簡(jiǎn)易避障小車設(shè)計(jì)

1、簡(jiǎn)易避障小車設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)背景隨著汽車的自動(dòng)化、智能化程度的提高，新一代智能汽 車的研發(fā)在國內(nèi)外受到越來越多的重視。目前，國內(nèi)比較先 進(jìn)的智能車通過觀測(cè)前方的路況，將路面的信息輸入到車內(nèi) 的電腦中，通過計(jì)算機(jī)控制方向盤的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障1。 智能車輛的速度，關(guān)鍵在于它的控制技術(shù)，這就涉及到它的 避障算法。一個(gè)好的控制算法如同一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的司機(jī)，控制 汽車運(yùn)行2。自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以來，智能小車的發(fā) 展已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領(lǐng)域。 近年來智能小車的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人 們的生活方式。人們?cè)诓粩嗵接?、改造、認(rèn)識(shí)自然的過程中， 制造能替代人勞動(dòng)的機(jī)器一直是人類的夢(mèng)

2、想。借此在上單片 機(jī)課的這次機(jī)會(huì)，我們?nèi)齻€(gè)共同想要自己研究制造一輛避障 小車?？傮w概述2.1系統(tǒng)功能智能小車采用后輪驅(qū)動(dòng)，后輪左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū) 動(dòng)，分別控制兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)從而達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的，后輪是 萬向輪，起支撐的作用。將三個(gè)紅外線光電傳感器分別裝在 車體的左中右，當(dāng)車的左邊的傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，主控 芯片控制右輪電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)左輪電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，車向右方轉(zhuǎn) 向，當(dāng)車的右邊傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，主控芯片控制左輪 電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，右輪電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，車向左方轉(zhuǎn)向，當(dāng)前面 有障礙物時(shí)規(guī)定車向右轉(zhuǎn)。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能避障小車的結(jié)構(gòu)2.3系統(tǒng)原理本設(shè)計(jì)用單片機(jī)來處理傳感器采集來的數(shù)據(jù)，通過光電 開光傳

3、感器判斷小車前面的障礙物接受信號(hào)，處理完畢之后 以便去控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電源部分為整個(gè)電路 模塊提供電源，以便能正常工作。2.4控制框圖電池（9v）2.5系統(tǒng)模塊2.5.1障礙物探測(cè)模塊使用三只E3F-DS30C4光電開關(guān)，分別探測(cè)正前方，前 右側(cè)，前左側(cè)障礙物信息，在特殊地形（如障礙物密集地形） 可將正前方的光電開關(guān)移置后方進(jìn)行探測(cè)。E3F-DS30C4光電 開關(guān)平均有效探測(cè)距離0-30cm可調(diào)，且抗外界背景光干擾 能力強(qiáng)，可在日光下正常工作（理論上應(yīng)避免日光和強(qiáng)光源 的直接照射）。小車換檔調(diào)速后的最大制動(dòng)距離不超過30cm， 一般在10-20cm左右。2.5.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用全

4、橋驅(qū)動(dòng)芯片L298N芯片驅(qū)動(dòng)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，輸出電壓最高可達(dá)50V， 可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO 口提供信號(hào)，而且?guī)в惺鼓芏?，方便PWM調(diào)速，電路簡(jiǎn)單， 性能穩(wěn)定，使用比較方便。L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電 機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，正好符合小車兩個(gè)二相電機(jī) 的驅(qū)動(dòng)要求。2.5.3電源模塊采用6V干電池通過7805轉(zhuǎn)換為5V電壓向單片機(jī)和光 電開光供電，在穩(wěn)壓方面，起始時(shí)考慮使用7805芯片對(duì)6V 的電池電壓進(jìn)行降壓穩(wěn)壓。故使用干電池對(duì)系統(tǒng)供電，小車模型作為小車底座，采 用單片機(jī)作為主控芯片，采用E3F-DS30C4光電

5、開關(guān)進(jìn)行障 礙物探測(cè)，使用L298N驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。硬件電路本次設(shè)計(jì)是以單片機(jī)來控制小車實(shí)現(xiàn)啟停和檢測(cè)前面 的障礙物并且能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的避障。本系統(tǒng)硬件由單片機(jī)系 統(tǒng)控制電路、障礙檢測(cè)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和顯示電路模塊。 本設(shè)計(jì)通過小車這個(gè)載體再結(jié)合由單片機(jī)為核心的控制板 可以達(dá)到其基本功能，能夠利用紅外線光電傳感器感應(yīng)到前 面的障礙物，再通過控制電路使小車可以進(jìn)行向右向左轉(zhuǎn) 彎，再輔加由紅外線光電傳感器組成的避障電路、電源電路、 差分驅(qū)動(dòng)電路就可以完善整個(gè)設(shè)計(jì)。利用紅外技術(shù)檢測(cè)障礙 物信息，采用單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)智能避障，智能小 車采用后輪驅(qū)動(dòng)，兩輪各用一個(gè)直流電機(jī)控制，避障用的傳 感器采用

