測(cè)障測(cè)角智能電動(dòng)小車設(shè)計(jì)資料含單片機(jī)源碼+仿真圖+論文

ID:250660 · 發(fā)表于 2018-8-7 15:00

《智能電動(dòng)小車》

摘要：本課題組設(shè)計(jì)制作了一款具有智能判斷功能的小車，功能強(qiáng)大。小車具有以下幾個(gè)功能：自動(dòng)避障功能；尋跡功能（按路面的黑色軌道行駛）；趨光功能（尋找前方的點(diǎn)光源并行駛到位）；檢測(cè)路面所放置的鐵片的個(gè)數(shù)的功能；計(jì)算并顯示所走的路程和行走的時(shí)間，并可發(fā)聲發(fā)光。作品可以作為高級(jí)智能玩具，也可以作為大學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式控制的強(qiáng)有力的應(yīng)用實(shí)例。
作品以兩電動(dòng)機(jī)為主驅(qū)動(dòng)，通過(guò)各類傳感器件來(lái)采集各類信息，送入主控單元AT89S52單片機(jī)，處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)動(dòng)作，以達(dá)到自身控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用高電壓，高電流，四通道驅(qū)動(dòng)集成芯片L293D。其中避障采用紅外線收發(fā)來(lái)完成；鐵片檢測(cè)部分采用電感式接近開關(guān)LJ18A3-8-Z/BX檢測(cè)；黑帶檢測(cè)采用紅外線接收二極管完成；趨光部分通過(guò)3路光敏二極管對(duì)光源信號(hào)的采集，再經(jīng)過(guò)ADC0809轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送單片機(jī)處理判別方向。由控制單元處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人控制即可完成一系列動(dòng)作，相當(dāng)于簡(jiǎn)易機(jī)器人。
關(guān)鍵字：智能控制蔽障  紅外線收發(fā)  尋跡行駛  趨光行駛
1．總體方案論證與比較
   方案一：采用各類數(shù)字電路來(lái)組成小車的控制系統(tǒng)，對(duì)外圍避障信號(hào)，黑帶檢測(cè)信號(hào)，鐵片檢測(cè)信號(hào)，各路趨光信號(hào)進(jìn)行處理。本方案電路復(fù)雜，靈活性不高，效率低，不利于小車智能化的擴(kuò)展，對(duì)各路信號(hào)處理比較困難。
   方案二：采用ATM89S52單片機(jī)來(lái)作為整機(jī)的控制單元。紅外線探頭采用市面上通用的發(fā)射管與及接收頭，經(jīng)過(guò)單片機(jī)調(diào)制后發(fā)射。鐵片檢測(cè)采用電感式接近開關(guān)LJ18A3-8-Z/BX檢測(cè)，黑帶采用光敏二極管對(duì)光源信號(hào)采集，再經(jīng)過(guò)ADC0809轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)系統(tǒng)處理。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來(lái)解決復(fù)雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)潔化，各類功能易于實(shí)現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求。
   比較以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案二簡(jiǎn)潔、靈活、可擴(kuò)展性好，能達(dá)到題目的設(shè)計(jì)要求，因此采用方案二來(lái)實(shí)現(xiàn)。方案二的基本原理如圖1所示。

                                                圖1  智能車運(yùn)行基本原理圖框圖

   避障部分采用紅外線發(fā)射和接受原理。鐵片檢測(cè)采用電感式接近開關(guān)LJ18A3-8-Z/BX檢測(cè)，產(chǎn)生的高低電平信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，完成相應(yīng)的記錄數(shù)目，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。黑帶尋跡依*安裝在車底部左右兩個(gè)光敏二極管對(duì)管來(lái)對(duì)地面反射光感應(yīng)。尋光設(shè)計(jì)在小車前端安裝3路（左、中、右）光敏電阻對(duì)光源信號(hào)采集，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC0809轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送到MCU處理。記程通過(guò)在車輪上安裝小磁塊，再用霍爾管感應(yīng)產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖。記時(shí)由軟件實(shí)現(xiàn)，顯示采用普通七段LED。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來(lái)解決復(fù)雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)潔化，各類功能易于實(shí)現(xiàn)。

