基于51单片机小车的循迹避障系统Word文档格式.docx

1、循迹部分调试时，只要通过检测到黑线，判断是否沿黑线行驶，即可以调试出。在进行避障调试中，我们可以把障碍物放在小车前方，然后看小车两个轮子的转向。这种模块化的设计思想不仅简化了设计过程，而且对我们以后的设计也会有一定启发。关键词 智能化，单片机，红外对管，超声波传感器ABSTRACT Along with the development of society, more and more intelligent attention. This design by simulating a car driving and automatic obstacle avoidance, to achie

2、ve intelligent. In this design, with STC89C52 SCM as the master chip, processing various signals received, and make corresponding feedback; using Infrared to tube to detect the black line, so as to achieve the purpose of tracking; using ultrasonic sensors to perceive obstacles thing to realize obsta

3、cle avoidance function; using L298N chip to be driven by written procedures to ensure that the motor is rotating around to achieve the desired goal when designing the car. In car design, a rigorous design process, using a block diagram of the module design, program flowchart design, programming and

4、multiple design steps Schematic design. This ensures that the design process rigor, the error does not occur because of a single design system and make the entire system functions. As the car in the design process, using a modular design concept, so very convenient during debugging. We were part of

5、each function for debugging, debugging driving part, as long as the motor forward or backward signal, you can debug the functionality. When debugging tracking part, simply by detecting the black line, to determine whether the black line running along, that you can debug a. Avoidance during commissio

6、ning, we can put an obstacle in front of the car, and then look at the car two steering wheels. This modular design not only simplifies the design, but also for our future designs also have some inspiration.Key Words : Intelligent，SCM，Infrared to tube，Ultrasonic sensors第1章 绪论1.1 智能小车的研究意义随着社会的发展，科技的

7、发展日新月异。于是，智能一词越来越受到人们的关注。而科技代替人工的说法，早已被提上人们的日常生活了。目前，由于私家车的普及，伴随着的就是各种车祸的产生。如何避免此类情况，是人们需要深思的一个问题。在我所研究的自动循迹避障系统中，我们可以利用小车来模拟汽车自动避障功能，来避免现实中汽车因与障碍物碰撞而产生的车祸。因此，自动循迹避障小车对于在进行自动避障的时候，有着非常重要的现实意义。1.2 智能小车的现状2013年年底，工业和信息化部颁布关于推进工业机器人产业发展的指导意见，将机器人产业推到了公众的视线内。随着全球工业化进程的推进，机器人制造业正逐渐获得长足发展。智能小车作为移动机器人的基础，在

8、智能全球化的浪潮中，受到越来越大的冲击，更多的高新技术和硬件设备被应用其中，使智能小车走出了只能用于比赛的模式，而更加广泛的服务于大众。从20世纪80年代起，由于计算机、电子、通信等方面的技术飞速发展，使得越来越多的技术从理论走向实际。于是，在国外掀起了智能机器人研究浪潮，世界各国或者国际机构都加大了对机器人的研究力度，并投入了巨大的经费。其中，各种具有广阔应用前景和军事价值的移动式机器人都受到西方各国的普遍关注。韩国科学技术部在20世纪末推出的“二十一世纪的尖端研究计划”，其中包括服务机器人，可适应恶劣环境机器人，微型机器人和扫雷机器人项目。欧盟在信息社会技术计划中，展开了探测火山情况的机器

9、人、可以用来评价地震灾害危险性的攀爬式机器人，以及利用机器人的交互式行为的博物馆临场感等项目研究。2013年Irobot公司新推出一款机器人名叫braava，它可以模仿人工跪地姿势，利用室内GPS导航系统先进的北极星技术生成室地图，确定方向，以及标记障碍物和记忆经历过的地区。自2012以来，在政策层面上，国家大力支持发展工业机器人，用来提高我国的工业实力。从其中可以看出，由于国家层面的各种规划和制度的出台，让我国机器人的发展得到更进一步的提升。并且提出要大力推动工业的自动化控制系统完善，工业机器人技术的研发，关键材料和配件等装置的研发和市场化，这对于中国国产机器人在将来的发展与应用有着明显的积

