自動追光自動避障電動小車設(shè)計

自動追光自動避障電動小車第10頁共10頁PAGE自動追光自動避障電動小車設(shè)計摘要：系統(tǒng)以兩片STC12C5A60S2芯片為核心控制器，采用紅外傳感器以及光敏電阻傳感器技術(shù)實現(xiàn)電動小車的自動避障與自動追光功能。整個電動小車系統(tǒng)包括太陽能板控制子系統(tǒng)與小車控制子系統(tǒng)兩大部分。前者采用光敏電阻傳感器裝置檢測太陽能板方向信號，控制直流電機調(diào)整太陽能板追蹤光源方向，使太陽能板始終以最大功率給蓄電池充電；后者則控制小車面向光源方向前進和后退，同時利用紅外測距使小車可以自動避開障礙物。對整個系統(tǒng)進行了硬件電路以及軟件程序的設(shè)計，最后進行實驗調(diào)試，實驗結(jié)果表明電動小車系統(tǒng)具有良好的可控性及較高的靈敏度等性能，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。太陽能充電自動追光自動避障電動小車充分利用綠色資源，實現(xiàn)了小車的智能化，有著十分廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:電動小車，避障，追光，太陽能充電1.引言隨著汽車自動化程度的提高，新一代智能汽車的研究在國內(nèi)外受到越來越多的重視。其方向主要有兩點：一是智能化程度的提高，二是清潔能源的應(yīng)用。這符合當今汽車行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，具有廣闊的應(yīng)用前景。本課題將設(shè)計自動追光自動避障電動小車，在小車追尋光源的路上可以自行避開障礙物，同時太陽能板正對光源，以最大的轉(zhuǎn)化效率為小車供電，該系統(tǒng)以兩片STC12C5A60S2芯片為核心控制器，采用超聲波以及光敏電阻傳感器技術(shù)實現(xiàn)電動小車的自動避障與自動追光功能。2.系統(tǒng)方案設(shè)計2.1系統(tǒng)總體方案的設(shè)計系統(tǒng)整體框圖如圖一。此電動小車由自動追光自動避障系統(tǒng)和自動追光太陽能充電系統(tǒng)組成。自動追光自動避障系統(tǒng)用STC12C5A60S2單片機為核心器件，檢測紅外傳感器和自制追光傳感器輸入信號執(zhí)行相應(yīng)的程序，控制電機轉(zhuǎn)動的方式，達到小車自動追光自動避障的功能。太陽能自動追光充電系統(tǒng)用STC12C5A60S2單片機為控制器件，檢測自制追光傳感器輸入信號執(zhí)行相應(yīng)的程序執(zhí)行電機正反轉(zhuǎn)程序，電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，控制對光裝置轉(zhuǎn)動，使太陽能電池板始終正對光源。圖一系統(tǒng)總體框圖2.2模塊方案的比較與論證2.2.1小車車體的設(shè)計方案一：自己制作電動車。經(jīng)過考慮，若自己制作電動車，價格便宜，可靠性良好，但制作工序復(fù)雜，耗費大量時間，所以放棄此方案。方案二：使用已有車模改裝。在已有車模的基礎(chǔ)上進行改裝，省去了制作電動車的大量時間，且可靠性高，用塑料做的車架，比鐵制小車更輕便、美觀，綜合考慮，本設(shè)計選擇此方案。2.2.2控制器模塊方案一：采用可編程邏輯器件CPLD作為控制器。CPLD可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富、易于進行功能擴展。采用并行的輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模控制系統(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)部需要發(fā)雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。從使用經(jīng)濟的角度考慮，放棄了此方案。方案二：采用STC12C5A60S2單片機作為控制器。STC12C5A60S2的最小硬件系統(tǒng)由時鐘晶振電路、復(fù)位電路、STC12C5A60S2芯片等構(gòu)成，STC12C5A60S2單片機具有8路10位高速AD接口，可方便的擴展任何傳感器。第一片STC12C5A60S2控制小車電機的轉(zhuǎn)動，第二片STC12C5A60S2獨立控制太陽能電池板的轉(zhuǎn)動。經(jīng)過對小車的組裝與機械部分的調(diào)整，使得小車結(jié)構(gòu)更為合理且穩(wěn)定，性能良好。經(jīng)過仔細比較，本系統(tǒng)選擇方案2。