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毕业设计光电识别路径智能车

毕业论文（设计）

题目光电识别路径智能车—硬件设计

系部

专业年级

学生姓名

学号

指导教师

光电识别路径智能车—硬件设计

学生指导教师

【摘要】本课题主要研究以STC—51单片机为主控芯片，设计出一个能在软件的配合下通过光电传感器识别以2厘米左右宽度的黑线为中心引导线，行车道宽度为车宽2倍的道路行走的一个硬件电路，该电路包括光电检测、电压比较器、电机驱动、单片机最小系统和电源。

光电识别路径智能车是利用光电式传感器具有非接触性、响应快、性能可靠等特点来作为思路进行设计的。

其工作原理是：

光电传感器探测黑线，将探测的信息输入电压比较器（LM339）进行比较，当检测到黑线时，输出高电平给单片机，单片机判断P0口的高低电平，根据高低电平的变化来判断小车是沿着黑线前进还是转向。

【关键词】光电检测电压比较器电机驱动单片机最小系统电源

Hardwaredesignofintelligentvehiclepathphotoelectricrecognition

Studenttutor

【Abstract】ThemaintopicstoSTC-51singlechipmicrocomputerasmaincontrolchip,designasoftwarecanbematchedbythephotoelectricsensorrecognitionto2cmwidthofthe

blacklineasthecenterguidelineforvehiclewidth,lanewidthis2timesthewaytowalkinahardwarecircuit,thecircuitincludesaphotoelectricdetection,voltagecomparator,motordriver,SCMsystemandthesmallestpower.

Opticalpathidentificationintelligentvehicleisusingphotoelectricsensorhavingnon-contact,fastresponse,reliableperformancecharacteristicsasthetrainofthoughtfordesign.Itsworkingprincipleis:

photoelectricsensortodetecttheblackline,willdetectinformationinputvoltagecomparator（LM339）werecompared,whendetectblackline,highleveloutputtothemicrocontroller,microcontrollerjudgmentP0exportlevel,accordingtothelevelchangestodeterminethecarismovingforwardorturnalongtheblackline

【Keywords】photoelectricdetectionvoltagecomparatormotordrivechipsystemPowersupply

目录

1绪论1

1.1背景1

1.2现状与发展1

1.3论文主要工作2

2方案论证2

2.1循迹模块方案论证2

2.1.12个传感器方案2

2.1.25个传感器方案3

2.2电源模块方案论证3

2.2.1LM7812稳压模块3

2.2.2LM1085[5]稳压模块4

2.3光电对管后级电路方案论证4

2.3.1三极管方案4

2.3.2集成比较器方案5

3硬件设计5

3.1小车硬件设计5

3.1.1单片机最小系统5

3.1.2电源稳压电路7

3.1.3循迹电路8

3.1.4电机驱动电路10

4系统测试12

4.1测试仪器12

4.2单片机PWM测试12

4.3光电传感器测试13

4.4可调电源测试13

5总结以及展望14

致谢15

参考文献16

1绪论

随着我国经济发展越来越快，我国人民的生活水平也在直线提升，拥有私家车的群体也越来越多，这也就使得城市交通拥堵化越来越严重。

那么，如何缓解城市交通拥堵状况已经是急不可待所需要解决的问题。

智能车的诞生为人类提供了一种全新的思维方式，智能车所要面临的不仅是城市环境中的道路多样化，道路的转弯半径大和其他车辆以及交通灯的变化也是必须要考虑的地方。

从智能车的社会效益来讲，它的诞生不光是解决了我们现在所面临的城市交通拥挤化的问题，还为我们高效率工作提供了最本质的保障。

社会在智能车的协助下，能为我们提高规律化和方便化的生活；而在其经济效益上，一方面减少了人力资源，另一方面高科技的智能车具有百分之九十九以上的准确性，也就避免了人因疲劳或者不小心犯错而带来的伤害。

智能车系统是一个典型的、多科的、综合性的高科技和高新技术的综合体，涉及传感器技术、信息融合技术、微电子技术、通信技术等，在一定的程度上代表了一个国家自动化智能水平。

