基于51的避障循跡重力感應(yīng)遙控的智能小車設(shè)計(C語言)畢業(yè)設(shè)計論文

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1、基于51的避障/循跡/重力感應(yīng)遙控的智能小車設(shè)計 1 緒論 1.1 選題背景 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)注。全國電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究?？梢娖溲芯恳饬x很大。本設(shè)計就是在這樣的背景下提出的，指導(dǎo)教師已經(jīng)有充分的準備。本題目是結(jié)合科研項目而確定的設(shè)計類課題。設(shè)計的智能電動小車應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)適應(yīng)能力，能自動避障，可以智能規(guī)劃路徑。 智能化作為現(xiàn)代社會的新產(chǎn)物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個特定的環(huán)境里自動的運作，無需人為管理，便可以完成預(yù)期所要達到的或是更高的目標。同遙控小車

2、不同，遙控小車需要人為控制轉(zhuǎn)向、啟停和進退，比較先進的遙控車還能控制器速度。常見的模型小車，都屬于這類遙控車；智能小車，則可以通過計算機編程來實現(xiàn)其對行駛方向、啟停以及速度的控制，無需人工干預(yù)。操作員可以通過修改智能小車的計算機程序來改變它的行駛方向。因此，智能小車具有再編程的特性，是機器人的一種。 中國自1978年把“智能模擬”作為國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃的主要研究課題，開始著力研究智能化。從概念的引進到實驗室研究的實現(xiàn)，再到現(xiàn)在高端領(lǐng)域（航天航空、軍事、勘探等）的應(yīng)用，這一過程為智能化的全面發(fā)展奠定基石。智能化全面的發(fā)展是實現(xiàn)其對資源的合理充分利用，以盡可能少的投入得到最大的收益，大大提高工

3、業(yè)生產(chǎn)的效率，實現(xiàn)現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)水平從自動化向智能化升級，實現(xiàn)當(dāng)今智能化發(fā)展由高端向大眾普及。從先前的模擬電路設(shè)計，到數(shù)字電路設(shè)計，再到現(xiàn)在的集成芯片的應(yīng)用，各種能實現(xiàn)同樣功能的元件越來越小為智能化產(chǎn)物的生成奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。 智能小車，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運用了計算機、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。 1.2 智能小車研究現(xiàn)狀 智能車輛作為智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，是許多高新技術(shù)綜合集成的載體。智能車輛駕駛是一種通用性術(shù)語，指全部或部分完成一項或多項駕駛?cè)蝿?wù)的綜合車輛技術(shù)。智能車輛的一個基本特征

4、是在一定道路條件下實現(xiàn)全部或者部分的自動駕駛功能，下面簡單介紹一下國內(nèi)外智能小車研究的發(fā)展情況。 1.2.1 國外智能車輛研究現(xiàn)狀 國外智能車輛的研究歷史較長，始于上世紀50年代。它的發(fā)展歷程大體可以分成三個階段： 第一階段 20世紀50年代是智能車輛研究的初始階段。1954年美國Barrett Electronics 公司研究開發(fā)了世界上第一臺自主引導(dǎo)車系統(tǒng)AGVS（Automated Guided Vehicle System）。該系統(tǒng)只是一個運行在固定線路上的拖車式運貨平臺，但它卻具有了智能車輛最基本得特征即無人駕駛。早期研制AGVS的目的是為了提高倉庫運輸?shù)淖詣踊?，?yīng)用領(lǐng)

5、域僅局限于倉庫內(nèi)的物品運輸。隨著計算機的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展，智能車輛的研究不斷得到新的發(fā)展。 第二階段 從80年代中后期開始，世界主要發(fā)達國家對智能車輛開展了卓有成效的研究。在歐洲，普羅米修斯項目于1986年開始了在這個領(lǐng)域的探索。在美洲，美國于1995年成立了國家自動高速公路系統(tǒng)聯(lián)盟（NAHSC），其目標之一就是研究發(fā)展智能車輛的可能性，并促進智能車輛技術(shù)進入實用化。在亞洲，日本于1996年成立了高速公路先進巡航/輔助駕駛研究會，主要目的是研究自動車輛導(dǎo)航的方法，促進日本智能車輛技術(shù)的整體進步。進入80年代中期，設(shè)計和制造智能車輛的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司開始研制智能車輛平

6、臺。 第三階段 從90年代開始，智能車輛進入了深入、系統(tǒng)、大規(guī)模研究階段。最為突出的是，美國卡內(nèi)基.梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）機器人研究所一共完成了Navlab系列的10臺自主車（Navlab1—Navlab10）的研究，取得了顯著的成就。 目前，智能車輛的發(fā)展正處于第三階段。這一階段的研究成果代表了當(dāng)前國外智能車輛的主要發(fā)展方向。在世界科學(xué)界和工業(yè)設(shè)計界中，眾多的研究機構(gòu)研發(fā)的智能車輛具有代表性的有： 德意志聯(lián)邦大學(xué)的研究 1985年，第一輛VaMoRs智能原型車輛在戶外高速公路上以100km/h的速度進行了測試，它使用了機器視覺來保證橫向和縱

