智能小车论文.docx

智能小车论文.docx

《智能小车论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能小车论文.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

智能小车论文

智能小车

摘要

随着智能控制技术与检测传感技术的飞速发展,智能机器人将在以后的

工业生产和家庭生活中得到广泛应用,本系统相当于一个简单的智能机器人，是具有自动检测障碍物、黑白线和金属块的多功能智能小车。

本系统采用了AVR系列单片机中的Atmega16作为智能小车的检测和控制核心。

路面黑白线检测使用了反射式红外光电传感器，障碍物检测采用了超声波传感器，金属块的检测采用了金属接近开关。

驱动采用的是直流电机，电机控制方式为对单片机I/O口进行扫描和单向PWM从而控制小车的转向和速度。

基于这些完备而可靠的硬件设计，使用了一套独特的软件算法，并采用了AVR系列中的Atmega16稳定高速的执行软件程序的特点，从而实现对小车的精确控制。

关键字：

Atmega16超声波传感器超声波反射式红外光电检测传感器金属块检测

Abstract

Withthedevelopmentofintelligentcontroltechnologyanddetect-sensortechnology,intelligentrobotwillusebroadinindustryandfamilylife.Wecanconsiderthissystemasaordinaryrobot,itisanabstractwhichhassomefunctionsofdetectingbarriers,blackandwhilerunwayandmental.

BasedonthemicrocontrollerAtmega16.Reflecting-infraredsensorsareappliedtodetectblacklines,ultrasonicsensorsareappliedtodetectbarriersandmentalapproachswitchsensorisappliedtodetectmental.ByintroducingPWMtothesystem,weareabletocontrolmotorrevolvingspeeddynamicallyandprecisely.Andoneofthemoststrikingfeaturesofthedesignisitssoftwarealgorithmwhichenablesthecartorunanddetectaccurately.

1系统设计

1．1设计要求

设计一智能小车，能够实现以下功能：

（1）小车在运行过程中，能够自动检测到障碍物且能避开障碍物运行。

（2）小车能够自动检测到黑白跑道，并且沿着黑色跑道运行。

（3）小车能够在运行过程中能够自动检测到跑道上的铁片。

1．2总体设计方案

1．2．1设计思路

图1.2.1智能小车系统总体设计框图

整个系统可以分为传感器检测部分、控制器模块和电机驱动及LCD显示部分。

传感器检测部分由超声波检测避障模块、反射式红外光电检测黑白跑道模块和金属检测模块组成。

设计中采用超声波传感器发射与接收电路来检测障碍物，进而将检测到的信号送入控制器模块（MCU），从而达到控制小车的转向和速度的功能。

反射式红外光电传感器运用其对白色物体发出的光将反射回来，而对黑色物体发出的光被吸收的原理产生不同的信号来检测黑白跑道，将检测到的信号送入控制器模块（MCU），从而可以控制小车始终沿黑色跑道运行的功能。