2.2.3小車電機模塊方案一：采用步進電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機。由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實現(xiàn)小車前進路程和位置的精確定位。但是，步進電機的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適合于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)。綜合考慮比較，本系統(tǒng)放棄了此方案。方案二：采用直流電機。直流電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，轉(zhuǎn)配簡單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動機提供原始動力，可以產(chǎn)生大扭力。能夠較好的滿足系統(tǒng)要求，當兩個直流電機共同作用時，可通過對電機轉(zhuǎn)向的控制，實現(xiàn)避障功能，且控制簡單方便，因此選擇此方案。2.2.4小車避障模塊小車避障原理：傳感器檢測到前方有障礙物，信號輸入單片機，控制電機的轉(zhuǎn)向，避開障礙物。方案一：采用激光傳感器測距。能非常準確地測出小車與障礙物的距離，但價格也高，處理復(fù)雜，不符合我們的要求。方案二：采用超聲傳感器。聲波傳感器來探測物體的距離以及相對于傳感器的方位，以便可以進行避障動作。使用超聲波傳感器不但可以準確獲得物體的距離值，也可以獲得準確方位值，也就是正前方。單片機控制超聲波傳感器發(fā)射一組高頻聲波，一般為40-45KHz，當聲波遇到物體后，就會被反彈回，并被接收到然后再傳送給單片機，由單片機計算這段時間即聲波從發(fā)射到返回的時間t，再乘以聲波在媒介中的傳播速度v，就可以獲得物體相對于傳感器的距離值（即L=vt/2），然后通過單片機控制小車在距障礙物一定距離時實現(xiàn)順時針或者逆時針旋轉(zhuǎn)以此避開障礙物，繼續(xù)向光源方向前進。方案三：采用左右兩個紅外傳感器。紅外傳感器，是目前使用比較普遍的一種避障傳感器，通過調(diào)節(jié)兩個電位器，可調(diào)節(jié)兩個紅外傳感器的檢測距離為10—80cm，開關(guān)量輸出（TTL電平），簡單、可靠。綜合以上，本系統(tǒng)采用紅外傳感器，簡單方便，且軟件編寫也較容易，所以車前面采用紅外傳感器。2.2.5小車自動追光模塊小車追光控制以STC12C5A60S2微型控制器為中心，處理光敏電阻傳感器信號，判別光源的位置，實現(xiàn)小車追光控制系統(tǒng)。方案一：用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當光線照射到小車前方的光敏電阻上面，光敏電阻阻值變小，且變化很明顯。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。從而判斷小車的朝向,進而調(diào)整小車的運動方向，使小車面向光源開去。方案二：以光敏三極管或二極管為傳感器,為小車提供引導(dǎo)信號。高強度發(fā)光二極管或光敏三極管組成的電路。這種方案的缺點在于其他環(huán)境光源會對光敏三極管的工作產(chǎn)生很大干擾，一旦外界光亮條件改變，很可能造成誤判和漏判。但如果我們采取較好的避光措施，可以避免該缺點。如在電路上加上可調(diào)電阻，使輸出的信號變?yōu)殚_關(guān)量，減少控制系統(tǒng)的處理時間，增加系統(tǒng)的判斷準確度。但是光敏三極管價格較貴，不夠經(jīng)濟。方案三：使用紅外傳感器,紅外傳感器價格便宜,程序設(shè)計簡單,可以接受包括編碼和非編碼等各種形式的紅外光.但是缺點是抗干擾能力差而且信號處理困難.綜上分析:這次設(shè)計選擇了方案一，通過光敏電阻對光的感應(yīng)，其阻值改變發(fā)生改變，由單片機實時采集信號，并在其內(nèi)部處理進行判斷當前車子的運動的方向是否為正對光源方向，進行調(diào)整。2.2.6太陽能板自動追光模塊太陽能追光系統(tǒng)以STC12C5A60S2芯片為核心控制器。原理：系統(tǒng)通過不斷判斷由光敏傳感器傳來的光信號強度，并設(shè)置一定的電壓閾值，當光信號的電壓差值大于設(shè)定閾值時，由單片機發(fā)出相應(yīng)驅(qū)動控制信號來控制作為執(zhí)行機構(gòu)的電機順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，帶動太陽能電池板轉(zhuǎn)動，使光源發(fā)出的光與太陽能板垂直，從而實現(xiàn)追光的目的。