10、极作用。2005年11月，我国教育部自动化专业指导分委员会与飞思卡尔半导体公司签署了双方长期合作协议书，协助我国举办“飞思卡尔”智能小车大赛。于是，我国智能小车比赛才开始发展。而且，在我国自主举办的全国大学生电子设计大赛中，智能小车出现的频率也居高不下。1.3 论文研究内容与主要结构论文主要研究的内容就是小车的循迹与避障，因为在实现整个系统时，如何确保小车按照所设定的路线行进，是至关重要的。在进行避障循迹小车研究时，我们首先要确保电路图的设计合理。这样的话，在后面进行的硬件调试时，才可以避免因为电路原理的错误，而使得设计达不到预定要求。论文主要由九部分组成，第一部分：主要介绍选题的目的意义，以

11、及选题目前在国内外的发展现状。这样我们在进行课题设计的时候，有很大的参考意义；第二部分：主要是在论证小车设计方案的优劣，并根据实际情况，例如实现难易程度、生产成本以及后续的维护是否方便来进行筛选，得出最后本小车的设计方案；第三部分：小车的系统硬件电路设计，我们在实现小车功能时，必须通过构建硬件电路；第四部分：系统软件设计，这是一个很重要的部分，因为只有通过系统软件的控制，小车才可以按照设定功能进行一系列动作，比如循迹以及避障；第五部分：小车的测试，这是对小车设计完成后，其功能是否达到最初的设计规划，是设计工作是否准确完成的一个很重要的指标；第六部分：总结，是对整个小车设计过程中所遇到的一些问题

12、，所付出的努力，还有最后的结果进行一个大致总结；第七部分：致谢，对于这几个月中，老师以及领导在对本次论文设计编写过程中所给予的帮助；第八部分：参考文献：在小车设计及论文编写过程中，所参考的一系列的资料，进行一个归纳整理；第九部分：附录，最要用来展示小车的整体硬件电路情况以及小车的系统程序，这样便于阅读。第2章 方案选型2.1车体设计在本次设计中，所采用的是两轮驱动的车体。顾名思义，指的是用两个电机来驱动小车的两个轮子，能够使得动力分布的更均匀，可以减少车体滑动。相对于四轮驱动的安全性、灵活性来说，两轮驱动也比较高。可以按照行驶路面状态的不同而将发动机输出扭矩分别分布在两个轮子上，提高小车的行驶

13、能力。而且，两轮驱动在车体结构及元器件分布上，也相较于四轮来说更加密集。两轮驱动在控制上，相对于四轮驱动也比较容易，在设计时更加便于实现。2.2 电机驱动选择 小车要向前行驶，必须要有动力来驱动轮子，因为我们在控制小车的行进时，并不是每个轮子的转向转速都一样。在转弯的时候，就必须区别每个轮子的转速快慢和转向，所以就必须用到电机驱动模块来对小车进行驱动。直流电机在驱动时，只需要合适的直流电压就可以进行驱动。而且，直流电机可以承受反复冲击，对于小车在急速转弯或者反复前后转动时，有很好的容纳性。在调速特性方面，直流电机可以很方便的进行调速，且调速范围广。在控制时只要加上合适的电压就会转，我们并不需要

14、精确的计算其所转的圈数。步进电机则是靠脉冲信号来进行驱动，对于脉冲信号来说，我们不能直接使用直流电压产生，必须借助于单片机的I/O来产生，这样的话在进行设计时，就会增加I/O的使用数量，使得设计难度增加。我们在电机选择时，可以选用直流电机。因为通过对两种电机的综合性能比较，直流电机在控制是更加方便，而步进电机在控制时，相较于直流电机来说，比较困难一点，因此我们不采用步进电机，选择更加简单的直流电机。电机的驱动电路为“H桥式驱动电路”（如图1所示），整个电路是由四个晶体管和一个电机组成。在电路中，四个晶体管分别表示H的四个角，分别接上“+”、“-”电压，这样通过四个脚的电压输入，就可以驱动电机。