金属检测模块采用金属检测开关对检测到金属有无的信号不同的原理，将检测到的信号送入控制器模块（MCU），从而达到小车在跑道运行过程中检测到金属块的功能。

小车设计了LCD显示模块。

总体框图如图1.2.1所示，为实现各模块的功能，分别设计了几种不同的方案并进行了论证。

1.2.2方案论证与比较

（1）避障检测模块方案的论证与比较

关于避障检测模块有以下两种方案：

方案一：

采用超声波传感器检测。

超声波传感器采用反射检测方式，这种方案的优点在于超声波对检测的物体没有颜色、形状和大小的限制，发射与接收电路也比较简单。

方案二：

采用红外线检测障碍物。

红外线虽然也可以用来检测物体，但它不能用来检测黑色和透明的物体，因为红外线可以被黑色物体所吸收，又可透过透明的物体。

经过比较分析，从稳定性和准确性选择方案一。

（2）黑白跑道检测模块方案的论证与比较

小车要在黑色跑道上运行，所以对黑白跑道的检测的精度要求很高，关于黑白跑道检测有以下两种方案：

方案一：

采用反射式红外光电检测传感器。

该传感器运用用检测黑色跑道时红外线被吸收，而检测白色跑道时红外线被反射信号不同的原理，而区分黑白跑道。

这种传感器具有价格便宜，检测电路简单的优点。

方案二：

采用颜色传感器。

颜色传感器虽然对颜色具有较高分辨率，能较准确区分各种颜色，但它易受外界光的干扰并且价格昂贵，在此处只为区分黑白色没有必要使用。

经过比较分析，从经济性和必要性选择方案一。

（3）金属检测模块方案的论证与比较

方案一：

采用分立的霍尔元件去检测金属比较复杂，而且灵敏度也不太理想。

方案二：

采用工业用的集成金属检测开关元件去检测金属，此种模块使用简单，灵敏度较高，适合此处使用。

经过比较分析，选择方案二。

（4）控制器模块方案的论证与比较

方案一：

采用多片ATMEL公司的AT89S52作为控制器。

由于本设计对控制器的运算速度要求较高，AT89S52难以达到较快的速度，且该设计程序较大，AT89S52仅有8K的ROM，片外ROM将增加硬件工作量。

方案二：

采用AVR系列的Atmega16作为控制器。

由于Atmega16是一种高速度、低功耗且具有16KB系统内可编程Flash的8位AVR微控制器。

本设计中对控制器的运算速度的要求，Atmega16是可以满足的。

并且该单片机的价格便宜，功能强大，适合选用。

从硬件和软件的工作量、以及成本考虑，选择方案二。

（5）电机的选择与论证

方案一：

采用步进电机。

步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。

另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。

方案二：

采用普通直流电机。

直流电动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，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。

由于普通直流电机更易于购买，并且电路相对简单，所以采用直流电机作为动力源。

（6）电机驱动模块的论证与比较

电机驱动模块的主要作用是控制小车的正转、反转、前进和停车。

由以下方案：

方案一：

采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。

但是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，且可能存在干扰。

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

方案二：

采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车速度的调整。

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，易损坏，寿命较短，可靠性不高。

方案三：

采用由达林顿管组成的H型PWM电路。

PWM电路由四个大功率晶体管组成H桥式电路构成，四个晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态，根据调整输入控制脉冲的占空比，精确调整电动机转速。

这种电路由于管子工作只有饱和和截止状态下，效率非常高。

但是H型PWM电路必须要用分立元件搭起来，所以比较麻烦。

方案四：

采用直流电机专用驱动芯片L298。

L298作为驱动的原理与H型PWM电路相同，只是将这些分立元件集成在一块芯片内部，方便适用。

从硬件和电路的工作量，以及成本考虑，选择方案四。

（7）电源选择

方案一：

采用单一电源供电方案。

这样供电比较简单；但由于电动机启动瞬间电流很大。

而且PWM驱动的电动机电流波动较大，会造成电源电压不稳，可能会使传感器误检测，严重时可能造成单片机程序跑飞、复位等异常现象。

此方案缺点十分明显。

方案二：

双电源供电方案。

将电机驱动电源与单片机及传感器电源完全隔离，利用光电耦合器进行连接。

但这样可以彻底解决电机运行对系统稳定性的影响，从而提高了系统的可靠性。

经分析本系统选择方案二。

2单元电路设计

1控制电路设计

控制电路中的Atmega16是一个稳定高速的单片机，16KB系统内可编程Flash。

整个系统还有超声波发射接收电路、反射式红外光电检测电路、金属接近开关检测金属块电路、液晶显示电路和电机驱动电路。

2直流电动机PWM驱动模块的电路设计

图2.1.1直流电动机PWM驱动模块的原理图

直流电动机PWM驱动模块的原理图如图2.1.1所示。

对小车前后轮电机的驱动采用直流电机专用驱动芯片L298。

单片机Atmega16具有4个8位I/O口（PA口，PB口，PC口，PD口），此处运用PB口的输出数据和定时器产生的PWM波通过光耦隔离控制L298，其中改变IN1和IN2、IN3和IN4可控制电机的方向，PWM控制电机速度。

