基于at89s52單片機的循跡避障小車的設(shè)計畢業(yè)論文-在線瀏覽

　　

【正文】 小車，也被稱之為輪式機器人。機器人由于具有高度的靈活性、可以幫助人們提高生產(chǎn)率、改進產(chǎn)品質(zhì)量和改善勞動條件等優(yōu)點，在世界各地的生產(chǎn)生活領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 [5]。它是一種以汽車電子為背景，涵蓋控制，模式識別，電子、電氣、單片機、機械等多學科的科技創(chuàng)新性設(shè)計，一般主要由路徑識別、速度采集、角度控制以及車速控制等模塊組成。 研究目的和意義 隨著人們物質(zhì)文化生活水平的不斷提高，智能化的電子玩具深受人們的喜愛，尤其是各種智能小車，由于這類玩具具有較好的交互性，可控性，能夠給人們帶來很好的娛 樂以及參與其中的體驗，高科技智能化的電子類玩具逐漸成為市場的主流。因此，智能化小車的研究不僅具有很大的現(xiàn)實意義，還具有極為廣闊的應(yīng)用前景和市場價值。 整體設(shè)計可以分為如下幾個模塊，控制核心采用 MCS51 系列中的 AT89S52 單片機，循跡避障是通過傳感器實現(xiàn)的，利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙， 控制小車1 緒論 2 的自動避障，從而發(fā)出避障信號。電機驅(qū)動采用常用的 PWM 方式進行電機的降壓調(diào)速控制，小車的速度通過液晶屏來顯示。整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)較簡單，可靠性能高。2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計與論證 3 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計與論證 總體方案設(shè)計 根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的基礎(chǔ)上，加裝反射式紅外光電傳感器、超聲波傳感器、速度檢測傳感器以及光敏二極管陣列，實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片 機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。系統(tǒng)整體方框圖如圖 21 所示。 傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計與論證 4 儲、顯示、記錄和控制等要求 [7]。 選擇合適的傳感器可以使設(shè)計簡便，還可以簡化硬件電路。根據(jù)小車功能的要求有兩種方案，一種是使用紅外光電傳感器，另一種是使用 CCD 傳感器。兩種方案的主要區(qū)別是使用的傳感器不同。 表 21 循跡檢測方案對比 紅外光電傳感器 CCD傳感器 受外界干擾程度 小 較小 實時性 好 差 對主控芯片要求 較低 較高 成本 較低 高 從上表中 可以很明顯的看出，紅外傳感器相對于 DDC 傳感器來說，在實時性和對主控芯片的要求方面都比 CCD 傳感器要好。 障礙物檢測系統(tǒng) 根據(jù)題目功能的要求，小車在循跡行駛過程中要能準確的避開途中遇到的障礙物，因此對檢測距離有一定要求。否則，如果范圍太大 ，則可能產(chǎn)生障礙物的判斷失誤；范圍過小又很容易造成車身撞上障礙物或雖繞過障礙物卻無法實現(xiàn)理想定向方案。這些方法都有各自的優(yōu)缺點。 表 22 障礙檢測系統(tǒng)方案對比 紅外檢測 超聲波檢測 檢測距離 4~10cm ~ 精確度 1cm 1cm 受外界環(huán)境干擾程度 易受外界環(huán)境干擾 不易受外界環(huán)境干擾 硬件電路 所需元器件少，尺寸小，安裝簡便 稍復(fù)雜，安裝簡便 成本 8元左右 6元左右 從上表可以看出，相對紅外檢測，超聲波檢測距離遠，不易受外界環(huán)境干擾，由于小車需要在行駛過程中檢測障礙物，顛簸，光照方面可能會對檢測產(chǎn)生影響。 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計與論證 5 光源檢測系統(tǒng) 光源檢測使用常見的光敏器件，光敏二極管。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的 變化）。當有光照射時，光敏二極管呈強電阻，經(jīng)比較器輸出一個高電平，反之則輸出低電平。即有光照時 LED 亮，無時則滅。兩種方案的主要區(qū)別如表 23。 電機驅(qū)動系統(tǒng) 直流電機和步進電機都可以用于小車驅(qū)動。 方案一：使用直流電機，加上適當減速比的減速器。直流電機只要通上直流電源就可連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)電壓的大小就可以改變電機的速度。常用的驅(qū)動方式是 PWM 方式，即脈沖寬度調(diào)制方式。 方案二：使用步進電機。當給步進電機輸入一個電脈沖信號時，步進電機的輸出軸就轉(zhuǎn)動一個角度，因此可以實現(xiàn)精確的位置控制。