智能小车方案书

1智能循迹避障小车方案书华南农业大学理学院09电信冼光焰罗媛友林海娜吴淑玲2目录摘要…………………………………………………………………………………3ABSTRACT………………………………………………………………………3第一章方案设计与论证…………………………………………………………41.1总体方案比较与选择…………………………………………………………41.2各个模块方案比较与选择……………………………………………………5第二章系统理论分析与计算………………………………………………………82.1系统整体的分析………………………………………………………………82.2防出边界的分析和计算………………………………………………………82.3屏蔽起点/终点标志的运算……………………………………………………82.4超车标志区识别的分析和计算…………………………………………………8第三章硬件设计…………………………………………………………………93.1主板设计框图…………………………………………………………………93.2驱动电路…………………………………………………………………………93.3信号检测模块…………………………………………………………………103.4避障模块………………………………………………………………………113.5主控模块…………………………………………………………………………113.6测量模块…………………………………………………………………………123.7显示模块…………………………………………………………………………13第四章软件设计……………………………………………………………………144.1主程序模块及部分相关程序……………………………………………………143智能循迹避障小车摘要：利用红外对管检测黑线和用超声波测与障碍物的距离，并以STC89C52单片机为控制芯片控制电动小汽车的速度及转向，从而实现自动循迹避障的功能。其中小车驱动是利用L298N,作为直流电机驱动。而速度是有单片机的输出脉冲控制。关键词：智能小车，STC89C52单片机，红外对管，超声波，L298NAbstract：Basedinfrareddetectionofblacklinesandtheroadobstacles,anduseaSTC89C52MCUasthecontrollingcoreforthespeedanddirection,Aelectronicdrived,whichcanautomatictrackandavoidtheobstacle,wasdesignedandfabricated.Inwhich,thecarisdrivedbytheL298Ncircuit,itsspeediscontrolledbytheoutputPWMsignalfromtheSTC89C52.Keywords:SmartCar;STC89C52MCU;L298N;InfraredEmittingDiode4第一章方案设计与论证系统方案比较与设计根据要求，确定如下方案：在现有自制的小车的基础上，加装光电检测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。针对本设计特点——多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D功能也不必选用。根据这些分析,我选定了STC89C52单片机作为本设计的主控装置，51单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是51单片机价格非常低廉。在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片单片机，充分利用STC89C52单片机的资源。1.1总体方案比较与选择(a)小车循迹运用反射式红外光对管传感器来进行路径检测和速度检测模块。将检测数据传回单片机进行处理，此方案小车走直线和弧线可行但本题涉及直角转弯和超车必然不能使小车总有特定几个光对管检测到黑线。而小车以一定角度在检测到边线时是不太好调整使其正好平行于边线行驶的。可能出现左右来回摆动走S路线既延长了时间又不太稳定。(b)路径设计利用步进电机转角精确可控性可以使小车沿特定路线行驶，理论上完全可以使小车完成转圈和特定区域避开障碍物。但此开环系统不稳定，如果小车出现丢步打滑等情况很容易走偏撞车或出界。(c)各传感器综合分析模块处理小车采用红外传感器识别黑线，超声波传感器检测障碍物的距离，单片机对各个模块进行适当及时的处理以快速稳定的完成小车在指定区域行驶和适当的避开障碍物及转弯。51.2各个模块方案比较与选择1.2.1电机驱动模块方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。方案二：采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。方案三：采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的H型桥式电路(如图2.1)。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。现市面上有很多此种芯片，我选用了L298N(如图2.2所示)。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。图2.21．2.2循迹模块系统采用红外探测法,在小车沿着黑色轨道行驶时，由于黑线和白色地板对光线的反射6系数不同，可以根据接收到的反射光的强弱来判断行驶路径。