救援小車的設(shè)計(jì)含程序及CAD圖
救援小車的設(shè)計(jì)含程序及CAD圖,救援,救濟(jì),營(yíng)救,小車,設(shè)計(jì),程序,cad
編號(hào)：
設(shè)計(jì)說(shuō)明書
題 目： 救援小車
學(xué) 院：
專 業(yè)：
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學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師：
職 稱：
題目類型： 理論研究 實(shí)驗(yàn)研究 t工程設(shè)計(jì) 工程技術(shù)研究 軟件開(kāi)發(fā)
20XX年 5 月 20 日
救援小車的設(shè)計(jì)
摘 要
自動(dòng)循跡避障小車在工業(yè)和生產(chǎn)上都有廣泛運(yùn)用，為了培養(yǎng)大學(xué)生對(duì)循跡避障的運(yùn)用，循跡避障機(jī)器人最近幾年一直是各類全國(guó)大學(xué)生機(jī)電類比賽的主要題目。而本次題目要求小車能根據(jù)外部環(huán)境的變化而做出智能的判斷并成功執(zhí)行題目要求的循跡、避障和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的任務(wù)。
本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制技術(shù)為核心，通過(guò)對(duì)各類傳感器的合理運(yùn)用以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)主要由單片機(jī)、紅外傳感器、光電接近開(kāi)關(guān)、直流電機(jī)、穩(wěn)壓芯片組成。系統(tǒng)采用可充電電池作為總電源，并通過(guò)穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓分別對(duì)各部分電路進(jìn)行供電。其中系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分采用5組紅外對(duì)管對(duì)地面信息進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并且再利用兩組光電接近開(kāi)關(guān)對(duì)障礙物進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集；然后將收集到的外部數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)上根據(jù)程序進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，從而使小車系統(tǒng)能準(zhǔn)確、快速地采集處理外部環(huán)境信息并反饋到小車系統(tǒng)執(zhí)行部分去。最后根據(jù)單片機(jī)對(duì)外部信息的處理結(jié)果對(duì)兩個(gè)直流電機(jī)進(jìn)行控制從而實(shí)現(xiàn)小車根據(jù)外部環(huán)境自動(dòng)進(jìn)行循跡、避障、發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的操作；并通過(guò)單片機(jī)對(duì)蜂鳴器和LED的控制實(shí)現(xiàn)光電報(bào)警。
整個(gè)系統(tǒng)的電路機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好。并且本救援小車系統(tǒng)具有執(zhí)行效率高、反應(yīng)快速和低成本等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)小車調(diào)試運(yùn)行情況來(lái)說(shuō)，本次設(shè)計(jì)能很好地根據(jù)外部環(huán)境的變化執(zhí)行預(yù)定任務(wù)。
關(guān)鍵詞：救援小車；L298N；紅外對(duì)管；STC89C52；直流電機(jī)；光電開(kāi)關(guān)
Abstract
Automatic tracking obstacle avoidance for car industry and production, widely used, in order to develop the use of college students on the tracking of obstacle avoidance, tracking, obstacle avoidance robot in recent years has been the main subject of thevarious types of National College Students of machinery and electronic game. The subject car changes in the external environment and to make intelligent judgments andthe successful implementation of the subject requirements tracking, obstacle avoidance,and found the target task.
This design uses a single-chip control technology as the core, through the rational use ofvarious types of sensors to meet the design requirements. The system mainly consists of the microcontroller, infrared sensors, photoelectric proximity switches, DC motors,voltage regulator chip. The system uses a rechargeable battery as the total power supplyvoltage regulator and the regulator chip on the part of the circuit power supply. The system includes data acquisition part of group of infrared tubes on the ground information data collection, and use of two sets of photoelectric proximity switch on the obstacles to data collection; then collected from the external data transmission to the MCU according to the procedures the corresponding data processing, so that the car system can accurately and quickly collecting and processing the external environment for information and feedback to the operative part to go to the car system. The last two DC motor control in order to achieve the car is automatically carried out according to theexternal environment, tracking, obstacle avoidance, found that the operation of the target;and photoelectric alarm buzzer and LED control by the microcontroller according to the results of single-chip processing of external information.
Circuit body of the whole system is simple and good reliability. And the rescue vehicle system with high efficiency in the implementation, fast response and low cost advantages. For debugging and running under the car, the design changes in theexternal environment perform the intended task.
Key words: Rescue car ; L298N; nfrared Emitting Diode ; STC89C52; DC motor ；Photoelectric switch
救援小車的設(shè)計(jì)
摘 要
自動(dòng)循跡避障小車在工業(yè)和生產(chǎn)上都有廣泛運(yùn)用，為了培養(yǎng)大學(xué)生對(duì)循跡避障的運(yùn)用，循跡避障機(jī)器人最近幾年一直是各類全國(guó)大學(xué)生機(jī)電類比賽的主要題目。而本次題目要求小車能根據(jù)外部環(huán)境的變化而做出智能的判斷并成功執(zhí)行題目要求的循跡、避障和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的任務(wù)。
本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制技術(shù)為核心，通過(guò)對(duì)各類傳感器的合理運(yùn)用以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)主要由單片機(jī)、紅外傳感器、光電接近開(kāi)關(guān)、直流電機(jī)、穩(wěn)壓芯片組成。系統(tǒng)采用可充電電池作為總電源，并通過(guò)穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓分別對(duì)各部分電路進(jìn)行供電。其中系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分采用5組紅外對(duì)管對(duì)地面信息進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并且再利用兩組光電接近開(kāi)關(guān)對(duì)障礙物進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集；然后將收集到的外部數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)上根據(jù)程序進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，從而使小車系統(tǒng)能準(zhǔn)確、快速地采集處理外部環(huán)境信息并反饋到小車系統(tǒng)執(zhí)行部分去。最后根據(jù)單片機(jī)對(duì)外部信息的處理結(jié)果對(duì)兩個(gè)直流電機(jī)進(jìn)行控制從而實(shí)現(xiàn)小車根據(jù)外部環(huán)境自動(dòng)進(jìn)行循跡、避障、發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的操作；并通過(guò)單片機(jī)對(duì)蜂鳴器和LED的控制實(shí)現(xiàn)光電報(bào)警。
整個(gè)系統(tǒng)的電路機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好。并且本救援小車系統(tǒng)具有執(zhí)行效率高、反應(yīng)快速和低成本等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)小車調(diào)試運(yùn)行情況來(lái)說(shuō)，本次設(shè)計(jì)能很好地根據(jù)外部環(huán)境的變化執(zhí)行預(yù)定任務(wù)。
關(guān)鍵詞：救援小車；L298N；紅外對(duì)管；STC89C52；直流電機(jī)；光電開(kāi)關(guān)
Abstract
Automatic tracking obstacle avoidance for car industry and production, widely used, in order to develop the use of college students on the tracking of obstacle avoidance, tracking, obstacle avoidance robot in recent years has been the main subject of thevarious types of National College Students of machinery and electronic game. The subject car changes in the external environment and to make intelligent judgments andthe successful implementation of the subject requirements tracking, obstacle avoidance,and found the target task.