去而且其轉(zhuǎn)動不受電壓波動和負載變化的影響，也不受溫度、氣壓等環(huán)境因素的影響，僅與控制脈沖有關(guān) [8]。具體差別見下表 24。步進電機能進行精確的位置控制，但驅(qū)動電路麻煩，鑒于本設(shè)計中小車的位置控制不要求十分精確，直流電機即可滿足小車要求的精度。 單片機控制電路系統(tǒng) 此部分是整個小車運行的核心部分，起著控制小車所有運行狀態(tài)的作用。單片機要完成電機控制、循線控制、避障控制金屬檢測控制和光源檢測控制等工作。雖然這款單片機本身沒有 PWM 模塊，但若采用本身有 PWM 模塊的單片機就會產(chǎn)生資源浪費。且能很好的滿足題目要求 。數(shù)碼管使用簡單，價格低廉，但一個數(shù)碼管只能顯示一個數(shù)字，要顯示多位數(shù)據(jù)時要使用多個數(shù)碼管，這就增加了硬件電路的復(fù)雜度和額外功耗。液晶顯示電路簡單，使用方便，一個液晶顯示器就可以同時滿足此處同時顯示速度和距離的要求 ，且更加直觀明了。將四個紅外線光電傳感器裝在車體的底盤前端，小車根據(jù)傳感器檢測到的情況執(zhí)行。 小車速度的檢測也是靠的紅外線，只不過是器件的型號不同，速度檢測的傳感器用的是對射式，避障用的是直射式。可以很好的滿足小車所需的精度。 整體原理電路圖如圖 31 所示。起著控制小車所有運行 狀態(tài)的作用。通過對單片機 AT89S52寫入程序，可以方便的用軟件來控制整個過程 .控制部分如圖 32所示 。 輸出 PWM信號， ~ 分別控制電機驅(qū)動。 AT89S52 單片機介紹： AT89S52 是一種低功耗、 高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash存儲器。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 AT89S52 具有以下標準功能： 8k 字節(jié) Flash，256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位 定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級 中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 [16]。 3 硬件設(shè)計 9 圖 33 AT89S52 引腳排列圖 ● 與 MCS51 單片機產(chǎn)品兼容； ● 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器； ● 1000 次擦寫周期； ●全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz； ●三級加密程序存儲器； ● 32 個可編程 I/O 口線； ●三個 16 位定時器 /計數(shù)器； ●八個中斷源； ●全雙工 UART 串行通道； ●低功耗空閑和掉電模式； ●掉電后中斷可喚醒； ●看門狗定時器； ●雙數(shù)據(jù)指針； ●掉電標識符。 不過 P0 口是 漏極開路的 8 位雙向 I/O 口 ，而其他 P 口都是 具有內(nèi)部上拉電阻的 8 作為輸出口要外部上拉電阻。具體見表 31 和表 32。地十八引腳和第十九引腳分別為 振蕩器反相放大器的 輸入端和 輸出端 。從單片機輸出的信號功率很弱，即使在沒有其它外在負載時也無法帶動電機，所以在實際電路中我們加入了電機驅(qū)動芯片提高輸入電機信號的功率，從而能夠根據(jù)需要控制電機轉(zhuǎn)動。本設(shè)計中電機驅(qū)動采用 L298 集 成 H 橋芯片。它的使能端可以外接高低電平，也可以利用單片機進行軟件控制，極大地滿足各種復(fù)雜電路需要。電路如圖 34 所示。利用單片機調(diào)整出 PWM 脈沖和高低電平對直流電機進行驅(qū)動和控制。其外形、管腳分布如圖 35 所示 。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時間，即通過改變脈沖寬度來進行直流調(diào)速。采用 PWM 進行電機的調(diào)速控制，實際是保持加在電機電機電樞上的脈沖電壓頻率不變，調(diào)節(jié)其脈沖寬度。如圖 36 所示。 3 硬件設(shè)計 12 圖 36 PWM 等效圖示意圖 使用 PWM 方式可以很容易的實現(xiàn)調(diào)速。由于電路總體上并不復(fù)雜，驅(qū)動電路的控制輸入端也可以不用經(jīng)光耦合隔離，直接與單片機引腳相連。左轉(zhuǎn)時前進時，左電機不轉(zhuǎn)而右電機正轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)前進時，則右電機不轉(zhuǎn)而左電機正轉(zhuǎn)。所有這些都是通過軟件編程實現(xiàn)控制。由于黑紙和白色路面對光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收的反射光的強弱來判斷道路 ——黑紙軌跡。 紅外探測法，即用紅外線在不同顏色的物表面具有不同的反射性質(zhì)的特點。 市面上用于紅外探測法的器件較多，可以利用反射式傳感器外接簡單電路自制探頭，也可以使用結(jié)構(gòu)簡單、工作性能可靠的集成式紅外探測頭。