《基于光電傳感器的避障小車的設計》5500字（論文）

PAGEIX基于光電傳感器的避障小車的設計目錄TOC\o"1-2"\h\u31098摘要 I25280關鍵詞：傳感器；避障；激光測距；單片機 I17277前言 II19658第1章光電傳感器的原理及應用 III273331.1光電傳感器的原理 III281241.2幾種常見的光電傳感器 III280171.3光電傳感器的應用 V133941.4光電傳感器的優(yōu)缺點 V11836第2章避障小車模塊選擇 VI139612.1傳感器模塊 VI221322.2穩(wěn)壓電源模塊 VI152132.3電機驅動模塊 VII124832.4避障模塊 VII196262.5報警模塊 VII28602.6控制模塊 VIII18229第3章系統(tǒng)設計及調試 IX250553.1系統(tǒng)電路設計 IX177323.2系統(tǒng)組成 IX250503.3系統(tǒng)軟件流程 IX217503.4電路調試 X24213.5電機調試 X187383.6測試結果與分析 X7741結論 XI摘要本文介紹的是一種基于光電傳感器的避障小車的設計。由于普通的紅外發(fā)射管具有漫反射效應，信息的接收會受到接收管的影響。將其應用于快速避障車控制系統(tǒng)中，障礙物識別誤差較大。利用接受一體化的激光測距傳感器來采集前方路況信息，可以克服接受之間的相互干擾。我設計了一種智能避障小車控制系統(tǒng)。根據(jù)激光紅外傳感器對前方障礙物進行識別，完成導航車輛的自主避障。建立系統(tǒng)模型后，汽車可以根據(jù)激光紅外傳感器所采集的信息進行快速處理。該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，達到了預期的識別效果。關鍵詞：傳感器；避障；激光測距；單片機前言隨著汽車工業(yè)的快速成長，關于汽車的鉆研也愈來愈受人們的存眷。智能避障車的提出給汽車工業(yè)帶來了機遇和挑戰(zhàn)[1]。未來汽車的智能化必將是發(fā)展的新趨勢，在這樣的背景下，我們開展了基于光電傳感器的智能避障小車的研究。近幾年光電傳感器這項應用技術在小車上被普遍利用，但是光電管發(fā)射功率和其它管間相互干擾致使避障小車在進行路徑識別時產(chǎn)生錯誤，從而影響行駛。目前一些汽車在行駛過程當中識別、躲避障礙物的方式基本上是都是采用攝像頭收集前方路況信息[2]。這種方式旌旗燈號不僅收集的慢、而且容易受外界環(huán)境干擾，影響小車正常行駛。一旦信號燈處于中止狀態(tài)，就會導致小車在行駛中不能實時有效地躲開前方的障礙物，發(fā)生車禍。但是如果為了有效地避開道路前方的障礙物，小車就需要降低車速，這樣的話小車的行駛效率就會大大降低，影響人們出行時間[3]。為了解決上面的問題，本論文提出了基于紅外光傳感器避障小車控制系統(tǒng)，傳感器的應用發(fā)展迅速使傳感技術不斷增強，應用領域拓寬，傳感器種類更是逐漸增多，其中光電傳感器發(fā)展最為迅速，作為新興技術之一的光電傳感器，在技術發(fā)達的國家更是投入大量人力物力以及技術資源。對射型光電傳感器憑借著簡單可靠、經(jīng)濟實惠等優(yōu)點迅速的成為應用最廣的一類。針對一種基于光電傳感器、單片機的避障車，通過電路的介紹、調試、算法的詳細描述，避障車通過傳感器感知外部環(huán)境和自身狀態(tài)，在復雜環(huán)境中自主運動，紅外傳感器以其獨特的特性而受到青睞。采用兩個紅外傳感器進行定位，使車輛能夠順利到達指定位置。