即利用红外线在不同颜色物体表面具有不同的反射性的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否接收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。方案一：采用简易光电传感器结合外围电路探测，但实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易出现问题，而且容易因为该部件造成整个系统的不稳定。故最终未采用该方案。方案二：采用两只红外对管，分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只光电开关接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向，测试表明，只要合理安装好两只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。方案三：采用三只红外对管，一只置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当小车脱离轨道时，即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时，等待外面任一只检测到黑线后，做出相应的转向调整，直到中间的光电开关重新检测到黑线（即回到轨道）再恢复正向行驶。现场实测表明，小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆不定，虽然可以正确的循迹但其成本与稳定性都次与第二种方案。通过比较，我选取第二种方案来实现循迹。1．2.3避障测距模块方案一：超声波测距。超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远。超声波发射器向某一方向发射超声波，同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2。超声波传感器比较耐脏污，即使传感器上有尘土，只要没有堵死就可以测量，可以在较差的环境中使用，具有很高的可靠性。方案二：红外传感器测距。红外传感器测距是发射红外线然后测量回波时间，光速乘以时间再除以2就得到距离。红外测距的优点是便宜，易制，安全，缺点是精度低，距离近，方向性差，抗干扰性差，所以实用性不佳。综合实用性可靠性考虑，选择方案一。1.2.4机械系统考虑到小车的机械系统的稳定、灵活、简单，而三轮运动系统具备以上特点，故我们小组选用三轮运动系统。7驱动部分：由于玩具汽车的直流电机功率较小，而小车上装有电池、电机、电子器件等，使得电机负担较重。为使小车能够顺利启动，且运动平稳，在直流电机和轮车轴之间加装了三级减速齿轮。电池的安装：将电池放置在车体的电机前后位置，降低车体重心，提高稳定性，同时可增加驱动轮的抓地力，减小轮子空转所引起的误差。简单，而三轮运动系统具备以上特点。1.2.5显示模块显示模块选用2行可32个字符的字符型LCD1602。字符型液晶显示模块的基本特点：1、液晶显示屏是以若干个5×8或5×11点阵块组成的显示字符群。每个点阵块为一个字符位，字符间距和行距都为一个点的宽度。2、主控制驱动电路为HD44780（HITACHI）及其他公司全兼容电路，如SED1278（SEIKOEPSON）、KS0066（SAMSUNG）、NJU6408（NERJAPANRADIO）。3、具有字符发生器ROM可显示192种字符（160个5×7点阵字符和32个5×10点阵字符）。4、具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义8个5×8点阵字符或四个5×11点阵字符。5、具有80个字节的RAM。6、标准的接口特性，适配M6800系列MPU的操作时序。7、模块结构紧凑、轻巧、装配容易。8、单+5V电源供电。9、低功耗、长寿命、高可靠性。基于以上特点，选用LCD1602完全可以显示我们需要记录分析的信息。1．2.6电源模块方案一：线性电源。本系统选取了12V锂电池供电，使用LM317作为稳压模块，稳压模块输出0～12V可调。经实验测量，稳压模块输出为5V，纹波非常小，而且输出功率满足系统要求。方案二：开关电源。在12V锂电池的基础上选取LM2576搭制开关稳压电路，LM2576集成芯片具有可靠的工作性能，较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，从而可以为整个控制系统和驱动系统提供可靠的、稳定的工作环境。分析：开关电源调节器件以完全导通或关断方式工作。因此，工作时要么是大电流流过低导通电压的开关管，要么是完全截至无电流流过。因此，开关电源功耗极低，其平均工作效率可达70%～90%。另外，开关管的高频通断特性以及串联滤波电感的使用对来自于电源的高频干扰具有较强的抑制作用。综上分析，选取LM2576制作开关电源作为系统的电源模块。8第二章系统理论分析与计算2.1系统整体的分析1）信号检测与控制用红外光电对管检测路面信息，控制小车转弯和防止小车出界。用超声波检测前方障碍，防止与障碍物相撞。2）节能本车采用锂电池可充电电池驱动小车行驶，比一次性电池更加节能环保。开关电源调节器件以完全导通或关断方式工作。因此，工作时要么是大电流流过低导通电压的开关管，要么是完全截至无电流流过。因此，开关电源功耗极低，其平均工作效率可达70%～90%。比线性电源更加节能。2.2防出边界的分析和计算测量小车从行驶位置到过第一条转弯标志线且正好能使小车90度转弯后在跑道正中的路程L1，小车车轮的周长c，由公式N1=L1/c计算出小车车轮要转过圈数N1,再由圈数计