This design uses a single-chip control technology as the core, through the rational use ofvarious types of sensors to meet the design requirements. The system mainly consists of the microcontroller, infrared sensors, photoelectric proximity switches, DC motors,voltage regulator chip. The system uses a rechargeable battery as the total power supplyvoltage regulator and the regulator chip on the part of the circuit power supply. The system includes data acquisition part of group of infrared tubes on the ground information data collection, and use of two sets of photoelectric proximity switch on the obstacles to data collection; then collected from the external data transmission to the MCU according to the procedures the corresponding data processing, so that the car system can accurately and quickly collecting and processing the external environment for information and feedback to the operative part to go to the car system. The last two DC motor control in order to achieve the car is automatically carried out according to theexternal environment, tracking, obstacle avoidance, found that the operation of the target;and photoelectric alarm buzzer and LED control by the microcontroller according to the results of single-chip processing of external information.
Circuit body of the whole system is simple and good reliability. And the rescue vehicle system with high efficiency in the implementation, fast response and low cost advantages. For debugging and running under the car, the design changes in theexternal environment perform the intended task.
Key words: Rescue car ; L298N; nfrared Emitting Diode ; STC89C52; DC motor ；Photoelectric switch 目 錄
引言 1
1 方案的設(shè)計(jì)與論證 2
1.1 小車車體結(jié)構(gòu) 2
1.2 主控系統(tǒng) 2
1.3 電機(jī)模塊 3
1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 4
1.5 電源模塊 5
1.6 穩(wěn)壓模塊 6
1.7 循跡傳感器模塊 6
1.8 避障模塊 7
2 硬件設(shè)計(jì) 8
2.1 總體設(shè)計(jì)思路和方案的確定 8
2.2 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì) 9
2.3小車驅(qū)動(dòng)部分的電路設(shè)計(jì) 10
2.4小車傳感部分的電路設(shè)計(jì) 12
2.5主控電路設(shè)計(jì) 13
3 軟件設(shè)計(jì) 14
3.1 主程序流程框圖 15
3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 15
3.3 循跡模塊 15
3.4 避障模塊 16
4 制作安裝與調(diào)試 18
4.1 PCB的設(shè)計(jì)制作與安裝 18
4.2 小車的調(diào)試 18
5 結(jié)論 19
致 謝 20
參考文獻(xiàn) 21
附 錄 22
引言
隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人的運(yùn)用和發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械，冶金，電子，交通，宇航，國(guó)防等領(lǐng)域。隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人的智能水平也在不斷發(fā)展著，并且在不斷的影響著人們的生活方式。人們探索，發(fā)展機(jī)器人技術(shù)的最終夢(mèng)想是能制造出替代人們勞動(dòng)并且從各方面服務(wù)人們生活的機(jī)器人，并且堅(jiān)信著未來(lái)這個(gè)夢(mèng)想會(huì)慢慢實(shí)現(xiàn)的。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的需求，機(jī)器人的種類也越來(lái)越多，而作為機(jī)器人中重要的感覺(jué)器傳感器的種類也隨之越來(lái)越多，機(jī)器人中的傳感器就相當(dāng)于人的感覺(jué)器官，是機(jī)器人自動(dòng)行動(dòng)和智能完成任務(wù)的重要部件。視覺(jué)的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)于視覺(jué)的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)發(fā)達(dá)，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機(jī)器的視覺(jué)要通過(guò)大量的運(yùn)算才能識(shí)別一些簡(jiǎn)單的目標(biāo)。就目前而言視覺(jué)傳感器的核心器件是攝像管或CCD，目前的CCD已經(jīng)能自動(dòng)聚焦，但從價(jià)格，使用方式等各方面而言在機(jī)器人運(yùn)用中CCD并不占優(yōu)勢(shì)。因此在只要求粗略感覺(jué)的機(jī)器人運(yùn)用中使用普通傳感器無(wú)論從編程還是價(jià)格上更有優(yōu)勢(shì)。
作為機(jī)器人的核心技術(shù)是CPU和軟件系統(tǒng)的執(zhí)行效率和智能化程度，經(jīng)過(guò)人們不斷的開(kāi)發(fā)和積累并隨著科技和嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展優(yōu)化，現(xiàn)在的機(jī)器人已經(jīng)具有了很大程度的智能，并且能初步具有自主學(xué)習(xí)能力，在這方面日本做的比較好，已經(jīng)能生產(chǎn)用于生活實(shí)用的智能機(jī)器人。同時(shí)在開(kāi)發(fā)機(jī)器人的同時(shí)開(kāi)發(fā)出來(lái)的技術(shù)有很多也在不斷被用于生活生產(chǎn)的各方面。
本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物，就相當(dāng)也要給機(jī)器人一個(gè)視覺(jué)功能。循跡避障系統(tǒng)是救援小車的智能系統(tǒng)，使小車能根據(jù)傳感器收集到的外部環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別路線，判斷并自動(dòng)避開(kāi)障礙物，選擇正確的進(jìn)行路線，并根據(jù)傳感器收集到的信息完成任務(wù)。