7、向的車輛控制。1988年，在都靈的PROMRTHEUS項目第一次委員會會議上，智能車輛維塔（VITA,7t）進行了展示，該車可以自動停車、行進，并可以向后車傳送相關(guān)駕駛信息。這兩種車輛都配備了UBM視覺系統(tǒng)。這是一個雙目視覺系統(tǒng)，具有極高的穩(wěn)定性。 荷蘭鹿特丹港口的研究 智能車輛的研究主要體現(xiàn)在工廠貨物的運輸。荷蘭的Combi road系統(tǒng)，采用無人駕駛的車輛來往返運輸貨物，它行駛的路面上采用了磁性導(dǎo)航參照物，并利用一個光陣列傳感器去探測障礙。荷蘭南部目前正在討論工業(yè)上利用這種系統(tǒng)的問題，政府正考慮已有的高速公路新建一條專用的車道，采用這種系統(tǒng)將貨物從鹿特丹運往各地。 日本大阪大學(xué)的研究

8、 大阪大學(xué)的Shirai實驗室所研制的智能小車，采用了航位推測系統(tǒng)（Dead Reckoning System），分別利用旋轉(zhuǎn)編碼器和電位計來獲取智能小車的轉(zhuǎn)向角，從而完成了智能小車的定位。 另外，斯特拉斯堡實驗中心、英國國防部門的研究、美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、奔馳公司、美國麻省理工學(xué)院、韓國理工大學(xué)對智能車輛也有較多的研究。 1.2.2 國內(nèi)智能車輛研究現(xiàn)狀 相比于國外，我國開展智能車輛技術(shù)方面的研究起步較晚，開始于20世紀80年代。而且大多數(shù)研究處在于針對某個單項技術(shù)研究的階段。雖然我國在智能車輛技術(shù)方面的研究總體上落后于發(fā)達國家，并且存在一定得技術(shù)差距，但是我們也取得了一系列的成果

9、，主要有： （1）中國第一汽車集團公司和國防科技大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院與2003年研制成功我國第一輛自主駕駛轎車。該自主駕駛轎車在正常交通情況下的高速公路上，行駛的最高穩(wěn)定速度為13km/h,最高峰值速度達170km/h，并且具有超車功能，其總體技術(shù)性能和指標已經(jīng)達到世界先進水平。 （2）南京理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)、國防科技大學(xué)、清華大學(xué)等多所院校聯(lián)合研制了7B.8軍用室外自主車，該車裝有彩色攝像機、激光雷達、陀螺慣導(dǎo)定位等傳感器。計算機系統(tǒng)采用兩臺Sun10完成信息融合、路徑規(guī)劃，兩臺PC486完成路邊抽取識別和激光信息處理，8098單片機完成定位計算和車輛自動駕駛。其體系結(jié)

10、構(gòu)以水平式結(jié)構(gòu)為主，采用傳統(tǒng)的“感知-建模-規(guī)劃-執(zhí)行”算法，其直線跟蹤速度達到20km/h，避障速度達到5-10km/h。 智能車輛研究也是智能交通系統(tǒng)ITS的關(guān)鍵技術(shù)。目前，國內(nèi)的許多高校和科研院所都在進行ITS關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備的研究。隨著ITS研究的興起，我國已形成一支ITS技術(shù)研究開發(fā)的技術(shù)專業(yè)隊伍。并且各交通、汽車企業(yè)越來越加大了對ITS及智能車輛技術(shù)研發(fā)的投入，整個社會的關(guān)注程度在不斷提高。交通部已將ITS研究列入“十五”科技發(fā)展計劃和2010年長期規(guī)劃。相信經(jīng)過相關(guān)領(lǐng)域的共同努力，我國ITS及智能車輛的技術(shù)水平一定會得到很大提高。 可以預(yù)計，我國飛速發(fā)展的經(jīng)濟實力將為智能車輛的

11、研究提供一個更加廣闊的前景。我們要結(jié)合我國國情，在某一方面或某些方面，對智能車進行深入細致的研究，為它今后的發(fā)展及實際應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。 1.3 主要內(nèi)容 本課題要開發(fā)一個能自動循跡自動避障同時可以遙控的智能小車控制系統(tǒng)，系統(tǒng)分小車和遙控器兩部分,主要以簡易智能機器人為開發(fā)平臺，選擇通用、價廉的51單片機為控制平臺，選擇常見的電機模型車為機械平臺，通過細化設(shè)計要求，結(jié)合傳感器技術(shù)和電機控制技術(shù)相關(guān)知識實現(xiàn)小車的各種功能。設(shè)計完成以由紅外線對管的自動尋跡、紅外線自動避障、重力遙控組成的硬件模塊結(jié)合軟件設(shè)計組成多功能智能小車，共同實現(xiàn)小車的前進倒退、轉(zhuǎn)向行駛，自動根據(jù)地面黑線尋跡導(dǎo)航，檢測