智能避障汽車系統(tǒng)涉及到計算機控制技術、路徑識別、傳感技術、電子設計、程序設計、機械設計等學科，設計這個智能避障小車不僅可以考察我的整體知識體系，還鍛煉了我的動手能力。我們設計的這個小車采用的是STC89C52芯片為主要核心，它不僅功耗低，與標準的51系列單片機相比具有運算速度快、抗干擾能力強的優(yōu)點，這些優(yōu)點對于我們研究避障小車來說具有不同尋常的意義，它不僅能給人們的交通帶來變化，而且也為汽車的自主導航系統(tǒng)提供重要的技術。第1章光電傳感器的原理及應用1.1光電傳感器的原理光電傳感器是一種以光電元件為檢測元件的傳感器。其工作過程是將被測的變化轉化為光信號的變化，再通過光電元件將光信號進一步轉化為電信號。光電傳感器的工作原理是光電效應。依據(jù)單位時間內通過某一面積的光的量對光電元件影響的不同原理，研制出了各種不同的光學測控系統(tǒng)。根據(jù)光電元件的輸出特性不同，傳感器可以分為模擬光電傳感器和脈沖光電傳感器兩大類。根據(jù)測量方法的不同可分為透射式、漫反射式和遮光式三種:一：透射式。是指將被測物體置于光路中，光源發(fā)出的光能通過被測物體，部分光能被吸收，然后透射的光照射在光電元件上，所以又稱為吸收式。二：漫反射式。是指光源發(fā)出的光投射到被測物體上，然后從被測物體表面反射并照射到光電元件上[5]。三：遮光式。是指當光源發(fā)出的光通過被測物體時，一部分光會被覆蓋，從而使投射在光電元件上的光通量發(fā)生變化。光通量的變化程度與被測物體在光路中的位置有關[6]。光電二極管是市場上比較常見的光電傳感器類型。光電二極管和常規(guī)的二極管結構上基本相似，都有一個PN結，但是為了能更好地增加入射光的吸收面積，光電二極管在制作與設計時PN結的面積往往需要大一些。光電二極管反向偏置動作，并且與負載電阻串聯(lián)在一起。當沒有光照時，光電二極管具有與普通二極管具有相同的反向電流。反向電流會非常小，我們管這樣的電流叫暗電流；當有光照時，反向電流會馬上增大，生成光電流。光電流的大小與光照強度是成正比的關系。1.2幾種常見的光電傳感器1.2.1槽型光電傳感器本發(fā)明涉及一種溝槽光電器件，是把一個光發(fā)射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側組成槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光和可見光，在光發(fā)射器和接收器之間沒有任何物體的情況下光接收器能收到光，光電開關不工作，但是當有物體從槽中通過時，光會被遮擋，光接收器接收不到光，光電開關便會工作，發(fā)出一個切斷控制開關信號，從而完成一次控制動作。槽形開關的檢測距離受整體結構的限制一般只有幾厘米。但它的響應速度快，能很好地檢測出物體的位置，在生產(chǎn)加工中得到了廣泛的應用。圖1-1槽型光電傳感器實物圖1.2.2對射型光電傳感器如果把發(fā)光器和收光器分開，則可以增加檢測范圍。由發(fā)光器和收光器組成的開關稱為光電開關。它檢測的距離最大可以達到幾十米。使用時把發(fā)光器和收光器分別放在檢測物體通過路徑的兩邊，檢測物通過時阻擋光，收光器接收不到光就會控制開關動作。圖1-2對射型光電傳感器實物圖1.2.3反射式光電傳感器配有光源和光接收裝置。光源發(fā)出的光被被測物體反射后，由光敏元件接收，再經(jīng)相關電路處理，獲得所需信息。它可以檢測到路面上的光、影和顏色的變化，也可以檢測到是否有物體接近。