自動(dòng)避障循跡小車設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

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1、自動(dòng)避障循跡小車設(shè)計(jì)畢業(yè)論文 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 姓 名:****學(xué) 號(hào): *** 學(xué) 院: 徐海學(xué)院 專 業(yè):自動(dòng)化 設(shè)計(jì)題目: 自動(dòng)避障循跡小車 專 題: 指導(dǎo)教師: ** 職 稱: 教授 ** 2012 年 6月 徐州 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 專業(yè)年級(jí) ** 學(xué)號(hào) ** 學(xué)生姓名 ** 任務(wù)下達(dá)日期:** 畢業(yè)設(shè)計(jì)日期: ** 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目: 自動(dòng)避障循跡小車 畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和要求: 利用AT89C52芯片,L

2、298N芯片制作自動(dòng)避障循跡小車 學(xué)習(xí)AT89C52單片機(jī)的基本工作原理 學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單的小車設(shè)計(jì)和制作 完成小車的設(shè)計(jì)和制作 對(duì)小車進(jìn)行調(diào)試 指導(dǎo)教師簽字:鄭 重 聲 明 本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì),是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下,獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實(shí)可靠。盡我所知,除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,本畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體,均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本論文屬于原創(chuàng)。本畢業(yè)設(shè)計(jì)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。 本人簽名: 日期: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評(píng)閱書 指導(dǎo)教

3、師評(píng)語(①基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握;②獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力;③研究?jī)?nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法;④取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn);⑤工作態(tài)度及工作量;⑥總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī);⑦存在問題;⑧是否同意答辯等): 成 績(jī):指導(dǎo)教師簽字: 年月日 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)閱教師評(píng)閱書 評(píng)閱教師評(píng)語(①選題的意義;②基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握;③綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力;③工作量的大小;④取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn);⑤寫作的規(guī)范程度;⑥總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī);⑦存在問題;⑧是否同意答辯等): 成 績(jī):評(píng)閱教師簽字: 年月日 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯及綜合成績(jī) 答 辯 情 況 提 ?出 ?問 ?

4、題 回答問 題 正確 基本 正確 有一般性錯(cuò)誤 有原則性錯(cuò)誤 沒有 回答答辯委員會(huì)評(píng)語及建議成績(jī): 答辯委員會(huì)主任簽字: 年 月 日 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評(píng)定成績(jī): 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人: 年 月 日 摘 要 智能小車是移動(dòng)式機(jī)器人的重要組成部分,本設(shè)計(jì)通過不斷檢測(cè)各個(gè)模塊的傳感器的輸入信號(hào),利用紅外對(duì)管檢測(cè)黑線實(shí)現(xiàn)循跡,超聲波傳感器測(cè)距實(shí)現(xiàn)避障,采用存儲(chǔ)空間較大的AT89C52作為主控制芯片,電動(dòng)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298N芯片,根據(jù)內(nèi)置的程序分別控制小車左右兩個(gè)

5、直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)識(shí)別路線,能較有效的控制其在碰上障礙物時(shí)能轉(zhuǎn)彎角度及循跡行駛。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,較容易實(shí)現(xiàn),在一定程度上體現(xiàn)了智能。 關(guān)鍵詞:智能小車;STC89C52單片機(jī); L298N;超聲波傳感器;紅外對(duì)管 ABSTRACT The Smart car is an important part of the mobile robot,By constantly testing the various modules of sensor input signal,using infrared ray to detect black lines on the tube, ult

6、rasonic sensors ranging to avoid obstacle.The system uses AT89C52 of storage space as the main control chip,Electric vehicle motor drive L298N chip,Built-in program to control two DC motors in the car running,Realize that the car automatically identify the route,More effective control of the turning

7、 angle in a specific location and driving error handling.This design is simple, more easily achievedTo a certain extent reflects the intelligence. Keywords: Smart car ; STC89C52 microcontroller ; L29N ;Ultrasonic sensors ; Infrared Emitting Diode 目 錄 1 緒論 1 1.1智能小車的研究與意義 1 1.2智能小車的現(xiàn)狀 3 1.2.1

8、國(guó)外移動(dòng)機(jī)器人研究 3 1.2.2國(guó)內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的狀況 4 1.2.3小車避障現(xiàn)狀綜訴 4 1.2.4智能小車的現(xiàn)狀 4 1.3論文研究?jī)?nèi)容與主要結(jié)構(gòu) 5 1.3.1基于單片機(jī)控制的智能循跡避障小車 5 1.3.2文章主要結(jié)構(gòu) 5 2 方案選型設(shè)計(jì) 6 2.1車體設(shè)計(jì) 6 2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 6 2.2.1電機(jī)選擇 6 2.2.2驅(qū)動(dòng)選擇 7 2.2.3H橋式電路工作原理 9 2.2.4PWM調(diào)速技術(shù) 9 2.3循跡模塊 9 2.3.1光電傳感器的工作原理 9 2.3.2光電傳感器的分類和工作方式 9 2.3.3光電傳感器的選擇 10 2.4避障模塊 11

9、 2.4.1超聲波測(cè)距的原理 11 2.4.2超聲波傳感器的分類 12 2.4.3超聲波測(cè)距特點(diǎn) 12 2.4.4超聲波模塊選擇 13 2.5顯示模塊 14 2.5.1數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)及工作原理 14 2.5.2數(shù)碼管的選擇 15 2.6控制系統(tǒng)模塊 15 2.6.1單片機(jī)的發(fā)展 15 2.6.2AT89C52單片機(jī)的簡(jiǎn)單介紹 17 2.7電源模塊 17 3 硬件設(shè)計(jì) 18 3.1總體設(shè)計(jì) 18 3.1.1小車總體概述 18 3.1.2小車總體設(shè)計(jì)框圖 19 3.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 19 3.3信號(hào)檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì) 21 3.3.1循跡模塊信號(hào)檢測(cè)電路 21 3.3