6、光電開光傳感器。時(shí)鐘電路復(fù)位電路避障P電路XTAL1PO.u/ADOP0.-1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD時(shí)鐘電路復(fù)位電路避障P電路XTAL1PO.u/ADOP0.-1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/ADP0.5/AD5PO.ti/ADtRSTP0.7/AD7P2E愍P2.H越P2.2/A1CFSEMP2.3/A11ALEP2.4/A12EAP2.5/A13P2.6/A1-P2.7/A15F1.0F3.0/RXDP-1.1P-1.2P3.2州也F1.3F*P3.3/1 NT-1P3.4.-T0P-1.5P-1.6P3.6.WF：P

7、-1.7RSJ/RD&856293+stcS9.o519&O I1-1OJo3*-THr rJ-JL. L.3Ziz.*-L- r jiQ._n_i坤-TOH HI I-TE.4 -I1 JT4驅(qū)動(dòng)電路/電路框圖3.1硬件的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊單片機(jī)在系統(tǒng)中起到控制中心的作用，負(fù)責(zé)檢測(cè)傳感器 的狀態(tài)并向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出動(dòng)作命令。采用手動(dòng)復(fù)位。用 單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和 復(fù)位電路即可。由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作 一些小型的控制單元。單片機(jī)的P1 口通用口用來接收紅外傳感器的信號(hào),P1.0 到P1.3口分別來接收三個(gè)光電開關(guān)的輸入信號(hào)，P2通用口用 來驅(qū)動(dòng)電機(jī)

8、，P2.0到P2.6用來控制L298N的輸入口。最小系統(tǒng)電路圖如圖：TextText4321CON410UF。 0SW11K1410K15112M17192020P20 PP1.0VCCP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3P1.5TextText4321CON410UF。 0SW11K1410K15112M17192020P20 PP1.0VCCP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3P1.5P0.4P1.6P0.5P1.7P0.6RSTP0.7P3.0EAP3.1ALEP3.2PSENP3.3P2.7P3.4P2.6P3.5P2.5P3.6

9、P2.4P3.7P2.3XTAL2P2.2XTAL1P2.1GNDP2.0123456789121340驅(qū)J236J5J4333231J0竺迎27最小系統(tǒng)電路圖3.1.1時(shí)鐘電路單片機(jī)雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外 部附加電路。單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘有兩種方法。內(nèi)部時(shí)鐘方式 和外部時(shí)鐘方式。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電 路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部的振蕩 電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設(shè)計(jì)采用最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方 式，用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可 在1.2MHZ到12MHZ之間選擇。電容值無嚴(yán)格要求，但電 容取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振

10、蕩電路起振速 度有少許影響，CX1、CX2可在20PF到100PF之間取值， 但在60PF到70PF時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。所以本 設(shè)計(jì)中，振蕩晶體選擇12MHZ,電容選擇20PF。時(shí)鐘電路圖如圖所示：TeXtexx Text時(shí)鐘電路3.1.2復(fù)位電路infineonXC2000的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。 復(fù)位引腳RST通過一個(gè)斯密特觸發(fā)器來抑制噪聲。復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。 上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。只 要Vcc的上升時(shí)間不超過1ms，就可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù) 位。時(shí)鐘頻率用11.0592MHZ時(shí)C取10pF,R取1K。除了上電復(fù)位

11、外，有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)就 是用的按鍵手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式 兩種。其中電平復(fù)位是通過RST端經(jīng)電阻與電源V cc接通而 實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位電路圖如圖所示：TextTextSW1復(fù)位電路3.2避障電路避障電路采用漫反射式光電開關(guān)進(jìn)行避障。光電開關(guān)是 集發(fā)射頭和接收頭于一體的檢測(cè)開關(guān)，其工作原理是根據(jù)發(fā) 射頭發(fā)出的光束，被障礙物反射，接收頭據(jù)此做出判斷是否 有障礙物。單片機(jī)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(jī)對(duì)信號(hào)的處理。小車避障的原理：小車車頭處裝有三個(gè)光電開關(guān)，中間 一個(gè)光電開關(guān)對(duì)向正前方，兩側(cè)的光電開關(guān)向兩

