機(jī)械畢業(yè)設(shè)計（論文）-智能清障小車設(shè)計【全套圖紙】

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1、圖書分類號： 密 級： 畢業(yè)設(shè)計(論文) 智能清障小車設(shè)計智能清障小車設(shè)計 DESIGN OF INTELLIGENT BARRIERS REMOVING CAR 學(xué)生姓名 學(xué)院名稱機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)名稱機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師 2011 年5 月27 日 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) I 徐州工程學(xué)院學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明： 所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進(jìn)行研 究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含任何 其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢 獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)注。 本人完全意識到本

2、聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 論文作者簽名： 日期： 年 月 日 徐州工程學(xué)院學(xué)位論文版權(quán)協(xié)議書 本人完全了解徐州工程學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 本校學(xué)生在學(xué)習(xí)期間所完成的學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸徐州工程學(xué)院所擁有。 徐州工程學(xué)院有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的紙本復(fù)印件 和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱。徐州工程學(xué)院可以公布學(xué)位論文的 全部或部分內(nèi)容，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫進(jìn) 行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論

3、文 ) I 摘要 智能小車在自動化生產(chǎn)線、倉庫管理、機(jī)器人服務(wù)、環(huán)境監(jiān)測、航空航天等領(lǐng)域有 廣泛的應(yīng)用。本文介紹了一款集自動尋跡、障礙物監(jiān)測、障礙物清除等功能于一體的智 能小車。智能小車采用 AT89S52 單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心，利用反射式光電傳感器檢測識 別黑線，通過比較器反饋高低電平信號給單片機(jī)，從而控制直流電機(jī)的運動，實現(xiàn)尋跡 功能。安裝于車體前端的點觸開關(guān)實時監(jiān)測黑線上的障礙物，一旦觸發(fā)開關(guān)，拉低所接 單片機(jī) I/O 口，觸發(fā)外部中斷，從而控制機(jī)械手夾持障礙物，配合小車運動，達(dá)到清除 障礙物的目的。本課題研制的智能小車樣機(jī)實驗證明了本文敘述的技術(shù)方案的有效性和 正確性，可以為今后全國及

4、省內(nèi)電子大賽提供寶貴的經(jīng)驗。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 單片機(jī)；傳感器；循跡；清障； 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) II Abstract Intelligent car has been widely used in automated production lines, warehouse management, robotics services,environmental monitoring, aerospace and other fields.This paper introduces a intelligent car, with the f

5、unctions of automatic driving, barriers monitoring and barriers removing . The intelligent car use AT89S52 SCM as control core. By using reflective photoelectric sensor to detect the information of black track,the intelligent car acquires the information and sends them to the MCU to control the move

6、ments of the DC electric motors for tracing function. Point-touch switch installed at the front of the car monitor barriers on the black line everytime. Once the trigger switch, the signals of I/O trigger external interruption to achieve the purpose of remove barriers.The test shows that the intelli

7、gent vehicle design is the effectiveness and correctness.Consequently,the issue can provide invaluable experience for the electronic competition of the national and provincial. Keywords SCM sensor track finding barriers removing 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) I 目目 錄錄 摘要I Abstract.II 第 1 章 緒論.1 1.1 智能化小車發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢1 1.

8、1.1 課題背景.1 1.1.2 移動式機(jī)器人在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.2 1.2 研究的目的和意義2 1.3 研究的內(nèi)容2 第 2 章 智能清障小車系統(tǒng).4 2.1 系統(tǒng)總體方案4 2.2 系統(tǒng)方案論證4 2.2.1 車體方案論證.4 2.2.2 小車結(jié)構(gòu)方案論證.5 2.2.3 障礙物清理單元方案論證.5 2.2.4 控制器方案論證.6 2.2.5 供電單元方案論證.6 2.2.6 障礙物識別單元方案論證.7 2.2.7 運動單元方案論證.8 2.2.8 循跡單元方案論證.9 2.3 系統(tǒng)最終方案10 第 3 章 智能清障小車硬件設(shè)計.12 3.1 系統(tǒng)硬件電路介紹12 3.2 障礙物監(jiān)測模塊介紹

9、12 3.3 障礙物清理模塊介紹13 3.3.1 機(jī)械手介紹.13 3.3.2 機(jī)械手控制電路介紹.13 3.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)介紹15 3.4.1 AT89S52 單片機(jī)簡介16 3.4.2 單片機(jī)使用資源規(guī)劃.17 3.5 供電模塊介紹17 3.6 尋跡模塊介紹17 3.7 直流電機(jī)驅(qū)動模塊介紹19 第 4 章 智能清障小車軟件部分.22 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) II 4.1 軟件開發(fā)平臺22 4.2 軟件開發(fā)調(diào)試23 4.2.1 舵機(jī)工作程序仿真.23 4.2.2 直流電機(jī)工作程序仿真.24 4.3 系統(tǒng)軟件流程25 4.4 尋跡軟件流程27 4.5 障礙物檢測及清理軟件流程28

10、 第 5 章 系統(tǒng)測試.30 5.1 測試場景介紹30 5.2 實際測試過程30 5.3 測試結(jié)果分析32 結(jié) 論.33 致 謝.34 參考文獻(xiàn).35 附錄 I36 附錄 II37 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 1 第 1 章 緒論 1.1 智能化小車發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 1.1.1 課題背景 肩負(fù)著人類探測火星使命的“勇氣”號和“機(jī)遇”號分別于2004年1月3日和1月24日 在火星不同區(qū)域著陸，并于2004年4月5日和2004年4月26日相繼通過所有“考核標(biāo)準(zhǔn)”。 美國宇航局的孿生火星車探測計劃至此正式宣告取得圓滿成功。美國宇航局科學(xué)家和工 程師先設(shè)立了一系列硬指標(biāo)，作為判定兩輛火星車聯(lián)合探測計

11、劃是否能成功的依據(jù)。按 照規(guī)定，每輛火星車都需要至少工作90個火星日(約地球上的92天)，在火星上行駛總里 程至少達(dá)到600米，至少造訪8個不同地點，必須拍下周圍環(huán)境的立體和彩色全景照片。 “勇氣”號是迄今美國發(fā)射的最尖端的火星探測裝置，其頂部的桅桿式結(jié)構(gòu)上裝有全景 照相機(jī)及具有紅外探測能力的微型熱輻射分光計?；鹦擒嚹軌蛟诨鹦巧献灾餍旭?，當(dāng)火 星車發(fā)現(xiàn)值得探測的目標(biāo)，它會驅(qū)動六個輪子向目標(biāo)行駛；在檢測到前進(jìn)方向上的障礙 后，火星車會去尋找可能的最佳路徑1。 類似火星車，以輪子作為移動機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)自主行駛的機(jī)器人，我們稱之為智能 小車，又稱輪式機(jī)器人。 智能小車是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動

