毕业设计红外线避障小车的设计.docx
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毕业设计红外线避障小车的设计
摘要
随着生产自动化的发展需要，机器人已经越来越广泛地应用到生产自动化上，随着科学技术的发展，机器人的传感器种类也越来越多，其中红外传感器已经成为自动行走和驾驶的重要部件。
红外的典型应用领域为自主式智能导航系统，机器人要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，感知障碍物相当给机器人一个视觉功能。
智能避障是基于红外传感系统，采用红外传感器实现前方障碍物检测，并判断障碍物远近。
由于时间和水平有限，我们暂选最基本的避障功能作为此次设计的目标。
本设计通过小车这个载体再结合由AT89S51为核心的控制板可以达到其基本功能，再辅加由漫反射式光电开关组成的避障电路、555组成的转速控制电路、电源电路、差分驱动电路就可以完善整个设计。
关键词：
避障光电开关红外线漫反射差分控制
Infraredobstacleavoidancecar
Abstract
Withthedevelopmentneedsoftheproductionautomation,robotshavebeenmoreandmorewidelyappliedtotheautomationofproduction,withthedevelopmentofscienceandtechnology,therobotmoreandmoretypesofsensors,includinginfraredsensorshasbecomeanimportantcomponentoftheautomaticwalkinganddriving.
InfraredTypicalapplicationsforautonomousintelligentnavigationsystems,roboticstoachieveautomaticobstacleavoidancemustbeperceivedobstacles,perceivedobstaclestotherobotquiteavisualfunction.Intelligentobstacleavoidancesystembasedoninfraredsensor,infraredsensorfrontobstacledetectionanddeterminetheobstacledistance.
Duetothelimitedtimeandthelevelofourmostbasicobstacleavoidancetemporaryasthedesigngoal.
DesignbycarcarrierrecombinationbyAT89S51asthecoreofthecontrolpanelcanachieveitsbasicfunctions,supplementedplusdiffusephotoelectricswitchobstacleavoidancecircuit555comprisingaspeedcontrolcircuit,powercircuit,adifferentialdrivecircuit.Youcanimprovetheentiredesign.
Keywords:
obstacleavoidancephotoelectricswitchinfrareddiffusereflectancedifferentialcontrol
前言
随着生产自动化的发展需要，机器人已经越来越广泛地应用到生产自动化上，随着科学技术的发展，机器人的传感器种类也越来越多，其中红外传感器已经成为自动行走和驾驶的重要部件。
红外的典型应用领域为自主式智能导航系统，机器人要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，感知障碍物相当给机器人一个视觉功能。
智能避障是基于红外传感系统，采用红外传感器实现前方障碍物检测，并判断障碍物远近。
由于时间和水平有限，我们暂选最基本的避障功能作为此次设计的目标。
本设计通过小车这个载体再结合由AT89S51为核心的控制板可以达到其基本功能，再辅加由漫反射式光电开关组成的避障电路、555组成的转速控制电路、电源电路、差分驱动电路就可以完善整个设计。
第1章课题研究价值
第1.1节选题背景
国外随着计算机技术，控制技术，信息技术的快速发展，工业的生产和管理进入了自动化，信息化和智能化的时代，智能化已经成为时代发展的需要。
