基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車

基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車單片機(jī)設(shè)計智能避障小車摘要利用紅外對管檢測黑線與障礙物，并以STC89C51單片機(jī)為控制芯片控制電動小汽車的速度及轉(zhuǎn)向，從而實現(xiàn)自動循跡避障的功能。其中小車驅(qū)動由L298N驅(qū)動電路完成，速度由單片機(jī)輸出的PWM波控制。本文首先介紹了智能車的發(fā)展前景，接著介紹了該課題設(shè)計構(gòu)想，各模塊電路的選擇及其電路工作原理，最后對該課題的設(shè)計過程進(jìn)行了總結(jié)與展望并附帶各個模塊的電路原理圖，與本設(shè)計實物圖，及完整的C語言程序。關(guān)鍵詞：智能小車；51單片機(jī)；L298N；紅外避障；尋跡行駛abstractUsinginfrareddetectionblackandobstaclestothelineandSTC89C51microcontrollerasthecontrolchiptocontrolthespeedoftheelectriccarandsteering,soastorealizethefunctionofautomatictrackingandobstacleavoidance.WhichthecardrivenbytheL298Ndrivercircuitiscompleted,thespeedofthemicrocontrolleroutputPWMwavecontrol.Thisarticlefirstintroducesthedevelopmentoftheintelligentcarprospect,thenintroducesthedesignidea,thesubjectselectionofeachmodulecircuitandworkingprincipleofthecircuit,thedesignprocessofthesubjectissummarizedandprospectwitheachmodulecircuitprinciplediagram,andtherealfiguredesign,andcompleteClanguageprogram.Keywords:smartcar;51MCU;L298N;infraredobstacleavoidance;trackdriving基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第1頁。基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第1頁。一、緒論1.1智能小車的意義與作用自第一臺工業(yè)機(jī)器人誕生以來，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領(lǐng)域。近年來機(jī)器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的感覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動行走與駕駛的重要部件。視覺的典型應(yīng)用領(lǐng)域為自主式智能導(dǎo)航系統(tǒng)，對于視覺的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá)，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機(jī)器視覺需要通過大量的運算也只能識別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡單的目標(biāo)。避障控制系統(tǒng)是基于自動導(dǎo)引小車（AVG—auto-guidevehicle）系統(tǒng)，基于它的智能小車實現(xiàn)自動識別路線，判斷并自動避開障礙，選擇正確的行進(jìn)路線。使用傳感器感知路線與障礙并做出判斷與相應(yīng)的執(zhí)行動作。該智能小車可以作為機(jī)器人的典型代表。它可以分為三大組成部分：傳感器檢測部分、執(zhí)行部分、CPU。機(jī)器人要實現(xiàn)自動避障功能，還可以擴(kuò)展循跡等功能，感知導(dǎo)引線與障礙物?？梢詫崿F(xiàn)小車自動識別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，并檢測到障礙物自動躲避?；谏鲜鲆?，傳感檢測部分考慮使用價廉物美的紅外反射式傳感器來充當(dāng)。智能小車的執(zhí)行部分，是由直流電機(jī)來充當(dāng)?shù)?，主要控制小車的行進(jìn)方向與速度。單片機(jī)驅(qū)動直流電機(jī)一般有兩種方案：第一，勿需占用單片機(jī)資源，直接選擇有PWM功能的單片機(jī)，這樣可以實現(xiàn)精確調(diào)速；第二，可以由軟件模擬PWM輸出調(diào)制，需要占用單片機(jī)資源，難以精確調(diào)速，但單片機(jī)型號的選擇余地較大?？紤]到實際情況，本文選擇第二種方案。CPU使用80C51單片機(jī)，配合軟件編程實現(xiàn)。二、方案設(shè)計與論證現(xiàn)智能小車發(fā)展很快，從智能玩具到其它各行業(yè)都有實質(zhì)成果。其基本可實現(xiàn)循跡、避障、檢測貼片、尋光入庫、避崖等基本功能，這幾節(jié)的電子設(shè)計大賽智能小車又在向聲控系統(tǒng)發(fā)展。比較出名的飛思卡爾智能小車更是走在前列。我此次的設(shè)計主要實現(xiàn)循跡避障這兩個功能。根據(jù)要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的基礎(chǔ)上，加裝光電檢測器，實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。這種方案能實現(xiàn)對電動車的運動狀態(tài)進(jìn)行實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項要求。2.1主控系統(tǒng)基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第2頁。根據(jù)設(shè)計要求，我認(rèn)為此設(shè)計屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問題。據(jù)此，擬定了以下兩種方案并進(jìn)行了綜合的比較論證，具體如下：基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第2頁。