12、行駛等功能于一體的智能輪式機(jī)器人， 它集中地運用了計算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技 術(shù)綜合體。智能小車作為現(xiàn)代高科技的產(chǎn)物，是21世紀(jì)的科技亮點之一。智能小車技術(shù) 的發(fā)展，應(yīng)該說它是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個綜合性結(jié)果。同時，它為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了 一門有著重大影響的科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)后各國加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的 投入，而對輪式機(jī)器人的研究成果又提高了本國的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平。比如說日本戰(zhàn)后開 始進(jìn)行汽車工業(yè)，這時候由于它人力的缺乏，它迫切需要一種機(jī)器人來進(jìn)行大批量的制 造，提高生產(chǎn)效率降低勞動成本，這是社會發(fā)展本身的一個需求。另一方面它也是生產(chǎn) 力發(fā)展的必然結(jié)果

13、，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，人類在不斷探討自然、認(rèn)識自然、 改造自然過程中，需求一種能夠解放人的自動化裝置。那么這種自動化裝置就是代替人 們能夠從事復(fù)雜和繁重的體力勞動，實現(xiàn)人們對不可達(dá)到的世界的認(rèn)識和改造，這也是 人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要。但另一方面，盡管人們有各種各樣好的想法， 它也歸功于電子技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)及制造技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展提供額強(qiáng)大技術(shù)保證2。 目前，許多國家已經(jīng)把智能小車方面的比賽作為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段。智能小車 涉及到多個學(xué)科，如：電工、機(jī)械、自動控制、人工智能、傳感技術(shù)等，是眾多領(lǐng)域中 的高科技。智能小車比賽是一種高科技對抗活動，各國專家學(xué)者通過這項競賽，不

14、斷推 進(jìn)了輪式機(jī)器人方面的研究，通過不斷改進(jìn)輪式機(jī)器人尋址速度和算法研究，試圖讓輪 式機(jī)器人更接近智能化，它集高科技、娛樂和競賽于一體，引起了各國的廣泛關(guān)注和極 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 2 大興趣，從而推動了輪式機(jī)器人的研究熱潮。 1.1.2 智能化小車在國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國智能化小車研究主要有：1)以MCS-51單片機(jī)為控制核心，結(jié)合多種傳感器實現(xiàn) 尋跡、測速、避障、清障等功能3；2)基于FPGA的智能小車系統(tǒng)，即本地計算機(jī)通過接入 Internet小車實現(xiàn)對遠(yuǎn)端工作現(xiàn)場、危險環(huán)境地段等特殊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)視和控制的系統(tǒng)， 這種智能小車可以適應(yīng)不同環(huán)境，不受溫度、濕度、空間、磁場輻射、重力等

15、條件的影 響，可以在人類無法進(jìn)入或生存的環(huán)境中完成人類無法完成的探測任務(wù)4；3)以 Freesealel6位單片機(jī)MC9S12DGl28作為系統(tǒng)控制處理器，基于CCD傳感器采集視頻圖像， 通過對獲得的圖像進(jìn)行處理分析，獲得道路信息提取賽道黑線，并結(jié)合測速反饋實現(xiàn)對 小車的閉環(huán)反饋控制，后輪驅(qū)動電機(jī)控制模塊采用了模糊PID控制算法，充分利用了內(nèi)部 提供的模糊推理機(jī)5；4)基于DSP的智能小車系統(tǒng)，該系統(tǒng)以DSP單片機(jī)作為處理器，用 RFl2作為通信模塊，將所采集的溫濕度傳送到上位機(jī)，利用蟻群算法實現(xiàn)路徑規(guī)劃，并 在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)避障功能，避障功能模塊我們采用多超聲波傳感器來實現(xiàn)6；5) 以 LPC

16、2368為核心搭建智能小車的控制系統(tǒng)的硬件平臺，通過光電碼盤、防碰開關(guān)、超聲波 傳感器等來實現(xiàn)智能小車的多種功能7。 1.2 研究的目的和意義 機(jī)器人要實現(xiàn)自動尋跡功能和檢測障礙物功能就必須要有感知導(dǎo)引線，感知導(dǎo)引線 相當(dāng)給機(jī)器人一個視覺功能。智能小車實現(xiàn)自動識別路線和檢測障礙物使用傳感器感知 路線并作出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動作,選擇正確的行進(jìn)路線。通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng) 設(shè)計并實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力。在實踐過程中，熟悉以單片機(jī)為核心控制芯片，設(shè)計 小車的檢測、驅(qū)動和顯示等外圍電路，結(jié)合障礙物監(jiān)測和清除模塊，實現(xiàn)小車的循跡清 障功能。靈活應(yīng)用機(jī)電等相關(guān)學(xué)科的理論知識，聯(lián)系實際電路設(shè)計的具體實現(xiàn)

17、方法，達(dá) 到理論與實踐的統(tǒng)一。 本課題利用 AT89S52 設(shè)計了一種嵌入式智能尋跡小車，在傳感器、電機(jī)驅(qū)動和軟件 的控制下，能夠智能地完成行走路線探測、監(jiān)測障礙物、清除障礙物等任務(wù)，與傳統(tǒng)的 遙控玩具車相比，具有一定的獨立性和智能性。 1.3 研究的內(nèi)容 本課題設(shè)計的智能清障小車具有自動尋跡、障礙物檢測、障礙物清除等功能。整體 設(shè)計可分為機(jī)械和電氣兩部分：機(jī)械部分主要包括車體結(jié)構(gòu)和機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計，目前車 體主要有輪式和履帶式兩種可供選擇，機(jī)械手設(shè)計需根據(jù)障礙物進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計、加緊力 計算等；電氣部分主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、供電模塊、運動模塊、尋跡模塊、障 礙物監(jiān)測模塊組成。采用 MCS-5

18、1系列中的 AT89S52單片機(jī)制作最小系統(tǒng)，直流電機(jī)作為 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 3 小車動力源并通過驅(qū)動芯片控制小車的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向，利用光電傳感器識別黑線，經(jīng)比較 器反饋信號最終實現(xiàn)尋跡功能，點觸開關(guān)實時監(jiān)測黑線上的障礙物，整個系統(tǒng)通過雙電 源供電，12V 穩(wěn)壓電源一部分供運動模塊使用，另一部分經(jīng)轉(zhuǎn)換，供單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、 尋跡模塊、障礙物監(jiān)測模塊使用，機(jī)械手上的舵機(jī)由5V 干電池供電。整個系統(tǒng)的電路結(jié) 構(gòu)比較簡單、可靠性高。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 4 第 2 章 智能清障小車系統(tǒng) 2.1 系統(tǒng)總體方案 經(jīng)過對本設(shè)計要求的分析，提出了不同的方案，需要進(jìn)行方案論證：機(jī)械部分