目前智能车是世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力。

1.1背景

自从机器人诞生以来，在机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域已经普遍得到重视。

并且智能水平也有了相当大的提高。

并给我们的生活带来了很大的影响。

所以，制造代替人类工作的机器就成为了我们的一直追求的梦想。

在这么多的智能产品中，智能小车是可以作为代表的。

因为其所实现的功能是十分全面和强大的。

并且智能小车的设计涉及到的学科范围是很广的，比如：

模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科。

1.2现状与发展

现在美国饿亥俄州立大学和加州大学以及其他一些研究机构正在进行全自动车辆的研制与改进工作,欧洲的一些国家正试验将智能速度适应（IntelligentSpeedAdaptation,ISA）作为提高车辆安全性的手段,世界各国著名大学也参与到智能车的开发中，如麻省理工学院、斯坦福大学、卡耐基-梅隆大学、剑桥大学、东京大学等。

我国的相关研究也已展开，清华大学研究所是国内最早成立的主要从事智能车辆的研究单位之一。

西北工本课题主要研究以STC—51单片机为主控芯片，设计出一个能在软件的配合下通过光电传感器识别以2厘米左右宽度的黑线为中心引导线，行车道宽度为车宽2倍的道路行走的一个硬件电路，该电路包括光电检测、电压比较器、电机驱动、单片机最小系统和电源。

1.3论文主要工作

光电识别路径智能车是利用光电式传感器具有非接触性、响应快、性能可靠等特点来作为思路进行设计的。

其工作原理是：

光电传感器探测黑线，将探测的信息输入电压比较器（LM339）进行比较，当检测到黑线时，输出高电平给单片机，单片机判断P0口的高低电平，根据高低电平的变化来判断小车是沿着黑线前进还是转向。

第一章绪论。

主要介绍了光电识别路径智能车的开发背景、国内外发展现状、论文主要工作。

第二章方案与论证。

主要介绍系统相关硬件原理图。

第三章硬件设计。

对每一模块功能以及系统进行功能分析，设计几种方案，并进行其硬件可行性分析和一些简单的计算。

第四章系统调试与结论。

调试电路，对系统进行整合，观测项目结果。

2方案论证

本设计主要为光电识别路径智能车。

智能车由循迹模块、驱动模块，单片机最小系统组成。

通过循迹模块小车根据黑带的路径来行进，系统结构图如下图：

图1系统结构图

2.1循迹模块方案论证

循迹模块主要由光电传感器和电压比较器组成，但是要让小车能够完全沿着地面的黑带行走，传感器的个数和位置是关键，下面对这个问题一一详述：

2.1.12个传感器方案

图3两个传感器

如图为两个传感器的情况，这种情况在小车走直线时效果较好，但是当小车遇到较大弯道的时候，由于小车运行速度过快，当传感器检测到黑带时，将信号传给控制系统，系统反应时会因为车子惯性的作用产生较大的偏离不能获得新的道路信息，使得小车脱离运行轨迹。

如图：

图4两个传感器偏离

这种情况下当两个传感器都偏向黑带一边时两个传感器都不能起作用。

2.1.25个传感器方案

图6五个传感器

如图为五个传感器的情况，这样可以很好的解决第一种和第三种情况的弊端，小车既可以很好的沿着直线行走，如果遇到大的弯道，黑带脱离最内两侧的两个传感器能检测的范围，仍然还有最外两个边上的传感器来检测，小车就还能继续获得道路的信息，及时的回到正轨上去。

图7五个传感器偏离

综上所述，五个传感器既能保证小车沿直线行走，又能保证小车在遇到弯道时能够正确的转弯，所以在一定的速度下五个传感器的方案为最佳方案。

2.2电源模块方案论证

电源模块为整个系统提供能源，一个高效稳定的电源可以保证系统正常的运行。

2.2.1LM7812稳压模块

图8LM7812

如图为LM7812[4]稳压模块，用LM7812三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围原件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

