简易智能避障小车设计说明书文档格式.docx
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摘要：
本文对简易智能避障小车的设计过程进行了全面描述,包括主体设计方案、各模块的硬件电路设计描述以及单片机控制程序的编写。
以单片机STC89C52为主核心控制模块，根据红外感测模块传输的前方路面信息控制电机工作状态进而达到控制小车行驶走向的目的，涉及硬件和软件方面的设计开发。
系统要能够做到准确及时监测前方路面信息并传输给主控模块，做到根据前方路面信息及时调整小车的走向，达到躲避障碍物的智能行驶。
关键词：
小车，避障，单片机，红外发射接收，L293D
1前言
1.1设计背景
在科学探索及紧急抢险中经常要对一些危险或人类不能直接到达的地域进行探测，这就需要用机器人来完成。
而机器人在复杂地形行进时自动避障是一项必不可少也是最基本的功能。
因此，自动避障系统的研发就应运而生。
自动避障小车就是基于这一系统开发而成的。
随着科技的发展，对于未知空间和人类所不能直接到达的地域的探索逐步成为热门，这就使机器人自动避障功能的研发有了重大意义。
自动避障小车就是自动避障机器人中的一类。
自动避障小车可以作为地域探索机器人和紧急抢险机器人的运动系统，让机器人在行进中自动避过障碍物。
1.2设计目标
本设计是对以单片机STC89C52为核心的系统根据感测模块传输的前方路面信息控制小车行驶走向的软、硬件设计开发。
系统要能够做到准确及时监测前方路面信息并传输给主控模块，做到根据前方路面信息及时调整小车的走向，做到显示小车的走向和小车已经行驶过的路程。
1.3实施计划
基于目前已经学习的专业知识和具备的软、硬件条件，我决定从以下四个方面实现对自动避障小车的设计:
（1）红外避障模块实时监测路面情况并及时传输给单片机；
（2）单片机主控核心模块根据感测模块给予的信息控制小车两电机转动；
（3）电机驱动模块驱动两电机转动，实现转向与行走；
（4）液晶显示模块显示走向和已行驶过的路程。
2总体方案设计
2.1系统原理组成框图
图2.1系统原理组成框图
系统主要原理是：
通过红外避障模块（即感测模块）实时监测路面情况并及时传输给单片机。
由单片机主控核心模块根据感测模块给予的信息控制小车两电机转动工作状态。
电机驱动模块驱动两电机转动，实现前进与停止。
而液晶显示模块显示走向和已行驶过的路程。
3单元模块设计
3.1各单元模块硬件电路介绍
本系统主要分为四个单元模块，它们分别是单片机主控核心模块、红外避障模块、电机驱动模块、USB下载模块。
各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。
3.1.1主控模块电路
主控模块电路图如图3.1所示，下面对其做简要介绍。
（a）模块功能简介
该模块主要用于智能小车的控制和电机的驱动。
主控芯片采用高校中教材所讲的51系列单片机（89C52）。
驱动芯片采用外围最简洁的L293D芯片。
可以插1602液晶显示当前智能车的一些运行信息。
（b）模块原理
模块原理如图一所示。
主要由89C52最小系统加外接插件和一些输入输出指示组成。
输入部分主要是四位的拨码开盖开关，输出部分为四个发光二极管和1602液晶。
为了为外接传感器和驱动芯片提供电源，在电路中加入了扩展电源的插针。
（c）模块焊接
可以对照原理图上的标号在PCB中的位置进行焊接，也可以对照已经焊接好的主控板进行焊接。
（d）模块使用注意事项
此模块在使用中要使用四个发光二极管作为一些指示时必须把二极管的排阻的VCC端与旁边扩展的电源VCC焊接在一起。
注意到电机驱动293D的供电是和单片机供电隔离开的，并在板上引出了俩个接口。
目的是防止293D工作时对板上传感器的影响。
建议使用分开供电。
在板上有块空区域可以自己添加一些元件如电容、电感等来达到稳定电压的作用。
图3.1主控模块电路
（e）STC89C52单片机性能优点
课堂上我们学习的是8051单片机，但实际应用中现在我们是不会再用8051单片机了。
学习8051单片机是学习一种方法，学习单片机的基本结构、指令。
现在单片机种类繁多，各有各的优点，结合具体情况恰当选择单片机型号也是非常重要的，在此系统中采用STC89C52为主控模块芯片，选此芯片的理由是：
1.与MCS-51单片机完全兼容：
指令兼容，引脚兼容；
2.高保密性：
无法读出，因此无法解密；
3.超强抗干扰能力：
电源、I/O接口、时钟均有抗干扰措施；
4.高可靠性：
宽电压范围：