19、主要 是車體和機(jī)械手控制方式的選擇；電氣部分主要有主控制器的選擇，供電模塊的設(shè)計， 循跡傳感器的選擇，障礙物監(jiān)測傳感器的選擇。主要構(gòu)成如圖 2-1 的系統(tǒng)，單片機(jī)最小 系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的控制核心，尋跡電路模塊反饋信號給單片機(jī)，通過控制直流電機(jī)驅(qū) 動模塊，從而實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，使小車按要求運動，障礙物監(jiān)測模塊實時監(jiān)測黑線上 是否有障礙物，一旦觸發(fā)，單片機(jī)控制清障單元模塊清除障礙物。 圖 2-1 系統(tǒng)總體框圖 2.2 系統(tǒng)方案論證 2.2.1 車體方案論證 方案一：自己制作車體。 自己制作的車體，一般采用左右兩輪驅(qū)動，后萬向輪轉(zhuǎn)向的方案。即左右輪分別用兩 個轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動

20、，車體頭部裝一個萬向輪，當(dāng)兩個直流 電機(jī)轉(zhuǎn)向相反同時轉(zhuǎn)速相同就可以實現(xiàn)車體的旋轉(zhuǎn)。但是制作車體的工具和材料有限， 制作后的結(jié)構(gòu)并不一定能按設(shè)計尺寸進(jìn)行，同時材料的局限性可能使得車體比較笨重。 方案二：購買玩具車體。 購買的玩具電動車具有組裝完整的車架車輪、電機(jī)、驅(qū)動電路等，其美觀方便，只要 制作所需電路板就可以方便的固定在車體上，能夠穩(wěn)定的實現(xiàn)小車運動，這種車體一般 都是四輪驅(qū)動，左側(cè)兩輪和右側(cè)兩輪分別為一組，通過一側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，一側(cè)電機(jī)反轉(zhuǎn)實 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 5 現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向，但電機(jī)一般為玩具直流電機(jī)，力矩小，負(fù)載性能差，不能適應(yīng)原地轉(zhuǎn)向。 綜合分析上述兩方案，考慮到本設(shè)計制作的

21、僅是模型，為了方便美觀，所以選擇方案 二。 2.2.2 小車結(jié)構(gòu)方案論證 方案一：履帶式小車。 履帶式小車能適應(yīng)各種復(fù)雜地形，其抓地力大，行駛速度穩(wěn)定。常用于工業(yè)領(lǐng)域， 如履帶式起重機(jī)、履帶式裝載機(jī)、履帶式推土機(jī)等。但是采用履帶式的車體行駛速度慢， 只能通過兩側(cè)履帶輪同速反向轉(zhuǎn)動實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，同時對電機(jī)要求也比較高，一般玩具車電 機(jī)負(fù)載能力小，不適用履帶傳動。 方案二：輪式小車。 輪式傳動化滑動為滾動，大大減少了摩擦阻力，行駛速度遠(yuǎn)大于履帶式小車，常用 于對行駛速度要求較高的領(lǐng)域中。對于地形復(fù)雜的道路，通過加重車體，增加車底離地 高度，輪式車輛也能在這些道路行駛，但其穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如履帶式車體。 由于

22、本課題所使用路面平整，采用直流電機(jī)驅(qū)動，對車速要求為 0.3m/s。綜合考慮， 采用方案二。經(jīng)上述兩方案論證，本課題使用的車體如圖 2-2 所示。 圖 2-2 小車車體 2.2.3 障礙物清理單元方案論證 方案一：氣動機(jī)械手8 氣動機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的機(jī)械手。其主要特點是：抓 重可達(dá)幾百斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格，不燃油 的泄漏對機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。 方案二：電動機(jī)械手9 電動機(jī)械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機(jī)、直流電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī) 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 6 構(gòu)運動的機(jī)械手，因為不

23、需要中間的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故其結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的 運動速度快，行程長，維護(hù)和使用方便。但此類機(jī)械手目前還不多，資料方面比較欠缺。 鑒于價格、體積等因素，且本系統(tǒng)重量輕。決定采用方案二。本課題使用的機(jī)械手 如圖 2-3 所示。 圖 2-3 電動機(jī)械手 2.2.4 控制器方案論證 根據(jù)課題要求，控制器主要用于控制電機(jī)和舵機(jī)，通過相關(guān)傳感器對路面的軌跡信 息進(jìn)行處理，并將處理信號傳輸給控制器，然后控制器做出相應(yīng)的處理，實現(xiàn)電機(jī)的前 進(jìn)和后退、舵機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 方案一：可以采用 ARM 為系統(tǒng)的控制器10。 優(yōu)點是該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，片上外設(shè)集成密度高，使其擁有高穩(wěn)定性，同時系統(tǒng)的處 理速度也很高

24、，但是 ARM 芯片編程復(fù)雜，一般用于大型的項目控制系統(tǒng)中。 方案二：采用 AT89S52 單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心11。 AT89S52 單片機(jī)算術(shù)運算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、功耗低、體積小、技術(shù)成熟。只要 合理設(shè)計外接電路，其穩(wěn)定性也滿足要求。 綜合考慮成本、工作量等，本設(shè)計選擇用 AT89S52 單片機(jī)做控制器。 2.2.5 供電單元方案論證 整個系統(tǒng)需要電源的有：四個直流電機(jī)及驅(qū)動模塊、尋跡模塊、單片機(jī)、舵機(jī)。以 上所有模塊中只有四個直流電機(jī)及驅(qū)動模塊需 12V 電壓，其它均為 5V 電壓，必須注意的 是舵機(jī)在工作時，電路中的電流會產(chǎn)生較大波動，對單片機(jī)可能產(chǎn)生影響。 方案一：采用單電源供

25、電。 通過單電源對整個系統(tǒng)進(jìn)行供電，即 12V 穩(wěn)壓直流電源一部分對四個直流電機(jī)及驅(qū) 動供電，另一部分經(jīng)過降壓，對其它模塊供電。此方案的優(yōu)點是：減少機(jī)身的重量，操 作簡單，但當(dāng)系統(tǒng)中個模塊同時工作時，可能產(chǎn)生過電流太大，從而燒壞電壓轉(zhuǎn)換芯片， 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 7 甚至燒壞單片機(jī)，且較大的電流波動影響單片機(jī)的穩(wěn)定性。 方案二：采用雙電源供電。 通過兩個獨立電源對整個系統(tǒng)供電，即 12V 穩(wěn)壓直流電源一部分對四個直流電機(jī)及 驅(qū)動模塊供電，另一部分經(jīng)過降壓，對除舵機(jī)以外的其它模塊供電，另一 5V 電源單獨對 舵機(jī)供電，兩電源共地連接。此方案的優(yōu)點是：減少電路中電流波動，單片機(jī)具有更佳