作為循跡小車，可以分為三大組成部分：傳感器檢測(cè)部分，執(zhí)行部分，CPU。小車要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡，自動(dòng)避障等功能，要能感知引導(dǎo)線和障礙物。實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)尋線，選擇正確的路線，并在檢測(cè)到障礙物時(shí)能自動(dòng)避障?；谏鲜鲆螅≤噦鞲衅骶筒灰笥星逦膱D像，只要求能粗略感知。因此可考慮紅外反射式傳感器。在小車執(zhí)行部分，由直流電機(jī)來(lái)充當(dāng)，主要控制小車的行進(jìn)速度和轉(zhuǎn)向。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)有兩種方案：第一，不占用單片機(jī)資源，選擇帶有PWM功能的單片機(jī)；第二，通過(guò)程序，模擬PWM輸出調(diào)劑，占用一定的資源，但單片機(jī)型號(hào)比較多，利于應(yīng)用。所以考慮實(shí)際情況，本次選擇第二種方案。CPU選用國(guó)產(chǎn)的stc12C5A60S2就已經(jīng)能很好完成任務(wù)了。
現(xiàn)智能小車發(fā)展很快，從智能玩具到各行各業(yè)到有運(yùn)用。其基本上功能有循跡，避障，檢測(cè)，入庫(kù)等。隨著傳感器的發(fā)展和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，智能小車已經(jīng)獲得越來(lái)越多的人工智能，并且智能小車的體積也越來(lái)越小，功能趨于集成化，智能化。在人工智能方面做的比較好的是日本方面，并且有很多技術(shù)運(yùn)用到了實(shí)際生活生產(chǎn)中了。就智能小車現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，雖然說(shuō)運(yùn)用的并不是十分多但生產(chǎn)中還是扮演著很重要的角色，并在一些危險(xiǎn)工作地方一定程度上代替人的工作，去完成危險(xiǎn)繁瑣重復(fù)的工作。
1 方案的設(shè)計(jì)與論證
根據(jù)要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具車的基礎(chǔ)上，加裝紅外光電檢測(cè)器。通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的各種數(shù)據(jù)執(zhí)行預(yù)先編寫好的程序以應(yīng)對(duì)外部環(huán)境變化以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的智能控制完成在相對(duì)復(fù)雜的環(huán)境下的任務(wù)。這種方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。
1.1 小車車體結(jié)構(gòu)
方案一：
四輪式。利用現(xiàn)成的玩具車，現(xiàn)在市場(chǎng)上有完整的車模購(gòu)買，能直接拿來(lái)就可以用，能減小小車的制造時(shí)間和整個(gè)小車的制造復(fù)雜程度。小車四個(gè)輪全部采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪，采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)雖然在控制方面比較復(fù)雜但是在路況比較復(fù)雜和要進(jìn)行各種轉(zhuǎn)向時(shí)比較容易做到精確操作和轉(zhuǎn)向快速的特點(diǎn)，四輪使小車具有無(wú)可比擬的行進(jìn)平穩(wěn)性。
方案二：
三輪式。三輪式是小車常用的車體結(jié)構(gòu)，后輪用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，前輪用萬(wàn)向輪構(gòu)成輔助輪，機(jī)構(gòu)組成簡(jiǎn)單，可任意旋轉(zhuǎn)，容易控制。小車前進(jìn)的時(shí)候左右驅(qū)動(dòng)輪和萬(wàn)向輪，構(gòu)成三點(diǎn)結(jié)構(gòu)，小車相對(duì)平穩(wěn)，為防止小車重心偏移，車前的萬(wàn)向輪起到支撐的作用。
針對(duì)本次要求，從簡(jiǎn)單，易制做和執(zhí)行任務(wù)速度等的角度出發(fā)，選擇方案二，車體采用現(xiàn)成三輪式車模，具有容易控制，編程簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
1.2 主控系統(tǒng)
根據(jù)小車的設(shè)計(jì)要求，認(rèn)為本次設(shè)計(jì)屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問(wèn)題?？紤]到對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度和單片機(jī)所提供的片內(nèi)內(nèi)存和I/O接口等綜合性能，據(jù)此，擬定了以下三種方案并進(jìn)行了綜合的比較論證：
方案一：
選用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作為系統(tǒng)的核心部件，實(shí)現(xiàn)控制與處理的功能。CPLD具有速度快、編程容易、資源豐富、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，可利用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編寫開(kāi)發(fā)。但CPLD在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢(shì)。同時(shí)，CPLD的處理速度非?？欤≤嚨男羞M(jìn)速度不可能太高，那么對(duì)系統(tǒng)處理信息的要求也就不會(huì)太高，在這一點(diǎn)上，MCU就已經(jīng)可以勝任了。另外，考慮對(duì)VHDL語(yǔ)言的不熟悉，若采用該方案，必須得學(xué)習(xí)VHDL語(yǔ)言，并且在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此，本設(shè)計(jì)不采用該種方案，進(jìn)而提出了第二種設(shè)想。
方案二：
采用Atmel公司的ATmaga32L單片機(jī)作為主控制器。ATmaga32L是一個(gè)低功耗，高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)含32k空間的可反復(fù)擦些100,000次的Flash只讀存儲(chǔ)器，具有2Kbytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)IO口，2個(gè)8位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，1個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，四通道PWM，內(nèi)置8路10 位ADC。且maga系列的單片機(jī)可以在線編程、調(diào)試，方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試。但考慮到我們對(duì)ATmaga32L的不熟悉，在編程和運(yùn)用時(shí)會(huì)遇到很多不必要的麻煩，并且ATmaga32L相當(dāng)于本設(shè)計(jì)要求來(lái)說(shuō)有相當(dāng)一部分性能沒(méi)發(fā)揮出來(lái)，造成浪費(fèi)，還有就是價(jià)格比普通51單片機(jī)貴挺多的。為此，本設(shè)計(jì)不采用該種方案，進(jìn)而提出了第三種設(shè)想。
方案三：
采用普通51單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車，以實(shí)現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)控制，而在這一點(diǎn)上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來(lái)它的優(yōu)勢(shì)——控制簡(jiǎn)單、方便、快捷。這樣一來(lái)，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，這種方案是一種較為理想的方案。