方案一：采用光電三極管構(gòu)成感光裝置檢測光源。光電三極管的集電極電流不只是受基極電路的電流控制，同時也受光的控制，因此可以使用光電三極管檢測光源的所在。而光電二極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長，當入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對；當入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的空穴電子對不能到達PN結(jié)，因而靈敏度下降。方案二：采用光敏電阻（或光電二極管）構(gòu)成感光裝置檢測光源。光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻。光電二極管上不加電壓，利用PN結(jié)受光照射時產(chǎn)生正向電壓的原理，可看作微型光電池。這種工作狀態(tài)一般用作光電檢測器。

利用光敏電阻構(gòu)成感光檢測裝置有以下兩種結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)一：基于擋板的感光裝置設(shè)計。感光部分把光敏電阻分布在不同象限，通過擋光板將象限隔離，根據(jù)每個象限光敏電阻所傳回數(shù)據(jù)的大小來判定感光狀態(tài)，當小車移動時，擋板會把光敏電阻中的一個或者幾個擋住。這樣，通過單片機對光敏電阻電平的采樣，對電壓值進行比較，根據(jù)電平的變化，使單片機控制電機轉(zhuǎn)動云臺，使太陽能電池板重新垂直對準光源。結(jié)構(gòu)二：基于圓筒的感光裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計。在圓柱體的外面不受圓柱體遮擋的地方（確保會受到光線的照射）也安裝一個光電二極管（其朝向與圓柱體內(nèi)的光電二極管朝向相同），用于檢測環(huán)境亮度，并與圓柱體內(nèi)的每個光電二級管及運放構(gòu)成一個比較電路。適當調(diào)整圖中電阻的阻值，這樣當圓柱體內(nèi)的光電二極管沒有受光線照射時，運放將輸出低電平。此電平可對接到的輸入端進行檢測，圓柱體內(nèi)的每個光電二級管各用一個單片機的輸入端。這樣就可以檢測太陽光線的朝向，來決定哪個電機轉(zhuǎn)動、向哪個方向轉(zhuǎn)動。比較方案一和方案二可以得出：光電三極管的靈敏度比光敏電阻高，輸出電流也比光敏電阻大，多為毫安級。但它的光電特性不如光電二極管好，在較強的光照下，光電流與照明度不成線性關(guān)系。本系統(tǒng)采用光敏電阻，能更好的適應(yīng)我們的需求，因此采用方案二。而方案二中基于擋板的傳感器設(shè)計易于操作，且使用器件少，故采用方案二中基于擋板的光敏電阻傳感器設(shè)計。

2.2.7太陽能充電模塊方案一：恒流充電。恒流充電方式是一種簡單的充電方法。但是，恒流充電有其局限性：對電池過充電就會造成電池壽命的縮短，而過小電流又會延長充電時間。系統(tǒng)不考慮用此方案。方案二：恒壓充電。太陽能電池板可以產(chǎn)生3—6V的空載輸出電壓，接1.2可充電鎳鎘電池后，輸出電壓為2V,正好供給電池充電，同時串聯(lián)一個LED燈，指示充電狀態(tài)，綜合考慮，選擇此方案。3.理論分析與計算3.1太陽能板追光和引導(dǎo)原理由于太陽能板要有最高效的太陽能接受，所以太陽能板需要始終正對光源。由于要求小車要躲避障礙物，車子的運動方向要改變。就會導(dǎo)致太陽能板不能正對著光源，于是就要調(diào)整板子的角度。板子需要上下左右轉(zhuǎn)動，所以調(diào)整板子方向，需要用到兩個電機，一個用于水平調(diào)整，另一個用于豎直方向上下調(diào)整。但是考慮到單片機的驅(qū)動能力有限，需要外接一個電機驅(qū)動芯片L298N來驅(qū)動兩個電機分別運動。如表1所示：表1L298N邏輯真值表L298N可以驅(qū)動兩個電機，且進行分別操作。這樣，就可以利用一個芯片對兩個電機進行操作。太陽能板的四個方向分別放置四個光敏電阻將其分成四個象限，每個象限有一個光敏電阻感應(yīng)該象限是否被光照著。若是，則當前該象限向單片機發(fā)送信號1；否則向單片機發(fā)送信號0。單片機根據(jù)接收到的四個象限的信號，進行判斷當前情況下，兩個電機應(yīng)當如何轉(zhuǎn)動，才能讓其正對著光源。