基于-单片机的自动避障小车设计实现分析方案.doc

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1、|郑 州 工 业 应 用 技 术 学 院本科生毕业设计题 目：基于单片机的自动避障小车设计与实现指导教师： 张朝阳 职称： 讲师 学生姓名： 周红宇 学号： 1102120515 专 业： 电气工程及其自动化 院 （系）： 机电工程学院 答辩日期： 年 月 日 2015 年 月 日|摘 要智能小车是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人，主要是在自动化控制领域，它具有制作成本低，电路结构简单，程序调试方便等优点，具有很强的趣味性。智能小车深受广大机器人爱好者以及高校学生的喜爱。该设计利用单片机 STC89C52RC 作为主控芯片，该芯片是一种高速、低功耗、抗干扰能力强的芯片，其最高时钟

2、工作频率为 48MHz，用户应用程序空间为 8K。能够满足程序空间需要。驱动采用 L298N 驱动芯片，它是一种双全桥步进电机专用芯片，通过对其输入端的控制可以实现小车的启动、转向、停止等动作。为节省成本，小车由两个直流减速电机加一个万向轮构成，并采用后轮驱动。采用了 E18-D50NK 红外光电开关组成的避障传感器来避障。由于采用了 6 节干电池供电使系统的抗干扰性得到加强。充分利用 STC89C52 的系统资源，使智能小车完美的实现了障碍物检测、避开障碍物自动巡航等功能。经实践验收测试，该智能小车的电路结构简单，调试方便，系统反映快速、灵活，设计方案正确、可行，各项指标稳定、可靠。本文首先

3、介绍了智能车的发展前景，接着介绍了该课题设计构想，各模块电路的选择及其电路工作原理，最后对该课题的设计过程进行了总结与展望,并附带各个模块的电路原理图和本设计实物图及完整的 C 语言程序。关键词：智能小车 单片机 避障 红外线|AbstractSmart car is a small robot to accomplish specific tasks by programming, mainly in the field of automation control, it has low production cost, simple circuit structure, debugging

4、 convenient, has the very strong interest. Smart car robot lovers as well as by the majority of College students.This design uses STC89C52RC micro controller as the main control chip, the chip is a chip of high speed, low power consumption, strong anti-interference ability, and the maximum clock fre

5、quency is 48MHz, the user application space for 8K. To meet the needs of the space program. Driven by the L298N drive chip, it is a kind of dual full bridge stepper motor dedicated chip, the input end of the control can realize the car start, stop, turn. In order to save costs, the car by two DC mot

6、or and a universal wheel, and the rear wheel drive. The obstacle avoidance sensor E18-D50NK infrared photoelectric switch to obstacle avoidance. Due to the adoption of the 6 battery supplies power to the anti-interference of the system has been strengthened. To make full use of the system resources

7、of STC89C52, the perfect realization of the intelligent vehicle obstacle detection, obstacle avoidance automatic cruise function. Through the practice of acceptance testing, circuit structure of the smart car is simple, convenient debugging, the system to reflect the rapid, flexible, the design sche

8、me is correct and feasible, stable, reliable indicators.This paper first introduces the development prospects of the smart car, and then introduces the design idea, working principle and circuit of each module circuit, the design process of the project are summarized and prospects, with each module

9、circuit diagram and the design of the physical map and the integrity of the C language program.Keywords: Smart Cars Single-chip Obstacle Avoidance Infrared |目 录1 绪论 .11.1 课题研究背景及意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 单片机及直流电机的发展 .11.4 课题主要研究内容 .42 工作原理及总体设计 .52.1 工作原理 .52.2 总体设计 .53 硬件设计 .73.1 小车车体设计 .73.2 电源模块 .73

10、.3 电机驱动模块 .83.4 电机模块 .93.5 检测模块 .93.6 最终方案 .94 硬件实现及单元电路设计 .114.1 主控制模块 .114.2 单片机的复位电路与振荡电路设计 .114.3 电源设计 .134.4 驱动电路 .144.5 E18-D50NK 光电开关避障模块 .154.6 红外光电开关传感器的安装 .174.7 小车车体总体设计 .175 软件设计与仿真调试 .185.1 主程序流程 .185.2 Keil uVision3 环境 .195.3 单片机程序烧写 .215.4 系统的安装与调试 .22结束语 .24致 谢 .25参考文献 .26附录 .27|附录 A

11、 整体电路图 .27附录 B 部分源程序 .28附录 C 小车实物图 .32|1 绪论1.1 课题研究背景及意义随着第一台机器人的诞生，机器人的发展已经涉及到航空、交通、国防等领域。近年来机器人的智能化水平不断提高，也在改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、认识和改变自然的过程中，制造能代替人力劳动的机器一直是人类的梦想。智能避障电动小车是一个运用传感器、单片机、电机驱动等来实现环境感和自动行驶为一体的高新技术综合体，它在民用和科学研究等发面已获得了广泛应用。当前的电动小汽车大部分是直线行驶，也有一部分是在遥控下实现前进、后退、转弯、停车等动作。但这并不能满足某些特殊场合下的要求。因此，本文设