圖1-3反射式光電傳感器實物圖1.3光電傳感器的應用1.3.1光電傳感器在變電站通信控制系統(tǒng)中的應用光電傳感器作為一種新型的電壓電流檢測裝置，具有絕緣強度高、抗干擾能力強、頻帶寬、動態(tài)范圍大、體積小、重量輕、成本低等一系列優(yōu)點。光電傳感器經(jīng)歷了原理研究、實驗樣機和現(xiàn)場運行等階段。目前國外已經(jīng)有一些實用的產(chǎn)品投放市場，但要得到大規(guī)模應用還有一段路要走。國內變電站自動化系統(tǒng)的水平也不盡相同，通信控制系統(tǒng)是變電站自動化系統(tǒng)的重要組成部分，其技術水平直接關系到變電站自動化系統(tǒng)的性能。但隨著光電傳感器在變電站上的應用，變電站通信控制系統(tǒng)的完善將跨越一大步，大幅度提高了自動化的應用水平[7]。1.3.2光電傳感器在生活中的應用光電開關不但可以作為計數(shù)器對產(chǎn)物的數(shù)量進行計數(shù)，還可以在傳感器后端加一個計數(shù)器來檢測器件是否到位[8]。在生活中還能應用到煙霧報警器、火焰探測報警器、條形碼掃描筆等許多物品[9]。1.4光電傳感器的優(yōu)缺點1.4.1光電傳感器的優(yōu)點一：探測距離長。市場上大多數(shù)的傳感器的探測距離都不遠。新型光電傳感器在對向式中能夠保持10m以上的探測距離，可實現(xiàn)其它探測手段。二：對物體的探測幾乎無限制。光電傳感器是基于探測物體產(chǎn)生的陰影和反射的探測原理，它可以探測幾乎所有的物體，如玻璃、塑料、液體等，不像接近傳感器將探測物體限制在金屬上。三：響應時間短。因為光的傳播速度非?？?，基于光傳播速度的光電傳感器的響應時間一定非常短，光電傳感器的電路由電子部組成，不包括任何機械工作的時間。四：可以實現(xiàn)色彩的分辨。光電傳感器檢測物體形成的光的反射率和吸收率，這些反射率和吸收率根據(jù)投射光的波長和被檢測物體的顏色組合而變化[10]。利用此屬性，可以檢測物體的色彩。1.4.2光電傳感器的缺點一：環(huán)境適應性較差，激光光源可以略有提高，但也有局限性。二：如果不在密封的環(huán)境中使用，很容易被污染和失效。第2章避障小車模塊選擇2.1傳感器模塊紅外光電傳感器是一種集發(fā)射和接收于一體的光電傳感器，其有效探測距離控制在3~80cm范圍內可調，它易于組裝和使用。能在陽光下正常工作(理論上應避免陽光直射和強光源)。由于它體積小、精度高、響應速度快。被應用于小車的避障。圖2-1紅外傳感器圖2.2穩(wěn)壓電源模塊電機驅動電源、單片機和外圍電路電源采用5V按鈕電池。兩個電源分開，完全消除電機驅動引起的干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但它并不像單一電源那樣方便靈活。本設計使用的L298N電機驅動電路板可以提供+5V，可以給5V單片機供電[11]。L298N電機驅動電路板電源大于6V時，才能輸出+5V電壓?？紤]本次設計采用的直流電機為高磁電機，線路電壓較大，所以選用7.2V鎳鎘充電電池組作為電源。圖2-1電源系統(tǒng)框圖2.3電機驅動模塊小車最重要的功能是它可以在地面上自由靈活地移動，小車的整體動力來自于電機，本論文選用直流電機作為小車的驅動，選擇L293D芯片作為驅動控制芯片，它是利用H橋路驅動電機的，而H橋路驅動器能夠在電機上正向和反向上對繞組供電。L293D電機驅動芯片是一種集成四通道高壓大電流芯片[12]。輸出電壓可由電源直接調節(jié)。