針對(duì)本設(shè)計(jì)特點(diǎn)：多開(kāi)關(guān)量輸入的控制系統(tǒng)，需要擅長(zhǎng)處理多開(kāi)關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)，而不能用精簡(jiǎn)I/O口和程序存儲(chǔ)器的小體積單片機(jī)。根據(jù)這些分析,我選定了單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控裝置，51單片機(jī)具有功能強(qiáng)大的位操作指令，I/O口均可按位尋址，程序空間多達(dá)8K，對(duì)于本設(shè)計(jì)也足夠了，更主要的是stc12C5A60S2單片機(jī)價(jià)格非常低廉。
綜合考慮后，決定采用stc12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片。
1.3 電機(jī)模塊
本系統(tǒng)為智能電動(dòng)車，對(duì)于電動(dòng)車來(lái)說(shuō)，其驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇就顯得十分重要。由于本實(shí)驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑的準(zhǔn)確定位和精確測(cè)量并考慮電機(jī)相應(yīng)速度，綜合考慮了一下兩種方案。
方案一：
采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于其轉(zhuǎn)過(guò)的角度可以精確的定位，并被大多數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)典要求高的設(shè)備運(yùn)用所以可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)，并且步進(jìn)電機(jī)的價(jià)格比較貴，從性價(jià)比方面來(lái)說(shuō)比較低。經(jīng)綜合比較考慮，本設(shè)計(jì)放棄了此方案。
方案二：
采用直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便，在市場(chǎng)方面容易采購(gòu)到合適的直流電機(jī)，不容易受型號(hào)的限制，并且價(jià)格比步進(jìn)電機(jī)便宜。而對(duì)于直流電機(jī)的速度控制我們可以通過(guò)軟編程的方法可以很好的控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使之處在我們需要的狀態(tài)下。由于其內(nèi)部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。
我們所選用的直流電機(jī)減速比為1：74，減速后電機(jī)的轉(zhuǎn)速為100r/min。我們的車輪直徑為6cm，因此小車的最大速度可以達(dá)到
V=2πr·v=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s
能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，因此小車電機(jī)選擇了此方案。
1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
方案一：
采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到分壓的目的。但電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍比較狹窄，而且數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般的電動(dòng)機(jī)電阻很小，但電流很大，分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。
方案二：
對(duì)于直流電機(jī)采用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。由分立元件構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定，造成電機(jī)速度波動(dòng)大，不利于電機(jī)的控制，容易造成小車碰到障礙物和增加小車的不可靠性。
方案三：
采用專用芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良且市場(chǎng)上容易購(gòu)買得到，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛技術(shù)也非常成熟。
本次設(shè)計(jì)選用方案三，這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)并且功耗低。因此決定使用1個(gè)功率三極管L298N作為功率放大器的輸出控制2個(gè)直流電機(jī)，以達(dá)到電路的簡(jiǎn)單化和控制的簡(jiǎn)單有效性。
由L298組成的H橋電路，電機(jī)平均功率滿足如下關(guān)系
（1）
其中P為電機(jī)的平均功率，為電動(dòng)機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)功率。A為脈寬，可見(jiàn)，電機(jī)的平均功率與脈寬成正比。
小車行駛后其平均功率
（2）
單片機(jī)發(fā)出脈沖信號(hào)的比即可決定PWM放大器輸出的電壓平均值的大小。表1-1為L(zhǎng)298驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制方式表，可以通過(guò)下表配合軟件編程可以很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的有效控制。
表1-1 L298驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制方式
IN1
IN2
OUT1
OUT2
方式
1
1
1 0
1 0
前進(jìn)
1
1
0 1
0 1
后退
1
1
1 0
0 1
掉頭
0
0
0 0
0 0
停止
1.5 電源模塊
從小車的體積，重量和功耗等方面綜合考慮，為使小車體積小行動(dòng)靈活動(dòng)力充足，本系統(tǒng)決定采用電池供電，本設(shè)計(jì)考慮了如下幾種方案為系統(tǒng)供電。
方案一：
采用6節(jié)1.5V干電池供電，電壓達(dá)到9V，經(jīng)7812穩(wěn)壓后給支流電機(jī)供電，然后將9V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。但干電池電量有限，使用大量的干電池給系統(tǒng)調(diào)試帶來(lái)很大的不便，同時(shí)會(huì)使的小車的體積變的過(guò)于龐大和比較重，顯的很笨重不利于小車的靈活性使電機(jī)的負(fù)載增加。同時(shí)因?yàn)樾≤嚨暮碾娏勘容^大，用干電池供電費(fèi)用比較大。但卻具有容易獲得，更換電池方便的特點(diǎn)。
方案二：
采用3節(jié)4.2V可充電式鋰電池串聯(lián)共12.6V給直流電機(jī)供電，經(jīng)過(guò)7812的電壓變換后給支流電機(jī)供電，然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。鋰電池的電量比較足質(zhì)量輕體積小，并且可以充電，重復(fù)利用，時(shí)比較理想的供電源。因此，這種方案比較可行。但鋰電池的價(jià)格過(guò)于昂貴，使用鋰電池會(huì)大大超出我們的預(yù)算，因此，放棄了這種方案。
方案三：
采用12V蓄電池為直流電機(jī)供電，將12V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。雖然蓄電池的體積過(guò)于龐大，在小型電動(dòng)車上使用極為不方便，但由于我們的車體設(shè)計(jì)時(shí)留出了足夠的空間，并且蓄電池的價(jià)格比較低可以重復(fù)充電利用，實(shí)用起來(lái)也比較方便。
綜上考慮，電源模塊選擇了方案一。
1.6 穩(wěn)壓模塊
方案一：
采用兩片7812將電壓穩(wěn)壓至12V后給直流電機(jī)供電，然后采用一片7809將電壓穩(wěn)定至9V，最后經(jīng)7805將電壓穩(wěn)至5V，給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電，但7809和7805壓降過(guò)大，使7809和7805消耗的功率過(guò)大，導(dǎo)致7809和7805發(fā)熱量過(guò)大，因此，穩(wěn)壓模塊放棄了這種方案。