方案一：選用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作為系統(tǒng)的核心部件，實現(xiàn)控制與處理的功能。CPLD具有速度快、編程容易、資源豐富、開發(fā)周期短等優(yōu)點，可利用VHDL語言進(jìn)行編寫開發(fā)。但CPLD在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢。同時，CPLD的處理速度非常快，而小車的行進(jìn)速度不可能太高，那么對系統(tǒng)處理信息的要求也就不會太高，在這一點上，MCU就已經(jīng)可以勝任了。若采用該方案，必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此，我們不采用該種方案，進(jìn)而提出了第二種設(shè)想。方案二：采用單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車，以實現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實現(xiàn)小車的自動控制，而在這一點上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢——控制簡單、方便、快捷。這樣一來，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、價格低廉等優(yōu)點。因此，這種方案是一種較為理想的方案。針對本設(shè)計特點——多開關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長處理多開關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)，而不能用精簡I/O口與程序存儲器的小體積單片機(jī)，D/A、A/D功能也不必選用。根據(jù)這些分析,我選定了P89C51RA單片機(jī)作為本設(shè)計的主控裝置，51單片機(jī)具有功能強(qiáng)大的位操作指令，I/O口均可按位尋址，程序空間多達(dá)8K，對于本設(shè)計也綽綽有余，更可貴的是51單片機(jī)價格非常低廉。在綜合考慮了傳感器、兩部電機(jī)的驅(qū)動等諸多因素后，我們決定采用一片單片機(jī)，充分利用STC89C51單片機(jī)的資源。2.2電機(jī)驅(qū)動模塊方案一：采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制,通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)整.此方案的優(yōu)點是電路較為簡單,缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。方案二：采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)與原理簡單，加速能力強(qiáng)，采用由達(dá)林頓管組成的H型橋式電路(如圖2.1)。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽與截止模式下，效率非常高，H型橋式電路保證了簡單的實現(xiàn)轉(zhuǎn)速與方向的控制，電子管的開關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。現(xiàn)市面上有很多此種芯片，我選用了L298N?；?1單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第3頁。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動與反轉(zhuǎn)等優(yōu)點。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)?；?1單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第3頁。圖2.1H橋式電路2.3循跡模塊方案一：采用簡易光電傳感器結(jié)合外圍電路探測，但實際效果并不理想，對行駛過程中的穩(wěn)定性要求很高，且誤測幾率較大、易受光線環(huán)境與路面介質(zhì)影響。在使用過程極易出現(xiàn)問題，而且容易因為該部件造成整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定。故最終未采用該方案。方案二：采用兩只紅外對管(如圖2.3)，分別置于小車車身前軌道的兩側(cè)，根據(jù)兩只光電開關(guān)接受到白線與黑線的情況來控制小車轉(zhuǎn)向來調(diào)整車向，測試表明，只要合理安裝好兩只光電開關(guān)的位置就可以很好的實現(xiàn)循跡的功能。方案三：基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第4頁。采用三只紅外對管，一只置于軌道中間，兩只置于軌道外側(cè)，當(dāng)小車脫離軌道時，即當(dāng)置于中間的一只光電開關(guān)脫離軌道時，等待外面任一只檢測到黑線后，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的光電開關(guān)重新檢測到黑線（即回到軌道）再恢復(fù)正向行駛。現(xiàn)場實測表明，小車在尋跡過程中有一定的左右搖擺不定，雖然可以正確的循跡但其成本與穩(wěn)定性都低于第二種方案?；?1單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第4頁。通過比較，我選取第二種方案來實現(xiàn)循跡。圖2.3紅外對管2.4避障模塊方案一：采用一只紅外對管置于小車中央。其安裝簡易，也可以檢測到障礙物的存在，但難以確定小車在水平方向上是否會與障礙物相撞，也不易讓小車做出精確的轉(zhuǎn)向反應(yīng)。方案二：采用二只紅外對管分別置于小車的前端兩側(cè)，方向與小車前進(jìn)方向平行，對小車與障礙物相對距離與方位能作出較為準(zhǔn)確的判別與及時反應(yīng)。但此方案過于依賴硬件、成本較高、缺乏創(chuàng)造性，而且置于小車左方的紅外對管用到的幾率很小，所以最終未采用。方案三：采用一只紅外對管置于小車右側(cè)。通過測試此種方案就能很好的實現(xiàn)小車避開障礙物，且充分的利用資源而不浪費。(參考文獻(xiàn)[3])通過比較我采用方案三。