2．模塊電路設(shè)計(jì)與比較
1) 避障方案選擇
   方案一：采用超聲波避障，超聲波受環(huán)境影響較大，電路復(fù)雜，而且地面對(duì)超聲波的反射，會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)障礙物的判斷。
   方案二：采用紅外線避障，利用單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生38KHz信號(hào)對(duì)紅外線發(fā)射管進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，發(fā)射出去的紅外線遇到避障物的時(shí)候反射回來(lái)，紅外線接收管對(duì)反射回來(lái)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，輸出TTL電平。外界對(duì)紅外信號(hào)的干擾比較小，且易于實(shí)現(xiàn)，價(jià)格也比較便宜，故采用方案二。
   紅外線發(fā)射接受電路原理圖如圖2所示。
   采用紅外線避障方法，利用一管發(fā)射另一管接收，接收管對(duì)外界紅外線的接收強(qiáng)弱來(lái)判斷障礙物的遠(yuǎn)近，由于紅外線受外界可見(jiàn)光的影響較大，因此用250Hz的信號(hào)對(duì)38KHz的載波進(jìn)行調(diào)制，這樣減少外界的一些干擾。接收管輸出TTL電平，有利于單片機(jī)對(duì)信號(hào)的處理。采用紅外線發(fā)射與接收原理。利用單片機(jī)產(chǎn)生38KHz信號(hào)對(duì)紅外線發(fā)射管進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，發(fā)射距離遠(yuǎn)近由RW調(diào)節(jié)，本設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)為10CM左右。發(fā)射出去的紅外線遇到避障物的時(shí)候反射回來(lái)，紅外線接收管對(duì)反射回來(lái)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，輸出TTL電平。利用單片機(jī)的中斷系統(tǒng)，在遇障礙物時(shí)控制電機(jī)并使小車轉(zhuǎn)彎。由于只采用了一組紅外線收發(fā)對(duì)管，在避障轉(zhuǎn)彎方向上，程序采用遇障礙物往左拐方式。如果要求小車正確判斷左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，需在小車側(cè)邊加多一組對(duì)管。外界對(duì)紅外信號(hào)的干擾比較小，性價(jià)比高。。調(diào)試時(shí)主要是調(diào)制發(fā)射頻率為接收頭能接收的頻率，采用單片機(jī)程序解決。發(fā)射信號(hào)強(qiáng)弱的調(diào)節(jié)，由可調(diào)精密電阻調(diào)節(jié)。

                                                   圖2  紅外線發(fā)射接受電路原理圖

2）檢測(cè)鐵片方案選擇
   方案一：采用電渦流原理自制的傳感器，取才方便，但難以調(diào)試，輸出信號(hào)也不可*，成功率比較低，難以準(zhǔn)確輸出傳感信息。
   方案二：采用市面易購(gòu)的電感式接近開關(guān)，本系統(tǒng)采用市面比較通用LJ18A3-8-Z/BX來(lái)完成鐵片檢測(cè)的任務(wù)。雖然電感式接近開關(guān)占的體積大，對(duì)本是可以接受，且輸出信號(hào)較可*，穩(wěn)定性好，受外界的干擾小，故采用方案二。
   檢測(cè)鐵片電路原理圖如圖3所示。