但是其最大输出电流为1.5A，小车上装有两个直流电机，每个电机工作时电流大约为1A左右，两个电机加起来需要2A的电流，LM7812不能很好的达到要求。

2.2.2LM1085[5]稳压模块

图9LM1085

LM1085是一款典型的低压差线性稳压集成电路，输入输出电压差低至1．5V，输出电流可达3A。

LM1085可以固定输出3．3V,5V,12V，同时也提供输出可调稳压器LM1085-adj,也可通过引脚外围电阻设置调整输出，输出调整范围为1．2～15V。

综上所述，我们的设计包含两路直流电机，总共需要电流2A左右，所以LM1085为最好的电源模块方案。

2.3传感器电路方案论证

光电对管有信号输出时为模拟电压信号，这个信号不能直接供单片机使用，需要进行电压比较，将其转化为数字信号。

为了能够保证数字信号的转化，需要三极管处在饱和和截止两种状态。

2.3.1三极管方案

图10三级管电压比较器

如图所示电路中，R1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，R2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。

而且一般的三极管放大电路的放大倍数有限，在信号反射较弱的时候，就不能使之有效的工作在饱和和截止状态。

2.3.2集成比较器方案

图11集成电压比较器

如图光电传感器后级为集成比较器，这种电路电路工作性能稳定，输出波形也非常稳定。

且集成电路耗电量小，这为蓄电池供电的电路减小了供电压力，而且，集成电压比较器的放大倍数比单个三极管的放大倍数大得多，通过调节比较电压，就可以使它的有效地工作在饱和和截止状态。

从而得到可靠的数字信号。

综上所述，考虑到波形的稳定和节能，集成比较器方案为最佳方案。

3硬件设计

根据系统结构图，系统硬件由单片机最小系统、电源电路、电机驱动电路和循迹电路组成。

3.1小车硬件设计

小车硬件设计是本设计的重点，关系着整个系统的运行情况，其中包括单片机最小系统设计、电源设计、循迹电路设计和电机驱动设计。

3.1.1单片机最小系统

单片机最小系统是整个小车系统的控制部分，包括复位电路，晶振电路，和P0口的上拉电阻电路。

图20复位电路

如图为单片机复位电路，包括一个按键KEY1、电解电容C3和电路R1。

由于单片机是高电平复位，电阻R1一端接地，一端接电解电容负极，当按键KEY1按下时，电解电容被短路而放电，当KEY1放开时，VCC通过R1向电容充电，由于R1选得足够大，所以R1上的电压基本等于电源电压，对于单片机来说是高电平，于是单片机得到复位。

图21晶振电路

如图为单片机晶振电路，Y1为单片机提供固定的外部正当频率，本设计中选为12M，瓷片电容c1和c2一端接Y1,另一端接地，这样可保持晶振稳定工作。

图22单片机最小系统

如图为单片机芯片及外围电路，J1-J4为排针，用以I/O外扩，R2-R9为10K的电阻，他们的作用是将单片机P0口上拉到VCC，这是因为STC89C52RC单片机的P0口都是集电极开路门，要让它具有驱动能力，必须将P0口上拉。

循迹模块检测到黑带信息，会向电压比较器发送一个模拟信号，电压比较器会首先将模拟信号转换为数字信号，因为只有数字信号才能被单片机识别。

如果输入信号电压大于比较电压比较器的输出端就输出一个饱和的高电平电压，反之，则输出一个低电平电压。

当输入电压较小时，调节比较电压使之在较小信号时也能够进行比较输出。

比如说比较电压为3V，那么如果输入端的电压为2V，2V<3V，则输出给单片机的电压就为0V，如果需要在2V也输出高电平，那么只需要将比较电压调为2V以下即可。

3.1.2电源稳压电路

整个电源模块一共要输出两种电压，分别为5V和9V。

其中的5V电压主要是给单片机和其他的数字电路供电，而9V的则给电机驱动部分供电。

电源稳压电路为整个系统提供高效稳定的能源，其高效和稳定是两个非常重要的因素，在本设计里选用LM1085作为稳压芯片，LM1085是一款典型的低压差线性稳压集成电路，输入输出电压差低至1．5V，输出电流可达3A。

LM1085可以固定输出3．3V,5V,12V，同时也提供输出可调稳压器LM1085-adj,也可通过引脚外围电阻设置调整输出，输出调整范围为1．2～15V。

我们的整个系统需要9V,5V和3.3V的电压，所以我们通过三片1085输出三种电压以满足不同的需要。

其原理图如下图：

图24电源电路

上图即为电源稳压电路，LM1085-ADJ为主要稳压芯片，我们将R4固定为1K，通过调节R3的值就能调节稳压芯片的输出电压值。

C3为电解电容，其作用是将输入直流电压进行滤波，以便得到较平滑的直流电压给稳压芯片使用。

D5为二极管，它具有保护电路的作用，当电源极性正确时，D5得到正向偏压而导通，这样电路就能正常工作，当电源极性接反时，D5因得不到正向偏压而截止，这样电路就不会因为电压极性相反而被烧毁。