第三代单片机包括了Intel公司发展MCS-51系列的新一代产品，如8ｘC152﹑80C51FA/FB﹑80C51GA/GB﹑8ｘC451﹑8ｘC452,还包括了Philips﹑Siemens﹑ADM﹑Fujutsu﹑OKI﹑Harria-Metra﹑ATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色﹑与80C51兼容的单片机。
新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以实现Microcomputer完善的控制功能为己任，将一些外部接口功能单元如A/D﹑PWM﹑PCA（可编程计数器阵列）﹑WDT（监视定时器）﹑高速I/O口﹑计数器的捕获/比较逻辑等。
这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。
Philips公司还为这一代单片机80C51系列8ｘC592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线----CAN（ControllerAreaNetworkBUS）.新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础。
该项目可以应用于机车头自动寻迹，工厂自动化，仓库管理，可提高劳动生产效率，改善劳动环境。
在柔性自动化生产线，智能仓库管理及物流配送等领域，当生产环境恶劣时，工人不能完成的任务如物料运输和装卸等，可采用智能寻迹小车完成相应的任务。
基于生产现场和日常生活的实际需要，研究和开发智能寻迹小车系统具有十分重要的意义。
第2章课题设计
第2.1节设计要求
在本次设计中，要求所设计的小车具有自动避障的功能，能在红外探头探测到前方有障碍物的时候先进行后退大约2秒再进行向左转180度角，第二次探测到前方障碍物的时候再后退大约2秒再进行向右转180度角，这样循环下去。
很明显，我要设计的小车是要能遇见障碍物自动窥探到障碍物并立即倒退和转动方向重新行驶，当然小车行驶速度不会有太大的变化。
第2.2节总体设计
图2.1系统框架图说明
智能避障小车能避障主要是由前方的两对红外发射与接收探头来完成的。
根据光有反射的特性。
所以说当红外发射出来的光线遇到物体时，就会形成反射的光线，而这个经反射的红外光线刚好被红外接收探头接收到。
当红外接收探头接收到信号后，再将信号送到单片机由单片机部程序来控制电机，由电机完成小车的前进，转向。
第3章方案论证
第3.1节单片机选择论证
在单片机选择提供两种选择一种是8031另一种是AT89S51。
选用8031单片机系统8031单片机不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器8255和一片2764，来进行扩展。
电路复杂。
选用AT89S51单片机系统AT89S51里有4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。
不用扩展外部存储器。
显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。
由此可见选用AT89S51单片机。
第3.2节传感器设计方案
在传感器方案的选择中，有以下两种方案供参考：
方案一：
使用CCD传感器来采集路面信息。
使用CCD传感器，可以获取大量的图像信息，可以全面完整的掌握路径信息，可以进行较远距离的预测和识别图像复杂的路面而且抗干扰能力强。
但是对于本项目来说，使用CCD传感器也有其不足之处。
首先使用CCD传感器需要有大量图像处理的工作，需要进行大量数据的存储和计算。
因为是以实现小车视觉为目的，实现起来工作量较大，电路复杂。
方案二：
使用光电传感器来采集路面信息。
使用红外传感器最大的优点就是结构简明，实现方便，成本低廉，免去了复杂的图像处理工作，反应灵敏，响应时间低，便于近距离路面情况的检测。
但红外传感器的缺点是，它所获取的信息是不完全的，只能对路面情况作简单的黑白判别，检测距离有限，而且容易受到诸多扰动的影响，抗干扰能力较差，背景光源，器件之间的差异，传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰。
经过综合考虑，在本设计中采用红外光电传感器作为信息采集元件。
第3.3节控制算法设计方案
在小车的运行中，主要有方向和速度的控制，即舵机和电机的控制，这两个控制是系统软件的核心操作，对小车的性能有着决定性的作用。
对电机的控制，要达到的目的就是：