10、.2壁障模塊和顯示信號(hào)檢測(cè)電路 22 3.4顯示模塊電路設(shè)計(jì) 24 3.5主控電路設(shè)計(jì) 27 3.5.1單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 27 3.5.2主控電路圖 30 4 軟件設(shè)計(jì) 31 4.1主程序設(shè)計(jì) 31 4.1.1主程序框圖 31 4.1.2主程序流程圖 32 4.2循跡模塊程序設(shè)計(jì) 33 4.3顯示模塊程序設(shè)計(jì) 33 4.4避障模塊程序設(shè)計(jì) 34 5 制作安裝與調(diào)試 35 5.1小車的安裝 35 5.2小車的調(diào)試 35 5.3智能小車的功能 36 結(jié)論 37 參考文獻(xiàn) 38 附錄: 40 中文譯文 44 致 謝 52 1 緒論 1.1智能小車的研究

11、與意義 移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)分支,他的研究始于60年代末期,斯坦福研究院(SRI)的Nits Nilssen和Charles Rosen 等人,在1966年至1972年間研制出了名為Shake的自主移動(dòng)機(jī)器人[1]。 進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后,人們的研究方向逐漸轉(zhuǎn)移到了面向?qū)嶋H應(yīng)用的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的研究,并逐步形成了自主式移動(dòng)機(jī)器人AMR(Indoor Autonomous Mobile Robot概念。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)專門立項(xiàng),制定了地面天人作戰(zhàn)平臺(tái)的戰(zhàn)略計(jì)劃。從此在全世界掀開了全面研究室外移動(dòng)機(jī)器人的序幕,如DARPA的“戰(zhàn)略計(jì)算機(jī)”計(jì)劃中的自主地面車輛(A

12、LV)計(jì)劃(1983?1990),能源部制定的為期十年的機(jī)器人和智能系統(tǒng)計(jì)劃(RIPS)(1986?1995),以及后來的太空機(jī)器人計(jì)劃;日本通產(chǎn)省組織的極限環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人計(jì)劃;歐洲尤里卡中的機(jī)器人計(jì)劃等。初期的研究,主要從學(xué)術(shù)角度研究室外機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理,并建立試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。雖然由于80年代對(duì)機(jī)器人的智能行為期望過高,導(dǎo)致室外機(jī)器人的研究未達(dá)到預(yù)期的效果,但卻帶動(dòng)了相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展,為探討人類研制智能機(jī)器人的途徑積累了經(jīng)驗(yàn)。同時(shí),也推動(dòng)了其他國(guó)家對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究與開發(fā)[2]。 智能小車作為移動(dòng)機(jī)器人的典型代表,目前國(guó)內(nèi)外的許多大學(xué)都在積極投入人力、財(cái)力進(jìn)行開發(fā)。主要表現(xiàn)在

13、大學(xué)生的各種大型的創(chuàng)新比賽,比如:亞洲廣播電視聯(lián)盟亞太地區(qū)機(jī)器人大賽(ABU ROBCON)、全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽等眾多重要競(jìng)賽都能很好的培養(yǎng)大學(xué)生對(duì)于機(jī)電一體化的興趣與強(qiáng)化機(jī)電一體化的相關(guān)知識(shí)。但很現(xiàn)實(shí)的狀況是,國(guó)內(nèi)不論是在機(jī)械還是電氣領(lǐng)域,與國(guó)外的差距還是很明顯的,必須加倍努力,為逐步趕上國(guó)外先進(jìn)水平并超過之而努力。智能小車,是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策,自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng),它可以分為三大組成部分:傳感器檢測(cè)部分、執(zhí)行部分、CPU。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能,還可以擴(kuò)展循跡等功能,感知導(dǎo)引線和障礙物?？梢詫?shí)現(xiàn)小車自動(dòng)識(shí)別路線,選擇正確的行進(jìn)路線,并檢測(cè)到障礙物自動(dòng)躲

14、避[3]。 在移動(dòng)機(jī)器人中,傳感器起著舉足輕重的作用。視覺、激光、紅外、超聲傳感器等都在實(shí)際系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中,超聲波傳感器以其信息處理簡(jiǎn)單、速度快和價(jià)格低,被廣泛用作移動(dòng)機(jī)器人的測(cè)距傳感器,以實(shí)現(xiàn)避障、定位、環(huán)境建模和導(dǎo)航等功能[4]?？紤]實(shí)際情況,傳感檢測(cè)部分考慮到小車一般不需要感知清晰的圖像,只要求粗略感知即可,所以可以舍棄昂貴的CCD傳感器而考慮使用價(jià)廉物美的紅外反射式傳感器和超聲波傳感器來充當(dāng)。智能小車的執(zhí)行部分,是由直流電機(jī)來充當(dāng)?shù)?主要控制小車的行進(jìn)方向和速度。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)一般有兩種方案:第一,勿需占用單片機(jī)資源,直接選擇有PWM功能的單片機(jī),這樣可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)

15、速;第二,可以由軟件模擬PWM輸出調(diào)制,需要占用單片機(jī)資源,難以精確調(diào)速,但單片機(jī)型號(hào)的選擇余地較大[5]?？紤]到實(shí)際情況,本文選擇第二種方案。CPU使用STC89C52單片機(jī),配合軟件編程實(shí)現(xiàn)。 單片機(jī)在現(xiàn)今社會(huì)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛,無論是生活,生產(chǎn)上,單片機(jī)的身影無處不在。ATMEL公司的STC89C52單片機(jī)可以廣泛的應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。STC89C52可以說是單片機(jī)領(lǐng)域的主流產(chǎn)品,其應(yīng)用如此廣泛,所以有必要學(xué)習(xí)和應(yīng)用該單片機(jī),以滿足實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)的需求,也是適應(yīng)社會(huì)智能化、自動(dòng)化的趨勢(shì)[6]。 以89C52為控制核心,利用超聲波

16、傳感器檢測(cè)道路上的障礙,控制智能小車的自動(dòng)避障,快慢速行駛,以及自動(dòng)停車,并可以自動(dòng)記錄時(shí)間、里程和速度,自動(dòng)尋跡和尋光功能。89C52是一款八位單片機(jī),它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評(píng)。它是第三代單片機(jī)的代表。 第三代單片機(jī)包括了Intel公司發(fā)展MCS-51系列的新一代產(chǎn)品,如8xC152?80C51FA/FB?80C51GA/GB?8xC451?8xC452,還包括了Philips?Siemens?ADM?Fujutsu?OKI?Harria-Metra?ATMEL等公司以80C51為核心推出的大量各具特色?與80C51兼容的單片機(jī)。新一代的單片機(jī)的最主要的技術(shù)特點(diǎn)是向外部接