方案二：
采用兩片LM2596將電壓穩(wěn)壓至12V后給直流電機(jī)供電，LM2596系列是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，它內(nèi)含固定頻率振蕩器（150KHZ），和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器（1.23v），并具有完善的保護(hù)電路：電流限制、熱關(guān)斷電路等。利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。 對(duì)單片機(jī)供電時(shí)采用L7805CV將電壓穩(wěn)至5V，用L7805CV組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)格便宜。L7805CV的輸出電流最大可至3A，完全滿足系統(tǒng)要求。
綜上考慮，穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)選擇了方案二。
1.7 循跡傳感器模塊
傳感器對(duì)于本設(shè)計(jì)小車來(lái)說(shuō)就相當(dāng)于眼睛，是系統(tǒng)和外界聯(lián)系的關(guān)鍵部件，可以說(shuō)是智能小車的運(yùn)行的基礎(chǔ)。所以選擇合適的傳感器對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)很重要，合適的傳感器能使小車達(dá)到高的分辨率，提高小車適應(yīng)外部環(huán)境轉(zhuǎn)變的能力，有利于小車的控制精度，以便快速準(zhǔn)確的完成任務(wù)。
方案一：
采用簡(jiǎn)易光電傳感器結(jié)合外圍電路探測(cè)，雖然說(shuō)電路簡(jiǎn)單制作方便但實(shí)際效果并不理想，對(duì)行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性要求比較高，且易受光線環(huán)境和路面介質(zhì)影響，而智能小車的基本要求是能不斷適應(yīng)變化的環(huán)境，所以要求傳感部分要有較高的穩(wěn)定性，以準(zhǔn)確獲取必要的信息。并且該傳感器方法在使用過(guò)程很容易出現(xiàn)問(wèn)題，而且容易因?yàn)樵摬考斐烧麄€(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，不能滿足小車的穩(wěn)定性要求。
方案二：
采用兩只紅外對(duì)管，分別置于小車車身前軌道的兩側(cè)，根據(jù)兩只紅外光電開(kāi)關(guān)接受到白線與黑線的情況來(lái)控制小車轉(zhuǎn)向來(lái)調(diào)整車向，如果左邊的傳感器檢測(cè)到黑線小車就向右轉(zhuǎn)，同理右邊的檢測(cè)的黑線時(shí)一樣。只要合理安裝好兩只光電開(kāi)關(guān)的位置就可以很好的實(shí)現(xiàn)循跡的功能。該電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單調(diào)試容易等特點(diǎn)但卻無(wú)法檢測(cè)黑線上的情況不滿足本設(shè)計(jì)的要求。
方案三：
用光敏電阻組成光敏探測(cè)器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時(shí)，阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過(guò)比較器就可以輸出高低電平。但光敏電阻受環(huán)境光線影響太大，容易產(chǎn)生錯(cuò)誤信息，且要運(yùn)用比較器進(jìn)行高低電平比較會(huì)增加電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，增加小車系統(tǒng)的功耗。
方案四：
采用五只紅外對(duì)管，三只置于軌道中間，兩只置于軌道外側(cè)，當(dāng)小車脫離軌道時(shí)，即當(dāng)置于中間的三個(gè)紅外對(duì)管中的一只紅外對(duì)管脫離軌道時(shí)，等待外面任一只檢測(cè)到黑線后，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的紅外對(duì)管重新回到軌道并檢測(cè)到黑線再恢復(fù)正向行駛。雖然小車在尋跡過(guò)程中有一定的左右搖擺不定并且小車行進(jìn)速度較慢，并且成本和穩(wěn)定性相對(duì)于方案二都較次，但方案三能檢測(cè)黑線上的白點(diǎn)，雖說(shuō)該方案有諸多缺點(diǎn)但卻能配合軟件設(shè)計(jì)完成本小車設(shè)計(jì)的基本要求。
根據(jù)本設(shè)計(jì)要求，循跡傳感器模塊用方案四的。
1.8 避障模塊
避障和循跡傳感器一樣都是小車的基本，好的避障傳感器能準(zhǔn)確的識(shí)別障礙物，為小車系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)的外部環(huán)境數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)小車快速精準(zhǔn)躲避障礙物，另外傳感器的安裝方式也影響著傳感器的工作效率和編寫程序的工作量和復(fù)雜程度。為此為小車提供了三種方案如下。
方案一：
紅外對(duì)管采用一只紅外對(duì)管置于小車中央。雖然電路設(shè)計(jì)和安裝簡(jiǎn)易，也可以檢測(cè)到前方的障礙物，并通過(guò)軟件可以做出躲避行為但很難確保小車在水平方向上是否會(huì)與障礙物相撞，也不容易讓小車做出精確快速的轉(zhuǎn)向反應(yīng)并且很難控制小車避過(guò)未知大小的障礙物，達(dá)不到自動(dòng)避障回到黑線上，所以該方案并不符合設(shè)計(jì)要求。
方案二：
采用二個(gè)紅外對(duì)管置于小車的前端左右兩側(cè)，方向與小車前進(jìn)方向相同，對(duì)小車與障礙物相對(duì)距離和方位能作出較為準(zhǔn)確的判別和及時(shí)反應(yīng)。此方案過(guò)于依賴硬件、缺乏創(chuàng)造性，而且置于小車左方的紅外對(duì)管用到的幾率很小。體現(xiàn)不出設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。
方案三：
采用一只光電開(kāi)關(guān)置于小車中央，一個(gè)可調(diào)光電傳感器裝在小車右側(cè)，這樣不但能測(cè)試到小車前方的障礙物，并可以用于測(cè)試到小車右側(cè)的障礙物并通過(guò)調(diào)整測(cè)試距離保持小車與障礙物之間的距離，通過(guò)程序的優(yōu)化小車可以智能的識(shí)別障礙物大小并選擇合適的路線繞過(guò)障礙物回到循跡線上。通過(guò)測(cè)試此種方案就能很好的實(shí)現(xiàn)小車避開(kāi)障礙物，且充分的利用資源而不浪費(fèi)。能從各方面優(yōu)化設(shè)計(jì)和電路的簡(jiǎn)易化并使程序編寫的復(fù)雜程度有所降低。
通過(guò)比較選方案三比較容易實(shí)現(xiàn)小車的要求。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 總體設(shè)計(jì)思路和方案的確定
救援小車采用四輪驅(qū)動(dòng)，通過(guò)兩個(gè)L298控制四個(gè)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)小車的各種運(yùn)動(dòng)，將紅外探頭裝在車體下的左中右以實(shí)現(xiàn)循跡和發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)的要求。電機(jī)的快慢是通過(guò)單片機(jī)根據(jù)傳感器收集到的信息產(chǎn)生的PWM波的占空比高低來(lái)調(diào)節(jié)的，占空比高電機(jī)轉(zhuǎn)慢，反之則轉(zhuǎn)的快。電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)是通過(guò)L298固定的高低電平進(jìn)行對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的有效控制的。轉(zhuǎn)向時(shí)，小轉(zhuǎn)向時(shí)為一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)慢一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)快。大轉(zhuǎn)向時(shí)時(shí)為一個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)一個(gè)電機(jī)反轉(zhuǎn)。循跡基本功能是通過(guò)紅外探頭檢測(cè)黑線來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如果左邊的探頭檢測(cè)到黑線，向右慢轉(zhuǎn)，反之亦然。