15、而电机在H型电路中，是表示中间的横杠。在实际使用的时候，如果我们用单独的元器件来实现H桥式电路的话，是比较困难的。因此，我们可以采用市面上的已有封装的芯片。这样的话，我们只要在进行电路设计时，考虑芯片的工作电压范围，功率以及所需的控制信号即可，就不用再通过自己来一个一个搭建电路。图1 H桥式驱动电路 2.3 PWM调速技术 由于小车在进行自动循迹和避障时，两个驱动轮的速度并不是一样的，这个时候我们要对小车各个轮子速度控制，就必须使用到一种调速技术，即为脉冲宽带调制技术（PWM），简称为脉宽调制。PWM调速主要是利用微处理器来控制，它可以使模拟电路中的信号进行数字化输出，从而可以对电路进行有效的

16、控制。而且，PWM技术在使用单片机等控制芯片的系统中，可以让控制方面变得更加简洁、高效。 PWM技术的实现主要有两种方法，一种是硬件调制法，另外一种就是软件生成法。硬件生成法（如图2所示）是把所希望得到的波形作为调制信号，我们可以根据需要的波形来进行改变参数选择。被调制信号作为载波信号，通过对载波信号的幅频、相频等进行调节，可以得到所需要的PWM信号波形。由于三角在实现时比较容易，而且其各种参数的调制也方便，因此我们一般将其作为载波信号。由于各种复杂的信号都可以认为是许多不同的正弦信号叠加而成，我们可以把正弦波作为调制信号，这样我们得到的信号波形就是PWM信号。软件生成方法是利用计算机软件技术

17、来实现产生PWM波的调制，这种技术产生信号更加容易。而且在进行PWM波形变换时，只要在软件程序里进行简单的修改，即可以进行实现。由于硬件调制法电路是属于模拟电路，其结构比较复杂，而且在实现电路设计和搭建时，相比较起来不方便，难以实现精确的控制。而软件生成法就比较简单，只要在控制程序里加上PWM调制就可以。因此，我采用软件生成法来实现PWM波形。图2 PWM硬件电路2.4 循迹模块技术在小车进行循迹时，我们要考虑小车对循迹黑线检测的灵敏性。CCD图像传感器在实现的时候，有比较好的灵敏性，而且可以进行路径成像。其通过将光信号转变为模拟信号，在经过信号放大和A/D转换，可以产生便于单片机识别的数字信

18、号。红外对管则是由于红外线接收二极管在光线下照明，通过调用产生的光电流。如果连接到外部电路上的负载，所需的电信号通过负载获得，并且这个电信号会随光的改变而发生相应的变化。这种获得的信号相对比较模糊，而且受光强度影响较大。在本次设计中，由于我们只要考虑小车对黑线的检测，并不需要有实际的成像效果，加上CCD图像传感器价格昂贵。基于实用、成本等综合因素，我考虑使用红外对管进行循迹。小车上使用了五对红外对管（如图3所示），这样可以很准确地检测出黑线位置，并循迹行走。图3 红外对管实物红外对管是将光信号转换为电信号（如图4所示）的光敏器件或者光电变换装置。可见光信息源、红外光信息源、紫外光信息源等都直接

19、或者间接地辐射出一定功率的光能，包括含有一定信息量的光能量由红外对管接收后，红外对管能够按一定的规律将光能中所包括的模拟或者数字信息转化成相应的电信号，从而可以以电信号的形式还原出光能中所携带的信息。图4 红外光电传感器工作原理2.5 避障模块技术 小车进行避障时，我们需要提前探知其前方是否存在障碍物，这样就可以在行进过程中，自动选择远离障碍物的路线。在避障模块的选择时，有两种选择，一种是使用红外避障，还有一种是超声波避障。红外避障是通过发射和接收光信号，在通过一系列的转换变为数字信号，来判断前方障碍物。这种方式容易受到其他光的干扰，使得检测结果不准确。而且由于其光束比较集中，在探测时其探测的