17、口電路擴(kuò)展,以實(shí)現(xiàn)Microcomputer完善的控制功能為己任,將一些外部接口功能單元如A/D?PWM?PCA可編程計(jì)數(shù)器陣列?WDT監(jiān)視定時(shí)器?高速I/O口?計(jì)數(shù)器的捕獲/比較邏輯等。這一代單片機(jī)中,在總線方面最重要的進(jìn)展是為單片機(jī)配置了芯片間的串行總線,為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更加靈活的方式。Philips公司還為這一代單片機(jī)80C51系列8xC592單片機(jī)引入了具有較強(qiáng)功能的設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總線----CANController Area Network BUS[5]。 該設(shè)計(jì)的實(shí)際意義是通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng),培養(yǎng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的能力。在實(shí)踐的過程中,熟悉以單片機(jī)為核心控制芯

18、片,設(shè)計(jì)小車的檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)和顯示等外圍電路,采用算法實(shí)現(xiàn)小車的智能控制。靈活的運(yùn)用所學(xué)的相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí),結(jié)合實(shí)際電路設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)方法,達(dá)到理論和實(shí)際的統(tǒng)一。在此過程中,加深對(duì)理論知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)。且該設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義,可以應(yīng)用于考古、機(jī)器人、娛樂等許多方面。尤其是在玩具機(jī)器人研究方面具有很好的發(fā)展前景。所以本設(shè)計(jì)與實(shí)際相結(jié)合,現(xiàn)實(shí)意義很強(qiáng)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)??它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通訊、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)??是典型的高新技術(shù)綜合體[3]。 1.2智能小車的現(xiàn)狀 1.2.1國(guó)外移動(dòng)機(jī)器人研究 到20世紀(jì)90年代,以研制高水平的環(huán)境信

19、息傳感器和信息處理技術(shù),適應(yīng)性強(qiáng)的移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù),真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志,展開了移動(dòng)機(jī)器人更高層次的研究。隨著技術(shù)的進(jìn)步,移動(dòng)機(jī)器入開始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上,開拓各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,向?qū)嵱没斑M(jìn)[2]。如1997年牛津大學(xué)機(jī)器人研究小組采用分布式濾波及局部智能控制代理的系統(tǒng)模式,利用卡爾曼濾波方法融合來自攝像機(jī)、激光測(cè)距、聲納的數(shù)據(jù)信息,設(shè)計(jì)出了在已知或未知的工廠環(huán)境下工作的移動(dòng)機(jī)器人。美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局(nasa)資助研制的八足行走機(jī)器人。丹蒂Ⅱ”,作為能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程探險(xiǎn)的高性能移動(dòng)機(jī)器人,于1994年在斯珀火山的火山口迸行了成功的表演。美國(guó)nasa研制的火星探測(cè)機(jī)器人“sojourner”

20、于1997年登上火星,驗(yàn)證了自主移動(dòng)機(jī)器人在火星表面運(yùn)動(dòng)和進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)的可行性。2003年,美國(guó)nasa又派出兩個(gè)火星著陸器,這兩個(gè)著陸器上各帶勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星漫游者,到火星上采集數(shù)據(jù).在任務(wù)期間,“勇氣”創(chuàng)造了日行27.5米的紀(jì)錄,打破了“sojourner”97年創(chuàng)下的日行7米的記錄;“機(jī)遇”號(hào)也己成功地在火星上進(jìn)行了多種科學(xué)實(shí)驗(yàn)。后來,美國(guó)宇航局又在研究另一種新型的火星探測(cè)器一火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(MSL),是一種適用于所有地形的多用途機(jī)器人,乃執(zhí)行任務(wù)。德國(guó)研制了一種輪椅機(jī)器人,并在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境中和1998年漢諾威工業(yè)商品展覽會(huì)大廳環(huán)境中進(jìn)行了超過36小時(shí)的考驗(yàn),所表

21、出的性能是其它現(xiàn)存的輪椅機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器人所不可比的。另外,自從1996年成功地舉行了第一次世界機(jī)器人足球賽以來,現(xiàn)在一年一度的世界機(jī)器人足球賽已經(jīng)吸引了越來越多的團(tuán)體參加,極大地推進(jìn)了多移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究,成為研究和驗(yàn)證人工智能成果的實(shí)驗(yàn)床[6]。 1.2.2國(guó)內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的狀況 在國(guó)內(nèi),從“七五”開始,我國(guó)的移動(dòng)機(jī)器人研究開始起步,經(jīng)過多年來的發(fā)展,已經(jīng)取得了一定的成績(jī)。清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人于1994年通過鑒定。涉及到五個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù):基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)研究;基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)研究;路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)研究;傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)研究;智能移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)

22、現(xiàn)。香港城市大學(xué)智能設(shè)計(jì)、自動(dòng)化及制造研究中心的自動(dòng)導(dǎo)航車和服務(wù)機(jī)器人。中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所得AGV和防暴機(jī)器人。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所自行設(shè)計(jì)、制造的全方位移動(dòng)式機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于1996年研制成功的導(dǎo)游機(jī)器人等[1]。 自主移動(dòng)機(jī)器人的研究雖取得了很大的進(jìn)展,但是對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用,仍不能令人滿意。 1.2.3小車避障現(xiàn)狀綜訴 避障的目標(biāo)就是沒有人的干預(yù)下使機(jī)器人有目的地移動(dòng)并完成特定任務(wù),進(jìn)行特定操作。機(jī)器人通過裝配的信息獲取手段,獲得外部環(huán)境信息,實(shí)現(xiàn)自我定位,判定自身狀態(tài),規(guī)劃并執(zhí)行下一步的動(dòng)作。要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人更高的智能化,機(jī)器人在行走和探索的過程中,避障行為

