智能巡线小车的设计方案Word格式.docx

智能巡线小车的设计方案Word格式.docx

《智能巡线小车的设计方案Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能巡线小车的设计方案Word格式.docx（51页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线

相当给机器人一个视觉功能。

避障控制系统是基于自动导引小车（AVG—auto-guidevehicle）系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线。

使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。

该智能小车可以作为机器人的典型代表。

它可以分为三大组成部分：

传感器检测部

分、执行部分、CPU。

机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引

线和障碍物。

可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动

躲避。

基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗

略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器

来充当。

智能小车的执行部分，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速

度。

单片机驱动直流电机一般有两种方案：

第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM

功能的单片机，这样可以实现精确调速；

第二，可以由软件模拟PWM输出调制，需要占

用单片机资源，难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大。

考虑到实际情况，本文

选择第二种方案。

CPU使用STC89C52单片机，配合软件编程实现。

1.2智能小车的现状

现智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。

其基本可实现循迹、

避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能，这几届的电子设计大赛智能小车又在向

声控系统发展。

比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。

我此次的设计主要实现循

迹、检测铁片、显示小车行走时间这三个功能。

1.3论文各部分的主要容

第1章对智能循迹小车意义和作用，现状进行简单阐述。

第2章介绍了该智能循迹小车系设计方案比较和选择，分析了各模块的功能。

第3章阐述了智能小车系统的硬件电路的设计，其中包括电源模块、路面检测模块、单片机最小系统、电机驱动模块，以及一些辅助电路。

第4章首先介绍了该系统的软件编程，以及程序调试过程中所用到的程序调试软件及其调试环境。

最后总结部分说明了本论的主要容，举出了在系统测试过程中所发现的问题，并提

出了可能的解决方案。

2方案论证与选择

2.1任务

设计一个基于单片机控制的自动寻迹小车，使小车能够自动检测地面黑色轨迹，并

沿着黑色车轨迹行驶。

系统方案方框图如图2.1所示

检测黑线软件控制驱动电机控制小车

图2.1小车工作原理框图

设计要求：

基本要求：

实现小车的自动循迹，能前进、左转弯、右转弯、后退，检测沿途的铁

片并显示铁片数目跟小车行走时间。

（按照程序预设）；

扩展部分：

实现小车的避障功能（如时间充足）；

主要的设计容:

1：

电源模块的设计。

2：

路面检测模块的设计。

3：

单片机最小系统的设计。

4：

电机驱动模块的设计。

2.2电源模块的设计

方案1：

采用单电源供电，通过单电源同时对单片机和直流电机进行供电，此方案

的优点是，减少机身的重量，操作简单，其缺点是，这样会使单片机的波动变大，影响

单片机的性能，稳定性比较弱。

方案2：

采用双电源供电，通过两个独立的电源分别对单片机和直流电机进行供电，

此方案的优点是，减少波动，稳定性比较好，可以让小车更好的运作起来，唯一的缺点

就是会增加小车的重量。

综合以上的优缺点，本设计决定采用第二种方案。

2.3路面检测模块的设计

2.3.1传感器类型选择

循迹模块对于智能巡线小车来说就像来说有如人的眼睛对于人，是提供给小车的“眼睛”，此类光电传感器可以分为：

可见光传感器、红外传感器、紫外线传感器等（此处不考虑光电耦合器件和位置敏感器件，由于它们占用太多的MCU资源，用起来不方便）。

可见光传感器是基于可见光源的传感器，它结构简单、设计成熟，但是它工作在可见光波段，容易被外界干扰。

红外光传感器。

红外线是波长为830nm～950nm的电磁波，自然环境物理在该波段的辐射量是很微弱的，所以红外反射式传感器受外界干扰较小，可靠性高。

设计技术成熟，应用广泛。

方案3：

紫外线传感器。

在自然环境下该类传感器很难受干扰，可靠性高，但是它

价格昂贵。

所以我们最终选择方案二，即红外光传感器作为传感器检测模块的基本器件。

2.3.2红外传感器方案

循迹主要是检测路面情况，利用光的反射原理，当光线照射在白在线，反射量比较大，反之，照在黑在线，由于黑色对光的吸收，反射回来的量比较少，这样就可以判断黑带轨道的走向。