四個象限的邏輯狀態(tài)，以及在該狀態(tài)下，電機如何轉(zhuǎn)動，才能達到要求狀態(tài)，如表2所示：表2電機轉(zhuǎn)向和傳感器邏輯真值表第四象限第三象限第二象限第一象限M1M20000————0001正反0010反反0011——反0100正反0101————0110反——0111反正1000正——1001正正1010————1011正正1100——正1101正反1110反反1111正——注：表示不作任何調(diào)整M1正轉(zhuǎn)表示水平順時針方向轉(zhuǎn)動，反轉(zhuǎn)表示逆時針方向旋轉(zhuǎn)M2正轉(zhuǎn)表示太陽能板1，2象限向上移動，反轉(zhuǎn)表示1，2象限向下移動按照表2真值表，編寫出程序。讓小車能夠按照當前太陽能板的方向進行上下左右的調(diào)整，使其正對光源。3.2紅外傳感控制電路為簡化硬件電路，傳感器單元采用了發(fā)射/接收一體化的紅外光電開頭，型號E3F-DS30C4，如圖二所示：圖二紅外傳感器該傳感器為漫反射型，使用電壓范圍寬（DC6V--36V），探測距離可調(diào)節(jié)，最大可達30CM，輸出信號可直接與單片機的I/O口相連接。本系統(tǒng)調(diào)節(jié)此紅外傳感器，使其探測距離為8CM，當單片機接收到紅外傳感器的信號后，則執(zhí)行相應(yīng)的動作。3.3太陽能充電小車采用太陽能電池對系統(tǒng)供電。太陽能板在太陽光照下的輸出電壓是5~5.5V，單片機采用四節(jié)可充電電池為其供電，可充電電池的電壓值為4.8V左右。當可充電電池的電壓低于太陽能板電壓的時候，太陽能板對充電電池充電。當充電電池電壓高于太陽能板電壓的時候，有一個反向截止二極管，使充電電池的電流不能流過太陽能電板。同時使用發(fā)光二極管指示出當前系統(tǒng)正在工作。充電電路如圖三所示:圖三太陽能充電電路3.4跟蹤引導(dǎo)算法圖四跟蹤引導(dǎo)算法流程圖4.硬件電路與軟件程序設(shè)計4.1總體電路設(shè)計總體設(shè)計思想：整個系統(tǒng)分為兩個部分，一個部分用于小車運動控制；另一部分用于太陽能板方向和位置的控制。第一部分由單片機向外發(fā)送超聲波測量障礙物的距離，并通過超聲波躲開障礙物，采用超聲傳感器。聲波傳感器來探測物體的距離以及相對于傳感器的方位，以便可以進行避障動作。另外，用光敏電阻做為光感應(yīng)探頭，探測光源的位置，以及小車當前位置如何才能到達光源的位置。另外，太陽能板由另一個單片機系統(tǒng)控制，負責調(diào)整太陽能板的位置調(diào)整，使其正對光源，當太陽能充電電壓大于電池電壓的時候，太陽能對其充電；當電池電壓高于太陽能電壓時候，電池不要對太陽能板放電。4.2硬件電路的設(shè)計本系統(tǒng)采用兩個模塊分別對小車系統(tǒng)進行控制。第一個模塊是對小車進行控制，實現(xiàn)尋光與避障功能。利用兩個直流電機，控制小車的直行和左右旋轉(zhuǎn)，后退。另一模塊是控制太陽能板的旋轉(zhuǎn)，使小車任何時刻都能接收到最多的太陽能。第一個模塊前方有紅外測距電路。當沒有障礙物的時候，或者障礙物距離較遠的時候，小車按向前直行的方式行走。當紅外測距電路檢測到前方偶障礙物的時候，小車就靠左右兩個電機的不同方向的轉(zhuǎn)動來控制小車的轉(zhuǎn)向，從而繞過障礙物。另外還有追光電路，是利用小車前方的兩個光敏電阻，將光敏電阻的阻值通過單片機內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)化器將其當前阻值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。再通過數(shù)字量大小的比較，來判斷小車的具體偏向，從而改變小車的面向，從而轉(zhuǎn)向。也就是說：單片機通過對接收到的兩個光的強弱，做出轉(zhuǎn)向的動作。此模塊的電路如圖五所示：圖五系統(tǒng)追光避障電路圖第二個模塊是太陽能板控制電路。這個模塊是通過一個單片機最小系統(tǒng)控制的，在太陽能板上有四個光敏電阻，通過單片機內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，將模擬電壓量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，比較當前四個光敏電阻的電壓值，判斷沒有接受到光的那個板塊所處的位置，通過兩個電機對太陽能板的位置調(diào)整，太陽能板的位置調(diào)整，當調(diào)整到太陽能板恰好到最好的接收太陽能位置，停止。子系統(tǒng)硬件原理圖如圖六所示：圖六太陽能板追光電路圖4.3軟件流程圖圖七系統(tǒng)軟件流程圖5.系統(tǒng)測試5.1測試場地場地規(guī)格：1.5m*1.5m；2m*2m；2.5m*2.5m卷尺：精度0.01m秒表：精度0.01s5.2測試方案測試的主要思想：先分模塊測試，然后整體測試。