12、障礙物后停止等功能，實現(xiàn)智能控制，達到設(shè)計目標。 2 方案設(shè)計及論證 2.1 總體設(shè)計 本課題設(shè)計主要是制作一款能進行智能判斷并能做出正確反應(yīng)的小車。小車具有以下幾個功能：自動避障功能；尋跡功能（按路面的黑色軌道行駛）;基于重力感應(yīng)的遙控(通過傾斜方向和角度控制小車運動方向和速度)。 小車端以兩直流電動機為主驅(qū)動，通過各類傳感器件來采集各類信息，送入主控單元89C52單片機處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)動作，以達到自身控制。電機驅(qū)動電路采用H橋驅(qū)動模塊--雙

13、L298步進/直流電機驅(qū)動板 ，能同時驅(qū)動4個直流電機和2個步進電機；避障采用漫反射式光電開關(guān)來完成，自動尋跡采用紅外發(fā)射管和接收管光電對管尋跡傳感器完成，最后由控制單元處理數(shù)據(jù)后通過編程有序合理的將各模塊信號整合在一起并完成相應(yīng)動作，實現(xiàn)了智能控制，相當(dāng)于簡易機器人。 遙控端由MPU0605陀螺儀和無線模塊、按鍵模塊、LCD顯示模塊組成,通過檢測按鍵和陀螺儀數(shù)據(jù)送入89C52單片機處理后判斷用戶的指令,然后通過NRF24L01無線模塊把指令發(fā)送到小車端,同時在LCD12864顯示當(dāng)前工作模式和小車的狀態(tài). 2.2 主控單元方案比較與選擇 按照題目要求，控制器主要用于控制電機，

14、通過相關(guān)傳感器對路面的軌跡信息進行處理，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)小車的自動循跡和自動避障。 方案一：可以采用ARM為系統(tǒng)的控制器，優(yōu)點是該系統(tǒng)功能強大，片上外設(shè)集成度搞密度高，提高了穩(wěn)定性，系統(tǒng)的處理速度也很高，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。 方案二：采用AT89S52作為系統(tǒng)控制的方案。AT89S52單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，功耗低、體積小、技術(shù)成熟，成本也比ARM低。 考慮到性價比問題，本設(shè)計選擇 用AT89S52單片機做控制器。 2.3 電機單元方案比較與選擇 方案一：采用直流電機，配合LM293驅(qū)動芯片組合。優(yōu)點在于

15、硬件電路的設(shè)計簡單。當(dāng)外加額定直流電壓時，轉(zhuǎn)速幾乎相等。這類電機用于錄音機、錄相機、唱機或激光唱機等固定轉(zhuǎn)速的機器或設(shè)備中，也用于變速范圍很寬的驅(qū)動裝置，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。 方案二：采用直流減速電機。直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便，小車電機內(nèi)部裝有減速齒輪組，所以并不需要考慮調(diào)速功能，很方便的就可以實現(xiàn)通過單片機對直流減速電機前進、后退、停止等操作。 綜合以上考慮我們選擇方案二的直流減速電機作為智能小車的驅(qū)動電機。 2.4 電源單元方案比較與選擇 方案一：采用單電源供電，通過單電源同時對單片機和直流電機進行供電，此方案的優(yōu)

16、點是，減少機身的重量，操作簡單，其缺點是，這樣會使單片機的波動變大，影響單片機的性能，穩(wěn)定性比較弱。 方案二：采用雙電源供電，通過兩個獨立的電源分別對單片機和直流減速電機進行供電，此方案的優(yōu)點是，減少波動，穩(wěn)定性比較好，可以讓小車更好的運作起來，唯一的缺點就是會增加小車的重量。 綜合以上的優(yōu)缺點，本設(shè)計決定采用第二種方案。 2.5 避障單元方案比較與選擇 方案一：用超聲波傳感器進行避障。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收。但使用超聲波模塊的成本比較高。因此我們考慮其它的方案，超聲波傳感器實物圖如下圖2所示：

17、 圖2 超聲波傳感器 方案二：用漫反射式光電開關(guān)進行避障。光電開關(guān)的工作原理是根據(jù)光線發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，其接收電路據(jù)此做出判斷反應(yīng)，物體對紅外光由同步回路選通而檢測物體的有無。當(dāng)有光線反射回來時，輸出低電平。當(dāng)沒有光線反射回來時，輸出高電平。光電開關(guān)的是物圖如下圖3所示： 圖3 光電開關(guān) 考慮到超聲波測量的范圍寬，使用非常靈活,幫助智能小車順利繞過障礙，可以適應(yīng)十分復(fù)雜的環(huán)境，我們最終選擇了方案一。 2.6 尋跡單元方案比較與選擇 方案一： 利用尋跡來引導(dǎo)小車到達用戶所指定的地點。采用紅外發(fā)射管和接收管光電對管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外