在任何情况下，总能给电机一个合适的高低电压，保证小车能始终遇见障碍物时可以随时转动运行的方向。
在电机的控制方案中，有以下两种方案可供选择：
方案一：
比例控制
这种控制方法就是在检测到车体偏离的信息时给小车一个预置的反向偏移量，让其回到跑道。
比例算法简单有效，参数容易调整，算法实现简单，不需要复杂的数字计算。
在实际应用中，由于传感器的个数与布局方式的限制，其控制量的输出是一个离散值，不能对舵机进行精确地控制，容易引起舵机左右摇摆，造成小车行驶过程中的振荡，而且其收敛速度也有限。
方案二PID控制
PID控制在比例控制的基础上加入了积分和微分控制，可以抑制振荡，加快收敛速度，调节适当的参数可以有效地解决方案一的不足。
不过P，I，D三个参数的设定较难，需要不断的进行调试，凭经验来设定，因此其适应性较差。
方案三：
最少拍控制
最少拍设计，是指系统在典型输入信号（如阶跃信号，速度信号，加速度信号等）作用下，经过最少拍（有限拍），使系统输出的稳态误差为零。
所以，最少拍控制系统，也称最少拍无差系统，最少拍随动系统，实质上是时间最优控制系统，系统的性能指标就是系统的调节时间最短或尽可能短。
可以看出系统对闭环脉冲传递函数的要快速性和准确性。
也就是说让小车在行驶出跑道后，能在最短的时间回到跑道上。
最少拍控制系统的设计与被控对象的零极位置有很密切的关系。
在本次设计中小车只要求按照跑道行驶，跑道简单。
能有快速性，准确性的反应就可以，经过综合考虑后，采用最少拍控制。
第4章智能小车硬件设计
第4.1节智能小车硬件分配
本设计的小车硬件设计分为两部分，一部分是机械设计，一部分是电路设计。
机械设计主要是对小车的机械部件进行选件与组装。
电路设计是对核心单片机、还有复位操作方式、晶振频率、传感器电路设计、电源管理模块、驱动模块进行介绍。
组装注意事项请看附录B
4.1.1机械部分材料清单
材料清单分为：
电动机芯装配材料清单与小车装配清单
表4.1电动机芯装配材料清单
序号
名称
规格
1
电机
131U=6V10000转/分
2
蜗杆
M=0.5Z=1
3
二牙轴
Φ2*18
4
二牙片
M=0.5Z=10/20
5
三牙轴
2.5*2.5*68方轴
6
三牙片
M=0.5Z=12/38方孔
7
电机夹板A
8
四牙轴
2.5*2.5*z8方轴
9
四牙片
M=0.5Z=42方孔
10
电机夹板B
11
自攻螺丝
M2.5*8
12
机制螺丝
M3*30
表4.2小车装配清单
序号
名称
规格
数量
1
底板
1
2
机制螺丝
M3×8
4对
3
机芯
2
4
后轮
2
5
开关
1
6
机制螺丝
M2×8
2对
7
双联极片
3
8
前轮
2
9
前轮架
2
10
单联极片
2
11
机制螺丝
M3×8
4对
12
前轮轴
Φ3×118
1
13
前轮固定圈
2
4.1.2电路板硬件材料清单
表4.3材料清单
位号
名称
备注
位号
名称
备注
M1
电机1接线座
SIU1
LED数码管
M2
电机2接线座
IR1
红外接收头
X1
前端探测板接线座
RX1
10K排阻
DC
电源接线座
Z1
11.0592晶振
R1
15K
IC1
AT89S51
R2
220
IC2
MAX232CPE
R3
150K
IC3
LG911集成电路
R4
1M
IC4
LG911集成电路
R5
47K
C1
10uF/16v
R6
560
C2
104
R7
560
C3
104
R8
560
C4
104
R9
560
C5
10uF/16v
R10
560
C6
10uF/16v
R11
560
C7
30PF
R12
560
C8
30PF
R13
560
C9
104
R14
220
C10
10uF/16v
R15
10K
C11
10uF/16v
R16
560
C12
10uF/16v
R17
10K
C13
10uF/16v
R18
560
D1-D8
红色发光二极管
R19
560
D9
绿色发光二极管
R20
560
S1
按键开关
R21
560
S2
按键开关
R22
560
S3
开关
R23
560
COM1
9针串行端口
R24
560
D1-D2
LED发光二极管
前板用
R25
10K
V1
红外发射头
前板用
R26
560
V2
红外接收头
前板用
RL1
光敏电阻
V3
红外发射头
前板用
SB1
蜂鸣器
V4
红外接收头
前板用
B1
话筒
V5
红外接收头
前板用
R1
220
前板用
V6
红外发射头
前板用
R2
220
前板用
R3
560
前板用
R4
15K
前板用
R5
15K
前板用
R6
220
前板用
R7
560
前板用
R8
15K
前板用
COM数据线
第4.2节AT89S51单片机简介