26、 穩(wěn)定性。唯一的缺點就是會增加小車的重量。 綜合上述兩方案的的優(yōu)缺點，考慮單片機(jī)穩(wěn)定性等要求，決定采用第二種方案。 2.2.6 障礙物識別單元方案論證 方案一：采用超聲波探測器12。 超聲波探測器利用超聲波特有的指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)等 特點，常用于距離的測量。其工作原理是：聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射 時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接 收器收到反射波就立即停止計時。對于本課題，可以先設(shè)定時間，一旦提前收到反射波， 表明前方有障礙物，這樣就能實現(xiàn)監(jiān)測障礙物的功能。超聲波測距電路如圖 2-4 所示， 其優(yōu)點是測距遠(yuǎn)、可靠性

27、高，但是電路復(fù)雜，編程繁碎。 圖 2-4 超聲波接收和發(fā)射電路圖 方案二：采用 RPR220 型光電對管12。 RPR220 是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管， 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 8 而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。主要應(yīng)用在游戲機(jī)、復(fù)印機(jī)和辦公自動 化等設(shè)備中。其優(yōu)點是:體積小結(jié)構(gòu)緊湊、較高靈敏度。其缺點是：測距有限，只有 1- 3cm，受外界光線影響較大。電路框圖如圖 2-5 所示，相對于超聲波測距電路，該方案使 用電路簡單，編程也容易。 圖 2-5 RPR220 型光電對管電路框圖 方案三：采用點觸開關(guān)。 點觸式開關(guān)是一種通過觸碰開

28、關(guān)就能接通，松手就斷開的簡易開關(guān)。優(yōu)點是：結(jié)構(gòu) 簡單、價格低廉、無需程序控制。唯一缺點是需要觸碰控制，即控制距離近。在電路中 只需將開關(guān)一端接單片機(jī) I/O，另一端根據(jù)需要的反饋信號接在高或低電平上，電路框圖 如圖 2-6 所示。 圖 2-6 點觸開關(guān)電路框圖 綜合三個方案的優(yōu)缺點，考慮本系統(tǒng)設(shè)計需要高精度，對測距無要求，決定采用方 案三。 2.2.7 運動單元方案論證 方案一：采用步進(jìn)電機(jī)，配合 LM298 驅(qū)動芯片組合13。 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的電機(jī)。在非超載的情況下，電機(jī) 的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，只要施加合適的脈沖序列，電 徐州工程學(xué)院畢

29、業(yè)設(shè)計(論文 ) 9 機(jī)就按照人為預(yù)定的速度或方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動。但是軟件程序的編寫較直流電機(jī)稍顯復(fù)雜， 驅(qū)動芯片的硬件電路復(fù)雜，且步進(jìn)電機(jī)的價格昂貴，如電路框圖 2-7 所示。 圖 2-7 步進(jìn)電機(jī)+LM298 組合電路圖 方案二：采用直流電機(jī)，配合 L298N 驅(qū)動芯片組合10。 直流電動機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。通過驅(qū)動芯片控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向 與轉(zhuǎn)速，硬件電路簡單，如 2-8 電路框圖所示，一個芯片就能控制兩個電機(jī)的運動，且 不需要外接電路。但容易受到外部因素干擾，影響穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩輸出。 圖 2-8 直流電機(jī)+L298N 組合電路框圖 綜合上述兩種方案的優(yōu)缺點，鑒于本系統(tǒng)設(shè)計體積較

30、小，自身重量較輕，對電機(jī)輸 出功率要求不高，故采用方案二。 2.2.8 循跡單元方案論證 方案一：用光敏電阻組成光敏探測器11。 光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種阻值隨入射光強(qiáng)弱而改變的電阻器， 入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。在本課題中，當(dāng)光線照射到白線上面時， 光線發(fā)生強(qiáng)烈反射，光線照射到黑線上面時，光線反射較弱，利用光敏電阻在白線和黑 線上的不同阻值，通過比較器將阻值轉(zhuǎn)變成電信號反饋給單片機(jī)就能實現(xiàn)尋跡功能。此 方案的優(yōu)點是：光敏電阻價格低廉，技術(shù)成熟。但光敏電阻受外界光照影響很大，不能 穩(wěn)定的工作，電路框圖如 2-9 所示。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 10 圖

31、2-9 光敏電阻電路框圖 方案二：用紅外發(fā)射管和接收管制作的光電傳感器11。 紅外對管是紅外線發(fā)射管與紅外線接收管配合在一起使用時候的總稱。紅外發(fā)射管 發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回 的紅外線則表示是白線，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的紅外線則表示是黑線，通過比較器轉(zhuǎn) 換信號，繼而向單片機(jī)反饋高低電平。這樣的傳感器基本能滿足要求，但其工作不穩(wěn)定， 容易受外界光線的影響，因此每次工作前必須根據(jù)傳感器的反饋電壓來調(diào)整比較器的比 較電壓范圍，電路框圖如 2-10 所示。 圖 2-10 紅外對管電路框圖 方案三：采用 RPR220 型光電對管12。 RPR220

32、是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管， 而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。主要應(yīng)用在游戲機(jī)、復(fù)印機(jī)和辦公自動 化等設(shè)備中。其優(yōu)點是:體積小結(jié)構(gòu)緊湊、較高靈敏度。其缺點是：測距有限，只有 1- 3cm。電路框圖如圖 2-5 所示，該方案使用電路簡單，編程也容易。 綜合比較三種方案，根據(jù)制作的難以程度等因素，我們最終采用方案三。 2.3 系統(tǒng)最終方案 經(jīng)過反復(fù)論證，我們最終確定了如下方案： 1) 車體用購買的金屬材料四輪驅(qū)動小車。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 11 2) 電動機(jī)械手作為清障工具。 3) 采用點觸開關(guān)監(jiān)測路面障礙。 4) 采用 AT89S52

33、單片機(jī)作為主控制器。 5) 通過雙電源為系統(tǒng)供電：12V 穩(wěn)壓電源一方面為電機(jī)供電，另一方面經(jīng) LM7805 降壓 后為舵機(jī)以外的其它模塊供電；5V 干電池直接供舵機(jī)使用。 6) L298N 作為直流電機(jī)的驅(qū)動芯片。 7) 采用 RPR220 型光電對管進(jìn)行路面信息采集。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 2-11 所示。 圖 2-11 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 12 第 3 章 智能清障小車硬件設(shè)計 3.1 系統(tǒng)硬件電路介紹 本課題設(shè)計的智能小車硬件系統(tǒng)主要包括機(jī)械和電氣兩部分，機(jī)械部分主要有：障 礙物監(jiān)測模塊和障礙物清理模塊；電氣部分主要有：單片機(jī)最小系統(tǒng)、供電模塊、尋跡 模塊、直流電