23、是必不可少的。在行走過程中實(shí)現(xiàn)避障行為是非常重要的,它可以避免造成機(jī)器人本體的損壞以及重要設(shè)備的損壞,使機(jī)器人無論在什么環(huán)境下都能夠正常工作,因此機(jī)器人的避障控制系統(tǒng)的成為當(dāng)今研究的熱門課題[1]。 采用先進(jìn)、可靠的傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人的避障研制, 傳感器融合技術(shù)近年來被引入到了機(jī)器人導(dǎo)航研究中,并已取得令人振奮的成果,采用常規(guī)傳感器導(dǎo)航的移動(dòng)機(jī)器人將成為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展方向[5]。當(dāng)然,在一些復(fù)雜的地理?xiàng)l件下,非視覺傳感器的探測(cè)范圍就不如視覺系統(tǒng)那么完整,目前對(duì)于一些高精度的導(dǎo)航還難以勝任,因而開發(fā)新型傳感器或按照一定融合策略構(gòu)造傳感器陣列以彌補(bǔ)單個(gè)傳感器的缺陷,以及提出新

24、的融合方法來完善探測(cè)的結(jié)果,都將是重要的研究方向[3]。 1.2.4智能小車的現(xiàn)狀 智能小車作為移動(dòng)式機(jī)器人的一個(gè)重要分支,隨著機(jī)器人研究的深入受到越來越多人的關(guān)注。它是計(jì)算機(jī)控制與電子技術(shù)的融合,集傳感器探測(cè)(光源、障礙物)、單片機(jī)自動(dòng)控制、電機(jī)調(diào)速等于一體,可以說是計(jì)算機(jī)、傳感器、信息、通訊、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)的一個(gè)綜合體,為電子設(shè)備智能化提供了很好的實(shí)例[5]?，F(xiàn)今社會(huì)智能小車發(fā)展很快,從智能玩具到其它各行業(yè)都有實(shí)質(zhì)成果。其基本可實(shí)現(xiàn)循跡、避障、檢測(cè)貼片、尋光入庫、避崖等基本功能[7],這幾界的電子設(shè)計(jì)大賽智能小車又在向聲控系統(tǒng)發(fā)展。比較出名的飛思卡爾智能小車更是走在前列

25、。我此次的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)循跡避障這兩個(gè)功能。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)制作基于STC89C52單片機(jī)智能小車的過程,在智能小車的自動(dòng)循線、避障、檢測(cè)、控制、顯示等方面提出一些見解。 1.3論文研究?jī)?nèi)容與主要結(jié)構(gòu) 1.3.1基于單片機(jī)控制的智能循跡避障小車 隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,單片機(jī)不但集成程度越來越高,已可以在一塊芯片上同時(shí)集成CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、并行和串行接口、看門狗、前置放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器、D/A 轉(zhuǎn)換器等多種電路,而且體積越來越小,功耗越來越低,這就很容易將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合,組成智能化測(cè)量控制系統(tǒng)[8]。這種技術(shù)促使機(jī)器人技術(shù)也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,目前的機(jī)器人技術(shù)

26、發(fā)展異常迅速,已經(jīng)出現(xiàn)了各種各式的用于各種用途的機(jī)器人了,機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造已經(jīng)不是很高難度的事情了,已經(jīng)具有普及性了。 本文設(shè)計(jì)以STC89C52 單片機(jī)作為檢測(cè)和控制核心。采用紅外光電傳感器檢測(cè)路面黑線及障礙物,應(yīng)用超聲波傳感器測(cè)距,利用單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速。通過軟件編程實(shí)現(xiàn)小車的行進(jìn)、繞障。通過對(duì)電路的優(yōu)化組合,可以最大限度地利用51 單片機(jī)的全部資源。P0 口用于連接VCC,P1 口用于傳感器的數(shù)據(jù)采集與中斷控制,P2口用于電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是:簡(jiǎn)單有效,降低了總體設(shè)計(jì)的成本。 1.3.2文章主要結(jié)構(gòu) 文章主要包括下面幾個(gè)內(nèi)容: 1、綜述小車的研究與現(xiàn)狀

27、,闡述文章的大致方向 2、對(duì)智能小車進(jìn)行方案總設(shè)計(jì),主要包括車體的選擇、電驅(qū)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇、循跡模塊和壁障模塊傳感器的選擇控制系統(tǒng)模塊和電源模塊的選擇 3、對(duì)小車進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì),給出電路圖 4、結(jié)合自己所學(xué)的專業(yè)知識(shí),對(duì)小車進(jìn)行軟件設(shè)計(jì),使得小車能自動(dòng)的壁障和循跡 5、對(duì)小車進(jìn)行制作安裝與調(diào)試,對(duì)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行分析 2 方案選型設(shè)計(jì) 2.1車體設(shè)計(jì) 直接購(gòu)買的3輪車版,小車為3輪結(jié)構(gòu) 。其中前面兩個(gè)車輪由前輪電機(jī)控制, 在信號(hào)控制下前后擺動(dòng),來調(diào)節(jié)小車的前進(jìn)方向和為小車提供動(dòng)力。在自然狀態(tài)下,保持前進(jìn)。后面1個(gè)車輪有軸承,為整個(gè)小車提供方向,所以又稱后面的輪子為方向輪,驅(qū)動(dòng)的

28、兩個(gè)輪子為驅(qū)動(dòng)輪。能適應(yīng)題目中小車準(zhǔn)確前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎的要求,而且這種車版一般都價(jià)格適中。而自己制作車版成本比較高,且比較粗糙,對(duì)于白色基板上的道路面行駛,車身重量以及平衡都要有精確的測(cè)量,而且也要控制好小車行駛的路線和轉(zhuǎn)彎的力矩及角度,這些都比較難良好地實(shí)現(xiàn)。 2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 2.2.1電機(jī)選擇 使用直流電機(jī)作為電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)電機(jī),直流電機(jī)的控制方法比較簡(jiǎn)單,只需給電機(jī)的兩根控制線加上適當(dāng)?shù)碾妷杭纯墒闺姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來,電壓越高則電機(jī)轉(zhuǎn)速越高。對(duì)于直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié),可以采用改變電壓的方法,也可采用PWM調(diào)速方法。PWM調(diào)速就是使加在直流電機(jī)兩端的電壓為方波形式,通過改變方波的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)

29、電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn),如可以精確的定位,可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位但是步進(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)。所以最后確定使用直流電機(jī)。 2.2.2驅(qū)動(dòng)選擇 開始時(shí)想采用SM6135W電機(jī)遙控驅(qū)動(dòng)模塊。SM6135W是專為遙控車設(shè)計(jì)的大規(guī)模集成電路。能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、向右、向左、加速五個(gè)功能,但是其采用的是編碼輸入控制,而不是電平控制,這樣在程序中實(shí)現(xiàn)比較麻煩,而且該電機(jī)模塊價(jià)格比較高,所以放棄。 圖1 后采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N(見圖1)。L298N是ST公司生產(chǎn)的一種