                                                      圖3  檢測(cè)鐵片電路原理圖

3)聲音提示
   方案一：采用單片機(jī)產(chǎn)生不同的頻率信號(hào)來(lái)完成聲音提示，此方案能完成聲音提示功能，給人以提示的可懂性比較差，但在一定程度上能滿足要求，而且易于實(shí)現(xiàn)，成本也不高，我們出自經(jīng)費(fèi)方面考慮，采用方案一。
   方案二：采用DS1420可分段錄放音模塊，能夠給人以直觀的提示，但DS1420錄放音模塊價(jià)格比較高，也可以采用此方案來(lái)處理，但方案二性價(jià)比不如方案一。
4)黑帶檢測(cè)方案選擇
   方案一：采用發(fā)光二極管發(fā)光，用光敏二極管接收。由于光敏二極管受可見(jiàn)光的影響較大，穩(wěn)定性差。
   方案二：利用紅外線發(fā)射管發(fā)射紅外線，紅外線二極管進(jìn)行接收。采用紅外線發(fā)射，外面可見(jiàn)光對(duì)接收信號(hào)的影響較小，再用射極輸出器對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離。本方案也易于實(shí)現(xiàn)，比較可*，因此采用方案二。黑帶檢測(cè)電路圖如圖4所示。
   輸出信號(hào)進(jìn)入74LS02。穩(wěn)定性能得到提升。當(dāng)小車低部的某邊紅外線收發(fā)對(duì)管遇到黑帶時(shí)輸入電平為高電平，反之為低電平。結(jié)合中斷查詢方式，通過(guò)程序控制小車往哪個(gè)方向行走。電路中的可調(diào)電阻可調(diào)節(jié)靈敏度，以滿足小車在不同光度的環(huán)境光中能夠?qū)ほE。由于接收對(duì)管裝在車底，發(fā)射距離的遠(yuǎn)近較難控制，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，發(fā)現(xiàn)靈敏度總是不盡人意，最后采用在對(duì)管上套一塑料管，屏蔽外界光的影響，靈敏度大幅提升。再是轉(zhuǎn)彎的時(shí)間延遲短長(zhǎng)控制。

                                                         圖4 黑帶檢測(cè)電路圖
3)計(jì)量路程方案
   方案一：利用紅外線對(duì)射方式，在小車的車輪開一些透光孔來(lái)計(jì)量車輪轉(zhuǎn)過(guò)圈數(shù)，從而間接地測(cè)量路程。
   方案二：利用霍爾元件來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)過(guò)的車輪圈數(shù)來(lái)計(jì)程，在車輪子上裝小磁片，霍爾元件*近磁片一次計(jì)程為車輪周長(zhǎng)。此方案?jìng)鞲械男盘?hào)強(qiáng)，電路簡(jiǎn)單，但精度不高。
   如果想達(dá)到一定的計(jì)量精度，用霍爾傳感元件比較難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵谲囕喩涎b一定量的小磁片會(huì)相互影響，而利用紅外線對(duì)射方式不會(huì)影響各自的脈沖，可達(dá)到厘米的精度，因此采用方案一來(lái)實(shí)現(xiàn)。計(jì)量路程示意圖見(jiàn)圖5。
   通過(guò)計(jì)算車輪的轉(zhuǎn)數(shù)間接測(cè)量距離，利用了霍爾元件感應(yīng)磁塊產(chǎn)生脈沖的原理，再對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。另可采用紅外線原理提高記程精度，其方法為在車輪均勻打上透光小孔，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，紅外光透射過(guò)去，不斷地輸出脈沖，通過(guò)單片機(jī)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，再經(jīng)過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程，這樣就可把小車走過(guò)的距離計(jì)算出來(lái)，小孔越多，計(jì)數(shù)越精密。

圖 5 計(jì)量路程示意圖

3)智能車驅(qū)動(dòng)電路
方案一：采用分立元件組成的平衡式驅(qū)動(dòng)電路，這種電路可以由單片機(jī)直接對(duì)其進(jìn)行*作，但由于分立元件占用的空間比較大，還要配上兩個(gè)繼電器，考慮到小車的空間問(wèn)題，此方案不夠理想。
方案二：因?yàn)樾≤囯姍C(jī)裝有減速齒輪組，考慮不需調(diào)速功能，采用市面易購(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D，該芯片是利用TTL電平進(jìn)行控制，對(duì)電機(jī)的*作方便，通過(guò)改變芯片控制端的輸入電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)*作，很方便單片機(jī)的*作，亦能滿足直流減速電機(jī)的要求。智能車驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)如圖6所示。

