尋跡小車智能控制系統的設計與制作畢業設計論文-資料下載頁

【導讀】1）利用攝像頭采集道路行車線基本信息；2）分析車體的空間位置；3）提出車速控制及優化方案；4）舵機調節控制方案的設計與實現。設計四輪小車自動行駛方案，優化道路邊線自動識別算法及基本調速方案，完成實物制作。[1]河南工程學院本科畢業設計管理規范。[2]姚佳.智能小車的避障及路徑規劃[D].東南大學，20xx.[3]毛建國，顧筠.移動機器人避障規劃的一種實現方法[J].重慶工學院學報;20xx，

　　

【正文】 。 。本系統測量采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關，如果溫度變化不大，則可認為聲速基本不變。如果測距精度要求很高，則 應通過溫度補償的方法加以校正。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標準空氣中的傳播速度為 米 /秒，由單片機負責計時，單片機使用 晶振，所以此系統的測量精度理論上可以達到毫米級。 圖 37 超聲波測距原理 假定 S 為被測物體到測距儀之間的距離，測得的時間為 錯誤 !未找到引用源。 ，超聲波傳播速度為 錯誤 !未找到引用源。 表示，則有關系式 (32): 錯誤 !未找到引用源。 (32) 在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，按 公 式 (33)對超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。溫度與聲速的關系參照表 31。 錯誤 !未找到引用源。 (33) 式中： T 為實際溫度單位為 ℃ ； V 為超聲波在介質中的傳播速度單位為 錯誤 !未找到引用源。 。 表 31 溫度與聲速參照表 溫度與聲速參照表 溫度 錯誤 !未找到引用源。 30 20 10 0 10 20 30 聲速 錯誤 !未找 313 319 322 331 337 344 350 超聲波發射 超聲波接收 時間 T 障礙物 尋跡小車智能控制系統的設計與制作 17 到引用源。 顯示模塊 1234567891011121314151617XTAL218XTAL119GND2021222324252627282930313233343536373839VCC40U1STC12C5A60S2104C110UFC2GND10UFC3VCC110KR1GND1 2Y11918181930pFC430pFC5GNDRX1TX112345678P3NOKIA5110GNDVCC11VCC11CLKDINDCCE0RSTVCC11RSTCE0DCDINCLK12345678P4超聲波 HC_SR04VCC11Trig1Echo1GNDVCC11Trig0Echo0GNDEcho0Trig0Echo1Trig1SCKMISOMOSIIRQCE1CSNP10P5DJPWM1PWM2INT0INT1BEEP1KR7R8R9R10R11R12 圖 38 NOKIA5110 顯示模塊原理圖 方案一：采用數碼管顯示。數碼管具有接線簡單、成本低廉、配置簡單靈活、編程容易、對外界環境要求較低、易于維護等特點。 電壓和電流的顯示可以用數碼管，但數碼管 顯示的信息量有限 ，只能顯示簡單的數字，其電路復雜，占用 的系統 I/O 資源較多，顯示信息少，不宜顯示大量信息。 方案二：考慮到本系統中顯示的內容以及系統的實用性，采用液晶顯示 (LCD)。液晶顯示具有功耗低、體積小、質量輕、無輻射危害、平面直角顯示以及影 響穩定不閃爍、畫面效果好、分辨率高、抗干擾能力強等優點。點陣式 LCD 不僅可以顯示字符、數字，還可以顯示各種圖形、曲線及漢字，并且可以實現屏幕上下左右滾動、動畫、閃爍、文本特征顯示等功能。 因為 NOKIA5110 液晶顯示模塊可以顯示出數字、字母、漢字等，一面了然、外觀比較好看。而且液晶顯示功耗低、體積小、質量輕、無輻射危害，與單片機連接較簡單。