12、计了智能避障小车的控制系统。它的主要功能是探测前方是否有障碍物，如果有障碍物时，经过判断障碍物的位置，实现避障功能。智能是现代社会的标志性产物，是以后的发展趋势，它可以按照预先设定的模式在特定的环境里运作，无需人为操作，便可以完成预期达到的目的。此设计主要体现小车的智能避障模式，设计中理论、分析方法及创新都可以为运输机器人、采矿机器人、家用清洁机器人等自动半自动机器人的设计提供一些依据。同时小车也是玩具的发展方向，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济增长，形成商业价值。我国是一个世界大国，在高科技领域也应占据一席之地，汽车的智能化是汽车产业发展的必然趋势，在这种情况下研究智能避

13、障小车具有深远意义。本智能小车的前景就可用于未来的智能汽车上了，当驾驶员因瞌睡或疏忽时这样的智能汽车的设计就能体现出它的作用。如果汽车偏离车道或距离障碍物小于安全距离时，汽车就会发出报警，如果驾驶员没有及时作出反应，汽车就会自动减速或停止。这样的小车同样可以用于月球探测的无人探月车，帮助我们传达月球上的信息，让我们更加的了解月球。该智能小车是机器人的典型代表。它有三大部分组成：传感器检测模块、驱动电路和单片机模块。机器人要实现自动避障功能，还可以发展循迹功能，感知引导物和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的路线，还可以检测到障碍物自动躲避。1.2 国内外研究现状随着科学技术的不断发展，

14、智能机器人在各方面的应用也越来越广泛。这是一个蓬勃发展而又有无限前景的技术产业领域，在各方面都有很大的发展空|间，它将会向着更高定位精度发展，随着智能机器人技术的进步，机器人将从具有单一的判断功能发展到具有学习功能、创新能力的全智能化机器人。虽说目前我们对智能机器人的研究尚处于探索阶段，但是我们已经取得了很多不凡成就。在 70 年代，斯坦福研究院研制出了名叫 Shakey 的自主智能机器人。目的是研究复杂环境下机器人的自主推理、规划和控制能力。同时，首个步行机器人也研制成功，对此种机器人结构的研究是为了解决机器人在不平整地理状况下的运动问题。在此基础上，研制成功了多足步行机器人，其中最著名的是

15、 General Electric Quadruped 的步行机器人。从 80 年代开始美国国防高级研究计划局专门立项制订了地面无人作战平台战略计划。如 DARPR 的“战略计算机”计划中的自主地面车辆计划。能源部制订了为期十年的机器人和智能系统计划，以及后来的空间机器人计划。美国NASA 研究的火星探测机器人于 1997 年登上了火星。为了在火星上进行距离探测，又开始了新一代样机的研制，命名为 Rocky7，并在 Lavic 湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的实验。美国的 MDARS 项目是在著名的保安机器人ROBART 的基础上建立的一个多智能机器人平台，后来在指定地点执行巡逻任务。德

16、国研制了一种轮椅机器人，并在乌尔姆市中心车站的客流高峰期的环境中和 1998 年汉诺威工业商品展览会大厅环境中进行了超过 36 消失的考验，所表现出的性能是其它现存的轮椅机器人和智能机器人所不可比的。日本开发出协助盲人行走的导盲机器人 LZI.清华大学智能机器人于 1994 年通过鉴定，涉及到五个方面的关键技术：基于地图的全局路径规划研究；基于传感器信息的局部路径规划研究；路径规划的仿真技术研究；传感器技术、信息融合技术研究；智能机器人的设计和实现。另外，还有中国科学院沈阳自动化研究所的 AGV 和防爆机器人；中国科学院自动化所自行设计制造的全方位智能机器人视觉导航系统；哈尔滨工业大学于199

17、6 年研制成功了导游机器人。1.3 单片机及直流电机的发展单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时器等共跟那个集成到一块硅片上的一个小而完善的微型计算机系统。从上世纪 80 年代的 4 位、8 位单片机，发展到现在的 300M 的高速单片机。目前单片机已经参与到我们生活的各个领域，很难找到哪个领域没有单片|机的影子。导弹的导航装置，飞机上不同仪表的控制，计算机的通讯与数据传输，工业自动化过程的控制和数据处理，各种 IC 卡，豪华汽车的安全系统，录像机、摄像机、全自

