机布置的障碍，要求小车能够根据检测自动躲避障碍，并恢复对路线的寻迹。

同时小车能够自动显示、记录时间、里程以及行驶速度。

1.3.2硬件设计主要要求

本题目要求对一玩具小车进行控制，使小车能够在引导线指引下自动循迹；遇到引导线前设置的障碍时，要求小车能够自动躲避障碍，并重新找到引导线恢复循迹。

具体包括：

a.系统电源设计。

b.直流电机驱动电路设计。

c.寻迹模块接口设计。

d.转速检测接口设计。

e.超声波换能器接口设计。

f.1602液晶接口设计。

2系统方案论证与设计

2.1系统方案论证与设计

根据题目要求，设计方案如图2.1。

在玩具电动车上，加装反射式红外光电传感器、超声波传感器、速度检测传感器等部件,实现对电动车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。

图2.1系统框图

为较好的实现各模块的功能，分别设计了几种方案并分别进行了论证。

2.1.1控制器模块论证与选择

此部分是整个小车运行的核心部分，起着控制小车所有运行状态的作用。

控制的方法有很多，大部分都采用单片机控制。

方案一：

智能车系统采用飞思卡尔16位单片机MC9S12DG128为核心控制单元，由采用光电检测技术的道路识别模块和速度检测模块负责采集信号，并将采集到的电平信号送入核心控制单元MCU，核心控制单元对信号进行处理后，通过单片机端口发出PWM信号波，通过输出不同占空比分别对转向舵机、直流电机进行驱动控制，完成控制智能车的方向与速度[2]。

但考虑到对这个方案采用的微处理器并不熟悉，使用起来并不是很方便，这对于硬件电路的设计和软件编程增加了难度。

我们决定不再使用此方案，考虑其他方案。

方案二：

采用AT89S52单片机作为主控制器。

AT89S52是一个超低功耗，和标准51系列单片机相比较具有运算速度快，抗干扰能力强，支持ISP在线编程，片内含8k空间的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，具有256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个I/O口，2个16位可编程定时计数器[3]。

其指令系统和传统的8051系列单片机指令系统兼容，降低了系统软件设计的难度，电路设计简单、价格低廉，在后来的实验中89S52精确度和运算速度也都完全符合我们系统的要求。

综合以上方案我们选择比较普通是的更为熟悉的方案二使用AT89S52单片机为我们整个系统的控制核心。

2.1.2电机驱动模块论证与选择

方案一：

使用直流电机，加上适当减速比的减速器。

直流电机具有良好的调速性能，控制起来也比较简单。

直流电机只要通上直流电源就可连续不断的转动，调节电压的大小就可以改变电机的速度。

直流电机的驱动电路实际上就是一个功率放大器。

常用的驱动方式是PWM方式，即脉冲宽度调制方式[4]。

此方法性能较好，电路和控制都比较简单。

方案二：

使用步进电机。

步进电机具有良好的控制性能。

当给步进电机输入一个电脉冲信号时，步进电机的输出轴就转动一个角度，因此可以实现精确的位置控制。

与直流电机不同，要使步进电机连续的转动，需要连续不断的输入点脉冲信号，转速的大小由外加的脉冲频率决定。

去而且其转动不受电压波动和负载变化的影响，也不受温度、气压等环境因素的影响，仅与控制脉冲有关[5]。

但步进电机的驱动相对较复杂，要由控制器和功率放大器组成。

具体差别见表2.1。

表2.1电机控制方式对比

直流电机

步进电机

调速性能

较好

较差

位置控制精度

较差

好

驱动

简单

复杂

稳定性

较好

好，仅与控制脉冲有关

由上表可以看出步进电机和直流电机都有各自的优点。

步进电机能进行精确的位置控制，但驱动电路麻烦，鉴于本设计中小车的位置控制不要求十分精确，直流电机即可满足小车要求的精度。

且直流电机易于控制，驱动电路十分简单。

故选择直流电机用于小车驱动，采用市面易购的电机驱动芯片L298N驱动电机。

该芯片是利用TTL电平进行控制，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正转、反转和停止操作；利用可调占空比的PWM波输入驱动芯片使能端，就可以实现PWM调速目的[6]。