故經過比較選擇方案二 NOKIA5110 液晶顯示簡介 尋跡小車智能控制系統的設計與制作 18 圖 39 NOKIA5110 液晶顯示器原理圖 液晶顯示模塊引腳說明如表 32 所示： 表 32 NOKIA5110 液晶顯示模塊的管腳 引腳序號 引腳名稱 功能 引腳序號 引腳名稱 功能 1 SDIN 串行數據線 5 RES 復位 2 SCLK 串行時鐘線 6 VCC 電源正 3 D/C 模式選擇 7 LIGHT 背光燈 4 SCE 芯片使能 8 GND 電源地 NOKIA5110 液晶顯示特點： 1. 性價比高，可以顯示 15 個漢字、 30 個字符，價格相對便宜； 2. 接口簡單，僅四根 I/O 線即可驅動； 3. 速度快，是 LCD12864 的 20 倍，是 LCD1602 的 40 倍； 4. NOKIA5110 工作電壓 ，正常顯示 時工作電流 200uA 以下，具有掉電模式，適合電池供電的便攜式移動設備。 液晶的主要工作原理 (1)SPI 接口時序寫數據 /命令 NOKIA5110 的通信協議是一個沒有 MISO 只有 MOSI 的 SPI 協議： 尋跡小車智能控制系統的設計與制作 19 圖 310 串行總線協議 傳送 1 個字節 (2)NOKIA5110 的初始化 接通電源后，內部寄存器和 RAM 的內容是不確定的，這需要一個 RES 低電平脈沖復位一下。 圖 311 NOKIA5110 復位時序 (3)顯示英文字符 英文字符占用 錯誤 !未找到引用源。 個點陣，通過建立一個 ASCII 的數 組 font6x8[][6]來尋址。 (4)顯示漢字 顯示漢字可以采用兩種點陣方式，一種是 12*12 點陣，一種是 16*16 點陣。 電機驅動電路 Q4NMOSQ3NMOSQ1PMOSQ2PMOSU3光耦 PC817U4光耦 PC817U5光耦 PC817U6光耦 PC817GNDVCC0IRF4905 IRF4905IRF3205 IRF3205MB1Motor1KR131KR141KR151KR16D2 D3D4 D51KR181KR201KR171KR19GNDGNDGNDPWM1PWM1GNDPWM2PWM2GNDVCC0 VCC0GNDGNDVCC電機驅動 圖 312 PNMOS 管 H 橋電機驅動原理圖 方案一：采用直流電機，配合 LM293 驅動芯片組合。優點在于硬件電路的設計簡尋跡小車智能控制系統的設計與制作 20 單。當外加額定直流電壓時，轉速幾乎相等。這類電機用于錄音機、錄相機、唱機或激光唱機等固定轉速的機器或設備中。也用于變速范圍很寬的驅動裝置。容易受到外部因素干擾，影響穩定的 轉速和轉矩輸出。電路如圖 313： 圖 313 直流電機 +LM293 組合電路原理 方案二：采用步進電機，配合 LM298 驅動芯片組合。步進電機可以實現精確的轉腳輸出，只要施加合適的脈沖序列，電機可以按照人們的預定的速度或方向進行連續的轉動，便于 控速，但是 軟件程序的 編寫較直流 電機稍顯復 雜。但是芯片LM298的硬件 電路比較復 雜。如圖314： 尋跡小車智能控制系統的設計與制作 21 圖 314 步 進電機 +LM298組合電路 原理圖 方案 三：采用直流電機配合 由雙極性管組成的 H橋 電路。用單片機控制晶 體管使之工作在占空比可調的開關狀態，精確調整電機轉速。這種電路由于 工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高； H 橋電路保證了可以簡單地實現轉速和方向的控制；電子開關的速度很快，穩定性也很高，是一種廣泛采用的調速技術，其電路原理簡圖如圖 315 所示。 圖 315 電機驅動原理簡圖 尋跡小車智能控制系統的設計與制作 22 綜合 3 種方案的優缺點，鑒于本系統設計體積較小，自身重量較輕，對電機功率輸出要求不高，決定選擇方案 3。 所謂的 H 橋電路就是控制電機正反轉的。