18、动型洗衣机控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的高科技人才。单片机的诞生是计算机发展史上的又一个里程碑。近年来，随着高科技技术的发展，以及市场对产品功能和性能的要求不断提高，直流电动机的应用更加广泛，尤其是在智能机器人中的应用。而作为其核心单片机，正朝着多功能、高速度、低功耗、大存储容量和强 I/O 功能等方向发展。随着计算机功能的不断完善，单片机已更加广泛地应用在各种领域的自动化、智能化等方面，特别是在直流电动机的调速控制系统中。单片机具有体积小

19、、功能全、抗干扰能力强、可靠性高、结构合理、指令丰富、控制功能强，造价低等优点。所以选用单片机作为控制系统的核心。直流电机 PWM 控制系统的主要功能包括：对直流电机的加速、减速，能够很方便的实现电机的智能控制。直流电机 PWM 控制模块电路主要由 STC89C52 单片机的 I/O 端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及转弯，并且可以调整电机的转速。其间是通过 STC89C52 单片机产生脉宽可调的脉冲信号输入到 L298 驱动芯片来控制直流电机工作。早期直流传动控制由模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂电压、零漂电压等，使得模拟直流传动的控制系统精

20、度以及可靠性都比较低。随着计算机技术的发展，微处理器已经越来越多的应用于直流传动系统，实现了全数字化控制。微处理器已数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，直流传动控制采用微处理器实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的时代。随着集成电路级超大规模集成电路制造工艺的发展，微处理器性价比越来越高。此外，由于电力电子技术的发展，制作工艺的提升，使得大功率电子器件的性能大大提高。使微处理器普遍用于控制电机成为可能，利用微处理器控制电机完成各种新的、高性能的控制策略，使电机的各种能力得到充分发挥，使电机的性能更符合工业生产使用要求，还促使了电机生产商研发出各种如步进电机、无刷直流电机、开

21、关磁阻电动机等便于控制且使用的新型电机。对于简单的微处理器控制电机，只需利用微处理器控制继电器、电子开关元器件，使电路开通或关断就可实现对电机的控制。现在带微处理器的可编程控制器已经在各种机床设备和各种生产流水线中普遍应用，通过对可编程控制器进行编|程就可以实现对电机的自动化控制。对于复杂的微处理器控制电机，则要利用微处理器控制电压、电流、转矩、转速、转角等，使电机按给定的指令工作。通过微处理器控制，可使电机的性能有很大的提高。交流电机，不论是异步电动机还是同步电动机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便的调节。高性能的微处理器的实现，为采

22、用新的控制理论和控制策略提供了良好的物质基础，使电机传动的自动化程度大大提高。1.4 课题主要研究内容系统采用 STC89C52 单片机作为核心控制单元，小车车体前方的红外线传感器检测前方障碍物，用于判断是否需要转弯，防止小车碰到障碍物。本设计题目为基于单片机的自动避障小车设计，主要研究小车的避障功能，小车遇到障碍物时，当距离障碍物大于 25cm，PWM 信号自增，驱动电机加速，小车加速前进，当小于 15cm 时，PWM 信号自减，驱动电机减速，小车减速前进，并且小车采取相应的避障措施。这里探测装置必不可少，因为红外在距离检测方面的准确定位。所以采用红外线传感器作为探测装置。运用单片机搭建控制

23、电路，把红外信号接到单片机上，通过单片机对信号的检测和处理，控制外围电路使小车转向，来避开障碍物。通过 H 桥驱动电路来控制电机的转向和前进。|2 工作原理及总体设计2.1 工作原理在这里我们采用 STC89C52 作为控制电路，把两个红外信号接到单片机上，通过单片机对信号的接收和处理，控制外围电路使小车转向，来避开障碍物。通过 H 桥驱动电路来控制电机的转向和前进。通过为微控制芯片对数据进行处理，处理速度远远满足小车的运行和避障的需求。也可以通过编写不同的程序，增加模块来增加小车的功能。本小车使用 STC89C52 单片机作为主控芯片，它通过红外线传感器获知前方的障碍物情况，若不存在障碍物，

24、小车直线前进；若左前方发现障碍物，左前放的红外传感器将信号传给单片机，单片机作出处理后控制小车向右转弯以躲开障碍物；若右前方发现障碍物，右前放的红外传感器将信号传给单片机，单片机作出处理后控制小车向左转弯以躲开障碍物；若正前方发现障碍物，则两个红外传感器将信号传给单片机，单片机作出处理后控制小车倒车至合适距离后，通过传感器传来的信号决定转弯方向，以躲开障碍物。2.2 总体设计通过学习相关技术资料可了解到，红外测模块是系统的关键模块之一，红外检测方案的好坏直接关系到整体性能的优劣，因此确定红外检测方案是总体方案的关键。检测使用的红外传感器是专业的红外避障传感器，当有障碍物时，它能够反映出电平高低的变化，而且更加廉价易得，适合简单的避障。系统总体设计方框图如图 2-1 所示。