34、機(jī)驅(qū)動模塊。障礙物監(jiān)測模塊顧名思義，就是實時進(jìn)行黑線上障礙物的監(jiān) 測工作，主要通過點觸開關(guān)結(jié)合圖 3-1 中第 5 部分的電路，實現(xiàn)該模塊監(jiān)測障礙物的功 能；障礙物清除模塊主要通過舵機(jī)驅(qū)動的機(jī)械手清除障礙物；單片機(jī)最小系統(tǒng)相當(dāng)于 “大腦”,是整個電路的控制核心；供電模塊為整個系統(tǒng)提供電源；尋跡模塊相當(dāng)于“眼 睛” ，為小車尋找道路上的黑線；直流電機(jī)驅(qū)動模塊相當(dāng)于“腳” ，控制小車的進(jìn)退與轉(zhuǎn) 向。 圖 3-1 系統(tǒng)電路原理圖 1.單片機(jī)最小系統(tǒng) 2.供電單元 3.尋跡單元 4.直流電機(jī)驅(qū)動模塊 5.監(jiān)測障礙物模塊 3.2 障礙物監(jiān)測模塊介紹 通過方案論證，系統(tǒng)最終確定采用點觸開關(guān)作為障礙物檢測傳

35、感器，小車在黑線上 行駛的過程中，通過點觸開關(guān)的開閉狀態(tài)判斷道路上是否有障礙物，障礙物監(jiān)測電路如 圖 3-2 所示。點觸開關(guān)閉合時，檢測指示燈發(fā)光，此時 EX0 引腳為低電平，觸發(fā)了單片 機(jī)的外部中斷，從而控制機(jī)械手工作；斷開時，檢測指示燈不發(fā)光，EX0 引腳為高電平， 不能觸發(fā)外部中斷，表明黑線上無障礙物，機(jī)械手不工作。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 13 0.3k Vcc EX 0 圖 3-2 障礙物監(jiān)測電路 點觸開關(guān)的安裝位置如圖 3-3 所示，當(dāng)障礙物進(jìn)入夾持器并觸碰開關(guān)后，就能觸發(fā) 單片機(jī)的中斷，使整個系統(tǒng)停止當(dāng)前一切動作，進(jìn)入中斷執(zhí)行清除障礙物程序。若點觸 開關(guān)的安裝位置太靠前，

36、則觸發(fā)中斷的時候障礙物還未進(jìn)入夾持器，機(jī)械手就開始動作， 無法實現(xiàn)清障功能；若點觸開關(guān)安裝太靠后，即觸頭不在夾持器范圍內(nèi)，這樣導(dǎo)致點觸 開關(guān)始終處于斷開狀態(tài)，障礙物監(jiān)測模塊和障礙物清理模塊都無法正常工作。 圖 3-3 點觸開關(guān)安裝位置 3.3 障礙物清理模塊介紹 3.3.1 機(jī)械手介紹 電動機(jī)械手是一種利用電機(jī)驅(qū)動并能夾持物體的機(jī)構(gòu)。考慮到本課題設(shè)計的模型體 積小、重量輕，且機(jī)械手安裝于車體頭部，為了防止車體前后不穩(wěn)，機(jī)械手重量不能太 大，故機(jī)械手材料采用優(yōu)質(zhì) ABS 工程塑料制作，抓取的物體最大直徑為53cm，夾持器張 開后長度為85cm，閉合后長度為100cm。本設(shè)計清障的方案是：第一步，

37、障礙物監(jiān)測模塊 發(fā)現(xiàn)障礙物；第二步，機(jī)械手加緊障礙物；第三步，小車向黑線外運動，將障礙物推出 黑線，此時松開機(jī)械手，小車回到黑線繼續(xù)運動（清障過程詳細(xì)參見圖5-3、圖5-4、圖 5-5） 。整個過程只是通過機(jī)械手夾住障礙物，而不是僅僅通過機(jī)械手就達(dá)到清障目的， 故設(shè)計中的機(jī)械手只起到夾持物體作用，對其要求只有夾持器范圍，夾持力并無要求， 只要夾住便可，設(shè)計模型使用的機(jī)械手見圖2-3。 3.3.2 機(jī)械手控制電路介紹 本課題設(shè)計的機(jī)械手通過一個舵機(jī)驅(qū)動，控制電路如圖3-4紅圈中所示，所使用的單 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 14 片機(jī) I/O 先接上拉電阻，然后直接與舵機(jī)的信號線連接即可。由于

38、單片機(jī) I/O 口提供的 電流有限，無法驅(qū)動機(jī)械手使用的舵機(jī)，所以通過上拉電阻，為舵機(jī)提供足夠大的驅(qū)動 電流。 圖3-4 舵機(jī)控制電路 舵機(jī)電路雖然簡單，但編程還是比較復(fù)雜的16。舵機(jī)必須通過 PWM 信號控制，具體 的數(shù)據(jù)如圖 3-5 所示，舵機(jī)的控制信號是周期 20ms 的脈寬調(diào)制信號，其中脈沖寬度為 1ms-2ms，相對應(yīng)舵盤的位置為 0180 度，呈線性變化，也就是說，給它提供一定的脈 寬，它的輸出軸就會保持在一個相對應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提 供另外一個寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的位置上，詳細(xì)參見表 3-6。值得 注意的是：舵機(jī)的響應(yīng)時間對于控制非常重要

39、，一方面可以通過修改 PWM 周期獲得，另 一方面也可以通過機(jī)械方式，利用舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距余量，將角度進(jìn)行放大，加快舵機(jī)響 應(yīng)速度。 圖3-5 舵機(jī)工作信號 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 15 表3-6 舵機(jī)角度控制表 3.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)介紹 單片機(jī)最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、時鐘電路組成，單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖 3-7 所示。 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是使單片機(jī)從 0000H 單元開始執(zhí)行程序，除了 進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為使 單片機(jī)正常工作，也可以通過復(fù)位以重新啟動。復(fù)位操作有上電自動復(fù)位、按鍵電平復(fù) 位、外部脈沖復(fù)位和自動復(fù)位四種

40、方式，該最小系統(tǒng)采用上電自動復(fù)位方式，使復(fù)位端 經(jīng)電容與 Vcc 電源接通而實現(xiàn)。時鐘電路相當(dāng)于“心臟” ，為單片機(jī)提供時鐘電平，所需 晶振為 12MHz。 12M 30pF 30pF 10uF 10K VCC 10k EX 0 RN B2 RN A2 RN B1 RN A1 RST 9 RX D/P3.0 10 INT 0/P3.2 12 INT 1/P3.3 13 T0/P3.4 14 T1/P3.5 15 EA /VPP 31 XT AL 1 19 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3AD 3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 3

41、4 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 P2.7/A15 28 AL E/PROG 30 TX D/P3.1 11 WR/P3.6 16 RD /P3.7 17 PSEN 29 XT AL 2 18 P1.3 4 GN D 20 Vcc 40 AT 89S52 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 16 圖 3-7 單片機(jī)最小系統(tǒng)