30、高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝,為單塊集成電路,高電壓,高電流,四通道驅(qū)動(dòng),可直接的對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制,無須隔離電路。對(duì)照表1通過單片機(jī)的I/O輸入改變芯片控制端的電平,即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn),停止的操作,非常方便,亦能滿足直流減速電機(jī)的大電流要求。調(diào)試時(shí)在依照邏輯關(guān)系表,用程序輸入對(duì)應(yīng)的碼值,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單,加速能力強(qiáng),采用由達(dá)林頓管組成的 H型橋式電路(見圖2)[17]。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)下,精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下,效率非常高

31、,H型橋式電路保證了簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制,電子管的開關(guān)速度很快,穩(wěn)定性也極強(qiáng),是一種廣泛采用的 PWM調(diào)速技術(shù)[6]。 EN A(B) IN1(IN3) IN2(IN4) 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況 H H L 正傳 H L H 反轉(zhuǎn) H IN1(IN3 IN2(IN4) 快速停止 L X X 停止 表1 L298N的引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系 圖2 H橋式電路 2.2.3H橋式電路工作原理 電路得名于“H橋式驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿,而電機(jī)就是H中的橫杠。 H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),必須導(dǎo)

32、通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況,電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過電機(jī),從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 2.2.4PWM調(diào)速技術(shù) 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)頻繁的無級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。 2.3循跡模塊 利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)循跡的基本原理 2.3.1光電傳感器的工作原理 光電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來實(shí)現(xiàn)控制的。光電傳感器在一般情況下,有三部分構(gòu)成,它們分為:發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路。 發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束,發(fā)射的光束

33、一般來源于半導(dǎo)體光源,發(fā)光二極管LED、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射,或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面,裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測(cè)電路,它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。 此外,光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維。 三角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的發(fā)射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成,能夠使光束準(zhǔn)確地從反射板中返回,具有實(shí)用意義。它可以在與光軸0到25的范圍改變發(fā)射角,使光束幾乎是從一根發(fā)射線,經(jīng)過反射后,還是從這根反射線返回。 2.3.2光電傳感器的分類和工作方式 1、槽型光電傳感器 把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面

34、對(duì)面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光,在無阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測(cè)物體從槽中通過時(shí),光被遮擋,光電開關(guān)便動(dòng)作。輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào),切斷或接通負(fù)載電流,從而完成一次控制動(dòng)作。槽形開關(guān)的檢測(cè)距離因?yàn)槭苷w結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。 2、對(duì)射型光電傳感器若把發(fā)光器和收光器分離開,就可使檢測(cè)距離加大。由一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器組成的光電開關(guān)就稱為對(duì)射分離式光電開關(guān),簡(jiǎn)稱對(duì)射式光電開關(guān)。它的檢測(cè)距離可達(dá)幾米乃至幾十米。使用時(shí)把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測(cè)物通過路徑的兩側(cè),檢測(cè)物通過時(shí)阻擋光路,收光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。 3、反光板型光電開關(guān)把發(fā)光器和收光器

35、裝入同一個(gè)裝置內(nèi),在它的前方裝一塊反光板,利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式或反射鏡反射式光電開關(guān)。正常情況下,發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到;一旦光路被檢測(cè)物擋住,收光器收不到光時(shí),光電開關(guān)就動(dòng)作,輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。 4、擴(kuò)散反射型光電開關(guān)它的檢測(cè)頭里也裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器,但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。當(dāng)檢測(cè)物通過時(shí)擋住了光,并把光部分反射回來,收光器就收到光信號(hào),輸出一個(gè)開關(guān)信號(hào)。 2.3.3光電傳感器的選擇 這里的循跡是指小車在白色地板上循黑線行走,通常采取的方法是紅外探測(cè)法。 紅外探測(cè)法,即利用紅外線在不同顏色的物

36、體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn),在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光,當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射,反射光被裝在小車上的接收管接收;如果遇到黑線則紅外光被吸收,小車上的接收管接收不到紅外光。 單片機(jī)就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限,一般最大不應(yīng)超過3CM[5]。 開始時(shí)采用發(fā)光二極管+光敏電阻,但是該方法缺點(diǎn)明顯:易受到外界光源的干擾,有時(shí)甚至檢測(cè)不到黑線,主要是因?yàn)榭梢姽獾姆瓷湫Ч乇淼钠教钩潭取⒌乇聿牧系姆瓷淝闆r均對(duì)檢測(cè)效果產(chǎn)生直接影響。克服此缺點(diǎn)的方法:采用超高亮度的發(fā)光二極管能降低一定的干擾,但這又會(huì)增加檢測(cè)系統(tǒng)的功耗

37、。 后采用脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器。由于采用帶有交流分量的調(diào)制信號(hào),則可大幅度減少外界的干擾;此外紅外發(fā)射接收管的工作電流取決于平均電流,如果采用占空比小的調(diào)制信號(hào),在平均電流不變的情況下,瞬時(shí)電流很大(50~100mA)(ST-188允許的最大輸入電流為50mA),則大大提高了信噪比。此種測(cè)試方案反應(yīng)速度大約在5us。 2.4避障模塊 探測(cè)障礙的最簡(jiǎn)單的方法是使用超聲波傳感器,它是利用向目標(biāo)發(fā)射超聲波脈沖,計(jì)算其往返時(shí)間來判定距離的。該方法被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的研究上。其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜,易于使用,且在10m以內(nèi)能給出精確的測(cè)量。 2.4.1超聲波測(cè)距的原理 超聲波是一種在彈

38、性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩,其頻率超過20KHz,分橫向振蕩和縱向振蕩兩種,超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播,其傳播速度不同。它有折射和反射現(xiàn)象,且在傳播過程中有衰減。利用超聲波的特性,可做成各種超聲波傳感器,結(jié)合不同的電路,可以制成超聲波儀器及裝置,在通訊、醫(yī)療及家電中獲得廣泛應(yīng)用[7]。 作為超聲波傳感器的材料,主要為壓電晶體。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波,同時(shí)它接收到超聲波時(shí),也能轉(zhuǎn)變成電能,故它分為發(fā)送器和接收器。 通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波,根據(jù)接收器接到超聲波時(shí)的時(shí)間差就可以知道距離了。這與雷達(dá)測(cè)距原理相似。 超聲波發(fā)射器向某一

