避障车的详细设计方案Word格式文档下载.docx

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光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱来判断是否是黑线。

利用这个原理，可以控制小车行走的路迹。

下面几种可行的方案是根据本原理设计的：

方案一：

采用普通的发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案，如图1-1所示。

其工作原理：

当无光照时，光敏电阻呈现高阻状态，又分压公式可知，电阻R2无压降三极管截止，三极管的集电极输出高电平；

反之，当有光照的时候，光敏电阻接收到反射的光，其阻值下降，由分压公式，R2有压降三极管导通，输出低电平，利用高低电平可以判断控制小车的形程和方向。

本方案能达到基本的控制要求，但是它的缺点在于容易受到外界光线的干扰，不易于控制小车的行迹，损坏了信号采集的效果。

主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、材料的反射情况有关直接影响到检测效果。

1-1发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案

方案二：

脉冲调制的反射式红外发射接收器。

由于采用该有交流分量的调制信号，侧可大幅度减少外界干扰；

另外红外发射接收管的最大工作电流取决于平均电流。

如果采用占空比小的调制信号，再平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50~100mA），则大大提高了信噪比。

并且其反应灵敏，外围电路也很简单。

如图1-2所示。

它的优点是消除了外界光线的干扰提高了灵敏度，制作比较简单。

1-2脉冲调制的反射式红外发射接收方案

由以上两种方案比较可知。

方案二要比方案一优势大，市场上很多红外观点探头也都基于这个原理。

其电路简单，工作可靠，性能比较稳定。

从而避免了电路的复杂性，因此我先用方案二作为小车的监测系统。

2．电动机的选择

市场上用很多种类的小电压直流电动机，很方便的选择到。

主要有普通电动机、和步进电动机。

采用步进电机，步进电动机的一个显著的特点就是具有快速启动和停止能力，能够达到我们所要求的标准。

如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即是步进电机启动或反转。

其转换灵敏度比较高。

正转、反转控制灵活。

但是步进电机的价格比较昂贵，对于我们的现状相差太远。

采用普通的直流电机。

直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便。

调整范围广；

过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转。

能满足各种不容的特殊运行要求。

由于普通直流电机价格适宜，更易于购买，并且电路相对简单，因此建议采用直流电机作为动力源。

3．电动机驱动方案的选择

采用电路网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调整速度目的。

但是组织网络只能是先有极调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，且可能存在于干扰。

更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小丹电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。

采用继电器对电动机的开关控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。

这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易于损坏，寿命较短、可靠性小。

方案三：

采用四个大功率晶体管组成H桥式电路，四个大功率晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制使之工作在开关状态，进而控制电机的运行。

该控制电路由于四个大功率晶体管只工作在饱和与截止状态下，效率非常高，并且大功率晶体管开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的电路。

由以上三种方案，我们选择了四个大功率晶体管组成H桥式电路的293集成芯片如图1-3所示运用方便简单，软件也简单。

1-3L293集成芯片

4．障碍物探测方案的选择

脉冲调制的反射式红外线发射接受器。

由于采用该有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；

另外红外线接受官的最大工作电流取决于平均电流。

如果采用占空比小的调制信号，再品均电流不变的情况下，顺势电流很大（50~100mA），则大大提高了信噪比。

它的优点是消除了外界光线的干扰提高了灵敏度。

采用超声波传感器，如果传感器接收到反射的超声波，则通知单片机前方有障碍物，如则通知单片机可以向前行驶。

市场上很多红外光电探头也都是基于这个原理。

这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性

我们在这里采用的和寻迹传感器相同的电路，也就是第一种方案如图1-2所示。

因为第二种方案超声波传感器价格比较昂贵。

5．供电方案的选择

采用两个电源供电，将电动机驱动电源与电片机以及其周边电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。

这样可以使电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性，但是多一组电池，增加了小车的重量，同时也增加了小车的惯性，消弱因为电动机的控制性能，降低了灵敏度。

采用单一电源供电。

电源直接给电动机供电，因电动机起动瞬间电流较大，会造成电源电压波动，因而控制与检测部分电路通过集成稳压块供电，将电压稳定在一定数值范围内，以免有波动电压造成电路的损毁，其供电也比方案一简单。

我们在选用的时候，根据自己的经济情况采用了第二种方案，并且选取的是二手手机电池，作为供电电源。

我们用两节手机电池，输出8伏然后，经1117（如图1-4所示），稳压之后为总电路供电。

a）

b）

1-4a）A1117芯片实物图；

b）A1117构成的供电原理图

6．控制核心CPU的选择

方案一:

市场上流通很多种类的单片机，在一般性能上都可以达到要求，例如AT89C51、AT89C52等都可以用于控制小车，唯一缺点在于不能在线下载，造成了不便的烦恼，下载器，AT系列单片机价钱比较贵。

不利于小资本实验。

方案二:

STC系列单片机价钱容易接受，可以在线下载，下载器也比较容易购买到，方便携带应用。

例如，STC89C51其可以用于控制小车，性能功能上要比AT系列突出，因此，我选择了第二种方案，作为控制核心，以便控制小车。

如图1-5所示。

1-5 

STC89C51引脚图

通过以上各部分方案比较，我们选择STC89C51作为控制核心器件、脉冲调制的反射式红外发射接收器作为寻迹和蔽障器件、采用普通直流电机来驱动小车、采用四个大功率晶体管组成H桥式电路驱动直流电机、采用CA358E运算放大器作为传感器核心部件、采用单一电源供电为整个系统供电。

整个系统我们做了细心的比较、与现实情况相联系起来，最终选取的。

二、硬件设计

如下图1-6所示，是本次设计机器人的电路框图。

以STC89C51为电路的中央处理器，来处理传感器采集来的数据，处理完毕之后以便去控制电机驱动电路来驱动电机。

电源部分是为整个电路模块提供电源，以便能正常工作。

1-6机器人的电路框图

1．CPU中央处理器的设计

STC89C51是40脚的集成芯片如下图1-7所示。

可以在线下载，减少了插拔芯片的工作。

图1-7-1，是本芯片部分管脚的说明框图。

根据我们设计的电路的要求，为了保证芯片和电路能正常的工作，选择了12.0000MHz晶振，和两个30pF的电容作为中央处理理器的时间标准，这样就保证了正常的工作时序。

如图1-7-2所示。

本芯片的40和20脚分别是接五伏电源的正负极，在接入电源之前，40脚处并接了103和10微法的电容以保证电路能正常工作，防止从电源外界来的干扰，以免造成死机。

这样芯片就能正常地工作了。

为了便于下载另外外接了一个4芯的下载口如图1-7-2所示，下载口的1和2脚分别接于单片机的TXD和RXD管脚，下载口的3和4脚分别接正五伏和地。

本次设计，所用到芯片的管脚是P1和P2口，P1.0主要是为传感器发送脉冲调制信号，P1.1~P1.6控制电机驱动芯片293，P2.0~P2.3是接受从传感器发送来的信号。

P2.4是寻迹和蔽障的切换口。

具体内容请参照总的电路原理图（1-

主要功能是控制电机和传感器，处理从传感器发送来的信号。

1-7STC89C51引脚图，以及晶振连接图

1-7-1部分引脚说明

1-7-2单片机基本连接图

2．寻迹、避障检测设计与实现

工作原理

寻迹和避障所用的的传感器电路如下图1-8所示。

V1三极管的基极通过从单片机P1.0口发送的的脉冲调制信号，控制发光二极管发送信号。

当接收二极管D2接收到发送来的信号，立刻导通去给由C1、R6组成的微分电路充电，这样便给运算放大器同相端传输信号，运算放大器度信号进行放大后送入第二个运算放大器组成的比较器，进行调制电平以便单片机所能接受。

控制V3导通输出低电平让单片机处理信号并控制其它电路。

反之，无光照时，输出高电平。

对其进行调试时，可以通过，改变R2电阻的阻值来改变其灵敏度，或者改变R4、R5、R6、的阻值去控制传感器的灵敏度。

寻迹应用

当检测到黑线时，红外光敏二极管接收到反射回来红外光，其输出立即发生高低点平转换，该信号经放大器放大后送到单片机进行分析处理。

然后将处理后的结果发送到电机驱动模块，进行校正。

为了保证小车沿黑线行驶，采用了两个检测器进行并行排列，左右方向都可以进行控制，控制精度得以提高。

在小车行

走过程中，诺向左方向偏离黑线，则右侧的探头就会检测到黑线，把信号传送到单片机。

进行处理校正。

控制其向右转，反之，向左转。

避障的应用

避障与寻迹的设计原理是相同的，区别在于传感器的灵敏度不同，蔽障的灵敏度要比寻迹的灵敏度高，只要小车前方有障碍物，红外线通过障碍物反射到光敏管，传感器输出低点平，发送到单片机进行处理，然后单片机处理后去控制小车运行和方向。

1-8 

传感器电路图

传感器中的运放

我们在这里选择的是CA358E运算放大器，一般情况下可以运用到本次设计当中。

在性能上虽然比258运算放大器略有缺点。

但可以满足我们的要求。

如下图1-8-1所示。

CA358E简介

CA358E芯片是8脚DIP封装形式，有两组运算放大器组成，5伏供电如图1-8-1所示1脚是第一个运算放大器的输出端，2和3脚分别是第一个运算放大

1-8-1 

CA358E引脚图

器的反相输入和同相输入，第4脚是地线接口，5和6脚是第二个运算放大器的同相输入和反相输入，第7脚是第二个运算放大器的输出端，8脚是正5伏输入端。

3．电动机驱动电路设计与实现

293集成芯片由四大功率管组成H桥式电路。

是十六脚封装的直流电机驱动电路芯片，能够同时驱动两个直流电机。

图1-9-1是293的逻辑关系图表，根据1-9和1-9-1，我们可以使用293集成芯片了。

使用原理

293的使用非常简单，如图1-9所示，管脚1、2、7、9、10、15是用来控制电机动、停的关键，是由单片机的P1.1、P1