42、 3.4.1 AT89S52 單片機(jī)簡介 AT89S52 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗、高性能 CMOS8 位單片機(jī)。器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 Flash 程 序存儲器既可在線編程也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程。AT89S52 單片機(jī)的功能強(qiáng)、價位低，適 用于許多高性價比的場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域17。 a.主要性能參數(shù)： 與 MCS-51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容； 8K 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash 閃速存儲器； 4.0-5.5V 的電壓工作范圍； 全靜態(tài)工作模式：0Hz-33MHz； 128*8 字節(jié)內(nèi)部

43、RAM； 32 個可編程 I/O 口線（P0、P1、P2、P3） ； 2 個 16 位定時/計數(shù)器，可通過編程實現(xiàn) 4 種工作方式； 1 個具有 6 個中斷源、4 個優(yōu)先級的中斷潛嵌套結(jié)構(gòu)； 中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng)； 看門狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針； 靈活的在系統(tǒng)編程（ISP 字節(jié)或頁寫模式） ； b.所使用引腳功能： Vcc：接+5V 電壓； Vss：接地； XTAL1：接外部晶振的一個引腳，在單片機(jī)的內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端， 此反相放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器； XTAL2：接外部晶體的另一個引腳，在單片機(jī)的內(nèi)部，它是反相放大器的輸出端，輸 入到內(nèi)部時鐘發(fā)生器。當(dāng)使用外部振蕩器時，XT

44、AL1 接地，XTAL2 接收振蕩器信號； P1：8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，內(nèi)部含有上拉電阻； P2：8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電路； P3：8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電路，它還提供特殊功能，包括串行通信、外 部中斷控制、計時計數(shù)控制及外部隨機(jī)存儲器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ埽?RST：復(fù)位輸入信號，高電平有效。在振蕩器工作時，在 RST 上作用兩個周期以上的 高電平，便可復(fù)位器件； EA/Vpp：片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。當(dāng) EA/Vpp 接地時，CPU 只 執(zhí)行片外存儲器中的程序；當(dāng) EA/Vpp 接 Vcc 時，CPU 首先執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器中的程序

45、 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 17 （0000H0FFFH） ，然后自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲器中的程序（1000HFFFFH） ； 3.4.2 單片機(jī)使用資源規(guī)劃 AT89S52 單片機(jī)具有比較強(qiáng)大的系統(tǒng)資源，系統(tǒng)電路在設(shè)計時充分利用了它的自身特 性，并進(jìn)行合理的規(guī)劃，詳見表 3-8。P3 口具有普通 I/O 口功能外，還有第二功能，如 定時器、中斷等，所以一般不用，除非需要使用它的第二功能；P0 口內(nèi)部無上拉電阻， 需外加上拉電阻才能輸出高電平，在電路中未加上拉電阻，因而不用 P0 口；P1 口和 P2 口作為普通 I/O 口，可任意使用。 表 3-8 單片機(jī)資源分配表 系統(tǒng)資源類型用途

46、備注 看門狗防止系統(tǒng)跑飛 定時器 1定時喂狗 外部中斷 0監(jiān)測障礙物輸入 P1.0 控制小車左側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)向輸出 P1.1 控制小車右側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)向輸出 P1.2 控制小車左側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出 P1.3 控制小車右側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出 P1.7 控制舵機(jī)運動輸出 P2.0 監(jiān)測黑線，反饋左微動信號輸入 P2.1 監(jiān)測黑線，反饋左轉(zhuǎn)信號輸入 P2.2 監(jiān)測黑線，反饋右微動信號輸入 P2.3 監(jiān)測黑線，反饋右轉(zhuǎn)信號輸入 3.5 供電模塊介紹 供電模塊為系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器等模塊提供可靠的工作電壓。該模 型采用兩個獨立電源對整個系統(tǒng)供電，即12V 穩(wěn)壓直流電源一部分對四個直流電機(jī)及驅(qū)動 模塊供電，另一部分

47、經(jīng)過 LM7805降壓到5V，分別對單片機(jī)最小系統(tǒng)、尋跡模塊供電，另 一5V 干電池電源單獨對舵機(jī)供電，兩電源共地連接。供電模塊電路設(shè)計如圖3-9所示，電 路中的兩個電容主要用于濾波，以濾除直流電源中不需要的交流成分，使直流電平滑， 同時濾除高頻交流電。 圖 3-9 12V 穩(wěn)壓直流電源轉(zhuǎn)換電路 3.6 尋跡模塊介紹 尋跡是指小車在白色地面上總是循著黑線行走。該功能通過 RPR220型光電對管對黑 104 IN GND OUT LM 7805 10uF DC-12V GN D 1 2 Vcc VD D 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 18 線進(jìn)行識別而實現(xiàn),即利用發(fā)光二極管在不同顏色的物體表面

48、具有不同的反射性質(zhì)的特點,當(dāng) 可見光遇到白色地面時發(fā)生漫反射，反射光使安裝于小車上的光電三極管導(dǎo)通并通過比 較器 LM339反饋高低電平給單片機(jī)，當(dāng)遇到黑線，可見光線則被吸收，光電三極管接收不 到光線而無法導(dǎo)通 ,單片機(jī)根據(jù)是否收到反饋電平為依據(jù)來確定小車的行走路線 ,從而 實現(xiàn)小車的尋跡功能。尋跡電路如圖3-10所示，該電路中主要芯片是 LM339，它內(nèi)部是將 模擬電壓信號與基準(zhǔn)電壓相比較的電路，通過比值不同，反饋高低電平給單片機(jī)。 114 213 312 411 510 69 78 LM 339 10k 10k 0.3k VCC VCC L4 L5 圖3-10 尋跡模塊電路 尋跡模塊中使用

49、的光電對管共有四對，分別安裝在小車兩側(cè)和前端，如圖 3-12 所示， 當(dāng)“前 X1”與“前 Y1”在黑線上， “左 X1”與“右 Y1”在黑線外，小車前進(jìn)。在前進(jìn)的 過程中，如果“前 X1”偏出黑線，如圖 3-11，則小車向右微動，如果“前 Y1”偏出黑線， 如圖 3-13，則小車向左微動，最終使前端兩個傳感器處于黑線上。當(dāng)小車處于圖 3-14 狀 態(tài)，即“左 X1”在黑線上， “右 Y1”在黑線外，同時“前 X1”與“前 Y1”在黑線外，小 車左轉(zhuǎn)。當(dāng)小車處于圖 3-15 狀態(tài)，即“左 X1”在黑線外， “右 Y1”在黑線上，同時“前 X1”與“前 Y1”在黑線外，小車右轉(zhuǎn)，詳細(xì)表 3-16

50、 光電傳感器真值表。 圖 3-11 尋跡右微動 圖 3-12 尋跡直走 圖 3-13 尋跡左微動 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 19 圖 3-14 尋跡左轉(zhuǎn)傳感器位置圖 圖 3-15 尋跡右轉(zhuǎn)傳感器位置圖 表 3-16 光電傳感器狀態(tài)真值表 左 X1右 Y1前 X1前 Y1 正常行駛 1100 左轉(zhuǎn) 0111 右轉(zhuǎn) 1011 左微動 1101 右微動 1110 停止 1111 3.7 直流電機(jī)驅(qū)動模塊介紹 電機(jī)驅(qū)動模塊用于驅(qū)動小車輪子轉(zhuǎn)動，使小車行進(jìn)18。該模塊中主要使用芯片 L298N，它是 SGS 公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相電機(jī)的 專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個

