寻光避障小车

华侨大学1《自动追光避障电动小车》论文学校：华侨大学学院：信息科学与工程学院班级：10级集成电路设计与集成系统组员：熊梓淋、项传煜、崔冰组号：自控37组华侨大学2目录摘要.............................................................................................................................3一、设计要求.....................................................................................................31.1基本要求…………………………………………………………………..…31.2发挥部分…………………………………………………………………..…4二、系统方案设计.............................................................................................42.1系统功能概述………………………………………………………………..42.2系统方案概括………………………………………………………………..42.3系统结构图………………………….……………………………………….5三、模块设计方案选择………………….……………………63.1、电源模块的设计……………………………………………………….…63.2、自动避障模块的设计……………………………………….……………63.3、感光模块的设计……………………………………………………...…..63.4、自动停车模块的设计……………………………………………….……73.5、稳压模块的设计………………………………………………………….73.6、步进电机驱动模块的设计...........................................................................73.7、直流电机驱动模块的设计………………………………………….……83.8、太阳能电池板模块的设计………………………………………….……8四、系统各模块电路图附件………………………………….94.1、中央控制模块……………………………………………………………94.2、太阳能电池板模块………………………………………………..…..…94.3、感光模块……………………………………………………………..…104.4、稳压电路…………………………………………………………….….104.5、步进电机驱动电路…………………..…………………………………114.6、直流驱动电路…………………………………….…………………….114.7、超声波模块原理图……………………………………………………..124.8、超声波使能模块原理图………………………………………………..12五、软件设计.....................................125.1超声波控制………………………………………………………………125.2感光模块程序…………………………………………………………….145.3步进电机驱动程序………………………………………………………16六、电路调试.....................................176.1追光系统调试…………………………………………………………….176.2避障系统调试………………………………………………………….....186.3太阳能电池板充电系统调试…………………………………………….186.4整体电路调试…………………………………………………………….18七、总结.......................................18华侨大学3摘要随着汽车自动化、智能化程序的提高，新一代智能汽车的研发在国内外受到越来越多的重视。目前，国内比较先进的智能车辆通过观测前方的路况，将路况信息输入到车内的电脑中，通过计算机控制方向盘的运动实现自动避障的目的。然而随着汽车产业的快速发展，汽车产业目前已经进入调整期，目前，全球石油资源紧缺，且油价不断上涨，冲击了各个行业，尤其是汽车产业，同时人类面对着全球变暖、水平面上升等世界性问题。因此未来的汽车必将趋于电气化、智能化。众所周知太阳能是目前最为清洁的能源，对人类来说无疑是一种新型的能源。此次设计的简易电动小车的动力来自于太阳能转换的电能，是基于单片机控制及传感器技术，实现的功能是小汽车可自动寻光，并且能够利用超声波传感器检测道路上的障碍，以及电动小车的自动停车。电动小车由单片机STC89C52控制电动小汽车的自动寻光、自动避障、及自动停车。关键字：太阳能电池板；单片机；超声波传感器；光敏二极管一、任务要求设计制作一套自动追光太阳能充电系统放置在电动小车上。小车以一定速度追着光源行进，太阳能板始终能面对光源给蓄电池充电。小车行进过程中会遇到路障，小车必须能避开路障绕道找到光源并继续追光前进。1.1．基本要求（1）光源用不大于100W的白炽灯，场地不小于1.5m×1.5m，障碍物不小于15cm×15cm×15cm。可以对光源进行聚光。（2）光源在离小车大于1.5m的固定位置摆放，放置高度不高于25cm。小车发现光源后沿光源方向前进。（3）小车前进方向上至少随机放置三个障碍物。遇到障碍物，小车应绕道前进。华侨大学4（4）在小车绕道过程中，太阳能板应始终对准光源。（5）到达离光源一定位置后，小车应停止前进。（6）小车前进直线距离应大于1.2米，时间不大于2分钟。（7）能显示太阳能为蓄电池供电状态。1.2．发挥部分（1）场地尺寸2m×2m，光源离小车2米以上。（2）障碍物5个以上。（3）能逆着光源前进，并绕过障碍物。但太阳能板始终对准光源。（4）完成时间不大于1分钟。（5）在无白炽灯光源情况下，小车可以沿自然光源方向前进。（6）其它。