18、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光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。此方案存在的缺陷是對光線的亮度要求較高，在夜間難以正常工作。 方案二： 通過超聲波定位模塊來實時定位小車的位置。超聲波定位的基本原理是通過接收幾個固定位置的發(fā)射點的超聲波接收器, 在小車上加入一個發(fā)射器，通過無線模塊計算各模塊接收到超聲波的時間差，通過集成模塊的內(nèi)部算法得出小車所在位置和原設(shè)定位置的偏差情況，從而得到主體到這幾個發(fā)射點的距離, 實現(xiàn)了超聲波的定位，由于超聲波在空氣中的衰減較大, 它只適用于較小的范圍，而且使用此方案還將面臨

19、著在家中的超聲波各通訊線的布局，使用很不方便。 經(jīng)實測發(fā)現(xiàn)方案一中的紅外對管型尋跡模塊只要給進行一定的改善，對環(huán)境的適應(yīng)能力還是比較強的例如可以在晚上行進，這樣就可以用低成本來實現(xiàn)我們你所需要的功能，所以就排除了方案二，以方案一作為小車在家庭中的行進方式。 3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計 3.1 單片機控制模塊 STC89C52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在線系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 STC89C5

20、2具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。如圖4是較為常見的單片機最小系統(tǒng)圖。 圖4 單片機最小系統(tǒng) 3.1.1 時鐘電路 單片機的時

21、鐘產(chǎn)生有兩種方法：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。 系統(tǒng)的時鐘電路設(shè)計是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。AT89單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值通常取30PF。在焊接刷電路板時，晶體振

22、蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。 3.1.2 復(fù)位電路 位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳RST通過一個觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機器周期中由復(fù)位電路采樣一次。 復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。所謂上電復(fù)位，是指計算機加電瞬間，要在RST引腳出現(xiàn)大于10MS的正脈沖，使單片機進入復(fù)位狀態(tài)。按鈕復(fù)位是指用戶按下“復(fù)位”按鈕，使單片機進入復(fù)位狀態(tài)。如上圖3是按鈕電平復(fù)位的一種實用電路。 3.2 電機驅(qū)動模塊的設(shè)計 電機驅(qū)動模塊采用專用芯片L298N 作為電機驅(qū)動芯

23、片，L298N 是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，其響應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機。 圖5 電機驅(qū)動原理簡圖 3.2.1 L298N芯片的介紹 L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的

24、情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機，實物圖及外圍電路如下圖6、7所示。 圖6 L298N芯片 圖7 L298N外圍電路 接口說明如下示： +5V：芯片電壓5V。 VCC：電機電壓，最大可接50V。 GND：共地接法。 A-~D-：輸出端，接電機。 A~D+ ：為步進電機公共端，模塊上接了VCC。 EN1、EN2

25、：高電平有效，EN1、EN2分別為 IN1和IN2、IN3和IN4的使能端。 IN1~ IN4：輸入端，輸入端電平和輸出端電平是對應(yīng)的。 L298N 的5、7、10、12 四個引腳接到單片機上，通過對單片機的編程就可實現(xiàn)兩個直流電機的PWM調(diào)速控制，圖8是L298N功能邏輯圖。 圖8 L298N功能邏輯圖 L298N可接受標準TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接4．5～7 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為＋2．5～46 V。輸出電流可達2．5 A，可驅(qū)動電感性負載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流

26、采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅(qū)動2個電動機，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機，本實驗裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。In3，In4的邏輯圖與上圖相同。由上圖可知EnA為低電平時，輸入電平對電機控制起作用，當(dāng)EnA為高電平，輸入電平為一高一低，電機正或反轉(zhuǎn)。同為低電平電機停止，同為高電平電機剎停。 3.3 紅外避障電路的原理與設(shè)計 用漫反射式光電開關(guān)進行避障。光電開關(guān)實際發(fā)射頭與接收頭于一體的檢測開關(guān)，其工作原理是根據(jù)發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，接收頭據(jù)此做出判

27、斷是否有障礙物。當(dāng)有光線反射回來時，輸出低電平。當(dāng)沒有光線反射回來時，輸出高電平。單片機根據(jù)接收頭電平的高低做出相應(yīng)控制，避免小車碰到障礙物。由于接收管輸出TTL電平，有利于單片機對信號的處理。小車采用漫反射式傳感器進行避障的電路原理圖如下圖9所示： 圖9 光電開關(guān)避障電路原理圖 3.3.1 光電傳感器簡介 光電傳感器在機器人中有著廣泛的應(yīng)用，可以用來檢測地面明暗和顏色的變化，也可以探測有無接近的物體。光電傳感器是靠紅外發(fā)射管和紅外接收管組成的傳感器，對于小車循跡場地的黑白兩種顏色，發(fā)射管發(fā)出同樣的光強，接收管接收到的光強不同，因此輸出的電壓值也不同；