J3为排阵，用以连接外接电源。

RCA为电源接头。

除此之外，此电路还涉及到LM1085的参考电阻计算，LM1085-ADJ为输出电压可调节低压差集成电路，输出调整范围为1．2～15V，可以通过调节R1和R2阻值比值的大小确定输出电压，如图所示。

图19LM1085应用电路

Uo=VREF（1+R2／R1）+IADJR2.

（1）

其中Uo为输出电压，单位为V；VREF为基准电压，VREF=1．25V；IADJ为基准电流，IADJ最大值为120μA（通常在计算中忽略）。

实际应用中为了确定R1和R2阻值比值的大小，通常将R1固定，调节R2，达到调节输出电压的目的。

因此在实际应用中上式可为：

Uo=1．25·（1+R2／R1）

（2）

在本设计中需要用到的电压值为9V,5V和3.3V，9V用以给电机供电，5V用以给单片机供电，3.3V用以给通信模块和液晶屏供电。

在这里我们取R1=1K，则当Uo=9V时，

R2=（Uo/1.25-1）·R1=6.2K（3）

当U0=5V时：

R2=（Uo/1.25-1）·R1=3K（4）

当U0=3.3V时：

R2=（Uo/1.25-1）·R1=2.64K（5）

3.1.3循迹电路

循迹电路是整个小车运行的基础，它要担负路面检测的任务，通过它小车才能在整个地面上定点移动。

循迹电路包括光电传感器电路和电压比较器电路。

光电传感器电路为光电传感器提供工作电压，电压比较器将光电传感器输出的模拟数字电压信号编程0和1的数字信号以供单片机查询。

光电传感器电路如下图：

图25光电传感器

在上图中，U1为光电传感器，左边部分为发光二极管，他可以发出红外线，经过地面发射后可以被右边的光敏三极管接收。

两个部分组成一个光电对管被安装到小车前部。

R3为二极管的限流电阻，R1为1K固定限流电阻，R4为可调电阻，在实际工作过程中，调节R4可调节光明三极管的偏置电流从而调节光电对管的灵明度。

OUT为输出信号，后接电压比较器。

电压比较器如下图所示：

图26电压比较器

上图即为电压比较器，核心器件是LM339专用电压比较器，REF为外接参考电压，IN4接输入电压，当UIN4>UREF时电压比较器输出高电压，当UIN4

LM339内部结构为漏极开路，所以这里R6上拉到VCC，D4为发光二极管，其功能可以指示路面情况，当路面有黑带时LED亮，没有就熄灭。

现在来讨论电压比较器参考电压的计算

图17光电对管

图18电压比较器

如图（a）为光电传感器电路图,图（b）为电压比较器电路图，光电传感器安装在小车前端，其形式为一对光电对管，当发光二极管发出光线被地面黑带返回时光敏三极管会接收到一定的光线强度并输出一定的模拟电压信号，其电压高低受光敏三极管接收到的光线强度决定，而光线强度受光电传感器和地面之间的距离决定。

而光敏三极管的输出电压为模拟信号，不能直接被单片机使用，这时需要在输出端加上电压比较器将其转换成极限数字信号。

电压比较器需要一个参考电压Vref作为参考电压，这个电压同时决定着光电传感器的灵明度。

光电传感器的输出电压由它和地面之间的距离决定，在我们的设计里面调节传感器到地面的距离为2cm，这时光电传感器检测到黑带时的输出电压为1.2V,所以电压比较器的参考电压Vref应设置为1.2V，即光电传感器检测到黑带时比较器输出高电平，没有黑带时比较器输出低电平。

这个部分主要是由5个光电对管组成，而一个光电对管则有两个红电二极管和一个光敏三极管组成，光电二极管向外发射红外线，光敏三极管接受红外线，当有黑带的时候，光电二极管发射出的红外线被光敏三极管接收，即红外线不会返回，所以就有高电压输出，那么光电对管所对应的LED就会亮。