2.1.3电源模块论证与选择

由于本系统需要给小车系统供电，考虑如下几种方案:

方案一：

采用9V电池组。

电池组具有较强的电流驱动能力及稳定的电压输出性能，经测试在用此种供电方式下，单片机和传感器工作稳定，直流电机工作良好，且电池体积较小、可以充电、能够重复利用等，能够满足系统的要求。

方案二：

采用12V蓄电池。

由于蓄电池的体积过于庞大，我们的车体在设计时空间有限，在小型电动车上使用极为不方便，因此我们放弃此方案。

综上所述，选择方案一作为本系统供电方式。

2.1.4寻迹模块选择与论证

循迹检测常用到传感器。

根据小车功能的要求有两种方案，一种是使用红外光电传感器，另一种是使用CCD传感器。

两种方案的主要区别是使用的传感器不同。

CCD传感器灵敏度高，能够做到对图像的识别，但是控制电路复杂、成本高。

红外光电传感器结构简单，对特定颜色的识别灵敏度差异大，可以实现对特定颜色的轨道路线识别。

这里我们选用RPR359F型光电对管完成系统循迹。

RPR359F是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管[7]。

RPR359F特点：

塑料透镜可以提高灵敏度。

内置可见光过滤器能减小离散光的影响。

体积小，结构紧凑。

此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。

实物如图2.2所示。

图2.2红外对管RPR359F实物图

2.1.5避障模块论证与选择

方案一：

采用一只光电开关置于小车中央。

其安装简易，也可以检测到障碍物的存在，但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，但是本课题要求在寻迹的路线上避障，也就是说障碍物可能在寻迹的路线上，而其他方向无障碍物这样只要把避障后的舵机的方向规定就可以了，然后启动延时也能越过障碍。

这种方案也是可以的。

方案二：

利用超声波传感器。

超声波传感器是靠发射某种频率的声波信号，利用物体界面上超声反射、散射检测物体的存在与否。

超声波在空气中传播时如果遇到其它媒介，则因两种媒质的声阻抗不同而产生反射。

因此，向空气中的被测物体发射超声波，检测反射波并进行分析，从而获得障碍物的信息。

超声波传感器由于信息处理简单、快速并且价格低，被广泛用在机器人测距、定位及环境建模等任务中。

超声波检测距离远，不易受外界环境干扰，由于小车需要在行驶过程中检测障碍物，颠簸，光照方面可能会对检测产生影响。

所以需要选择稳定性较好的，故本设计选择超声波检测。

2.1.6速度检测模块论证与选择

方案一：

旋转编码器。

分绝对式或者增量式两种，一般使用增量式编码盘，它输出脉冲的个数正比于电机转动的角度，从而使它的输出脉冲频率正比于转速。

可以通过测量单位周期内脉冲个数或者脉冲周期得到脉冲的频率。

但是旋转编码器价格昂贵。

方案二：

采用反射式红外对管，在车轮适当位置粘贴一白纸片，每当白纸片转到红外对管处，单片机计数一次，结合车轮半径就能求出小车行进距离及速度。

这种方案操作较简单，但是不准确。

方案三：

霍尔传感器检测。

在后轮输出齿轮轴上粘贴4个小型永磁体，附近固定1个霍尔传感器，霍尔元件有3个引脚，其中2个是电源和地，第三个是输出信号，只要通过1个上拉电阻接至5V电压，就可形成开关脉冲信号，后轮电机每转1周，则可形成4个脉冲信号，方便测速。