28、給定一個基準電壓，通過對不同輸出電壓值進行比較，則電路的輸出為高低電平。當(dāng)檢測到黑白線時分別輸出為高低電平，這樣不僅系統(tǒng)硬件電路簡單，而且信號處理速度快。原理如下圖10、圖11所示。 圖10 白色反射面下的紅外反射 圖11 黑色反射面下的紅外吸收 紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線具有一定得方向性，當(dāng)紅外線照射到白色表面上時會有較大的反射，如果距離D1取值合適，紅外接收管可接收到反射回的紅外線，再利用紅外接收管的電氣特性，在電路中處理紅外線的接受信息；如果反射表面為黑色，紅外光會被表面將其大部分吸收，紅外接收管就難以收到紅外線。這樣，

29、就可以利用紅外收發(fā)管組成的光電傳感器檢測賽道黑線，實現(xiàn)智能車的循跡方案。 3.3.2 比較器LM324簡介 LM324為四運放集成電路，采用14腳雙列直插塑料封裝。內(nèi)部有四個運算放大器，有相位補償電路。電路功耗很小，工作電壓范圍寬，可用正電源3～30V，或正負雙電源1．5V～15V工作。 在黑線檢測電路中用來確定紅外接收信號電平的高低，以電平高低判定黑線有無。在電路中，LM324的一個輸入端需接滑動變阻器，通過改變滑動變阻器的阻值來提供合適的比較電壓，圖12為LM324的管腳圖。 圖12 LM324的管教圖 3.4 尋跡模塊的硬件設(shè)計 紅外對管循跡模塊

30、，五路尋跡TCR5000的模塊，采用紅外發(fā)射管和接收管光電對管尋跡傳感器。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光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電，圖13為紅外對管黑線檢測電路。 圖13 紅外對管黑線檢測電路 3.4.1 紅外傳感器TCRT5000簡介 TCRT5000光電傳感器模塊是基于TCRT5000紅外光電傳感器設(shè)計的一款紅外反射式光電開關(guān)。傳感器采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，輸出信號經(jīng)施密特電路整形，穩(wěn)定可靠。傳感器的紅

31、外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強度不夠大時，光敏三極管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時模塊的輸出端為低電平，指示二極管一直處于熄滅狀態(tài)；被檢測物體出現(xiàn)在檢測范圍內(nèi)時，紅外線被反射回來且強度足夠大，光敏三極管飽和，此時模塊的輸出端為高電平，指示二極管被點亮。TCRT5000反射式光電傳感器是經(jīng)常使用的傳感器，這個系列的傳感器種類齊全、價格便宜、體積小、使用方便、質(zhì)量可靠、用途廣泛。此傳感器含一個反射模塊（發(fā)光二極管）和一個接收模塊（光敏三極管）。通過發(fā)射紅外信號，看接收信號變化判斷檢測物體狀態(tài)的變化，圖14為TCRT5000傳感器模塊電路原理圖，圖15為它的實物圖

32、 。 圖14 TCRT5000傳感器模塊電路原理圖 圖15 TCRT5000的實物圖 基本參數(shù)如下： 外形尺寸：長 32mm~37 mm；寬 7.5mm；厚 2mm 工作電壓：DC 3V~5.5V，推薦工作電壓為5V 檢測距離：1mm~8mm適用，焦點距離為2.5mm 3.5 無線模塊的硬件設(shè)計 無線模塊的硬件設(shè)計采用兩塊NRF24L01模塊實時接收遙控發(fā)送的新指令. 3.6 重力感應(yīng)模塊的硬件設(shè)計 重力感應(yīng)模塊采用MPU-6050模塊(三軸陀螺儀+ 三軸加速度) MPU-6000為全球首

33、例整合性6軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了大量的包裝空間。MPU-6000整合了3軸陀螺儀、3軸加速器，并含可藉由第二個I2C端口連接其他廠牌之加速器、磁力傳感器、或其他傳感器的數(shù)位運動處理(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由主要I2C端口以單一數(shù)據(jù)流的形式，向應(yīng)用端輸出完整的9軸融合演算技術(shù) InvenSense的運動處理資料庫，可處理運動感測的復(fù)雜數(shù)據(jù)，降低了運動處理運算對操作系統(tǒng)的負荷，并為應(yīng)用開發(fā)提供架構(gòu)化的API。 MPU-6000的角速度全格感測范圍為250、500、1000與2000/

34、sec (dps)，可準確追緃快速與慢速動作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為2g、4g8g與16g。產(chǎn)品傳輸可透過最高至400kHz的I2C或最高達20MHz的SPI。 MPU-6000可在不同電壓下工作，VDD供電電壓介為2.5V5%、3.0V5%或3.3V5%，邏輯接口VVDIO供電為1.8V 5%。MPU-6000的包裝尺寸4x4x0.9mm(QFN)，在業(yè)界是革命性的尺寸。其他的特征包含內(nèi)建的溫度感測器、包含在運作環(huán)境中僅有1%變動的振蕩器。 應(yīng)用 運動感測游戲 現(xiàn)實增強 電子穩(wěn)像 (EIS: Electronic Image Stabilization) 光學(xué)