如圖 39 就是一種簡單的 H 橋電路，它由2 個 IRF4905 P 型場效應管 Q Q2 與 2 個 IRF3205 N 型場效應管 Q Q3 組成 ，所以它叫 PNMOS 管 H 橋。 橋臂上的 4 個場效應管相當于四個開關， P 型管在柵極為低電平時導通，高電平時關閉； N 型管在柵極為高電平時導通，低電平時關閉。場效應管是電壓控制型元件，柵極通過的電流幾乎為“零”。 正因為這個特點，在連接好圖 312 電路后， PWM1 置高電平（ U=VCC）、 PWM2置低電平（ U=0）時， Q Q4 關閉， Q Q3 導通，電機左端低電平，右端高電平，所以電流正向流動。設為電機正轉。 PWM1 置低電平、 PWM2 置高電平時， Q Q3 關閉，Q Q4 導通，電機左端高電平，右端低電平，所以電流 反向流動。設為電機反轉。同時如果改變 PWM PWM2 的占空比，就可以改變電機兩段的電壓，從而改變電機的轉速。 紅外測速電路 U7紅外對管 ST188VCC510R2110KR21GND紅外測速電路1KR22Q2NPN1KR23VCCGNDINT0 圖 316 紅外 ST188 測速原理圖 反射式光電傳感器的光源有多種，常用的有紅外發光二極管，普通發光二極管，以及激光二極管，前兩種光源容易受到外界光源的干擾，而激光二極管發出的光的頻率較集中，不容易被干擾，但傳感器只能接收很窄的頻率范圍的光，且價格較貴。理論上光尋跡小車智能控制系統的設計與制作 23 電傳感器只要位于被測區域反射表面可受到光源照射又能被接收管接收到的測量范圍就能進行光電檢測，然而這是一種理想 的結果。因為光的反射受到多種因素的影響，如反射表面的形狀、顏色、光潔度，日光、日光燈照射等不確定因素。如果直接用發射和接收管進行測量將因為干擾產生錯誤信號，采用對反射光強進行測量的方法可以提高系統的可靠性和準確性。紅外反射光強法的測量原理是將發射信號經調制后送紅外管發射，光敏管接收調制的紅外信號，原理如圖 317 所示。 圖 317 紅外發射接 收原理 圖 318 光強度相應曲線 反射光強度的輸出信號電壓 Vout 是反射面與傳感器之間距離 x 的函數，設反射面物質為同種物質時， x 與 Vout 的響應曲線是非線性的，如圖 318 所示。設定輸出電壓達到某一閾值時作為目標，不同的目標距離閾值電壓是不同的。 同時，我們利用它對顏色敏感的特點，當檢測物表面為黑色時，反射光很弱，接收端檢測到的光線可以忽略，使接收端呈現一種狀態，例如開關管截止；當被檢測物表面尋跡小車智能控制系統的設計與制作 24 為白色時，反射光強烈，發射端發射的紅外線被接收端全部接收，使接收端呈現另一種相反的狀態，例如開關管開通。這兩種相反的狀態表現在電路中，就是高低電平組成的脈沖信號。 尋跡小車智能控制系統的設計與制作 25 4 系統的軟件設計 程序設計框圖 啟 動初 始 化I n i t ( ) 。液 晶顯 示 第 一 屏無 線 接 收無 線 接 收 失 敗 檢 測i f ( R X _ D R )無 線 遙 控 、 循 跡 轉 換判 斷i f ( r x _ b u f [ 2 ] = = 1 )讀 取 無 線 接 收 數 據U a r t 接 收線 性 C C D 路 徑 數 據超 聲 波 測 距 避 障P W M 、 舵 機 控 制紅 外 測 速L C D 顯 示 、 低 電 量 報 警無 線 接 收 失 敗 報 警 圖 41 循跡控制系統程序流程圖 尋跡小車智能控制系統的設計與制作 26 啟 動初 始 化I n i t ( ) 。液 晶顯 示 第 一 屏A D 采 樣低 電 壓 檢 測t x _ b u f [ 2 ] 1 6 9低 電 壓 報 警液 晶顯 示 第 二 屏無 線 發 射 圖 42 無線遙控器程序設計流程圖 AD 程序 STC12C5A60AD/S2 系列帶 A/D 轉換的單片機的 A/D 轉換口在 P1 口 ()，有 8 路 10 位高速 A/D 轉換器 ,速度可達到 250KHz(25 萬次 /秒 )。 8 路電壓輸入型 A/D，可做溫度檢測、電池、