39、方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí),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(jì)時(shí)。(超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s,即:s340t/2) 2.4.2超聲波傳感器的分類 為了研究和利用超聲波,人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制造了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講,超聲波發(fā)生器可以分為兩大類:一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波,一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電式、磁致伸縮型和電動(dòng)型等。機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性不相同,因而用途也也不相同。目前,常用的

40、是壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際是利用壓電陶瓷晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),有兩個(gè)壓電芯片和一個(gè)共振板。當(dāng)兩極外加脈沖信號(hào),其頻率等于晶體的固有頻率時(shí),壓電芯片將會(huì)發(fā)生共振,并帶動(dòng)共振板振動(dòng),便產(chǎn)生超聲波。如果兩電極問未外加電壓,當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí),將壓迫壓電芯片做共振,把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電信號(hào),這時(shí)就成了超聲波接收器。 2.4.3超聲波測(cè)距特點(diǎn) 超聲波指向性強(qiáng),能量消耗緩慢,在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn),因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量,如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制,并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)

41、實(shí)用的要求,因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用[7]。 為了使移動(dòng)機(jī)器人能自動(dòng)避障行走,就必須裝備測(cè)距系統(tǒng),以使其及時(shí)獲取距障礙物的距離信息(距離和方向)。超聲波測(cè)距系統(tǒng),就是為小車了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個(gè)運(yùn)動(dòng)距離信息[8]。 由于超聲實(shí)現(xiàn)方便,技術(shù)成熟,成本低,且周圍環(huán)境對(duì)于超聲波的影響也不大,所以超聲避障成為移動(dòng)機(jī)器人常用的避障方法[7]。從國(guó)內(nèi)外研究情況來看,超聲波裝置主要用作測(cè)距,通過測(cè)量聲源與目標(biāo)物之間的往返傳播時(shí)間,求得目標(biāo)物的距離。在有些情況下,超聲波傳感器是光學(xué)系統(tǒng)無可比擬的。超聲波傳感器的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)如下[10]: 1、對(duì)于黑暗的環(huán)境和物體,

42、超聲波傳感器幾乎不受惡劣環(huán)境的影響,仍然能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的探測(cè)障礙物信息,反饋給信息處理設(shè)備。 2、和光學(xué)傳感器相比,超聲波傳感器不僅可以探測(cè)到障礙物的存在,而且能夠得到障礙物距機(jī)器人的距離,便于機(jī)器人做出決策。 3、雖然光傳播速度比聲音快,但計(jì)算機(jī)控制器延時(shí)和電機(jī)響應(yīng)速度等特點(diǎn)將限制機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的速度,因此光速快的優(yōu)勢(shì)并不明顯。 2.4.4超聲波模塊選擇 采用US100超聲波模塊 US100主要技術(shù)參數(shù) 表2 US100主要參數(shù) 電氣參數(shù) US100超聲波模塊 工作電壓 DC2.4V~5.5V 靜態(tài)電流 2mA 工作溫度 -20~+70度 輸出方式 電平或UART(跳

43、線帽選擇) 感應(yīng)角度 小于15度 探測(cè)距離 2cm~450cm 探測(cè)精度 0.3cm+1% UART 模式下串口配置 波特率9600,起始位1位,停止位1位,數(shù)據(jù)位8位,無奇偶校驗(yàn),無流控制 US100超聲波測(cè)距模塊可實(shí)現(xiàn)0~4.5m的非接觸測(cè)距功能,擁有2.4~5.5V的寬電壓輸入范圍,靜態(tài)功耗低于2mA,自帶溫度傳感器對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正,同時(shí)具有GPI0,串口等多種通信方式,內(nèi)帶看門狗,工作穩(wěn)定可靠。 US100 5pin接口各自的定義 從左到右依次編號(hào)1.2.3.4.5 各自定義 1號(hào)Pin 接VCC電源(2.4V~5.5V) 2號(hào)Pin 為UART時(shí)接TX端,

44、為電平觸發(fā)時(shí)接Trig端 3號(hào)Pin 位UART時(shí)接RX端,為電平觸發(fā)時(shí)接Echo端 4號(hào)Pin 接外部電路的地 5號(hào)Pin 接外部電路的地 表3 US100各pin接口定義 2.5顯示模塊 選用LED數(shù)碼管用作顯示 2.5.1數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)及工作原理 LED數(shù)碼管(LED Segment Displays)是由多個(gè)發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件,引線已在內(nèi)部連接完成,只需引出它們的各個(gè)筆劃,公共電極。led數(shù)碼管常用段數(shù)一般為7段有的另加一個(gè)小數(shù)點(diǎn),還有一種是類似于3位“+1”型。位數(shù)有半位,1,2,3,4,5,6,8,10位等等.,led數(shù)碼管根據(jù)LED的接法不同

45、分為共陰和共陽兩類,了解LED的這些特性,對(duì)編程是很重要的,因?yàn)椴煌愋偷臄?shù)碼管,除了它們的硬件電路有差異外,編程方法也是不同的。共陰和共陽極數(shù)碼管,它們的發(fā)光原理是一樣的,只是它們的電源極性不同而已。 LED數(shù)碼管要正常顯示,就要用驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼,從而顯示出我們要的數(shù)位,因此根據(jù)LED數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同,可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。 A、靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng): 靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的I/O口進(jìn)行驅(qū)動(dòng),或者使用如BCD碼而是進(jìn)位器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單,顯示亮度高,缺點(diǎn)是占用I/O口多,如驅(qū)動(dòng)5個(gè)數(shù)碼管靜態(tài)顯

46、示則需要5*840根I/O口來驅(qū)動(dòng),要知道一個(gè)89S51單片機(jī)可用的I/O口才32個(gè)。故實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng),增加了硬體電路的復(fù)雜性。B、動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng): 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示介面是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一,動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起,另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位元選通控制電路,位元選通由各自獨(dú)立的I/O線控制,當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí),所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼,但究竟是哪個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形,取決于單片機(jī)對(duì)位元選通COM端電路的控制,所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開,該位元就顯示出字