20、区间较小，可能会造成避障不成功。超声波避障则是利用声波信号遇到障碍物返回，测量其间隔时间来进行避障的。超声波的测量范围很广，可以测量方向、距离等。测量距离可以采用主动测距法和被动测距法：被动测距法是传感器只有接受信号的功能，包括方位法和视差法；主动测距法是传感器既发射信号又接收信号，包括TOF法、脉冲回波法、FM-CW法等。声波在传递过程中，是发散形式的，可以大角度的检测，这样就可以保证不会存在死角。而且声波的使用也比较广泛，像雷达探测，金属探伤等。本小车采用了HC-SR04超声波避障模块（如图5所示），在其性能方面，有比较好的探测距离和角度。采用I/O口TRIG触发测距，利用接收到信号后的电

21、平差，来进行信号控制，从而选择驱动小车两个轮子来进行避障。模块由5V电压供电，接入端为VCC口，TRIG为触发控制信号输入口，回响信号则由端口ECHO进行输出。图5 HC-SR04超声波模块图6 超声波脉冲响应时序图表1 HC-SR电气参数 电气参数HC-SR04超声波模块工作电压DC 5V工作电流15mA工作频率40Hz最远射程4m最近射程2cm测量角度15度输入触发信号10uS的TTL脉冲输出回响信号输出TTL电平信号，与射程成比例规格尺寸45*20*15mm2.6 控制系统模块 在本小车设计的控制系统中，我们采用STC公司生产的一款单片机STC89C52。由于在小车的整个运行过程中，其需

22、要处理的数据比较多，在驱动电机时，就需要通过单片机的I/O口来输出控制信号，使得小车实现前进、后退以及转弯等功能。在小车运动过程中，还需要接收很多的控制信号，像循迹信号、超声波信号等。这样就可以实现小车的速度控制、循迹行驶以及躲避障碍物等功能。STC89C52单片机（如图7所示）有40个I/O口，其中P0、P1、P2、P3为并行I/O口。芯片时钟的产生有两种，内部时钟和外部时钟，而内部时钟就是通过单片机引脚XTAL1和XTAL2外界晶振得到的。还有多个中断源及优先级等，可以对程序执行功能的优先进行区分，通过中断来进行高优先级的指令。52单片机是8位单片机，拥有8K字节Flash，512字节RA

23、M，内置4KB EEPROM，以及复位电路等。在单片机的4个并行I/O口中，P0与P3、P1与P2拥有相似的功能，除了P1口是单功能口外，其余都为双功能口。图7 51单片机引脚图2.7 电源选择在小车电源选择时，我们需要特别注意，因为系统单片机的额定工作电压为5V。对于电机来说，用5V驱动又不能让小车行驶，而过高的电压可能会使系统芯片烧坏。因此，我们需要通过计算得到小车的可允许电压电流范围，一般采用9V12V为好，本小车采用9V供电。这样既可以保证电机驱动所需电压，又不会因为电压过大而造成元器件的烧坏。第3章 硬件电路设计3.1总体设计图8 小车总体框架图 小车的整体系统（如图8所示）是以51

24、单片机为CPU，通过红外对管来进行黑线检测循迹行走，通过超声波探测器进行障碍物感知，进行避障功能实现，通过驱动模块来实现电机的驱动，从而达到小车的运动。 系统电路图见附录1：3.2电源电路设计 在小车的电源系统，采用9V直流供电，为了防止在误操作时接入过高的电流使整个电路烧毁，一般会在电路中接入防击穿电容。图9 小车电源电路3.3驱动电路设计图10 驱动电路框架图 在驱动电路部分设计时，我们要考虑的是驱动芯片的选择，一般是在L298N和L293D这两款芯片中选择。对于L298N芯片，是使用的15脚直插式封装模式，具有四通道驱动逻辑电路，可以很方便的驱动两个电机。而且它的工作电压以及单通道输出电

25、流都比较高，一般可达到46V和2A。L293D在功能上和L298N基本一样，但是它的工作电压和通道电流都相比于L298N要小，其采用的是直插式16脚SOIC-20封装模式。所以，在应用时，一般使用L298N而不采用L293D，从经济方面来考虑，L298N也更具有优势。L298N输出电压的方式有两种，一种是直接通过电源的调节来进行电压输出；另一种就是直接使用单片机上的输入输出口提供电压信号。图11 L298N引脚图 小车采用两轮驱动，使用L298N芯片组成的电路来驱动电机，驱动电路中，采用7805稳压芯片进行稳压。由于电机驱动所需要的电压很大，因此使用9V电压直接通过驱动芯片供电。通过八个LED