51、 H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平 信號，可驅(qū)動 46V、2A 以下的電機(jī)。如圖 3-19，小車上有四個直流電機(jī)，左側(cè)兩個電機(jī) （M1,M3）為一組，右測兩個電機(jī)（M2,M4）為一組，分別接在兩個 L298N 芯片上，兩個 芯片共有八個信號口，相同的分別并聯(lián)在一起，這樣通過四個端口就能控制四個電機(jī)運 動，控制信號詳見表 3-17。 表 3-17 電機(jī)轉(zhuǎn)動狀態(tài)編碼 左側(cè)電機(jī)右側(cè)電機(jī) IN1IN2IN3IN4 左側(cè)電機(jī) M1,M3 右側(cè)電機(jī) M2,M4 小車運動狀態(tài) 1010 正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)小車前進(jìn) 1001 正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)小車左轉(zhuǎn) 1011 正轉(zhuǎn)停止以左側(cè)電機(jī)為中心原地左轉(zhuǎn) 0

52、110 反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)小車右轉(zhuǎn) 1110 停止正轉(zhuǎn)以右側(cè)電機(jī)為中心原地右轉(zhuǎn) 0101 反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)小車后退 對于電機(jī)的調(diào)速，我們采用 PWM 調(diào)速的方法。其原理就是開關(guān)管在一個周期內(nèi)的導(dǎo) 傳 感 器 號 小 車 狀 態(tài) 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 20 通時間為 t，周期為 T，則電機(jī)兩端的平均電壓 U=Vcc(t1/T)=a*Vcc，其中 a=t/T(占空比)， Vcc 是電源，如圖 3-18。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成正比，而電機(jī)兩端的電壓與控 制波形的占空比正正比，因此電機(jī)的速度與占空比成正比，即占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越 快。 圖 3-18 PWM 輸出波形 M EN A 6 EN B 11

53、SE NSEA 1 SE NSEB 15 IN1 5 IN2 7 IN3 10 IN4 12 +V s 4 OU T1 2 OU T2 3 OU T4 14 OU T3 13 +Vcc 9 GND 8 L298N M VD DVCC + - + - M1 M2 RN A1 RN A2 RN B1 RN B2 M EN A 6 EN B 11 SE NSEA 1 SE NSEB 15 IN1 5 IN2 7 IN3 10 IN4 12 +V s 4 OU T1 2 OU T2 3 OU T4 14 OU T3 13 +Vcc 9 GND 8 L298N M VD DVCC + - + - M3

54、M4 RN A1 RN A2 RN B1 RN B2 圖 3-19 電機(jī)驅(qū)動模塊硬件電路圖 一般在購置小車時，會附帶購買小車驅(qū)動，這樣不但省去自己制作，并能到達(dá)比較 好的穩(wěn)定性，直流電機(jī)所用的驅(qū)動如圖3-20所示。在接線時，小車左側(cè)兩個電機(jī)和右測 兩個電機(jī)分別為一組，接在電機(jī)驅(qū)動的電機(jī) A 輸出端口電機(jī) B 輸出端口上，EA、EB 為電 機(jī)的使能端，IA、IB 為電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向控制端，驅(qū)動部分端子（Vms）供電范圍是： +5V+35V，邏輯部分端子（Vcc）供電范圍是：+5V+7V。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 21 圖3-20 L298N 雙 H 橋直流電機(jī)驅(qū)動 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文

55、 ) 22 第 4 章 智能清障小車軟件部分 4.1 軟件開發(fā)平臺 Keil for C51 是美國 Keil Software 公司出品的 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)19。與匯編相 比，C 語言在功能、結(jié)構(gòu)、可讀性、可維護(hù)性都有明顯的優(yōu)勢。Keil C51 軟件提供豐富 的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面。另外重要的一點，只要看 一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到 Keil for C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高， 多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu) 勢。 C51 開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的源程序要變?yōu)?/p>

56、C51 可以執(zhí) 行的機(jī)器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機(jī)器匯編，目前已極少使用手工 匯編的方法。隨著 C51 開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語 言開發(fā)，單片機(jī)的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展， Keil 軟件除了致力于單片機(jī)的編程開發(fā) 平臺外，還針對 目前最流行 C51 開發(fā)項目出品了 Keil for 51 軟件平臺以及支持在 線調(diào)試的串口燒寫。 Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器 等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision3）將這些部份組合在一起， 如圖 4-1 所示。 圖 4-1 Keil 開發(fā)平臺截圖

57、設(shè)計程序時，我們使用 C 語言進(jìn)行編寫，在 uVision3 開發(fā)環(huán)境中，編寫好的程序通 過編譯，可以清楚的看到自己編寫程序中的錯誤和警告。人性化的設(shè)計功能，使編程人 員更加方便編寫設(shè)計程序。同時，編譯成功的程序可以通過仿真調(diào)試，了解每一步單片 機(jī)所占用的 I/O 口和所耗費的時間，如圖 4-2 所示是程序調(diào)試的過程。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 23 圖 4-2 程序調(diào)試圖 4.2 軟件開發(fā)調(diào)試 當(dāng)編寫的總程序通過 Keil 編譯成功后，就可以進(jìn)行軟件仿真。此時我們就需要 Proteus 這款軟件，Proteus 是英國 Labcenter electronic 公司出版的 EDA 工具

58、軟件， 它不僅具有其它 EDA 工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件，它是目前最好 的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具19。 4.2.1 舵機(jī)工作程序仿真 舵機(jī)的的工作原理在第三章中已詳細(xì)介紹，這里不再重復(fù)。當(dāng)沒有硬件在手，我們 也能在軟件中通過查看單片機(jī)輸出端口的波形，大致了解程序的正確性。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 24 圖 4-3 舵機(jī)信號端口輸出波形 觀察圖 4-3 中波形，可以發(fā)現(xiàn)舵機(jī)信號端口輸出的正是 PWM 信號，即舵機(jī)工作必須 的驅(qū)動信號，但根據(jù)波形我們無法判斷舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，這正是軟件仿真的局限性。但 毋庸置疑的是，有了仿真軟件，在程序編寫時，可以少走許多彎路。 4.

