C51声控避障宝贝车新.docx
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C51声控避障宝贝车新
大连交通大学大学生科技节“电信杯”科技设计竞赛参赛作品
C51声控避障小车
指导教师：
赵科
参赛队员：
李文军段永良白相臣
二O一一年6月06日
摘要
本参赛方案设计主要由声控模块、触须避障模块、电机驱动模块、液晶显示模块、指示灯指示模块、电源模块、控制器主板等组成。
采用AT89S52单片机作为小车的CPU。
小车能实现对声音信号采集处理，并进行相关动作。
在行驶过程中遇到障碍物可以自动后退、转向避开障碍物，液晶显示当前动作和所走距离，指示灯在小车做出动作时进行展示播报。
整个系统结构紧凑，控制准确，稳定性好，反应灵敏，性价比高，人机互动性好。
关键词：
AT89S52单片机；触须避障；声音控制；液晶显示；
Abstract
Thisdesignschememainlyconsistsofsound-controlledmodule,Tentaclesobstacleavoidancemodule,motordrivemodule,LCDdisplaymodule,powermodule,controllerboard.ThemicrochipAT89S52isutilizedastheCPUofthecar.Thecarisinthepositiontosampleandprocesssoundsignal.Whenrunningintotheobstacle,thecarisabletoturntoavoidorgobackward;LCDdisplaysthecurrentmovementandthedistance;soundcancontrolwhetheritmovesornot.Thewholesystemstructurescompactly,isaccuratelycontrolledandofhighstability,cost-effective,reactsflexibly,andhasthecharacteristicofuser-friendly.
Keywords：
microchipAT89S52,Tentaclesobstacleavoidance,sound-controlled,LCDdisplay
目 录
1系统设计1
1.1 设计要求1
1.1.1基本要求…………………………………………………………………1
1.1.2扩展部分…………………………………………………………………1
1.2 总体设计方案1
1.2.1基本模块设计方案………………………………………………………1
1.2.2系统总体设计方案………………………………………………………5
2单元硬件电路设计6
2.1触须避障模块6
2.2电机驱动电路的设计6
2.3单片机AT89S52核心模块8
2.4声控电路8
2.5液晶屏幕显示模块9
3系统软件设计10
3.1主程序流程图10
3.2传感器数据处理11
4系统测试12
4.1硬件测试12
4.2硬件与软件的联机测试12
5测试数据及实验结果13
参考文献14
1.系统设计
1.1 设计要求
1.1.1基本要求
本设计小车可以在接收到声音信号做出相关动作，车体指示灯按照相关动作进行指示在地面上朝任何方向行驶，声音（拍掌声）可以使小车启动、停止运动。
小车的前端安装触须，当小车行驶遇到障碍物，如果是右侧触须碰到，小车先后退再向左转绕过障碍继续行驶。
如果是左侧触须碰到，小车先后退再向右转绕过障碍继续行驶。
若两触须同时碰到小车后退并报警。
向右转车时车体右灯亮，向左转车时车体左灯亮。
向后退时车体后部红灯亮以示报警。
1.1.2扩展部分
液晶显示器能实时显示当前执行的动作和行走的距离（障碍可以是绝缘体）
1.2 总体设计方案
1.2.1基本模块设计方案
（1）车体设计
经过反复考虑论证，我们制定了后部左右两轮分别驱动，利用两个电机旋转差速不同完成转向的方案。
即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的电机进行驱动，车体前部装一个万向轮。
这样，当两个电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的任意角度转向。
在安装时我们保证两个驱动电机同轴。
当小车前进时，左右两驱动轮与万向轮形成了三点结构。
这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。
为了防止小车重心的偏移，前万向轮起支撑作用。
（2） 电机的选择
对于智能小车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。
由于本方案要实现左右转向，前进和后退，我们综合考虑了确定了以下方案。
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、位置、转向角度的精确定位。
另外，步进电机相对于传统电机具有以下几点优点：
1.由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；2.优秀的起停和反转响应；3.由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；4.电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制简单。
5.仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。
6.由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。
（3）供电模块
整个系统采用4节1.5V普通干电池供电
（4） 电机驱动模块
由于电动车采用了前面使用万向轮，两个后轮各一个电机驱动的驱动方式，所以可使电动车旋转360度，这样即使前后方都碰到障碍物的时候，电动车也可以通过在原地不断旋转的方式找到避免撞击障碍物的线路。