3超声波传感器检测障碍物电路的设计

图2.1.2发射超声波的驱动电路原理图

超声波检测障碍物模块分为：

发射驱动电路和接收驱动电路。

实物上采用了三个超声波发射与接收电路，现仅一个发射与接收电路为例说明其工作原理。

发射超声波的驱动电路原理图如图2.1.2所示。

采用了他激型驱动电路。

原理是发射电路的振荡频率为

，而当

为40KHz时，发射用的超声波传感器具有最大的灵敏度。

为了提高发射功率，要提高它的驱动电压，而于超声没发射头，很难提高电流，因此只能提高电压。

故采用4069来提高驱动电压。

此电路中产生的40KHz的方波从发射头传播出去。

接收超声波的驱动电路原理图如图2.1.3所示。

原理图中经过LM393后出来的是40KHz的方波，经过LM2907频压变换器后，输出电压

（其中C=10nf,R=250k），而当检测到物体时

=40KHz,　此时

＝4.5V，在ＬＭ2907的5脚接上电阻，由内部电路可以构成射级跟随器，输出的电压是脚OP+和OP-作为比较器的两个输入端比较后的电压。

当检测到物体时，由物体反射回来的信号通过电路中LM2907中的比较器，则比较器输出来的电压驱动NPN型三级管导通从而使发光二极管点亮。

从而实现了发光二极管点亮作为检测到物体时的信号。

图2.1.3接收超声波的驱动电路原理图

4黑白跑道检测模块电路的设计

黑白跑道检测模块电路的原理图如图2.1.4所示，采用了反射式红外光电传感器ST178，它的工作原理是：

在检测到白线时，红外线被反射回来，在检测到黑线时，无红外线反射回来，利用这两种信号的不同，送到单片机中处理，就可以检测黑白跑道了。

图2.1.4黑白跑道检测模块电路的原理图

5金属接近开关检测金属块电路的设计

图2.1.5金属接近开关检测金属块电路原理图

金属接近开关检测金属块电路原理图如图2.1.5所示，采用了金属接近开关传感器，单片机可根据检测到金属块时输出信号为低电平，未检测到时为高电平，来判断是否检测到金属块。

3系统的软件设计

系统的软件设计采用了C语言编程，程序是在WindowsXP环境下采用ICCAVR软件编写的，ICCAVR软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。

3．1超声波检测障碍物子程序

超声波检测障碍物子程序的流程图如图3.1.1所示。

在小车上装了三个超声波及其各自的接收与发送电路，目的是可以在小车行驶时的各方向检测有无障碍物。

在利用超声波检测障碍物时，超声波检测到障碍物时，设计的程序将使小车改变车速或行驶方向，从而达到避开障碍物的目的。

图3.1.1超声波检测障碍物子程序的流程图

3．2黑白跑道及金属块检测子程序

黑白跑道及金属块检测子程序的流程图如图3.2.1所示。

黑白跑道检测采用了3个反射式红外光电传感器，装在小车的底部，传感器检测到黑线时，小车将向检测到的方向调整，从而可以行驶在黑白跑道的黑线上。

在行驶过程中，当小车上的金属接近开关检测到金属块时，单片机进入外部中断，执行中断服务程序，系统报警表明检测到金属块。

图3.2.1黑白跑道及金属块检测子程序的流程图

4系统测试

1测试设备

模拟跑道：

环形跑道总长5米

金属块：

面积

2测试结果

小车在环形跑道上能够驱分黑白线，在黑色跑道能够始终沿着黑线行驶，并且能够检测到金属块，发出报警，设计要求中的各项功能小车都能很好的实现。

5总结语

本设计采用AVR系列单片机中的Atmega16作为核心部件，采用了超声波传感器、反射式红外光电传感器和金属接近开关，并配合使用了一套独特的算法实现了设计了小车的自动避障、检测黑白跑道和检测金属块的功能。

在设计中，我们力求硬件电路简单、充分发挥软件灵活方便的特点，来满足系统设计要求。

在设计中我们遇到了很多问题，但通过队员们的团结合作、认真分析问题，还有老师尽心辅导，我们设计出来的小车能够很好的完成设计要求。