59、2.2 直流電機(jī)工作程序仿真 直流電機(jī)模塊工作時主要用到八個 I/O 口，四個尋跡反饋信號作為輸入，控制四個 直流電機(jī)驅(qū)動信號，具體參見表 3-8，在模擬電路中，兩個示波器分別接在兩側(cè)電機(jī)控速 端口。小車電機(jī)在程序中的工作過程： 1） 機(jī)械手運動，小車停止，見圖 4-4，示波器沒有波形，說明小車此時是停止的； 圖 4-4 小車停止仿真 2） 小車直走，見圖 4-5，示波器中兩波形一樣，表明小車兩側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同； 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 25 圖 4-5 小車直走仿真 3） 小車左微動，見圖 4-6，當(dāng) P2.0 口電平變化，則表明“前 Y1”光電傳感器偏出黑線， 需要左微動，此時左側(cè)電

60、機(jī)反轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)“前 Y1”傳感器回到黑線，小車就 停止微動，繼續(xù)沿黑線前進(jìn)（同理，右微動也是這樣一個過程）； 圖 4-6 小車左微動仿真 4） 小車左轉(zhuǎn)，見圖 4-7，當(dāng) P2.3 口電平變化，則表明“左 X1”傳感器在黑線上，小車 需要左轉(zhuǎn)，此時左側(cè)電機(jī)反轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，由程序控制轉(zhuǎn)過 90 度后，小車?yán)^續(xù)前進(jìn) （同理，右轉(zhuǎn)也是這樣一個過程）； 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 26 圖 4-7 小車左轉(zhuǎn)仿真 4.3 系統(tǒng)軟件流程 系統(tǒng)軟件流程如圖4-8所示。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 27 圖4-8 系統(tǒng)流程圖 軟件流程是這樣的，開始時檢測比較器反饋電平是否變化，若無變化，

61、說明小車上 四個光電傳感器反饋信號不變，小車位置正?？梢岳^續(xù)前進(jìn)，若變化了，則需要進(jìn)一步 檢測是哪一個傳感器發(fā)生了變化。首先檢測“前 X1”電平是否變化，若變化了則小車右 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 28 微動直到“前 X1”傳感器回到黑線上，然后可以繼續(xù)前進(jìn)，若無變化就進(jìn)一步檢測“前 Y1”電平，若變化說明小車需要進(jìn)行左微動調(diào)整“前 X1”傳感器位置，直到回到黑線就 可以繼續(xù)前進(jìn)，若無變化就檢測“左 X1”傳感器，若它反饋的電平變化，則需要進(jìn)行左 轉(zhuǎn)，然后沿黑線直走，無變化則表明“右 Y1”傳感器變化了，小車右轉(zhuǎn)90度，然后直走。 尋跡小車就是這樣進(jìn)行循跡行走的，在循跡的過程中，實時進(jìn)行

62、黑線上障礙物監(jiān)測，若 檢測到就進(jìn)行清障的工作，否則繼續(xù)循跡，直到完成一個循環(huán)，整個程序結(jié)束。 4.4 尋跡軟件流程 在白色地面上有一條黑線，小車就是要沿著這條黑線行走，通過判斷反射式光電傳 感器是否接收到反射光來判斷小車行走的路線。檢測環(huán)節(jié)中一共有四對這樣的光電傳感 檢測單元，實現(xiàn)組合式控制方向的檢測。 檢測部分函數(shù)(圖 4-9 為該程序的流程圖詳解)： sbit G1=P20; /紅外反饋引腳定義 sbit G2=P21; sbit G3=P22; sbit G4=P23; while(1) /對傳感器輸入信號不斷地進(jìn)行查詢 zhizou(); /直走，直走程序中有左右微動檢測程序 if(G

63、1=1)/后退到線上 zuozhuan();/左轉(zhuǎn) 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 29 圖4-9 尋跡軟件流程 4.5 障礙物檢測及清理軟件流程 小車頭部安裝了觸碰開關(guān)，小車行駛過程中，通過這個開關(guān)，可以準(zhǔn)確的判斷前面 是否有障礙物。清障程序在中斷中執(zhí)行，通過外部中斷 0 觸發(fā)。這樣可以準(zhǔn)確無誤的實 現(xiàn)清障功能。 障礙物檢測及清除函數(shù)(圖 4-10 為該程序的流程圖詳解)： void init()/外部中斷 0 初始化 EA=1;/開中斷 IT0=1;/脈沖方式 EX0=1;/開外部中斷 0 void Jixieshou() interrupt 0 /進(jìn)入中斷，執(zhí)行機(jī)械手動作 EX0=0;

64、/關(guān)閉外部中斷信號 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 30 E1=0; /車停止 E2=0; close(); /機(jī)械手閉合，抓起障礙物 delay(500); /延遲一會 youzhuan(); /小車右轉(zhuǎn) zou_1(); /直走一段距離 open(); /機(jī)械手張開，放下障礙物 delay(500); /延遲一會 tui_1(); /小車后退一段距離 zuozhuan(); /小車左轉(zhuǎn)，回到軌道 圖4-10 障礙物檢測及清理軟件流程 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 31 第 5 章 系統(tǒng)測試 為了測試智能清障小車系統(tǒng)的運動情況，我們設(shè)計了簡易軌道對智能清障小車系統(tǒng) 進(jìn)行測試，只有通過硬件調(diào)

65、試之后，才能確定程序的正確性和可靠性。 5.1 測試場景介紹 實驗采用 510mmx220mm 的長方形黑色軌道對智能小車系統(tǒng)進(jìn)行測試，實驗軌道如圖 5-1 所示，在黑線上放置障礙物，小車沿黑線循跡行駛過程的中，通過障礙物檢測及清除 單元，配合小車運動達(dá)到清障目的。實驗的成功與否就在于能否檢測并清除障礙物并且 小車最終并回到起點。 圖 5-1 測試場景及參數(shù) 5.2 實際測試過程 系統(tǒng)測試過程中，采取逆時針的測試方法來檢測小車左右轉(zhuǎn)、清障的效果。經(jīng)過逆 時針 20 圈的實際測試，成功清除障礙物并回到起點的有 14 次，其余 6 次均勻失敗告終。 以下是實際測試過程： 智能小車從起始位置開始運動

66、，如圖 5-2 所示，位于車體兩側(cè)和前端的四對光電傳 感器發(fā)出紅光，表明正在檢測黑線并反饋信號給單片機(jī)，從而控制小車運動。 圖 5-2 小車處于起始位置 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 32 傳感器檢測到障礙物，如圖 5-3 所示，此時小車上信號燈發(fā)光，機(jī)械手閉合夾持障 礙物，小車停止尋跡，執(zhí)行清除障礙物工作。 圖 5-3 傳感器檢測到障礙物 當(dāng)機(jī)械手夾持障礙物后，就需要配合小車運動，將黑線上的障礙物清除，如圖 5-4 所示，小車向右旋轉(zhuǎn) 90 度并向前運動一段距離，機(jī)械手打開，放下障礙物后小車后退并 左轉(zhuǎn)回到黑線上，如圖 5-5 所示，障礙物離開了黑線，小車?yán)^續(xù)進(jìn)行循跡運動。 圖 5-4 清除障礙物 圖 5-5