不怕电源波动，5V产品3.4V～6V；
宽温度范围：
－40℃～85℃；
5.低电磁辐射：
可禁止ALE输出，降低辐射；
可选6时钟/机器周期，降低晶振频率，降低辐射；
单片机时钟振荡器增益可设为1/2；
6.超低功耗：
掉电模式典型功耗：
≦1uA，可由外中断唤醒:
空闲模式典型功耗：
2mA；
正常工作典型功耗：
4mA～7mA；
7.可在线编程，节约投资；
8.强驱动能力，无论灌电流还是拉电流，均优于MCS-51单片机；
9.高速度，最高晶振达到90MHZ;
10.内部资源更丰富，与MCS-51单片机相比增加了：
T2定时/计数器；
内部数据存储器RAM增加了1～8倍；
自带A/D和PWM；
有P4口；
3.1.2红外避障模块
红外避障模块电路图如图3.2所示。
图3.2红外避障模块电路图
此模块用于探测模块前方的障碍物，探测障碍物的距离可以通过精密电位器调节，探测距离最远可达一米。
如图3.2所示，此模块是由发射与接收部分组成。
发射部分由NE555组成多谐振荡器产生38KHz的红外光，发射频率可通过精密电位器调节，但中心频率一般在38KHz。
接收部分是38KHz的一体化红外接收头，当接收到障碍物发射回来的红外光时在原理图所示的第一引脚上返回低电平。
焊接好的模块如图3.3所示。
图3.3焊接完成后的模块
在焊接过程中由于电阻电容封装大多是0603所以体积较小，因此焊接需要一定的焊接技术基础。
首先要注意每个电阻的阻值，其次最容易犯错的一点就是将NE555芯片焊接反向弄反。
最后还有一点就是发射管的正负端不能焊接反，以上事项在焊接中一定要细心。
在使用过程中，电源中串入的干扰会影响模块功能的实现，特别是电机带给模块的干扰，在调试车的过程中如发现在没障碍物时模块指示灯会闪亮，说明存在干扰。
在用电脑的USB的接口供电时也会产生干扰,建议用干电池供电。
或者可以尝试在位驱动芯片提供电源的VCC上串接一个电感可以减小干扰，或者自己查阅一些防干扰的措施。
在模块探测距离远近的调节时可以两个电位器配合调节。
3.1.3电机驱动模块
为解决驱动能力和多台电动机驱动，同时兼顾元件数不能过多，近年来微型直流电动机驱动多采用专用集成电路，其中使用L293驱动较为常见。
L293逻辑“0”输入电压为1.5V，可以免除1.5V以下的干扰，内置钳位二极管，支持高达5KHz的开关应用，控制电源与驱动电源分开，51单片机可直接驱动，能同时驱动二台微型直流电动机。
本电路正反转和调速都非常方便，IN1、IN2同电平，M1停止，异电平两种组合对应正反转，IN3、IN4用于驱动M2。
调速控制既可以从电机电源Vs着手对二台微型直流电动机同时处理，也能在L293使E1、E2直接调节高低电平的占空比对二台微型直流电动机同时或分别解决。
其原理图如图3.4所示：
图3.4电机驱动模块原理图
3.1.4USB下载模块
USB下载器可以给单片机开发板供电可串口通信。
具体连线是：
单片机板的VCC和下载器的5V相连；
GND和下载器的GND（注意是靠近5V的GND）相连；
P3.0和下载器的T相连；
P3.1和下载器的R相连。
如图3.5所示。
图3.5USB下载模块
3.2主控制程序设计
3.2.1设计思路
我们的设计思路比较简单，通过红外检测信号触发单片机对电机进行控制，引导小车完成避障功能。
具体来说，当小车行进过程中，如果遇到障碍，左红外检测头亮灯时，收到一个低电平，左电机停止工作，右电机正常工作，小车左转避开障碍。
同理，右红外检测头亮灯时，收到一个低电平，右电机停止工作，左电机正常工作，小车右转避开障碍。
基于此思路，我们编写了C语言源程序。
3.2.2源程序
用C语言编写的程序如下：
#include<
reg52.H>
sbitP1_0=0x90;
sbitP1_1=0x91;
sbitP1_2=0x92;
sbitP1_3=0x93;
sbitP1_4=0x94;
sbitP1_5=0x95;
voidmain（）
{
P1_0=1;
P1_1=0;
P1_2=1;
P1_3=0;
while
（1）
if（P1_4==0）
{
P1_1=1;
}
else
{
P1_1=0;
if（P1_5==0）
P1_3=1;
}
else
P1_3=0;
}
4系统调试
4.1调试过程
将编译好的程序下载进入单片机后，接通电源，观察小车是否按照预想的设计思路工作，在调试过程中，发现问题，解决问题。
4.2调试中遇到的问题
在调试过程中，我们也遇到了许多问题。
归纳如下：
1.通过USB模块下载程序时，P3.0、P3.1口的位置起初没有连接正确而导致程序下载不成功。