47、形,沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮[19]。 通過分時(shí)輪流控制各個(gè)LED數(shù)碼管的COM端,就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示,這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過程中,每位元數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為1~2ms,由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應(yīng),盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮,但只要掃描的速度足夠快,給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料,不會(huì)有閃爍感,動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的,能夠節(jié)省大量的I/O口,而且功耗更低。 2.5.2數(shù)碼管的選擇 為節(jié)省單片機(jī)I/O端口,采用四位一體共陰極動(dòng)態(tài)數(shù)碼管。 2.6控制系統(tǒng)模塊 考慮選用一片CPLD(如EPM7128LC84-15)作為系統(tǒng)的核心部件,實(shí)現(xiàn)控

48、制與處理的功能。CPLD具有速度快、編程容易、資源豐富、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn),可利用VHDL語言進(jìn)行編寫開發(fā)。但CPLD在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢(shì)。同時(shí),CPLD的處理速度非常快,而小車的行進(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。若采用該方案,必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此,不采用該種方案,進(jìn)而提出了其他設(shè)想。 結(jié)合實(shí)際需求采用89C52作為主控制芯片,該芯片有足夠的存儲(chǔ)空間,可以方便的在線ISP下載程序,能夠滿足該系統(tǒng)軟件的需要,對(duì)于本作品系統(tǒng)已經(jīng)足夠,采用該芯片可以比較靈活的選擇各個(gè)模塊控制芯片,能夠準(zhǔn)確的計(jì)算出時(shí)間,有很

49、好的實(shí)時(shí)性。 2.6.1單片機(jī)的發(fā)展 1946年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生至今,依靠微電子技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步,從電子管??晶體管??集成電路??大規(guī)模集成電路,使得計(jì)算機(jī)體積更小,功能更強(qiáng)。特別是近20年時(shí)間里,計(jì)算機(jī)技術(shù)獲得飛速的發(fā)展,計(jì)算機(jī)在工農(nóng)業(yè),科研,教育,國(guó)防和航空航天領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用,計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)是一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代科技水平的重要標(biāo)志[14]。 單片機(jī)誕生于20世紀(jì)70年代,象Fairchild公司研制的F8單片微型計(jì)算機(jī)。所謂單片機(jī)是利用大規(guī)模集成電路技術(shù)把中央處理單元Center Processing Unit,也即常稱的CPU和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、程序存儲(chǔ)器ROM及其他I/

50、O通信口集成在一塊芯片上,構(gòu)成一個(gè)最小的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),而現(xiàn)代的單片機(jī)則加上了中斷單元,定時(shí)單元及A/D轉(zhuǎn)換等更復(fù)雜、更完善的電路,使得單片機(jī)的功能越來越強(qiáng)大,應(yīng)用更廣泛[14]。 20世紀(jì)70年代,微電子技術(shù)正處于發(fā)展階段,集成電路屬于中規(guī)模發(fā)展時(shí)期,各種新材料新工藝尚未成熟,單片機(jī)仍處在初級(jí)的發(fā)展階段,元件集成規(guī)模還比較小,功能比較簡(jiǎn)單,一般均把CPU、RAM有的還包括了一些簡(jiǎn)單的I/O口集成到芯片上,象Fairchild公司就屬于這一類型,它還需配上外圍的其他處理電路方才構(gòu)成完整的計(jì)算系統(tǒng)。類似的單片機(jī)還有Zilog公司的Z80微處理器。 1976年INTEL公司推出了MCS-48單片機(jī)

51、,這個(gè)時(shí)期的單片機(jī)才是真正的8位單片微型計(jì)算機(jī),并推向市場(chǎng)。它以體積小,功能全,價(jià)格低贏得了廣泛的應(yīng)用,為單片機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ),成為單片機(jī)發(fā)展史上重要的里程碑[20]。 在MCS-48的帶領(lǐng)下,其后,各大半導(dǎo)體公司相繼研制和發(fā)展了自己的單片機(jī),象Zilog公司的Z8系列。到了80年代初,單片機(jī)已發(fā)展到了高性能階段,象INTEL公司的MCS-51系列,Motorola公司的6801和6802系列,Rokwell公司的6501及6502系列等等,此外,日本的著名電氣公司NEC和HITACHI都相繼開發(fā)了具有自己特色的專用單片機(jī)[20]。 80年代,世界各大公司均競(jìng)相研制出品種多功能強(qiáng)的單片機(jī)

52、,約有幾十個(gè)系列,300多個(gè)品種,此時(shí)的單片機(jī)均屬于真正的單片化,大多集成了CPU、RAM、ROM、數(shù)目繁多的I/O接口、多種中斷系統(tǒng),甚至還有一些帶A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī),功能越來越強(qiáng)大,RAM和ROM的容量也越來越大,尋址空間甚至可達(dá)64kB,可以說,單片機(jī)發(fā)展到了一個(gè)新的平臺(tái)。 單片機(jī)經(jīng)歷了SCM、MCU、SOC三大階段[21]。1.SCM即單片微型計(jì)算機(jī)(Single Chip Microcomputer)階段,主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)?！皠?chuàng)新模式”獲得成功,奠定了SCM與通用計(jì)算機(jī)完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展道路上,Intel公司功不可沒。2.

53、MCU即微控制器(Micro Controller Unit)階段,主要的技術(shù)發(fā)展方向是:不斷擴(kuò)展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時(shí),對(duì)象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路,突顯其對(duì)象的智能化控制能力。它所涉及的領(lǐng)域都與對(duì)象系統(tǒng)相關(guān),因此,發(fā)展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠家。從這一角度來看,Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展MCU方面,最著名的廠家當(dāng)數(shù)Philips公司。Philips公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢(shì),將MCS-51從單片微型計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展到微控制器。因此,當(dāng)我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時(shí),不要忘記Intel和Philips的歷史功績(jī)[14]。 單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)