避障原理和循跡原理基本相同也是根據(jù)光電對(duì)管收集到的信息通過(guò)單片機(jī)來(lái)進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)向和調(diào)速的。
經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，我們最終確定了如下方案：
（1）車體直接用現(xiàn)成車模。
（2）采用stc89C52單片機(jī)作為主控制器。
（3）采用兩個(gè)直流電機(jī)作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)行。
（4）用RPR220型光電對(duì)管進(jìn)行尋跡。
（5）2個(gè)L298N作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示
圖 2-1 電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)總框圖
小車硬件系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)元件如表2-1
表2-1 元器件件清單
元件
數(shù)量
元件
數(shù)量
元件
數(shù)量
直流電機(jī)
2個(gè)
電阻
若干
電容
若干
電位器
若干
紅外調(diào)制光電傳感器
2個(gè)
紅外探頭
3個(gè)
單片機(jī)
1個(gè)
蜂鳴器
1個(gè)
電位器
若干
12M晶振
1個(gè)
杜邦線
若干
二極管
若干
車模
1個(gè)
光電開(kāi)關(guān)
2個(gè)
2.2 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用蜂鳴器和發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，根據(jù)采集到的外部環(huán)境數(shù)據(jù)的變化用單片機(jī)I/O口通過(guò)三極管輸出高低電平來(lái)直接對(duì)蜂鳴器和二極管進(jìn)行控制，聲光報(bào)警可以很好的反映當(dāng)前小車的運(yùn)行狀況。如下圖2-2所示。
圖2-2 聲光報(bào)警原理圖
2.3小車驅(qū)動(dòng)部分的電路設(shè)計(jì)
電機(jī)驅(qū)動(dòng)多數(shù)采用H橋式驅(qū)動(dòng)電路，L298N內(nèi)部集成了H橋式驅(qū)動(dòng)電路，從而可以采用L298N電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)相當(dāng)比較簡(jiǎn)單和容易。L298N是內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)46v,2A以下電機(jī),。L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，響應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。本芯片的缺點(diǎn)是由于工作電流比較大，發(fā)熱量也比較大，所以在本芯片的散熱片上又連接了一塊鋁合金，以增大它的散熱面積。以致在運(yùn)用是要注意電路的散熱。引腳圖如2-3所示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖如2-4所示
圖2-3 L298引腳圖
圖2-4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖
在小車中正在用L298N驅(qū)動(dòng)小車的兩個(gè)直流減速電機(jī)，其實(shí)它很好用，1和15和8引腳直接接地，4管腳VS接2.5到46的電壓，它是用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的，9引腳是用來(lái)接4.5到7V的電壓的，它是用來(lái)驅(qū)動(dòng)L298芯片的，記住，L298需要從外部接兩個(gè)電壓，一個(gè)是給電機(jī)的，另一個(gè)給L298芯片的，6和11引腳是它的使能端，一個(gè)使能端控制一個(gè)電機(jī)，至于那個(gè)控制那個(gè)你自己焊接，你可以把它理解為總開(kāi)關(guān)，只有當(dāng)它們都是高電平的時(shí)候兩個(gè)電機(jī)才有可能工作，5,7,10,12是298的信號(hào)輸入端和單片機(jī)的IO口相連，2,3,13,14是輸出端，輸入5和7控制輸出2和3, 輸入的10,12控制輸出的13,14。L298N的5、7、10、12四個(gè)引腳接到單片機(jī)上，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的編程就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)的PWM調(diào)速以及正反轉(zhuǎn)等功能。
2.4 小車傳感部分的電路設(shè)計(jì)
小車的傳感模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)外部環(huán)境的監(jiān)測(cè)和處理。小車循跡原理是小車在畫有黑線的路面上行駛，因?yàn)楹诰€和地面對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷道路。我在該模塊中利用了簡(jiǎn)單、應(yīng)用也比較普遍的檢測(cè)方法——紅外探測(cè)法。
紅外探測(cè)法就是利用紅外線照射在不同顏色的表面具有不同的反射率的特點(diǎn)。在小車行駛過(guò)程中不斷地通過(guò)紅外探頭向地面發(fā)射紅外線。紅外線照射到地面時(shí)發(fā)生漫反射，小車上的接收管接收到信號(hào)；紅外線照射到黑線上則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)并通過(guò)一定的電路輸送到運(yùn)算核心判斷路線。避障的原理和循跡的原理相同。
針對(duì)紅外探測(cè)法，本方案考慮并論證了兩種光電對(duì)管檢測(cè)及調(diào)理電路方法，并通過(guò)這兩種方法的比較選出合適小車小系統(tǒng)的電路。電路原理圖分別如圖2-5和圖2-6所示。
圖2-5 光電對(duì)管檢測(cè)電路1
如圖2.5所示電路中，R1起限流電阻的作用，當(dāng)有光反射回來(lái)時(shí)，光電對(duì)管中的三極管導(dǎo)通，R2的上端變?yōu)楦唠娖?，此時(shí)VT1飽和導(dǎo)通，三極管集電極輸出低電平。當(dāng)沒(méi)有光反射回來(lái)時(shí)，光電對(duì)管中的三極管不導(dǎo)通，VT1截至，其集電極輸出高電平。該電路的優(yōu)點(diǎn)是電路不叫簡(jiǎn)單，應(yīng)用到的原理也比較簡(jiǎn)單。
但在該電路中起到濾波整形的作用的是VT1。該電路工作性能一般，輸出有雜散干擾波的成分。并且這種電路有一個(gè)比較大的缺點(diǎn)是用電量大，給此種傳感器調(diào)理電路供電的電池壓降較快。其原因是因?yàn)楣饷羧龢O管和三極管VT1導(dǎo)通時(shí)的導(dǎo)通電流較大。
圖2-6 光電對(duì)管檢測(cè)電路2
如圖2.6所示電路中是通過(guò)比較器采集高低電平，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)。在圖中，可調(diào)電阻R3可以調(diào)節(jié)比較器的門限電壓，經(jīng)示波器觀察，輸出波形相當(dāng)規(guī)則，可以直接夠單片機(jī)查詢使用。而且經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證給此電路供電的電池的壓降較小。電路的穩(wěn)定性主要取決于比較器的穩(wěn)定性和精確性，就現(xiàn)在市場(chǎng)上的比較器來(lái)說(shuō)比較器的穩(wěn)定性都很高所以采用該光電對(duì)管檢測(cè)電路相當(dāng)穩(wěn)定。因此本次設(shè)計(jì)中選擇此電路作為小車系統(tǒng)的傳感器檢測(cè)與調(diào)理電路。