圖6 智能車驅(qū)動(dòng)電路

   小車電機(jī)為直流減速電機(jī)，帶有齒輪組，考慮不需調(diào)速功能，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D。L293D是著名的SGS公司的產(chǎn)品。為單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)用來(lái)接收DTL或者TTL邏輯電平，驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載(比如繼電器，直流和步進(jìn)馬達(dá))，和開關(guān)電源晶體管。內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。其額定工作電流為1A，最大可達(dá)1.5A，Vss電壓最小4.5V，最大可達(dá)36V；Vs電壓最大值也是36V，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，Vs電壓應(yīng)該比Vss電壓高，否則有時(shí)會(huì)出現(xiàn)失控現(xiàn)象。表1是其使能、輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系。
                                             表1  引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系

                           EN A（B）    IN1（IN3）       IN2（IN4）       電機(jī)運(yùn)行情況
                           H             H                L                正轉(zhuǎn)
                           H             L                H                反轉(zhuǎn)
                           H             同IN2（IN4）    同IN1（IN3）       快速停止
                           L             X                X                停止

   L293D可直接的對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，無(wú)須隔離電路。通過(guò)單片機(jī)的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，停止的*作，非常方便，亦能滿足直流減速電機(jī)的大電流要求。調(diào)試時(shí)在依照上表，用程序輸入對(duì)應(yīng)的碼值，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，調(diào)試通過(guò)。
3) 尋找光源功能
   方案一：在小車前面裝上幾個(gè)光電開關(guān)，通過(guò)不同方向射來(lái)的光使光電開關(guān)工作，從而對(duì)小車行駛方向進(jìn)行控制，根據(jù)光電開關(guān)特性，只有當(dāng)光達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)才能夠?qū)�，因此帶有一定的局限性�?br />    方案二：在小車前面裝上參數(shù)一致的光敏二極管或者光敏電阻，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入單片機(jī)，單片機(jī)再對(duì)讀入的幾路數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、比較，然后發(fā)出命令對(duì)外圍進(jìn)*作。對(duì)方案一、二進(jìn)行比較，方案二硬件稍為復(fù)雜，但能夠?qū)Σ煌瑥?qiáng)度的光進(jìn)行采集以及比較，*作靈活，所以采用方案二。
   尋找光源電路圖如圖7所示。

圖7 尋找光源電路圖

3)顯示部分
方案一：采用LCD顯示，用單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)，但顯示亮度和字體大小在演示時(shí)不盡人意，價(jià)格也比較昂貴。
方案二：采用LED七段數(shù)碼管，采用經(jīng)典電路譯碼和驅(qū)動(dòng)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)I/O口的并用，顯示效果直觀，明亮，調(diào)試容易。故采用LED數(shù)碼管顯示。
4)顯示電路如圖8所示。

圖8 顯示電路

3. 系統(tǒng)原理及理論分析
1) 單片機(jī)最小系統(tǒng)組成
   單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)智能系統(tǒng)的核心部分，它對(duì)各路傳感信號(hào)的采集、處理、分析及對(duì)各部分整體調(diào)整。主要是組成是：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89S52、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809、小車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)芯片L293D、數(shù)碼管顯示的譯碼芯片74LS47、74LS138及各路的傳感器件。
2)避障原理
   采用紅外線避障方法，利用一管發(fā)射另一管接收，接收管對(duì)外界紅外線的接收強(qiáng)弱來(lái)判斷障礙物的遠(yuǎn)近，由于紅外線受外界可見(jiàn)光的影響較大，因此用250Hz的信號(hào)對(duì)38KHz的載波進(jìn)行調(diào)制，這樣減少外界的一些干擾。接收管輸出TTL電平，有利于單片機(jī)對(duì)信號(hào)的處理。
3)計(jì)程原理
   通過(guò)計(jì)算車輪的轉(zhuǎn)數(shù)間接測(cè)量距離，在車輪均勻打上透光小孔，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，紅外光透射過(guò)去，不斷地輸出脈沖，通過(guò)單片機(jī)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，再經(jīng)過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程，這樣就可把小車走過(guò)的距離計(jì)算出來(lái)。
4)黑帶檢測(cè)原理
   利用光的反射原理，當(dāng)光線照射在白紙上，反射量比較大，反之，照在黑色物體上，由于黑色對(duì)光的吸收，反射回去的量比較少，這樣就可以判斷黑帶軌道的走向。由于各路傳感器會(huì)對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生一定的干擾，使信號(hào)發(fā)生錯(cuò)誤。因此，采用一級(jí)射極輸出方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離，這樣系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的判斷就比較準(zhǔn)確。
4. 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
   用單片機(jī)定時(shí)器T0產(chǎn)生38KHz的方波，再用定時(shí)器T1產(chǎn)生250Hz的方波對(duì)38KHz方波進(jìn)行調(diào)制。為了提高小車反應(yīng)靈敏度，對(duì)紅外線接收信號(hào)及黑帶檢測(cè)信號(hào)都采用中斷法來(lái)處理。用定時(shí)方法對(duì)鐵片檢測(cè)、計(jì)量路程、倒車、拐彎及數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描進(jìn)行處理。
   主程序流程圖見(jiàn)圖9，各子程序圖見(jiàn)圖10、圖11、圖12。