35、穩(wěn)像(OIS: Optical Image Stabilization) 行人導(dǎo)航器 “零觸控”手勢用戶接口 姿勢快捷方式 認證 市場 智能型手機 平板裝置設(shè)備 手持型游戲產(chǎn)品 ?蝸坊? 3D遙控器 可攜式導(dǎo)航設(shè)備 特征 以數(shù)字輸出6軸或9軸的旋轉(zhuǎn)矩陣、四元數(shù)(quaternion)、歐拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算數(shù)據(jù)。 具有131 LSBs//sec 敏感度與全格感測范圍為250、500、1000與2000/sec 的3軸角速度感測器(陀螺儀)。 可程式控制，且程式控制范圍為2g、4g、8g和16g的3軸加速器。 移除加速器與陀

36、螺儀軸間敏感度，降低設(shè)定給予的影響與感測器的飄移。 數(shù)字運動處理(DMP: Digital Motion Processing)引擎可減少復(fù)雜的融合演算數(shù)據(jù)、感測器同步化、姿勢感應(yīng)等的負荷。 運動處理數(shù)據(jù)庫支持Android、Linux與Windows 內(nèi)建之運作時間偏差與磁力感測器校正演算技術(shù)，免除了客戶須另外進行校正的需求。 以數(shù)位輸出的溫度傳感器 以數(shù)位輸入的同步引腳(Sync pin)支援視頻電子影相穩(wěn)定技術(shù)與GPS 可程式控制的中斷(interrupt)支援姿勢識別、搖攝、畫面放大縮小、滾動、快速下降中斷、high-G中斷、零動作感應(yīng)、觸擊感應(yīng)、搖動感應(yīng)功能。 VDD供

37、電電壓為2.5V5%、3.0V5%、3.3V5%；VDDIO為1.8V 5% 陀螺儀運作電流：5mA，陀螺儀待命電流：5μA；加速器運作電流：350μA，加速器省電模式電流： 20μA@10Hz 高達400kHz快速模式的I2C，或最高至20MHz的SPI串行主機接口(serial host interface) 內(nèi)建頻率產(chǎn)生器在所有溫度范圍(full temperature range)僅有1%頻率變化。 使用者親自測試 10,000 g 碰撞容忍度 為可攜式產(chǎn)品量身訂作的最小最薄包裝 (4x4x0.9mm QFN) 符合RoHS及環(huán)境標準 6 效果圖

38、 6軟件設(shè)計 4.1 編譯語言的選取 目前，STC89C52單片機的開發(fā)多為支持兩種語言，一種是匯編語言，另一種是C語言，而這兩種語言各有其優(yōu)缺點。匯編語言：效率高，對硬件的可操控性更強，體積小，但不易維護，可移植性很差。C語言:效率比較低，硬件可操控性比較差，目標代碼體積大，但容易維護，可移植性很好。 而在本設(shè)計里面，程序需要接近底層，但程序要解決的問題繁多，邏輯關(guān)系也比較復(fù)雜，代碼量也比較大，又考慮到產(chǎn)品以后需要升級，各方面綜合考慮，主要以C51語言來編寫本設(shè)計的程序是最佳選擇。 4.2 軟

39、件調(diào)試平臺 Keil for C51是美國Keil Software公司出品的C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(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。下面詳細介紹Keil for C51開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。 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)镃51可以

40、執(zhí)行的機器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。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)，單片機的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，Keil軟件除了致力于單片機的編程開發(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。 從近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持Keil即可看出。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（uVision2）將這些部份組合在一起。 4.2 小車端程序 文件一mai

41、n.c #include #include #include "..\header\init.h" #include "..\header\NRF24L01.h" void R_S_Byte(uchar R_Byte) { SBUF = R_Byte; while( TI == 0 ); //查詢法 TI = 0; } /**********定時器初始化程序***************/ void T0T1_init() { EA=1; ET1=1; ET

42、0=1; TMOD=0x11;//定時器0負責(zé)小車速度控制 定時器1負責(zé)超聲波測距和舵機控制 TH0=(65536-500)/256; TL0=(65536-500)%256; TH1=(65536-500)/256; TL1=(65536-500)%256; TL1=0; TH1=0; TR0=1; TR1=1; } void StartModule(void)//超聲波測距子函數(shù) { TX=1; //啟動一次模塊 _nop_(); _nop_()

43、; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); TX=0; }

44、 void Conut(void)//通過超聲波測量的數(shù)據(jù)計算距離 { if(csflag==0) { time=TH1*256+TL1; TH1=0; TL1=0; S=(time*1.7)/10; //算出來是 mm // if(S>499) ; } else { csflag=0; S=600;//如果定時器溢出則距離S=600 } if(jd==3) {middleS=S; }// 測量正前方 else if(jd==2) {leftS=S;}//測量左前方 else if