它可以直接利用單片機的IO口提供信號，并且電路簡單，使用方便。圖2-2L293D電機驅動原理圖[12]2.4避障模塊智能避障小車運行在復雜環(huán)境中時難免會遇到障礙物，如何在碰到障礙前探測到并有效進行躲避，將是本文研究的重點，紅外光電傳感器利用發(fā)射器發(fā)射調制后的紅外光束，經(jīng)紅外接收后確定前方物體。當前方兩側都沒有障礙物時，輪子都向前轉，則小車向“前方”前進。當左前方有障礙物時，左邊紅外光電傳感器檢測到障礙物，右邊的輪子反轉，即方向轉向了障礙物的右邊，從而避開了左邊的障礙物，左邊紅外傳感器不再碰檢測障礙物，兩個輪子都正轉，小車向新的沒有障礙物的“前方”直線前進。當右前方有障礙物，和左前方相反直到右邊紅外光電傳感器不再檢測到障礙物，小車繼續(xù)向新的沒有障礙物的“前方”直線前進。當正前方有障礙物，左右兩邊的紅外傳感器都會檢測到障礙物，控制左右兩邊的輪子都反轉，則智能避障小車向“正后方”倒退，從而避開障礙物。2.5報警模塊報警模塊通過單片機給出頻率的高低電平，并利用蜂鳴器發(fā)出不同響度的聲音。報警模塊的電路圖主要由三極管來驅動[8]。由于單片機的IO口驅動沒有能力使蜂鳴器發(fā)出聲響，三極管可以通過驅動電流放大使蜂鳴器的聲響。三極管采用PNP型。當輸出處于低電平時，三極管處于導通狀態(tài)，集電極電流通過蜂鳴器使蜂鳴器發(fā)出聲音。當輸出高電平時，三極管關閉，電流無法通過蜂鳴器，蜂鳴器不發(fā)出聲響。圖2-3報警模塊電路圖2.6控制模塊在智能車輛控制系統(tǒng)中，采取了STC89C52作為智能車輛控制模塊的核心。它是一種超低功耗的單片機。與標準51系列單片機相比，具有運算速度快、抗干擾能力強、支持ISP在線編程等優(yōu)點。它包括8K空間閃存只讀存儲器、32個I/O端口和3個16位可編程定時計數(shù)器。與之前的8051系列單片機指令系統(tǒng)兼容，降低了系統(tǒng)軟件設計的難度。電路設計簡略，價格低廉，在應用過程中，它的精度和速度完全滿足我們需要設計系統(tǒng)的要求。所以選用STC89C52單片機為整個系統(tǒng)的控制核心。第3章系統(tǒng)設計及調試3.1系統(tǒng)電路設計系統(tǒng)包含傳感器模塊、穩(wěn)壓電源模塊、電機驅動模塊、避障模塊、報警模塊、控制模塊。紅外傳感器采集前方道路信息，STC89C52對數(shù)據(jù)進行處理，控制轉向電機驅動模塊控制小車的行駛[13]。3.2系統(tǒng)組成圖3-1系統(tǒng)組成框圖3.3系統(tǒng)軟件流程 圖3-2系統(tǒng)軟件的整體流程圖3.4電路調試按照電路原理圖進行電路檢查，看電路的連接是否正確，需要特別注意的是電機正負極不要接反。給小車按上電池然后打開開關，檢查電機的正負極是否是正確的：1、打開開關后，前方?jīng)]有障礙物時，電機都是往前轉動的；2、左邊紅外光電傳感器檢測到障礙物，則右邊的電機反轉；3、右邊紅外光電傳感器檢測到障礙物，則左邊的電機反轉；4、兩個紅外光電傳感器都檢測到障礙物，則電機都反轉。如果發(fā)現(xiàn)哪個電機的轉向與預期的相反了，則只要把該電機的兩根電極線調換過來即可。若小車在原地轉圈，說明其中一個電機的電源接反了，把其中一個電機的兩根電極線調換過來就可以了；如果小車是沿直線后退，則說明兩個電機的正負極都接反了，則同時把兩個電機各自的兩根電極線都調換過來。3.5電機調試由于電機的電源電壓為9V，而電機的額定電壓為6V，因此電機旋轉的PWM值可以在5%-65%之