圖9 主程序流程圖

圖 10 外部中斷0服務(wù)子程序

圖 11 外部中斷1服務(wù)子程序

圖12 定時(shí)器1中斷子程序

6．調(diào)試及性能分析
整機(jī)焊接完畢，首先對(duì)硬件進(jìn)行檢查聯(lián)線有無(wú)錯(cuò)誤，再逐步對(duì)各模塊進(jìn)行調(diào)試。首先寫入電機(jī)控制小程序，控制其正反轉(zhuǎn)，停機(jī)均正常。加入避障子程序，小車運(yùn)轉(zhuǎn)正常，調(diào)整靈敏度達(dá)最佳效果。加入顯示時(shí)間子程序，顯示正常。鐵片檢測(cè)依*接近開關(guān)，對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理并實(shí)時(shí)顯示和發(fā)出聲光信息，無(wú)異常狀況。路程顯示部分是對(duì)霍爾管脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，為了盡量達(dá)到精確，車輪加裝小磁片。接著對(duì)黑帶檢測(cè)模塊調(diào)試，發(fā)現(xiàn)有時(shí)小車會(huì)跑出黑帶，經(jīng)判斷是因?yàn)榧t外線收發(fā)對(duì)管靈敏度不高，調(diào)整靈敏度后仍然達(dá)不到滿意效果，疑是受環(huán)境光影響，利用塑料套包圍紅外線收發(fā)后問(wèn)題解決。趨光電路主要由三個(gè)光敏電阻構(gòu)成，調(diào)整三個(gè)光敏電阻的角度同時(shí)測(cè)試軟件，以最佳效果完成趨光功能。
整機(jī)綜合調(diào)試，上電后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，接著控制電機(jī)使小車向前行駛，突然發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)即刻進(jìn)入外部中斷1，重復(fù)多次測(cè)試，結(jié)果都是自動(dòng)進(jìn)入該中斷。推斷是由剛上電時(shí)電機(jī)起動(dòng)所引起，為了避免上電瞬間的影響，在啟動(dòng)小車后延時(shí)幾毫秒，再開外部中斷，結(jié)果問(wèn)題解決。允許的話應(yīng)采用雙電源供電，即電機(jī)和電路應(yīng)分開供電，L293D與單片機(jī)之間采用隔離信號(hào)控制。這樣就不會(huì)出現(xiàn)小車啟動(dòng)時(shí)程序出錯(cuò)和數(shù)碼管顯示閃動(dòng)的問(wèn)題。在計(jì)程精度上，可用紅外線原理獲得較高精度。
7．結(jié)論
通過(guò)各種方案的討論及嘗試，再經(jīng)過(guò)多次的整體軟硬件結(jié)合調(diào)試，不斷地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，智能小車能夠完成各項(xiàng)功能到達(dá)車庫(kù)。

仿真原理圖如下（proteus仿真工程文件可到本帖附件中下載）