體積小。所以本設(shè)計選擇了 ST178 反射式紅外線光電傳感器作為紅外光的發(fā)射和接受器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外接電路均較為簡單 . 本系統(tǒng)采用反射式紅外線光電傳感器 ST178 進行軌跡檢測（約 3cm 寬的黑線），反射式紅外光電傳感器 ST178 由一個高發(fā)射功率紅外發(fā)光管和一個高度靈敏光晶體管3 硬件設(shè)計 13 封裝在一個塑料外殼里組成，一般檢測距離可達 4~10cm,鑒于小 車底部聚地面的距離不超過五厘米，故用紅外光電傳感器足以滿足地面黑線的檢測。檢測電路如圖 37 所示 。從簡單。可靠等角度出發(fā)，設(shè)計裝設(shè)四個紅外傳感器，及采用四套上面的電路。此套紅外光電傳感器固定在底盤前沿，貼近地面。 圖 38 循線傳感器布局 障礙物檢測電路 本設(shè)計中小車采用超聲波檢測障礙物。為使小車能準3 硬件設(shè)計 14 確避障，設(shè)計在小車的車體前端左右兩側(cè)分別各裝一個超聲波傳感器。超聲波發(fā)射和檢測接收電路如圖 39， 310 所示 。直到小車避開障礙物，警報排除。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠。 超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅鳎梢詫㈦娔苻D(zhuǎn)變成機械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā) 送器或接收器。這里僅介紹小型超聲波傳感器，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為 2325KHZ 及 4045KHZ。該種有 T/R4060， T/R4012 等（其中 T 表示發(fā)送， R 表示接收， 40 表示頻率為 40KHZ，16 及 12 表示其外徑尺寸，以毫米計）。它的特點是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開關(guān)用，它的性能較好。這里我們只需要利用超聲波檢測到前方障礙物，返回信號即可。通過調(diào)節(jié) RP2 可以改變電路檢測的靈敏度。本設(shè)計使用六套下面的電路。為了達到較好的檢測，這里選擇將光敏陣列排成一個放射狀。實物陣列排列方式如圖 312。 圖 311 光源檢測電路 圖 312 光敏管陣列 速度檢測電路 本設(shè)計使用光電碼盤作為測量元件。分為絕對式和增量式兩種。他在現(xiàn)轉(zhuǎn)過程中可以輸出 A、 B 兩相脈沖，每旋轉(zhuǎn)一周輸出一脈沖，通過對 A、 B 兩相脈沖計數(shù)就可以確定光電碼盤旋轉(zhuǎn)的角度。 . 3 硬件設(shè)計 16 圖 313 碼盤計數(shù)原理 從上圖可以看出，在 光 電碼盤器輸出脈沖的一個周期內(nèi)最多可記四次數(shù)。如果發(fā)射管和接收管之間的障礙物時有時無，則接收管的狀態(tài)就呈現(xiàn) 0和 1的交替，形成脈沖信號。光電開關(guān)的靈敏度很高，可以分辨出很小的間隙。我們在車輪的軸上安裝的碼盤與車輪同軸同步旋轉(zhuǎn)，就可以得到車輪 旋轉(zhuǎn)的脈沖信號。它常用的檢測電路與反射式光電傳感器一樣，這里就不再贅述。小車的速度 v等于小車行駛路程 s除以小車行駛時間 t。其連接電路如下圖 315 3 硬件設(shè)計 17 圖 315 液晶顯示電路 1602字符液晶如圖 316 圖 316 1602字符液晶顯示屏 1602采用標準的 16腳接口，引腳介 紹 見表 33. 表 33 1602引腳介紹 引腳號 功能介紹 第 1腳 VSS 為電源地 第 2腳 VDD 接 5V 電源正極 第 3腳 V0 為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比 度最高 第 4腳 RS 為寄存器選擇，高電平 1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平 0時選擇指令寄存器 第 5腳 RW 為讀寫信號線，高電平 (1)時進行讀操作，低電平 (0)時進行寫操作 第 6腳 E(或 EN) 為使能 (enable)端 第 7~14腳D0~D7 為 8位雙向數(shù)據(jù)端 第 15~16腳 空腳或背燈電源。 4 軟件設(shè)計 19 圖 42 循跡控制 根據(jù)傳感器的布局，可以將傳感器位置用數(shù)字標記，檢測到黑線用數(shù)字 ‘0’表示，沒有檢測到，也即檢測到白線用數(shù)字 ‘1’表示。 在初 始狀態(tài)下，黑線應(yīng)位于傳感器的中間，此時 3傳感器檢測到黑線，即四個傳感器的狀態(tài)分別為 0、 0、 1，表示為二進制數(shù)是 1001，此時小車前進。此時小車應(yīng)左轉(zhuǎn)。此時小車應(yīng)左轉(zhuǎn)。 在實際行駛過程中，由于軌道設(shè)計了很 多銳角，鈍角，小車需要轉(zhuǎn)彎的角度較大，為防止轉(zhuǎn)彎過程中小車擺動角度過大而沖出軌道，導(dǎo)致小車無法返回，先讓小車后退，再執(zhí)行轉(zhuǎn)彎。