54、的獨(dú)立發(fā)展之路,向MCU階段發(fā)展的重要因素,就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決;因此,專用單片機(jī)的發(fā)展自然形成了SOC化趨勢(shì)。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計(jì)、EDA工具的發(fā)展,基于SOC的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)有較大的發(fā)展。因此,對(duì)單片機(jī)的理解可以從單片微型計(jì)算機(jī)、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)[13]。 2.6.2AT89C52單片機(jī)的簡(jiǎn)單介紹 在眾多的單片機(jī)系列中,AT89C52是一種低功耗,高性能CMOS8位微控制器,具有8K系列可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造,與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序儲(chǔ)存器在系統(tǒng)可編程,也適應(yīng)于

55、常規(guī)編程。在單芯片上,擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,使得AT89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超高效的解決方案。 AT89C52有40個(gè)引腳,32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)端口,同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口,3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口,2個(gè)讀寫口線,AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程,但不可以在線編程S系列的才支持在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起,特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。 2.7電源模塊 在本系統(tǒng)中,需要用到的電源有單片機(jī)的5V,L298N芯片的電源5V和電機(jī)的電源7?15V。所以需

56、要對(duì)電源的提供必須正確和穩(wěn)定可靠。 方法1:用9V的鋅電源給前、后輪電機(jī)供電,然后使用7805穩(wěn)壓管來把高電壓穩(wěn)成5V分別給單片機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片供電。這種接法比較簡(jiǎn)單,但小車的電路功耗過大會(huì)導(dǎo)致后輪電機(jī)動(dòng)力不足。 方法2:采用雙電源。為了確保單片機(jī)控制部分和后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)的部分的電壓不會(huì)互相影響,要把單片機(jī)的供電和驅(qū)動(dòng)電路分開來,,即:用6節(jié)干電池7.2V來驅(qū)動(dòng)電機(jī)芯片,然后用7805穩(wěn)壓管來穩(wěn)成5V供給單片機(jī),后輪電機(jī)的電源用3V供電,這樣有助于消除電機(jī)干擾,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 基于以上分析,選擇方法2。 3 硬件設(shè)計(jì) 3.1總體設(shè)計(jì) 3.1.1小車總體概述 智能小車采用

57、前輪驅(qū)動(dòng),前輪左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng),調(diào)制前面兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速起停從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的,后輪是萬象輪,起支撐的作用。將循跡光電對(duì)管分別裝在車體下的左右。當(dāng)車身下左邊的傳感器檢測(cè)到黑線時(shí),主控芯片控制左輪電機(jī)停止,車向左修正,當(dāng)車身下右邊傳感器檢測(cè)到黑線時(shí),主控芯片控制右輪電機(jī)停止,車向右修正。 避障的原理在車身前方裝有超聲波傳感器,當(dāng)其檢測(cè)到障礙物時(shí),主控芯片給出信號(hào)報(bào)警并控制車子倒退、轉(zhuǎn)向,從而避開障礙物。 電路分為電源模塊、單片機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、循跡模塊、壁障模塊。 3.1.2小車總體設(shè)計(jì)框圖 圖3 總體設(shè)計(jì)框圖 3.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用H橋式驅(qū)動(dòng)電路,L298N

58、內(nèi)部集成了H橋式驅(qū)動(dòng)電路,從而采用L298N電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過單片機(jī)給予L298N電路PWM信號(hào)來控制小車的速度,起停。 L298N的管腳如圖4所示,驅(qū)動(dòng)原理電路圖如圖5所示。 圖4 L298N管腳圖 圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 3.3信號(hào)檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì) 將單片機(jī)用作測(cè)控系統(tǒng)時(shí),系統(tǒng)中總要有被測(cè)信號(hào)輸入通道,拾取必要的輸入信息。作為測(cè)試系統(tǒng),對(duì)被測(cè)對(duì)象拾取必要的原始參量信號(hào)是系統(tǒng)的核心任務(wù),對(duì)控制系統(tǒng)來說,對(duì)被控對(duì)象狀態(tài)的測(cè)試以及對(duì)控制條件的監(jiān)測(cè)也是不可缺少的環(huán)節(jié)。因此,信號(hào)檢測(cè)模塊占有重要地位。 3.3.1循跡模塊信號(hào)檢測(cè)電路 小車循跡原理是小車在畫有黑線的白紙 “路面”上

59、行駛,由于黑線和白紙對(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)弱來判斷“道路”??黑線。在該模塊中我采用了簡(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,即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光,當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)射,反射光被裝在小車上的接收管接收;如果遇到黑線則紅外光被吸收,則小車上的接收管接收不到信號(hào),再通過LM324作比較器來采集高低電平,從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)(見圖6)。 圖6 紅外傳感電路 3.3.2壁障模塊和顯示信號(hào)檢測(cè)電路 避障和顯示模塊都是使用的US100超聲波模塊作為信號(hào)來源,它共

60、有2種工作原理,分為串口和電平觸發(fā)。 電平觸發(fā)測(cè)距工作原理: 在模塊上電前,首先去掉模式選擇跳線上的跳線帽,使模塊處于電平觸發(fā)模式。只需要在Trin/TX管腳輸入一個(gè)10US以上的高電平,系統(tǒng)便可發(fā)出8個(gè)40KHZ的超聲波脈沖,然后檢測(cè)回波信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到回波信號(hào)后,模塊還要進(jìn)行溫度值的測(cè)量,然后根據(jù)當(dāng)前溫度值對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正,將校正后的結(jié)果通過Echo/RX輸出。 在此模式下,模塊將測(cè)距值轉(zhuǎn)化為340M/S時(shí)的時(shí)間值的2倍,通過Echo端輸出一高電平,可根據(jù)此高電平的持續(xù)時(shí)間來計(jì)算距離值。即距離值為:(高電平時(shí)間*340M/S/2。 串口觸發(fā)測(cè)距工作原理 在模塊上電前,首先插上模式選擇跳線上的跳線帽,使模塊處于串口觸發(fā)模式。只需要在Trin/TX管腳輸入OX55(波特率9600),系統(tǒng)便可發(fā)出8個(gè)40KHZ的超聲波脈沖,然后檢測(cè)回波信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到回波信號(hào)后,模塊還要進(jìn)行溫度值的測(cè)量,然后根據(jù)當(dāng)前溫度值對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正,將校正后的結(jié)果通過Echo/RX輸出。 輸出的距離值共兩個(gè)字節(jié),第一個(gè)字節(jié)是距離的高八位(HData),第二個(gè)字節(jié)為距離的低八位(LData),單位為毫米。即距離為(HData*256+LData)mm。