26、灯来分别显示每个车轮的转动方向。图12 电机驱动电路该驱动芯片可驱动2 路直流电机，使能端ENA、ENB 为高电平时有效，控制方式及直流电机状态表如下所示。如果PWM直流电机的速度控制，需要设置IN1和IN2，确定电机的旋转方向，并使输出PWM脉冲，可以实现转速控制。请注意，当使能信号是0，电动机自由停止状态；若使能ENA信号为1，并且IN1 和IN2 都为00 或11 时，电机处于制动状态。表2 L298N驱动状态表ENAIN1IN2直流电机状态X停止1制动正转反转 7805（如图13所示）作为稳压芯片，在我们日常使用中，是使用最广泛的。并且使用起来很简单、很方便，只要简单的接入电路中，给它

27、一个稳定的直流电压源即可。 7805一共有三个引脚，引脚1是INPUT即为整流器输入电压，引脚2为GND，公共接地端，引脚3是OUTPUT输出稳压后的5V电压.图13 LM7805引脚图3.4 循迹部分电路图14 循迹模块框架 在进行小车循迹电路设计时，我们要考虑到当红外对管检测到黑线以后，如何进行下一步操作。首先将红外对管接收的光信号转化为电流信号，再将模拟电流信号转化为数字信号。在这里我们就可以使用电压比较器，进行电压比较，来确定检测到的黑线在哪一边，再通过控制电机的转动来驱动小车循着黑线行驶。一般常用的电压比较器芯片为LM339和LM393，其中LM339为四电压比较器，而LM393为双

28、电压比较器。由于我们采用五个红外对管进行黑线检测，所以使用了一个LM339和一个LM393。图15 循迹模块电路3.5 避障部分电路图16 超声波模块框架图 在小车避障时，我们选用超声波避障模块，主要是因为其在进行检测时，受到外界干扰较少，检测距离相对较远，可以多角度多范围的进行检测，这样可以减少避障失败的可能。超声波电路主要由一个声波发射口，一个声波接收口以及MAX232和EM78P153组成。其中MAX232该产品是一款兼容RS232标准的芯片，EM78P153是采用高速CMOS工艺制造的8位单片机芯片。通过扬声器T发出的超声波，如果遇到障碍物返回后，被传感器接收到。通过各级三极管放大电路

29、，将所得信号放大。放大信号被传送到EM89P153单片机，通过处理，得到所需要的数字信号。然后再通过通信接口芯片MAX232，与STC89C52单片机通信，将信号传到52单片机。最后通过52单片机的处理，得到小车避障所需的控制信息。图17 超声波检测电路MAX232为16脚直插式封装芯片，其主要的作用是来进行电平转换。其内部主要结构可分为三部分：由端口16以及四个电容构成的电荷泵电路，由引脚7-14组成的数据转换通道电路以及供电电路，一般可以产生-12V和+12V两种电压。EM89P153单片机芯片，其内部有512*13位一次性的ROM，程序代码可以通过EM下载到EM89P153芯片中。工作电

30、压范围为2.0V-6.0V；片内有4MHz校准RC振荡器；振荡器起振时间预分频系数可编程；片内可按位编程；两个双向I/O口；5级堆栈；3个中断源，外部中断，输出引脚状态变化中断，TCC溢出中断；8位实时定时/计数器（TCC）；每个指令周期为两个时钟周期。3.4主控电路设计小车的主控电路是以52单片机作为控制芯片，结合复位电路、晶振电路来控制整个系统的运行。在电路中，我们一般使用的晶振位12MHz，这样的话，单片机的每一个机器周期为1uS，这样在利用单片机时钟进行计时时，比较方便。图18 最小单片机系统第4章 程序设计4.1主程序设计概述在小车整体设计过程中，不仅有着大量的硬件电路设计，更多的是对于系统软件的分析设计。因为在硬件电路搭建完以后，只有通过软件程序的控制，才可以让小车按照设想的运行路径进行行驶，达到所需要的功能。由于小车整体功能比较多，如果在最开始程序设