经过多次故障查找，正确连接之后，顺利向单片机内部烧写进程序。
2．主控模块的VCC与VD起初接反，导致不能正常供电，小车无法正常工作。
3.电机的电源线接反，导致翻转，小车运行方向相反。
4.采用的4节1.5V干电池供电，由于电路内部原因（降压电路工作不正常）电压偏高，导致小车不能正常工作。
但通过将电池盒内两个极短接从而用三节干电池提供4.5V电压后，便能够顺利实现小车的各项功能。
5.设计的时候还出现布局不合理的情况，导致尾部偏重，使小车没法正常快速的移动，通过调整，小车的整体感变强了，比较美观大方。
6.还遇到293D芯片只能驱动一边轮子的情况，但通过故障排查，确定是芯片的问题，调换一个便成功解决。
7.起初传感器只能一边工作，通过修改程序，逐步调试，顺利解决问题。
5系统功能和结论
该系统的功能是实现小车的智能避障。
以单片机STC89C52为核心的主控系统根据感测模块（红外避障模块）传输的前方路面信息控制小车行驶走向。
系统能够做到准确及时监测前方路面信息并传输给主控模块，并由单片机发出控制信号及时调整电机驱动模块L293D改变电机的工作状态从而达到控制小车运行方向的目的。
基于目前已经学习的专业知识和具备的软、硬件条件，我们自己动手装配小车的各个组件，编写控制小车实现避障功能的C语言源程序，并利用USB下载模块烧写进单片机内，在电源供电条件下，小车成功实现了避障功能，达到了预期的设计效果。
图5.1为简易智能避障小车成品。
图5.1智能避障小车成品
6总结与体会
通过本次机电一体化技术课程设计，我们不仅收获了亲手制作小车、编写源程序控制小车完成避障功能之后的喜悦，也更进一步理解了机电一体化的含义。
从专业定义上来说，机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术。
现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备。
而经历此次课程设计，我们由简易智能避障小车的功能设计切身感受到机械与电子之间密不可分的联系。
直白地说，机械离不开电子技术，电子技术也离不开机械。
电学专业要培养的是未来的电气工程师，需要具备很强的分析能力，创新能力以及文字处理能力。
这次机电一体化技术课程设计也让我收获颇丰。
为了完成这次设计，我们设计小组成员齐心协力，共同查阅了很多相关资料，也深切体会到了电子技术发展的速度之快，以及机电一体化的巨大优越性和必要性，因此，在未来的学习和工作中，我们也要更多地接触新的知识，不能停下学习的脚步。
作为空军国防生的我们更应该在头脑中建立起机电一体化的概念。
《2010年中国国防白皮书》指出，“推进国防和军队现代化要着眼2020年基本实现机械化并使信息化建设取得重大进展的目标，坚持以机械化为基础，以信息化为主导，广泛运用信息技术成果，推进机械化信息化复合发展和有机融合。
”
因此，完成这样的机电一体化技术课程设计有助于我们更好地明确自己电子专业所学的知识是能够与机械技术相融合，发挥出更大的优越性的。
机电一体化技术课程设计是把理论运用于实践的过程。
理论是死板的，人是灵活的，能否处理好实际问题是对一个人能力的衡量和考验。
在实践的过程中，我们不仅提高了动手能力，也巩固了理论基础，培养了团队合作能力。
7致谢
在龙宇老师和张恕远老师的悉心指导和耐心帮助下，我们完成了此次机电一体化技术课程设计。
在此，我们向两位老师表达最诚挚的谢意。
同时，也要向在设计过程中给予我非常大帮助的李潇、刘聪同学表达最诚挚的感谢。
设计过程中，他们的深入浅出的讲解令我们受益良多，同时，给予了我们许多帮助和指正，使我们能够及时纠正设计中存在的问题，并对机电一体化有了更为深入的认识和理解。
同时，也对我们团队的其他几位同学表达我最诚挚的感谢，团结的力量是无限大的，正因为大家的共同努力，我们才能够完成好这次课程设计，我们感到由衷的自豪和高兴。
8参考文献
[1]姜培刚.机电一体化系统设计[M].北京：
机械工业出版社，2004
[2]谢自美.电子线路设计·
实验·
测试[M].武汉：
华中科技大学出版社，2006
[3]康华光等.电子技术基础（模拟部分）第五版[M].北京：
高等教育出版社，2006
[4]康华光等.电子技术基础（数字部分）第五版[M].北京：
[5]崔葛瑾.数字电路实验基础[M].上海：
同济大学出版社，2007
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