在电动机的控制上我们选择：
利用LM298及其外部辅助电路和电机构成驱动电路。
单片机控制口接LM298的两个输入控制端IN1,IN2。
L298的两个输出端OUT1
（2）,OUT2（10）接电机。
电机转动状态编码：
左电机
右电机
左电机
右电机
电动车运行状态
1IN1
1IN2
2IN1
2IN2
1
0
1
0
正转
正转
前行
1
0
0
1
正转
反转
左转
1
0
0
0
正转
停
以左电机为中心原地左转
0
1
1
0
反转
正转
右转
0
0
1
0
停
正转
以右电机为中心原地右转
0
1
0
1
反转
反转
后退
1
1
1
1
杀停
杀停
立刻停止
根据上表可知，只要设定两块L298的1IN1,1IN2,2IN1,2IN2四个控制端口的不同编码，就可得到电动车的前进，后退，旋转等不同的运行状态；且L298的最大输出电流为2.2A，可使电动车快速运行。
故采用本方案。
（5）控制器主板模块
本设计实验小车所采用的微控制器（MCU）是由Atmel公司生产与51系列兼容的8位AT89S52单片机，这是一种高性能CMOS、低功耗的8位单片机,片内含8kBytesFlash，运用ISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次；只读程序存储器器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及其引脚结构。
在实际工程应用中，功能强大的AT89S52已成为许多提供高性价比嵌入式控制应用系统的解决方案。
图1所示为本组实验所采用的主板
图1
（5）声控模块
采用柱极体传声器和普通的三极管构成的声控电路，电路设计简单，元器件价格便宜，容易买到。
基于低成本、低功耗，而且搭建简单，操作便利，易于控制。
所以我们采用根据电路连接图自行搭建声音控制模块。
图2声控电路
1.2.2系统总体设计方案
题目要求设计一个智能小车，实现任意方向前进、后退和转向，通过声音可以控制小车的停止和启动，能够有避障等功能，本系统以AT89S52单片机作为核心控制芯片，包括电机驱动电路、声控电路、触须避障电路、液晶显示等。
通过C语言编程完成小车的软件控制。
总体设计框图，如图3所示。
图3 小车的总体设计简图
2单元硬件电路设计
2.1触须避障模块
图3所示电路中，R5起限流电阻的作用，当有光反射回来时，光电对管中的三极管导通，R9的上端变为高电平，此时VT1饱和导通，三极管集电极输出低电平。
当没有光反射回来时，光电对管中的三极管不导通，VT1截至，其集电极输出高电平。
VT1在该电路中起到滤波整形的作用。
经试验和示波器验证，该电路工作性能一般，输出还有杂散干扰波的成分。
如果输出加施密特触发器就可以实现良好的输出波形。
但是这种电路用电量比较大，给此种传感器调理电路供电的电池压降较快。
究其原因，是因为光敏三极管和三极管VT1导通时的导通电流较大。
考虑用比较器的方案，图中可调电阻R1可以调节比较器的门限电压，经示波器观察，输出波形相当规则，可以直接够单片机查询使用。
而且经试验验证给此电路供电的电池的压降较小。
因此我们选择此电路作为我们的传感器检测与调理电路。
此光电对管电路简单，工作性能稳定。
图4触须外部电路
2.2电机驱动电路的设计
我们采用电机驱动芯片L298N作为电机驱动，驱动电路的设计如图3所示：
图3L298N驱动电路
L298N的5、7、10、12四个引脚接到单片机上，通过对单片机的编程就可以实现两个直流电机的PWM调速以及正反转等功能。
2.3单片机AT89S52核心模块
图5 基于STC89C52的单片机系统
2.4声控电路
如图6所示为声控模块电路，采用声音的
图6声控电路图
3系统软件设计
3.1主程序流程图
本设计的软件的主程序流程图如图8所示
图8系统软件流程图
4系统测试
4.1硬件测试
（1）单元模块的测试
（A）电源测试：
用数字万用表电压档测量电池输出的电压值是否正常。
（B）电机驱动模块电路测试：
给L298通电以后，分别对298每路输入端一个高低电平，看电机是否转动；然后在反接试下，电机是否和开始的运转方向相反。
（C）声控模块测试：
通电后，用万用表测量LM358的7脚输出端的电压是否为高电平，然后拍掌，看看电压值时候有高低电平的变化；没有声响的时候LM358的7脚始终为高电平。
（D）触须避障模块测试：
通过电路给触须供电，在触须电路中加入发光二极管，电路导通时（即触须碰触到障碍），二极管点亮。
4.2硬件与软件的联机测试
根据前面的测试，说明系统设计的软、硬件设计基本取得成功。
将把程序经编译、下载到at89s52芯片中，构建电路测试，观察小车的运行状态
5测试数据及实验结果
（1）测试数据
按照前述的测试方法，取得到测试结果如表1所示。
如表1路程与速度的关系（L=1.8m）
测试次数
前进时间
后退时间
平均速度
第一次
7.2s
9.1s
0.20m/s
第二次
6.9s
9.3s
0.22m/s
第三次
7.5s
8.9s
0.21m/s
第四次
7.0s
8.9s
0.23m/s
第五次
7.7s
8.5s
0.22m/s
（2）测试结果分析
根据上述测试结果，此系统的设计基本取得成功，速度达到设计的要求，功耗方面，对于红外避障碍和线路寻迹这两个电路模块，我们采用定时开关中断的方法控制其工作，这样避免其在不需要检测的时候消耗电量。
。
参考文献
[1]全国大学生电子设计竞赛组委会.第五届全国大学生电子设计竞获奖作品选编[M].北京：
北京理工大学出版社,2003年第1版.
[2]王港元.电工电子实践指导[M].南昌：
江西科学技术出版社,2005.03第一版
[3]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,2000.5第二版
[4]胡汉才.单片机原理及系统设计[M].北京：
清华大学出版社,2001.01第一版.
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