为此我们产生以下三种方案。

用光敏电阻组成光敏探测器。

光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。

当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。

因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。

将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。

但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。

因此我们考虑其它更加稳定的方案。

用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。

红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。

这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此我们放弃了这个方案。

采用TCRT50000光电传感器，该传感器模块是基于TCRT5000红外光电传感器设计的一款红外反射式光电开关，传感器采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，输出的信号经施密特电路整形，稳定可靠。

2.3.3电压比较器选择

市场上可以做电压比较器的运放，实在是太多，根据实验室现有条件以及器件选择

经济并且能满足使用要求的原则，本次电压比较器选择实验室现有的LM324，此器件价

格便宜，并且带有真差动输入的四运算放大器。

2.4控制电机方案比较

采用步进电机作为该系统的驱动电机。

由于其转过的角度可以精确的定位，

可以实现小车前进路程和位置的精确定位。

虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的

输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适

用于小车等有一定速度要求的系统。

经综合比较考虑，我们放弃了此方案。

采用小型直流减速电机。

直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装

配简单，使用方便。

由于其部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，

可以产生较大扭力。

为了能够较好的满足系统的要求，我们选择了方案2。

2.5电机驱动方案的比较

采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。

采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。

但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。

更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。

采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。

线性型驱动的电路

结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的H型桥式电路（如图2.1a）。

用

单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。

这种

电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型桥式电路保证了简单的实现

转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM

调速技术。

现市面上有很多此种芯片，我选用了L298N（如图2.1b）。

这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速围广、超载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。

因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。

aH型桥式电路bL298N实物图

图2.1

2.6主控制芯片选择

可以采用ARM为系统的控制器，优点是该系统功能强大，片上外设集成度

搞密度高，提高了稳定性，系统的处理速度也很高，适合作为大规模实时系统的控制核

心。

选用51系列的单片机，AT89S52单片机算术运算功能强，软件编程灵活、

自由度大，功耗低、体积小、技术成熟，成本也比ARM低。

根据自己的知识能力，实验室现有条件，选用STC89C52RC单片机作为本次毕业设计

的主控芯片，而且此芯片烧程序也不需要专用的下载器，另一方面节省了成本，只要安

装USB转串口驱动，在普通的计算机上就可以烧写程序，很方便。

2.7本章小结

经过积极论证，最后采用以STC89C52单片机为控制核心，黑白线信号经过TCRT5000输出高低电压信号，再经过LM324电压比较器输出给单片机标准TTL电平信号，而单片机根据输入口高低电平的变化来执行相对应指令，使小车达到稳定的行驶。

3硬件电路的设计

3.1总体设计

智能小车采用前轮驱动，后轮左右两边各用一个直流电机驱动，调制前面两个轮子

的转速起停从而达到控制转向的目的，前轮是万象轮，起支撑的作用。

将循迹光电对管

分别装在车体下的左中右，分别检测来自路面的信息，比如当只有左边的传感器检测到

黑线的时候（即对应的输出是高电平的时候），通过主控制器控制左边的电机速度慢一

点，同时右边的速度快一点，就可以完成小车的转弯，为了使小车平稳的过渡弯道，可

以将相应的电机的占空比调节围小一点，这样可以避免急转弯，对小车的稳定行驶也有

作用的。

路面检测电路

复位电路

图3.1硬件总体电路框图

STC89C52

3.2单片机最小系统

时钟电路电机驱动电路

此次设计所用的STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器

（FPEROM-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能

COMOS8的微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL搞密度非易失存制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

图3.2STC89C52单片机

3.2.1时钟电路

STC89C52部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1