AT89S51作为本设计的核心芯片如图所示3-1，是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash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80C51引脚结构，芯片集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
以下是详细介绍。
图4.1AT89S51
4.2.1AT89S51单片机的硬件结构
AT89S51单片机系列的存储器用的是哈佛结构，即将程序和数据存储器截然分开，程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式、寻址空间和控制系统。
AT89S51的存储器可分为五类：
程序存储器，部数据存储器，特殊功能寄存器，位地址空间，外部数据存储器。
4.2.2AT89S51单片机管脚简介
AT89S51有40引脚双列直插（DIP）、44引脚（PLCC）、44引脚（TQFP）封装形式。
AT89S51的引脚功能如图3-2所示。
AT89S51系列单片机采用了CMOS技术制造，它集成度高、速度快、功耗低。
4.2.3AT89S51单片机的部存储结构
AT89S51单片机片总体结构的详细框图如图3-3所示，主要由9个部分组成，分别是：
1个8位中央处理器；4KBFlash存储器；128B的数据存储器；32条I/O接口线（P0、P1、P2、P3）；2个定时/计数器；1个具有6个中断源、4个优先级的中断嵌套结构；用于多处理机通信、I/O扩展或全双工UART的串行口；特殊功能寄存器（SFR）；1个片振荡器和时钟电路。
图4.240引脚双列直插（DIP）封装
图4.3AT89S51单片机片总体结构图
第4.3节电路设计
在本设计中电路设计非常重要包括复位操作方式、晶振频率、传感器电路设计、电源管理模块、驱动模块的设计。
这些电路设计都以简单、使用为原则进行设计。
其中复位电路、晶振电路和电源构成了单片机的最小系统。
下面是详细介绍。
4.3.1复位操作方式
复位是单片机的初始化操作，其主要功能是PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化外，由于程序运行时出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为使单片机正常工作，也需按复位键以从新启动。
除PC之外，复位操作还对其它特殊功能寄存器有影响。
复位操作还对单片机的个别引脚信号有影响。
它们的复位状态见附录表例如；在复位期间ALE和PSEN信号变为无效状态，即ALE=1，PSEN=1。
（1）复位信号及其产生
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡脉冲周期（即两个机器周期）以上。
若使用频率为6MHZ的晶振，则复位信号持续时间应超过4微秒才能完成复位操作。
整个复位电路包括芯片、外两部分。
外部电路产生的复位信号（RST）送施密特触发器，再由片复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到部复位操作所需要的信号。
（2）复位操作方式
复位操作有上电自动复位、按键电平复位、外部脉冲复位和自动复位四种方式。
图4.4AT89S51复位电路
本次设计采用的是上电复位，上电复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，只要电源VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。
4.3.2晶振频率
晶振电路是单片机不可缺少的，这种电路是单片机部振荡电路，由只需要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚边接一个晶体振荡器或一个瓷振荡器，并通过两个电容后接地即可，XTAL1和XTAL2分别为单片机片反相器的输入和输出端口，因为单片机部工作需要时钟，产生机器周期，振荡电容一般选取10-30PF，振荡电路的频率要满足单片机的工作频率要求，单片机才能正常工作。
如图4.5所示。
图4.5晶振的应用原理图
4.3.3传感器电路设计
寻迹传感器模块的设计是整个智能小车设计中最重要的一部分，其作用相当于人的眼睛和耳朵，采集外部路面的信息并将其送入单片机进行数据处理，其能否正常工作直接影响着小车队路面的判断以及小车下一步的行动，因而其布局的合理性与有效对小车稳定而又快速的行驶起着关键的作用。