將整個功能系統(tǒng)劃分為多個模塊包括：光敏電阻傳感器模塊，超聲波測距模塊，紅外測距模塊，電機驅(qū)動模塊，太陽能充電模塊。5.2.1光敏電阻傳感器模塊：系統(tǒng)共采用6個光敏電阻，其中兩個安裝在小車車頭的左右兩邊，另外四個裝在太陽能板的上下左右四個位置上。檢測方法：改變光照的方向，測量光敏電阻的阻值和電壓，觀察阻值與電壓的變化是否明顯，確定光敏電阻傳感器的靈敏度。5.2.2紅外測距模塊：紅外測距模塊用于小車向光源行駛時避開障礙物，由一個紅外發(fā)射電路和一個紅外接收電路組成，在小車的正前方放置一個障礙物，改變小車與障礙物之間的距離，測試小車的避障功能。5.2.3電機驅(qū)動模塊：系統(tǒng)一共使用四個直流電機，其中兩個用于小車驅(qū)動，兩個用于太陽能板位置的調(diào)整。利用單片機系統(tǒng)輸出不同的脈沖信號送給L298N芯片來驅(qū)動電機，測試其性能。5.2.4太陽能板充電模塊：模塊用于給蓄電池充電，測量太陽能板在不同光照下輸出電壓的大小，通過改變太陽能板的放置位置，選擇合適的光照以輸出所需的電壓，供給蓄電池的充電。5.2.5整體系統(tǒng)調(diào)試：首先通過光敏電阻傳感器檢測光源的位置信號，測試小車是否可以實現(xiàn)追光的功能；然后利用超聲波傳感器和紅外線傳感器檢測避障功能的實現(xiàn)。5.3測試結(jié)果為小車測試設(shè)置不同的環(huán)境，改變實驗場地大小，障礙物個數(shù)等條件，記錄小車行駛的相關(guān)數(shù)據(jù)分析小車性能。實驗數(shù)據(jù)如下表：表三測試數(shù)據(jù)記錄表場地規(guī)格(單位：m)光源離小車距離障礙物個數(shù)小車行駛直線距離小車停止時離光源距離完成時間（s）太陽能電池板是否對準光源充電顯示1.5*1.51.531.40.1030是顯示1.350.1539是顯示1.340.1638是顯示2*2251.820.1841是顯示1.820.1845是顯示1.770.2344是顯示2.5*2.52.552.400.1043是顯示//卡住是顯示2.350.1549是顯示由表三可知:小車在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)了自動追光自動避障的功能，符合系統(tǒng)的設(shè)計要求。6.設(shè)計總結(jié)本系統(tǒng)采用兩片STC12C5A60S2增強型51單片機為核心部件，通過傳感器信號，控制相應(yīng)的動作，配合一套完整的程序，實現(xiàn)了小車的自動追光自動避障的功能。在設(shè)計中，我們盡量采用低功耗器件，力求硬件電路的經(jīng)濟性和精簡性，充分發(fā)揮軟件控制靈活方便的特點，來滿足設(shè)計要求。7.參考文獻[1]譚曲江,馮杰,馮曉君,王海濱.基于nRF2401無線通信模塊設(shè)計的遙控出鋁手柄[A].中國計量協(xié)會冶金分會2008年會論文集[C],2008.[2]宣利峰,熊繼平.基于自動尋跡的智能公交車系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)[A].第七屆全國信息獲取與處理學(xué)術(shù)會議論文集[C],2009.[3]曹曉光,高安林.智能機器車改裝設(shè)計[A].第六屆全國信息獲取與處理學(xué)術(shù)會議論文集（2）[C],2008.[4]劉永春,王秀碧,陳彬.基于單片機的分布式溫度采集系統(tǒng)設(shè)計[A].第六屆全國信息獲取與處理學(xué)術(shù)會議論文集（3）[C],2008.TheDesignofAutomaticTrackingLightandAvoidingObstaclesElectricCarWuEnmei(SchoolofPhysicsandElectricalEngineeringofAnqingNormalCollege,Anqing246011)Abstract:ThissystemusestwoSTC12C5A60S2chipsasthecorecontroller,adoptingIRsensorandphotosensitiveresistancesensortechnologytoachievethefunctionofautomaticallyshunningobstaclesandtrackinglight.Theelectriccarsystemincludessolarpanelcontrolsubsystemandcarcontrolsubsystem.Theformerusesphotosensitiveresistancesensortocheckthedirectionsignalsofthesolarpanelandcontr