2.5主控電路設(shè)計(jì)
本電路采用stc12C5A60S2作為系統(tǒng)電路核心。本電路主要起對(duì)傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行分析，同時(shí)產(chǎn)生控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和停止的PWM信號(hào)，是小車的硬件核心部分，實(shí)現(xiàn)躲避障礙物和發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)時(shí)發(fā)出光電報(bào)警。根據(jù)要求，我們組成單片機(jī)最小系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，最小系統(tǒng)主要由復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電源電路和一個(gè)USB下載口組成。
在開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用開(kāi)發(fā)版，方便程序的調(diào)試和整機(jī)的測(cè)試，待系統(tǒng)調(diào)試完成后，將單片機(jī)從開(kāi)發(fā)板上取下，安裝在小車系統(tǒng)板的單片機(jī)座中，再進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。這樣做能實(shí)現(xiàn)開(kāi)放和調(diào)試的簡(jiǎn)易和快速性。
其電路圖如下圖2-7所示。
圖2-7 主控電路板電路圖
3 軟件設(shè)計(jì)
為了在任務(wù)中完成循跡，避障和發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)的任務(wù)，小車一方面需要具有探測(cè)周圍環(huán)境的能力并完成前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、停止和發(fā)出光聲報(bào)警等動(dòng)作這是建立在必要的硬件基礎(chǔ)之上的；另一方面還要具有自動(dòng)循跡，自動(dòng)避障并回到線上，還要在發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)時(shí)停下并發(fā)出光聲報(bào)警這一體現(xiàn)了小車的智能化，即軟件的編寫是這部分的核心，可以說(shuō)軟件編程是人們賦予機(jī)器智能的過(guò)程，軟件的優(yōu)異決定了小車的智能程度和執(zhí)行任務(wù)的速度。其中前一功能依賴于硬件設(shè)計(jì)并貫穿小車運(yùn)行始終，為底層任務(wù)，。后一功能是并不依賴于硬件，而是建立在硬件收集到的周圍環(huán)境信息并基于這些信息上的軟件設(shè)計(jì)和信息處理上。所以軟件算法的優(yōu)化在智能小車中扮演著很重要的角色。
3.1 主程序流程框圖
我們所設(shè)計(jì)的軟件的主程序流程圖如下圖所示：
圖 3-1 主程序流程圖
3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)
本設(shè)計(jì)中對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速是通過(guò)軟編程使單片機(jī)產(chǎn)生有一定占空比的PWM波。并通過(guò)配合L298芯片進(jìn)行對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制調(diào)速。
3.3 循跡模塊
循跡流程框圖
圖3-2 小車循跡流程框圖
3.4 避障模塊
避障流程框圖
N
Y
N
N
Y
Y
右側(cè)光電管是否檢測(cè)到障礙
小車左轉(zhuǎn)
結(jié)束
紅外探頭是否檢測(cè)到黑線
小車右轉(zhuǎn)
小車左轉(zhuǎn) 90度
是否檢測(cè)到障礙
開(kāi)始
4 制作安裝與調(diào)試
4.1 PCB的設(shè)計(jì)制作與安裝
在硬件方案確定下來(lái)后，我們通過(guò)采用DXP2004來(lái)繪制原理圖與PCB板，DXP2004是一款十分強(qiáng)大的軟件，相比較于Protel99或者protel99se 它帶給我們更高的繪制效率，并且能很大程度上減輕布線的繁雜。布線的過(guò)程中必須注意焊盤的大小與銅線的寬度，因?yàn)楹副P的大小直接影響的后期電子元件的安裝質(zhì)量和難易程度，而銅線的大小會(huì)影響到電流傳送的質(zhì)量進(jìn)而影響小車系統(tǒng)的精度。我們選取的焊盤內(nèi)徑為0.8mm,外徑2mm；銅線寬1mm。從做板的情況來(lái)看基本達(dá)到制作得要求。
采用螺絲將循跡板安裝在車頭底盤上同時(shí)調(diào)整好它們之間的角度和位置以更好的工作。把避障板安裝在車頭上，主板直接安裝在車模上的板上，而電機(jī)是車模自帶的只要把線接好就行了。
4.2 小車的調(diào)試
小車的調(diào)試是看看小車個(gè)硬件系統(tǒng)是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常，并根據(jù)情況具體調(diào)整以使小車處于比較佳的狀態(tài)，而調(diào)試中最重要的部分是調(diào)整傳感器的傳感精度等各項(xiàng)功能。在調(diào)整循跡傳感器時(shí)通過(guò)改變循跡板滑動(dòng)變阻器器的大小來(lái)調(diào)試紅外對(duì)管的靈敏度以使之達(dá)到要求精度。在調(diào)整避障傳感器時(shí)也是通過(guò)改變變阻器的大小來(lái)改變傳感器傳感器距離，這一個(gè)距離對(duì)于小車來(lái)說(shuō)是個(gè)十分重要的數(shù)據(jù)，直接影響到小車是否會(huì)碰到障礙物，是否能成功完成任務(wù)。以上的基本都是針對(duì)于硬件方面的調(diào)試，而軟件方面的調(diào)試是根據(jù)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果來(lái)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)速度的調(diào)整是通過(guò)改變延時(shí)程序來(lái)改變速度的大小。下表為小車的實(shí)際運(yùn)行情況：
表4-1 小車調(diào)試情況表
小車運(yùn)行次數(shù)
成功循跡次數(shù)
成功避障次數(shù)
1
1
1
2
2
2
3
3
2
4
4
3
5
5
4
經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)試小車已經(jīng)具有不錯(cuò)的執(zhí)行任務(wù)的可靠性。對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)執(zhí)行任務(wù)的可靠性是一個(gè)至關(guān)重要的數(shù)據(jù)，是判斷一個(gè)產(chǎn)品的好壞的主要依據(jù)，而我們的調(diào)試的任務(wù)就是在不斷試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題不斷修改使之不斷完美。
5 結(jié)論
整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為核心，利用了多種傳感器，將軟件和硬件相結(jié)合的智能小系統(tǒng)。其中涉及到很多傳感器和電子運(yùn)用方面的知識(shí)，同時(shí)軟件和硬件的結(jié)合也是一個(gè)很重要的方面。本系統(tǒng)能相當(dāng)智能地實(shí)現(xiàn)如下功能：
1． 自動(dòng)沿預(yù)設(shè)軌道行駛小車在行駛過(guò)程中，能夠自動(dòng)檢測(cè)預(yù)先設(shè)好的軌道，實(shí)現(xiàn)直道和弧形軌道的前進(jìn)。若有偏離，能夠自動(dòng)糾正，返回到預(yù)設(shè)軌道上來(lái)。
2． 當(dāng)小車探測(cè)到前進(jìn)前方的障礙物時(shí)，可以自動(dòng)調(diào)整行進(jìn)速度，自動(dòng)選擇合適路線躲避障礙物，從無(wú)障礙區(qū)通過(guò)。小車通過(guò)障礙區(qū)后，能夠自動(dòng)循跡回到預(yù)先設(shè)定好的軌道上繼續(xù)前進(jìn)。