12、邊各分開30 度。小車在行進(jìn)過程中由光電開關(guān)向前方發(fā)射出紅外線，當(dāng) 紅外線遇到障礙物時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被光電開關(guān)接收。 小車根據(jù)三個(gè)光電開關(guān)接受信號(hào)的情況來判斷相應(yīng)的動(dòng)作。 光電開關(guān)的平均探測(cè)距離為30cm。光電開關(guān)工作原理：光電開關(guān)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。光電開關(guān)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。避障功能表見表1-1 :傳感器避障電路輸出（上升沿動(dòng)作）待執(zhí)行命令右中左左轉(zhuǎn)信號(hào)（P3.1 ）右轉(zhuǎn)信號(hào)（P3.0 ）000V左轉(zhuǎn)001V左轉(zhuǎn)010V不存在011V左轉(zhuǎn)100V右轉(zhuǎn)101V左轉(zhuǎn)110V右轉(zhuǎn)111刖進(jìn)注（“0”表示有障礙物；

13、“1”表示無障礙物）3.3電源模塊設(shè)計(jì)電源模塊的作用把6V鋅錳干電池通過7805轉(zhuǎn)換為5V , 供單片機(jī)和光電開關(guān)使用。電池對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電。本系統(tǒng)所有芯片都需要+5V的工作電壓，而干電池只能 提供的電壓為1 .5V的倍數(shù)的電壓，并且隨著使用時(shí)間的延 長，其電壓會(huì)逐漸下降，則需要LM7805穩(wěn)壓芯片。L7805 能提供300至500mA的電流，足以滿足芯片供電的要求。雖然微處理器和微控制器不需要支持電路，功耗也很低，但 必須要加以考慮?？梢詽M足需要。電源模塊電路圖如圖2-5 :TextTextL7805CVTextVinDNG+5VVout圖TextVinDNG+5VVout圖2-5電源模塊電路

14、圖Text3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要功能是將主控芯片發(fā)出的信號(hào)通過 L298N電機(jī)控制芯片轉(zhuǎn)化為小車實(shí)際的動(dòng)作。L298N芯片有 兩個(gè)電源引腳VDD引腳和VCC引腳。VDD引腳接+9V電 源用來給電機(jī)供電，VCC引腳接+5V電源用來給芯片供電， 并作為邏輯高電平標(biāo)準(zhǔn)L298N芯片通過一個(gè)有四個(gè)IN4148 二極管組成的保護(hù)電路與電機(jī)相連，保護(hù)電路主要是用來在 電機(jī)開啟和關(guān)閉時(shí)防止被反向擊穿。由于一直讓轉(zhuǎn)向電機(jī)以最大功率使能從而獲得最大的 扭矩，保證小車轉(zhuǎn)向成功，而不需要控制轉(zhuǎn)向電機(jī)的輸出功 率，所以ENA引腳（即轉(zhuǎn)向電機(jī)使能引腳）直接接+5 V，即讓轉(zhuǎn)向電機(jī)一直使能。對(duì)于后置的驅(qū)動(dòng)

15、電機(jī)，不僅要控制 其實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和停止，還要能夠控制其轉(zhuǎn)速以解決由于 電量不足而產(chǎn)生的小車變慢的問題15。所以，將L298N芯 片的ENB引腳與STC89C51的P2.1用來實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速。L298N芯片的IN1和IN2引腳分別和STC89C51的 P2.4和P2.5引腳連接用來接收主控芯片輸出的轉(zhuǎn)向電機(jī)的 動(dòng)作指令，并通過OUT1和OUT2來控制轉(zhuǎn)向電機(jī)的正轉(zhuǎn)與 反轉(zhuǎn)，最終功能的實(shí)現(xiàn)表現(xiàn)在小車的左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)。L298N芯 片的IN3和IN4引腳分別與STC89C51的P2.2和P2.0引 腳連接用來接收主控芯片輸出的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)作指令，并通 過OUT3和OUT4來控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，最

16、終功能 的實(shí)現(xiàn)表現(xiàn)在小車的前進(jìn)、后退、停止。采用與門對(duì)兩電機(jī)進(jìn)行選擇控制，從而實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、 右轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電路原路框圖如圖2-6 :圖2-6驅(qū)動(dòng)電路原理圖驅(qū)動(dòng)電路圖如圖2-7 :圖2-7電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖可參考下圖表:電機(jī)旋轉(zhuǎn)方式控制端IN1控制端IN2控制端IN3控制端IN4輸入PWM信號(hào)改變脈寬可調(diào)速調(diào)速端A調(diào)速端BM1正轉(zhuǎn)高低/高/反轉(zhuǎn)低高/高/停止低低/高/M2正轉(zhuǎn)/高低/高反轉(zhuǎn)/低高/高停止低低/高3.4單片機(jī)控制電路模塊4軟件設(shè)計(jì)在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，如 何根據(jù)每個(gè)功能需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占很重要的地位。對(duì)于本系統(tǒng)，軟件也顯得 比較重要。軟件和硬件的結(jié)合，使系統(tǒng)達(dá)到更好的效果。程 序使用C語言來編寫，編譯軟件使用keilC5