即LED灯亮就检测出有黑带的信息，反之亦然。

总而言之，循迹模块的主要功能就是检测黑带的功能。

3.1.4电机驱动电路

直流电机的转速是由PWM波来控制的。

PWM波通过控制电机的使能位，PWM波为高电平时，给电机提供高电压，低电平时，给电机提供低电压。

因为PWM波是一种周期固定的方波，所以在一个周期内高电平的时间越长，占空比也就越大，给电机提供的直流电压也就越大，那么电机的转速也就越快。

反之，电机的转速就越慢。

总而言之，PWM波是控制电机的转速的。

电机驱动电路可以驱动两路直流电机。

它为电机提供稳定的电压。

它的工作原理是输入的电流越大，它的转速也就越大。

通过它可以调节电机的转速的方向，从而驱动小车做出各种动作。

电机驱动电路主要分为光电隔离电路和电机驱动电路，光电隔离电路原理图如图：

图27光电隔离电路

TPL521-4内部集成了4个光电隔离器，左边输入四路标准的逻辑电平，其内部经过光电隔离后输出与输入同相的逻辑电平。

这样起到了隔离作用。

因为后级为电机驱动电路，电机相当于一个大型的电感线圈，在它高速转动时可产生很高的电压，通过光电隔离器件后，后级的感应电动势就不会传给前级的输入端，这样就起到了保护前级电路的作用。

后级驱动电路如下图所示：

图28电机驱动电路

上图即为电机驱动电路，左图为L298N驱动芯片，L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。

该芯片采用15脚封装。

主要特点是：

工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。

内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。

使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。

途中IN0和IN1为第一路电机的控制端，IN2和IN3为第二路电机的控制端，程序可通过这四个端口控制电机的转速和转动方向。

VSS和VS分别为芯片的逻辑电压和电源电压。

OUT0-OUT3为芯片输出端，后接D1-D8续流电路。

ENA和ENB为两路电机的使能端。

这个模块一共有两个电机，左边的电机控制左边部分，右边的控制右边部分。

一个电机有三个控制位，一个控制位是使能，当使能位为1时，电机正常工作，当使能位为0时，电机不能工作。

另两个控制为则是控制电机的方向，当控制位位10时，电机正转，为01时，电机反转。

即改变驱动的控制位就能改变电机的转动方向。

4系统测试

系统测试是在系统制作过程中进行的，主要包括单片机PWM测试、光电传感器测试和可调电源测试

4.1测试仪器

表1测试仪器

仪器名称

型号规格

数字万用表

DT-9208A+

RIGOL双踪示波器

DS1062C60MHz400Msa/s

RIGOL函数信号发生器

20MHz100Msa/s

直流稳压器

DF1731SLL3A

4.2单片机PWM测试

单片机型号为STC89C52RC，晶振频率12M，定时器0选用工作方式2，单片机PWM主要控制两路直流电机，其占空比可以控制电机转速。

当单片机定时中断里计数值为2时，PWM占空比为%10，当单片机定时中断里计数值为18时，PWM占空比为%90。

图37PWM输出

由上图可知，左图占空比为10.2%,右图占空比为89.5%，与预测值基本一致。

结论：

通过单片机可以精确的控制PWM占空比。

4.3光电传感器测试

光电传感器型号为ST188的光电对管，传感器一共分为五组，每一组为一个光电对管，传感器后级接电压比较器，当传感器检测到地面黑带时电压比较器输出高电平，反之电压比较器输出低电平，测试工作主要是测试传感器输入和电压比较器输出关系。

1号传感器

2号传感器

3号传感器

4号传感器

5号传感器

电压比较器

√

10000

√

01000

√

00100

√

00010

√

00001

上面表格中打勾的地方表示传感器检测到地面黑带，最后一列为电压比较器输出状态。

结论：

传感器有效时电压比较器输出高电平，反之输出低电平，说明光电传感器模块工作正常。

4.4可调电源测试

系统电源采用LM1085可调电源，在章节4.1.2中的原理图中，保持R4为1K，由公式

Uo=VREF（1+R3／R4），当R3=6.2K时，Uo=9V，当R3=3K时，Uo=5V,当R3=2.64K时，Uo=3.3V。

电阻R3（K）

输出电压（V）

6.2

9

3

5

2.64

3.3