45、(jd==4) {rightS=S;}//測量右前方 } /**********************接收遙控器的狀態(tài)標志**********************/ void RX_STATE(void) { uchar RxBuf[4]; uchar SIGN=0; if(nRF24L01_RxPacket(RxBuf))//如果收到遙控器的數(shù)據(jù)則進入 { led2=~led2; R_S_Byte(RxBuf[0]); SIGN=RxBuf[2];//判斷傾斜的方向 X_SIAN=0:前方 X_SIAN=1:下方

46、 STATE=RxBuf[3]; LED_FLAG=(SIGN&0x04)>>2;//判斷小車燈光控制位 CONTROL_MODE_FLAG=(STATE&0xf0)>>4;//讀取當(dāng)前狀態(tài)標志 if(LED_FLAG) LED1=1; else if(LED_FLAG==0) LED1=0; } } void delay_RX(uint z)//避障模式下當(dāng)出現(xiàn)while循環(huán)時用的延時函數(shù), { uint x,y; for(x=110;x>0;x--) { for(y=z;y>0;y--); RX_STATE();/

47、/掃描無線模塊接收到的新指令 } } void measured(unsigned char fs)//測距函數(shù)jd=3測量正前方j(luò)d=2測量左前方j(luò)d=4測量右前方 { TH1 = (65536-500)/256; TL1 = (65536-500)%256; //12MZ晶振，0.5ms mode=0; jd=fs; count2=0; TR1=1; delay_RX(500); TR1=0; mode=1; TH1=0; TL1=0; StartModule(); while(!R

48、X); //當(dāng)RX為零時等待 TR1=1; //開啟計數(shù) while(RX); //當(dāng)RX為1計數(shù)并等待 TR1=0; //關(guān)閉計數(shù) Conut(); } /********************避障模式子函數(shù)***********************/ void csbmode(void) { unsigned char temp; TR1=0; mode=1; TH1=0; TL1=0; StartModule(); wh

49、ile(!RX); //當(dāng)RX為零時等待 TR1=1; //開啟計數(shù) while(RX); //當(dāng)RX為1計數(shù)并等待 TR1=0; //關(guān)閉計數(shù) Conut();//測量前方距離 delay_RX(80); speed1=16;speed2=16; while(middleS>500 &&CONTROL_MODE_FLAG==3) //當(dāng)前方空間大于300mm時保持 { IN1_1=0;IN1_2=1;IN2_1=0;IN2_2=1;//小車前進 TR1=

50、0; mode=1; TH1=0; TL1=0; StartModule(); while(!RX); //當(dāng)RX為零時等待 TR1=1; //開啟計數(shù) while(RX); //當(dāng)RX為1計數(shù)并等待 TR1=0; //關(guān)閉計數(shù) Conut(); delay_RX(2); } IN1_1=0;IN1_2=0;IN2_1=0;IN2_2=0;//小車停止 speed1=0;speed2=0; measured(2); measure

51、d(4); TH1 = (65536-500)/256; //舵 機 復(fù)位 TL1 = (65536-500)%256; //12MZ晶振，0.5ms mode=0; jd=3; count2=0; TR1=1; delay_RX(500); TR1=0; if(leftS<250||rightS<250) { temp=middleS; speed1=20;speed2=20; IN1_1=1;IN1_2=0;IN2_1=1;IN2_2=0;//小車后退 while((middleS-

52、temp)<200&&CONTROL_MODE_FLAG==3) { speed1=20;speed2=20; delay_RX(2); TR1=0; mode=1; TH1=0; TL1=0; StartModule(); while(!RX); //當(dāng)RX為零時等待 TR1=1; //開啟計數(shù) while(RX); //當(dāng)RX為1計數(shù)并等待 TR1=0; //關(guān)閉計數(shù) Conut(

53、); } speed1=20;speed2=20; if(leftS

54、位 TL1 = (65536-500)%256; //12MZ晶振，0.5ms mode=0; jd=3; count2=0; TR1=1; delay_RX(500); TR1=0; } if(leftS

55、 delay_RX(5); TR1=0; mode=1; TH1=0; TL1=0; StartModule(); while(!RX); //當(dāng)RX為零時等待 TR1=1; //開啟計數(shù) while(RX); //當(dāng)RX為1計數(shù)并等待 TR1=0; //關(guān)閉計數(shù) Conut(); } } else { speed1=0;speed2=0; IN1_1=0;IN1_2=1

56、;IN2_1=1;IN2_2=0; //小車左轉(zhuǎn) while(middleS<600&&CONTROL_MODE_FLAG==3) { speed1=17;speed2=17; delay_RX(5); TR1=0; mode=1; TH1=0; TL1=0; StartModule(); while(!RX); //當(dāng)RX為零時等待 TR1=1; //開啟計數(shù) while(RX); //當(dāng)RX為1計數(shù)并等待 TR1=0;