二、系统方案设计2.1系统功能概述初始时刻小车置于起点，打开电源，启动小车。小车会通过感光模块进行追光并检测前方障碍情况，太阳能板也能根据自己的感光模块自动正对光源。当在前进过程中遇到障碍物时，小车会根据避障系统来选择左转或右转，以便避开障碍物。在避开障碍物后，小车趋光前进。同时太阳能板也时刻都正对光源，并能时刻显示充电状态。到达终点时，小车自动停车。2.2系统方案概括主控制系统：在此次设计中，涉及到一个外部中断，三个定时中断，所以采用常用的单片机STC89C52作为小车的主控制器，通过单片机来接收指令并发出指令，使小车的各项功能得以顺利完成。（1）.感光系统：设计中不仅要求小车能够朝着光源前进，而且还要求太阳能板也要正对光源。通过各方面的了解，比较，最终我们决定采用了两套独立感光系统，来完成小车追光与太阳能电池板对光。这两个模块分别放在小车车头和太阳能板的左右两端，通过比较两边光敏电阻的电压，以此来判断是否正对这光源。（2）.避障系统：设计中采用三个避障模块。分别装在左，中，右，这样便可使小车顺利避障。（3）.能源系统：使用一片LM2596-5(稳定5V输出)和LM2596_ADJ（可调输出）分别给芯片和电机供电。（4）.动力系统：这次采用的是直接驱动两个直流电机的方式来解决小车动力问题。通过分别控制两个直流电机的转速使小车前进、后退、转向、停止等功能。华侨大学52.3系统结构图系统总流程图：太阳能电池板蓄电池充电状态显示主控制CPUSTC89C52避障模块寻光模块电机驱动驱动小车升压模块稳压模块华侨大学6三、模块设计方案选择3.1、电源模块的设计方案一：所有元器件采用单一电源。它供电简单，方便灵活，减小了车载重量和摩擦阻力。但是电机启动瞬间电流很大，会造成电压不稳定、有毛刺干扰等，不适用于要求电源稳压的CPU，严重时可能造成系统掉电。方案二：单片机必须与大电流器件分开供电，避免大电流器件对单片机造成干扰，采用两路供电，这样可以使用其中一路单独为单片、指示灯供电，另外一路提供L298N驱动直流电机使用。介于设计稳定性考虑，采用方案二。3.2、自动避障模块的设计方案一：采用超声波。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远且具有频率高、波长短、绕射现象小等诸多优点故而超声波已经广泛应用于现代社会之中。超声波传感器主要采用直接反射式的检测模式。位于传感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感器的接收器，从而使传感器检测到被测物。还有部分超声波传感器采用对射式的检测模式。一套对射式超声波传感器包括一个发射器和一个接收器，两者之间不断进行信息的传递。位于接收器和发射器之间的被检测物将会阻断接收器接收发射的声波，从而传感器将产生高低电平的跳变进而由单片机对其进行相关处理。方案二：使用红外传感器，它是一种集发射与接收于一体的光电传感器，检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，发出的红外线照射到黑色的平面后红外线被吸收。若红外接收管能接收到反射回的红外线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到红外线则检测出黑线继而输出高电平。由于测试中使用的是白炽灯，产生的光中，红外光占有比例较大，如使用红外传感器，会有较大的干扰。所以考虑到设计中对障碍物中尺寸和颜色上的要求以及使用的方便性、稳定性和检测具体的可调性，选择方案一，即使用超声波进行避障，在使用时可以方便的对最小避障距离进行调节，使得更好地实现小车避障功能而顺利趋光行驶。3.3、感光模块的设计方案一：使用光敏二极管和A/D转换电路来实现自动寻光。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其内部是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止；当受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光华侨大学7电流，它随入射光强度的变化而变化。输出经过ADC0832进行A/D转换后得到的电压变化量反馈给单片机进行处理，进而控制小车寻找光源。因此可以利用此特性进行自动寻找光源。方案二：采用光敏电阻和A/D转换电路来实现自动寻光。由于光敏电阻的阻值会随着光照强度的增加而迅速减小，我们可以应用此原理，通过一个A/D转换出来的电压变化量经过单片机的处理来实现自动寻光功能。测试发现光敏二极管在对着光源移动时反应过于灵敏，在距离光源较近的位置会出现一个跳变，且在离光源较近时（大约70cm至100cm）对光源及其不敏感，而且A/D读书不稳定，波动较大，从而影响小车的前进。光敏电阻虽然不如光敏二极管灵敏，但经过实际测试发现，其稳定性比光敏二极管好很多，经A/D转换后的数据线性性好，而且价格相对较低基本可以满足设计要求。因而选择方案二。3.4、自动停车模块的设计：方案一：采用热敏电阻，该设计采用的光源是白炽灯，白炽灯是在照明的时候能够产生大量的热量，我们可以利用该特性，采用热敏电阻制作一个停车模块。热敏电阻的阻值能够随着周围热的不同而改变。然后通过比较器控制小车靠近光源时自动停车。方案二：利用感光模块上光敏电阻的感光效应，当小车离光源越近时，经A/D转换后的电压值就会越小。因此可以利用此原理，给A/D设置一个初值，当达到这一初值时小车自动停止。经过实践，我们利用热敏电阻制作的停车模块对热不是很敏感，而且我们已有四个感光模块，效果也不亚于热敏电阻。因此我们选用了利用感光系统来进行停车。3.5、稳压模块的设计方案一：采用LM2596稳压芯片对干电池输出电压进行稳压。LM2596具有很好的线性和负载可调性。有固定输出和可调输出，其固定输出有3.3V、5V、12V，可调可以输出1.2—37V的各种电压。方案二：采用LM7805三端稳压器件进行稳压。其可固定输出5V稳定电压而且内部有过热保护和安全工作保护电