2.5機(jī)械系統(tǒng)本題目要求小車的機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定、靈活、簡單，而三輪運動系統(tǒng)具備以上特點。基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第5頁。驅(qū)動部分：由于玩具汽車的直流電機(jī)功率較小，而小車上裝有電池、電機(jī)、電子器件等，使得電機(jī)負(fù)擔(dān)較重。為使小車能夠順利啟動，且運動平穩(wěn)，在直流電機(jī)與輪車軸之間加裝了三級減速齒輪。基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第5頁。電池的安裝：將電池放置在車體的電機(jī)前后位置，降低車體重心，提高穩(wěn)定性，同時可增加驅(qū)動輪的抓地力，減小輪子空轉(zhuǎn)所引起的誤差。簡單，而三輪運動系統(tǒng)具備以上特點。2.6電源模塊方案一：采用實驗室有線電源通過穩(wěn)壓芯片供電，其優(yōu)點是可穩(wěn)定的提供5V電壓，但占用資源過大。方案二： 采用8支1.5V電池雙電源分別給單片機(jī)與電機(jī)供電。所以，我選擇了方案二來實現(xiàn)供電。三、硬件設(shè)計3.1總體設(shè)計設(shè)計一個直流電機(jī)小車系統(tǒng)，用L298N驅(qū)動電機(jī)，可加減速調(diào)節(jié)；用紅外發(fā)射與接收傳感器控制小車在規(guī)定區(qū)域行走,用紅外傳感器實現(xiàn)壁障，用霍爾傳感器實現(xiàn)薄鐵片的檢測，用光敏電阻實現(xiàn)探測光源。主板設(shè)計框圖如圖3.1。StcStc89c51循跡紅外對管時鐘電路復(fù)位電路報警電路電機(jī)驅(qū)動避障紅外對管圖3.1主板設(shè)計框圖3.2驅(qū)動電路基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第6頁。電機(jī)驅(qū)動一般采用H橋式驅(qū)動電路，L298N內(nèi)部集成了H橋式驅(qū)動電路，從而可以采用L298N電路來驅(qū)動電機(jī)。通過單片機(jī)給予L298N電路PWM信號來控制小車的速度，起停。其引腳圖如3.2，驅(qū)動原理圖如圖3.3。基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第6頁。圖3.2L298N引腳圖圖3.3電機(jī)驅(qū)動電路3.3信號檢測模塊基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第7頁。在該模塊利用紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號，再通過LM324作比較器來采集高低電平，從而實現(xiàn)信號的檢測。避障亦是此原理。電路圖如圖3.4。基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第7頁。市面上有很多紅外傳感器，在這里我選用TCRT5000型光電對管。圖3.4循跡原理圖3.4主控電路本模塊主要是對采集信號進(jìn)行分析，同時給出PWM波控制電機(jī)速度，起停。以及再檢測到障礙報警等作用。其電路圖如圖5。基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第8頁。基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第8頁。圖3.5主控電路四、軟件設(shè)計4.1主程序框圖基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第9頁?；?1單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第9頁。啟動循跡啟動循跡是否檢測到停止線停止是否檢測到障礙NY避障YN圖4.1主程序框圖4.2電機(jī)驅(qū)動模塊voidgoahead(){s1=1;s2=0;s3=1;s4=0;}voidgoback(){s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;}voidturnleft(){s3=1;s4=0;基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第10頁。}基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第10頁。voidturnright(){s1=1;s2=0;}voidstop(){en1=0;en2=0;}4.3循跡模塊圖4.2循跡框圖程序：voidxunji(){if((left_red==1)&(right_red==1))基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第11頁。{基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第11頁。en1=1;en2=1;goahead();delay(150);en1=0;en2=0;delay(50);}elseif((left_red==0)&(right_red==1)){en1=0;en2=1; P0_0=!P0_0;turnleft();delay(150);en1=1;en2=0;delay(50);}elseif((left_red==1)&(right_red==0))4.4避障模塊voidbizhang(){en1=1;en2=1;goback();mid_red=0;baojing();goback();for(i=0;i<8;i++){en1=1;en2=1;基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第12頁。delay(150);基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)前為第12頁。en1=0;en2=0;delay(50);}stop();delay(10);turnleft();for(i=0;i<11;i++){en1=0;en2=1;delay(130); en2=0;delay(50);}stop();delay(10);goahead();for(i=0;i<22;i++){en1=1;en2=1;delay(130);en1=0;en2=0; delay(50);}stop();delay(10);turnright();for(i=0;i<18;i++)五、結(jié)論基于51單片機(jī)設(shè)計智能避障小車全文共14頁，當(dāng)