3． 當(dāng)檢測(cè)到黑色軌道線上的白色標(biāo)志時(shí)小車能停下來(lái)并發(fā)出光聲報(bào)警，5秒后能繼續(xù)前進(jìn)。
從運(yùn)行情況來(lái)看循跡的效果比較好達(dá)到預(yù)期要求，避障的效果不是很好，我認(rèn)為是由于電源不夠穩(wěn)定導(dǎo)致的小車的速度不好控制，也有可能是避障傳感器安裝配置的不夠好，不能準(zhǔn)確檢測(cè)到障礙物的準(zhǔn)確距離和位置。這也是我這次設(shè)計(jì)最大的誤區(qū)，沒(méi)有選取穩(wěn)定的電源，沒(méi)有很好的調(diào)整好避障傳感器的傳感精度。我相信如果實(shí)驗(yàn)條件和時(shí)間的允許下我肯定能解決這一問(wèn)題。
通過(guò)本次設(shè)計(jì)我掌握了很多以前不熟練的東西，認(rèn)識(shí)了很多以前不熟悉得東西，特別是電子和單片機(jī)的運(yùn)用上。以前的我對(duì)電子和單片機(jī)的運(yùn)用只停留在課本的知識(shí)層面上，根本不知道在運(yùn)用時(shí)會(huì)有很多的注意事項(xiàng)。特別是軟件編程方面，在認(rèn)知中課本的知識(shí)和編程都是挺簡(jiǎn)單的，但到了實(shí)際編程運(yùn)用時(shí)會(huì)遇到很多從未遇到過(guò)的難題，程序的調(diào)試是一件很繁雜的事情。而傳感器方面的知識(shí)，對(duì)于以前的我來(lái)說(shuō)是一件空白，但通過(guò)智能小車的設(shè)計(jì)，對(duì)傳感器的運(yùn)用有了一定的了解。通過(guò)這次制作使我認(rèn)識(shí)到很多的不足。
致 謝
本設(shè)計(jì)能夠順利完成，還承蒙李老師以及身邊的很多同學(xué)的指導(dǎo)和幫助，特別是機(jī)器人中心的同學(xué)的鼎力支持和全力幫助。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，李老師給予了悉心的指導(dǎo)，最重要的是給了我解決問(wèn)題的思路和方法，為我解決了很多思路上的誤區(qū)和迷惑，從原理的層面上解決設(shè)計(jì)上遇到的問(wèn)題。而在設(shè)計(jì)環(huán)境和器材方面和電路設(shè)計(jì)制作方面機(jī)器人中心的同學(xué)給予了大力的幫助和支持，他們運(yùn)用他們的優(yōu)勢(shì)在我所不是很了解的電子制作方面給予了很大幫助，一直指導(dǎo)著我如何去完成一個(gè)電路的設(shè)計(jì)和制作。當(dāng)我們?cè)谥R(shí)的探索中，在面對(duì)不熟悉的領(lǐng)域時(shí)，向朋友向老師向了解的人請(qǐng)教是一個(gè)很重要的過(guò)程，這在我看來(lái)是一個(gè)很愉快的過(guò)程，達(dá)者為師。在此，我對(duì)李老師表示最真摯的感謝！同時(shí)感謝所有幫助過(guò)我的同學(xué)！
參考文獻(xiàn)
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附 錄
以下是本次設(shè)計(jì)的小車執(zhí)行的程序：
#include
int dr; //標(biāo)志位
int flag1=0;
int flag2=0;
int flag3=0;
int flag4=0;
int stop=0;
int stop2=0;
sbit guangdian3=P2^5;
sbit guangdian1=P2^6; //光電管接口
sbit guangdian2=P2^7;
sbit left2=P2^0; //循跡接口
sbit left1=P2^1;
sbit middle=P2^2;
sbit right1=P2^3;
sbit right2=P2^4;
sbit fengming=P0^5; //蜂鳴器接口
sbit led=P0^4; //LED接口
sbit motor_left=P0^0; //電機(jī)接口
sbit motor_left_gnd=P0^1;
sbit motor_right=P0^2;
sbit motor_right_gnd=P0^3;
void delay(unsigned int x) //延時(shí)毫秒程序
{
int i,j;
for(i=x;i>0;i--)
{
for(j=110;j>0;j--);
}
}
void delay1(unsigned int x) //延時(shí)輔助程序
{
for(x;x>0;x--)
{
;
};
}
void main()
{
int i,j; //初始化
fengming=0;
led=1;
guangdian1=1; //光電管接口
guangdian2=1;
TMOD=0X01;
TH0= 0XF8; //1ms定時(shí)
TL0= 0X30;
TR0= 1;
ET0= 1;
EA = 1;
delay(100);
motor_left_gnd=0;
motor_right_gnd=0;
while(1)
{
if(flag1==0) //正常循跡
{
if(middle==0&&left2==1&&right2==1)
{
motor_left=0;
motor_right=0;
led=0; //燈閃爍，蜂鳴器叫
fengming=1;
delay(1000);
led=1;
fengming=1;
delay(1000);
led=0;
fengming=1;
delay(1000);
led=1;
fengming=1;
delay(1000);
fengming=0;
while(1)
{
motor_left=0;
motor_right=0;
//檢測(cè)到人時(shí)，停止
}
}
switch(dr)
{
case 0:
motor_left=0,motor_right=0,motor_left_gnd=0,motor_right_gnd=0;
delay1(40);
motor_left=1,motor_right=1,motor_left_gnd=0,motor_right_gnd=0; //直走
delay1(60);
break;
case 2: motor_left=1,motor_right=0,motor_left_gnd=0,motor_right_gnd=0;
delay1(60);
motor_left=1,motor_right=1,motor_left_gnd=0,motor_right_gnd=0;
delay1(2);
motor_left=0,motor_right=0,motor_left_gnd=0,motor_right_gnd=0;
delay1(10);
break; //右轉(zhuǎn)
case 1: motor_left=0,motor_right=1,motor_left_gnd=0,motor_right_gnd=0;
delay1(60);
motor_left=1,motor_right=1,motor_left_gnd=0,motor_right_gnd=0;
delay1(2);
motor_left=0,motor_right=0,motor_left_gnd=0,motor_right_gnd=0;
delay1(10);
break; //左轉(zhuǎn)
}
}
if(flag1==1) //壁障過(guò)程
{
for(i=200;i>0;i--)
{
for(j=110;j>0;j--)
{
motor_left=0;
motor_right=0;
motor_left_gnd=0;
motor_right_gnd=0;
}
}
while(right1==0)
{
if(guangdian3==1)
{
motor_left=1,motor_right=1,motor_left_gnd=0,motor_right_gnd=0; //右轉(zhuǎn)
delay1(20);
motor_left=1,motor_right=0,motor_left_gnd=0,motor_right_gnd=0;
delay1(100);
motor_left=0,motor_right=0,motor_left_gnd=0,motor_right_gnd=0;
delay1(40);
}
if(guangdian3==0)
{
motor_left=1,motor_right=1,motor_left_gnd=0,motor_right_gnd=0; //左轉(zhuǎn)
delay1(20);
motor_left=0,motor_right=1,motor_left_gnd=0,motor_right_gnd=0;
delay1(100);
motor_left
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