霍尔传感器价格便宜且具有体积小、灵敏度高、响应速度快、温度性能好、精确度高、可靠性高等特点，能很好地满足车轮测速系统设计的需要。

综合考虑选择第三种测速方案。

2.1.7显示模块论证与选择

方案一：

采用LED数码管显示。

LED显示具有硬件电路结构简单、调试方便、软件实现相对容易等优点，但是由于我们计划要显示小车运行时间、里程、行驶速度，LED数码管无法显示如此丰富的内容，因此我们放弃此方案。

方案二：

采用LCD1602A液晶显示。

LCD液晶因具有功耗低、显示内容丰富、清晰，显示信息量大，显示速度较快，界面友好等特点而得到了广泛的应用，因此我们选择此方案。

通过以上方案论述我们选择方案二。

2.1.8本系统最终方案

经过反复的探讨和论证我们最终确定本系统设计的如下最终方案：

a.采用AT89S52单片机作为整个电路的控制核心。

b.使用9V可充电动力电池组为系统提供基准电源。

c.采用直流电机作为小车系统的驱动电机。

d.使用电机专用驱动芯片L298N作为直流电机的驱动芯片。

e.用RPR359F型红外对管实现小车的寻迹。

f.采用HY-SFR05超声波模块完成避障检测。

g.采用LCD1602A实现系统信息显示需求。

h.采用霍尔测速模块实现速度检测。

3系统硬件电路设计

3.1总体设计方案

智能小车依靠电机驱动芯片L298N对小车前后两电机的运行状态进行控制。

前电机控制转向，后电机为主驱。

寻迹功能通过装在车头的反射式红外光电传感器检测地面黑线来实现。

避障功能主要依靠装在车身上的超声波模块对小车运行路线中是否遇到障碍物进行检测。

车速检测主要依靠霍尔测速模块来完成。

考虑到电机控制要使用PWM波形，而AT89S52单片机本身不能产生PWM，需要外加电路或使用软件的方式实现，为减少硬件电路，这里选用软件产生PWM方式。

整体原理电路图如图3.1所示。

图3.1整体原理电路图

3.2单片机电路设计

单片机是控制单元的核心，起着控制小车所有运行状态的作用。

主要作用在于：

接收传感器的输入信号，计算、处理接收到各种传感器信号并输出控制信号。

因此，控制器电路设计的关键在于各种接口电路的设计，包括：

系统电源设计、寻迹模块接口设计、超声波换能器接口设计、转速检测接口设计、1602液晶接口设计、直流电机驱动电路设计。

3.2.1AT89S52芯片介绍

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案[8]。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

8位微控制器8K字节在系统可编程。

其引脚排列如图3.2所示。

图3.2AT89S52引脚排列图

a.主要性能：

（1）与MCS-51单片机产品兼容；

（2）8K字节在系统可编程Flash存储器；

（3）1000次擦写周期；

（4）全静态操作：

0Hz～33Hz；

（5）三级加密程序存储器；

（6）32个可编程I/O口线；

（7）三个16位定时器/计数器；

（8）八个中断源；

（9）全双工UART串行通道；

（10）低功耗空闲和掉电模式；

（11）掉电后中断可唤醒；

（12）看门狗定时器；

（13）双数据指针；

（14）掉电标识符。

b.引脚说明：

（1）VCC：

电源电压。

（2）GND：

接地。

（3）端口0：

P0口是一个8位的开漏双向I/O端口。

作为一个输出端口，每个引脚可以吸收8位TTL输入。

当1秒写入到端口0引脚，该引脚可作为高阻抗输入。

P0口也可以配置为复低位地址/数据总线在外部程序和数据存储器存取数据总线。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