我们认为在传感器的布局中，要解决两个问题：
信息检测的精确度和信息检测的前沿性。
（1）本设计中选用的传感器如图3-6所示，白色为：
红外发射探头（连续的发射红外光线）。
黑色为：
红外接收探头（接收反射回来的红外光线）
图4.6红外发射管与红外接收探头
本设计中安装了三组（也可两组）红外探头，排成三角形。
传感器电路图如图所示4.7详细全图见附录
图4.7红外发射与接收探头相关的匹配电阻
220电阻：
红外发射器的降压与限流电阻（完成对红外发射器的保护）。
因为单片机的电源是5V，流过放光二极管的电流小于20MA，放光二极管的管压降为1.7V~2V。
所以根据单片机电源减去二极管管压降除以流过二极管电流，就可以得到所需要的电阻。
15K电阻：
红外接收探器的光信号变电信号电阻（完成将反射回来的光信号）。
15K的电阻选择是随意选择的，也可以选择10K，20K。
因为红外接收探头在工作时，就相当于一个开关，所以电阻是随意的。
红外发射与红外接收器
V1红外发射器：
主要完成红外线的发射
V2红外接收器：
主要完成将反射回来的红外光线接收到后再由电阻转换为电信号。
（3）避障小车的避障原理
避障小车之所以能够避障，主要是由前方的两对红外发射与接收探头来完成的。
我们知道光有反射的特性。
所以说当前方的红外发射出来的光线遇到物体时，就会形成反射的光线，而这个经反射的红外光线刚好被红外接收探头接收到。
当红外接收探头接收到信号后，再将信号送到单片机由单片机部的程序来控制小车的运行情况。
那么如何知道是如何有障碍物呢？
原来红外光线有一个反射特性。
但对于不用的物体反射特性是不一样的，特别是对白色反光的物体，红外光线的反射量将会多一点。
而没有明显障碍物，红外反射量将会大量的减少。
那么我们就可以利用这个特性来完成障碍物的判断。
通过电路的合理安装，可以将这种接收到的红外光线变化量转换为电压值传送到单片机中。
返回的电压值为低电平，而单片机就可以进行各种智能化控制了。
例如，完成避障的转动功能，还有倒车停车的功能。
4.3.4驱动模块
直流电机的控制一般由单片机的PWM信号来完成，因为单片机产生的信号很小，所以采用电机驱动芯片L9110驱动器。
电路图示见4.7，器件管脚图见4.8，管脚定义见表4.1
图4.8驱动芯片使用电路
图4.9器件管脚图
表4.1引脚说明
图4.10管脚波形图
描述：
L9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片IC之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。
该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性;两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750~800mA的持续电流，峰值电流能力可达1.5~2.0A；同时它具有较低的输出饱和压降；置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。
4.3.5电源管理模块
方案1：
采用交流电经直流稳压处理后供电
采用交流电提供直流稳压电源，电流驱动能力及电压稳定性最好，且负载对电源影响也最小。
但由于需要电线对小车供电，极大影响了避障小车行动的灵活性及地形的适应能力。
而且避障小车极易把拖在地上的电线识别为障碍物，人为增加了不必要的障碍。
故放弃了这一方案。
方案2：
采用干电池组进行供电
采用四节干电池降压至5V后给单片机及其他逻辑单元供电，。
这样电机启动及制动时的短暂电压干扰不会影响到逻辑单元和单片机的工作。
所以采取此方案。
第5章智能小车软件设计
第5.1节总体流程图
流程图说明：
首先开始启动，进入系统初始化定义引脚，执行主程序小车前进。
根据小车的指示灯来判断小车的运行情况。
如果小车遇见障碍物，会给单片机一个低电平信号进入电机模式选择，例如：
小车遇见障碍物，传感器开始扫描，当红外接受探头接受到红外光线，给单片机底电平信号，这时经过单片机部程序的处理设置合理的托退和转动时间函数，同时电机后退加转动。
直到小车跑回没有障碍物的轨道，正常前进。
反复的重复这样的动作就可以实现一直蔽障的功能。
第5.2节最少拍控制算法
最少拍设计，是指系统在典型输入信号（如阶跃信号，速度信号，加速度信号等）作用下，经过最少拍（有限拍），使系统输出的稳态误差为零。
所以，最少拍控制
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