57、 //關(guān)閉計數(shù) Conut(); } } } /*****************循跡模式子函數(shù)*********************/ void xunji(void) { IN1_1=0;IN1_2=1;IN2_1=0;IN2_2=1; speed1=20;speed2=20; //小車前進 while(irL2==0 && irR2==0&&CONTROL_MODE_FLAG==2) RX_STATE(); if(irL2==1) { IN1_1=0;IN1_2=1;IN

58、2_1=1;IN2_2=0; speed1=18;speed2=18; //小車右轉(zhuǎn) while(irL1==0&&CONTROL_MODE_FLAG==2) RX_STATE(); } else if(irR2==1) { IN1_1=1;IN1_2=0;IN2_1=0;IN2_2=1; speed1=18;speed2=18; //小車左轉(zhuǎn) while(irR1==0&&CONTROL_MODE_FLAG==2) RX_STATE(); } } /****************************************

59、**/ void main(void) { uchar RxBuf[4]; // uchar bb=0; int X_ANGLE; int Y_ANGLE;// uchar X_SIGN; uchar Y_SIGN; uchar SIGN=0; bit FLAG_ANGLE=0; init_RX() ; delay(100); T0T1_init(); jd=3; count2=0; mode=0; while(1) { switch(CONTROL_MODE_FLAG) { case

60、0: //按鍵模式 IN1_1=0;IN1_2=0;IN2_1=0;IN2_2=0; //小車停止 while(CONTROL_MODE_FLAG==0) { RX_STATE(); KEY_VALUE=STATE&0x0f;//讀取鍵值 switch(KEY_VALUE) { case 0x0e:IN1_1=1;IN1_2=0;IN2_1=1;IN2_2=0; speed1=20;speed2=20; break; case 0x07: IN1

61、_1=0;IN1_2=1;IN2_1=0;IN2_2=1;speed1=20;speed2=20; break; case 0x0d: IN1_1=1;IN1_2=0;IN2_1=0;IN2_2=1;speed1=17;speed2=17; break; case 0x0b:IN1_1=0;IN1_2=1;IN2_1=1;IN2_2=0;speed1=17;speed2=17; break; default :IN1_1=0;IN1_2=0;IN2_1=0;IN2_2=0;speed1=0;speed

62、2=0; //小車停止 break; } } IN1_1=0;IN1_2=0;IN2_1=0;IN2_2=0; //小車停止 break; case 1: //重力模式 jd=3; mode=0; delay(500); while(CONTROL_MODE_FLAG==1) { TR1=0; mode=1; TH1=0; TL1=0; StartModule(); wh

63、ile(!RX); //當(dāng)RX為零時等待 TR1=1; //開啟計數(shù) while(RX); //當(dāng)RX為1計數(shù)并等待 TR1=0; //關(guān)閉計數(shù) Conut(); if(nRF24L01_RxPacket(RxBuf))//如果收到遙控器的數(shù)據(jù)則進入 { led2=~led2; R_S_Byte(RxBuf[0]); X_ANGLE=RxBuf[0];//讀取縱向的傾斜度 Y_ANGLE=RxBuf

64、[1];//讀取橫向的傾斜度 SIGN=RxBuf[2];//判斷傾斜的方向 X_SIAN=0:前方 X_SIAN=1:下方 STATE=RxBuf[3];//判斷傾斜的方向 Y_SIAN=0:左方 X_SIAN=1:右方 LED_FLAG=(SIGN&0x04)>>2;//判斷小車燈光控制位 CONTROL_MODE_FLAG=(STATE&0xf0)>>4;//讀取當(dāng)前狀態(tài)標志 KEY_VALUE=STATE&0x0f;//讀取鍵值 if(LED_FLAG) LED1=1; else

65、 if(LED_FLAG==0) LED1=0; X_SIGN= SIGN&0x01; Y_SIGN= (SIGN&0x02)>>1; if(X_ANGLE>110) X_ANGLE=105;//全速時:if(X_ANGLE>160) X_ANGLE=155; if(Y_ANGLE>110) Y_ANGLE=110;//全速時:if(X_ANGLE>160) X_ANGLE=160; if(Y_ANGLE-X_ANGLE<30)//如果主要是往縱向傾斜則進入 { FLAG_ANGLE=1;

66、 if(Y_SIGN)//同時也往左方傾斜 {speed1=40-X_ANGLE/4;speed2=40-(X_ANGLE/4-Y_ANGLE/4);}//左輪 else if(Y_SIGN==0) {speed1=40-(X_ANGLE/4-Y_ANGLE/4);speed2=40-X_ANGLE/4;} } else { speed1=40-Y_ANGLE/4;speed2=40-Y_ANGLE/4; } if(X_SIGN) X_ANGLE=-X_ANGLE; if(Y_SIGN) Y_ANGLE=-Y_ANGLE; if(FLAG_ANGLE) { FLAG_ANGLE=0; if(X_ANGLE>20){IN1_1=1;IN1_2=0;IN2_1=1;IN2_2=0; } //小車前進