P0口也接收过程中的代码字节及闪存编程和程序验证过程中产出的代码字节。

外部上拉，必须在程序的验证。

（4）端口1：

端口1是一个带内部上拉的8位双向I/O口。

在1口输出缓冲器可汇/源4TTL输入。

当1秒写入端口1引脚，他们拉高了内部上拉电路，可作为输入使用。

作为输入，端口1由于内部上拉电阻外部被拉低时将吸收电流引脚的源电流。

4个P口在一般情况下都是是一个8位双向I/O口。

不过P0口是漏极开路的8位双向I/O口，而其他P口都是具有内部上拉电阻的8作为输出口要外部上拉电阻。

且P1口部分引脚和P3口具有第二功能。

具体见表3.1和表3.2。

表3.1P1口引脚第二功能

引脚号

第二功能

P1.0T2

定时器/计数器T2的外部计数输入，时钟输出

P1.1T2EX

定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制

P1.5MOSI

在系统编程用

P1.6MISO

在系统编程用

P1.7SCK

在系统编程用

表3.2P3口引脚第二功能

引脚号

第二功能

P3.0RXD

串行输入

P3.1TXD

串行输出

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT0（外部中断0）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器1外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器写选通）

3.2.2单片机晶振及复位电路设计

AT89S52常用的复位方式有上电复位、手动复位和看门狗定时器复位三种。

a.上电复位：

系统上电时RST端自动产生复位所需的电平信号将单片机复位。

b.按键复位：

上电和手动复位电路，如图3.3所示。

c.看门狗定时器复位：

看门狗定时器是可以根据用户程序正常运行周期设定的专用定时器。

启动看门狗定时器后，要在程序中的适当位置清空看门狗定时器。

若单片机受到干扰，程序进入非正常运行状态，看门狗定时器将因不能执行清空指令而溢出（即超过了设置的定时时间），同时复位单片机，使之重新回到初始状态。

在本设计中采用了按键复位方式，本复位电路采用RC的电平按键复位方式复位。

一般R取10K，C取10uF，由于RC越大，充电时间越长，单片机上电复位过程就越长，RC取值不是特别严格的情况下，可取R=1K，C=22uF，抗扰性更好。

晶振电路中晶振采用无源晶振，两pF小电容作为起振电容取值为30pF。

图3.3单片机晶振及复位电路

3.2.3电源稳压电路设计

单片机电源电路如图3.4所示。

图3.4单片机供电电源电路设计

在电源方案设计中，有两种电源输入方式，一种电源接入方式为5V直接供电方式，这种方式一般采用USB，或5V稳压源，在另一个端口直接输入。

一种是采用了三端稳压芯片LM7805，这是一种功耗型的稳压芯片。

考虑到整个设计的简便及原理图的可读行，在单片机供电电源电路设计中选用了第二种供电方式。

电源模块中DC_CON为外接的+9V直流电源。

由于小车调试阶段使用+9V的电子稳压电源，而电子稳压电源是由工频50Hz，电压220V的市电经过降压变换后得来，在接进来的9V电源中免不了会夹带有若干低频纹波和高频纹波。

所以在输入级接入47uF/16V的电解电容和0.1uF的瓷片电容，防止电源电压波动及作为高频干扰处理，同时考虑到外围电路负载电压波动可能较大，在输出端并联22uF/25V电解电容和0.1uF瓷片电容。

电源设计中IN4007二极管是为了防止电源极性接反而设的保护器件，LED灯D9为电源指示灯，只要电源上电，LED灯点亮，此时说明电源已经开始正常供电[9]。

3.3电机驱动模块设计

3.3.1L298N芯片介绍

小车使用的是直流电机。

从单片机输出的信号功率很弱，即使在没有其它外在负载时也无法带动电机，所以在实际电路中我们加入了电机驱动芯片提高输入电机信号的功率，从而能够根据需要控制电机转动。

本设计中电机驱动采用L298集成H桥芯片如图3.5。

L298中有两套H桥电路，刚好可以控制两个电机。

它的使能端可以外接高低电平，也可以利用单片机进行软件控制，极大地满足各种复杂电路需要。

该芯片的主要特点是：

工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器