尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計方案

1、尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設計方案1 緒 論進入二十一世紀，隨著計算機技術和科學技術的不斷進步，機器人技術較以往已經(jīng) 有了突飛猛進的提高，智能循跡小車即帶有視覺和觸覺的小車就是其中的典型代表。1.1 智能循跡小車概述智能循跡小車又被稱為 Automated Guided Vehicle，簡稱AGV是二十世紀五十年 代研發(fā)出來的新型智能搬運機器人。智能循跡小車是指裝備如電磁，光學或其他自動導 引裝置，可以沿設定的引導路徑行駛，安全的運輸車。工業(yè)應用中采用充電蓄電池為主 要的動力來源，可通過電腦程序來控制其選擇運動軌跡以及其它動作，也可把電磁軌道 黏貼在地板上來確定其行進路線， 無人搬運車通過電磁軌道

2、所帶來的訊息進行移動與動 作，無需駕駛員操作，將貨物或物料自動從起始點運送到目的地。AGV的另一個特點是高度自動化和高智能化，可以根據(jù)倉儲貨位要求、生產(chǎn)工藝流 程等改變而靈活改變行駛路徑， 而且改變運行路徑的費用與傳統(tǒng)的輸送帶和傳送線相比 非常低廉。AGV小車一般配有裝卸機構，可與其它物流設備自動接口，實現(xiàn)貨物裝卸與 搬運的全自動化過程。此外，AGV小車依靠蓄電池提供動力，還有清潔生產(chǎn)、運行過程 中無噪音、無污染的特點，可用在工作環(huán)境清潔的地方。1.1.1 循跡小車的發(fā)展歷程回顧 隨著社會的不斷發(fā)展，科學技術水平的不斷提高，人們希望創(chuàng)造出一種來代替人來 做一些非常危險， 或者要求精度很高等其他

3、事情的工具， 于是就誕生了機器人這門學科。 世界上誕生第一臺機器人誕生于 1959年，至今已有 50 多年的歷史，機器人技術也取得 了飛速的發(fā)展和進步，現(xiàn)已發(fā)展成一門包含：機械、電子、計算機、自動控制、信號處 理，傳感器等多學科為一體的性尖端技術。循跡小車共歷了三代技術創(chuàng)新變革： 第一代循跡小車是可編程的示教再現(xiàn)型，不裝載任何傳感器，只是采用簡單的開關控制，通過編程來設置循跡小車的路徑與運動參數(shù)，在工作過程中，不能根據(jù)環(huán)境的變 化而改變自身的運動軌跡。支持離線編程的第二代循跡小車具有一定感知和適應環(huán)境的能力， 這類循跡小車裝 有簡單的傳感器，可以感覺到自身的的運動位置，速度等其他物理量，電路是

4、一個閉環(huán) 反饋的控制系統(tǒng)，能適應一定的外部環(huán)境變化。第三代循跡小車是智能的，目前在研究和發(fā)展階段，以多種外部傳感器構成感官系 統(tǒng)，通過采集外部的環(huán)境信息，精確地描述外部環(huán)境的變化。智能循跡小車，能獨立完 成任務，有其自身的知識基礎，多信息處理系統(tǒng)，在結構化或半結構化的工作環(huán)境中， 根據(jù)環(huán)境變化作出決策，有一定的適應能力，自我學習能力和自我組織的能力。為了讓 循跡小車能獨立工作， 一方面應具有較高的智慧和更廣泛的應用， 研究各種新機傳感器， 另一方面，也掌握多個多類傳感器信息融合的技術，這樣循跡小車可以更準確，更全面 的獲得所處環(huán)境的信息 1 。1.1.2 智能循跡分類AGV從發(fā)明至今已經(jīng)有50

5、多年的歷史，隨著應用領域圍的不斷擴大，其種類和形式也變得更加多樣化。一般根據(jù)行駛的導航方式將智能循跡小車分為以下幾種類型：(1) 電磁感應式 電磁感應式引導一般在地面上，沿預定路徑埋電線，當高頻電流通過導線，電線周圍產(chǎn)生電磁場流動，AGV小車上安裝兩個對稱的電磁感應傳感器， 他們收到的電磁信號 差異可以反映的AGV偏離程度路徑的程度。AGV自動化控制系統(tǒng)，基于這種偏差值，以控制車輛的轉向，連續(xù)的動態(tài)的閉環(huán)控制設置能夠保證 AGV寸設定路徑的穩(wěn)定自動跟 蹤。在目前商業(yè)用途的AGV中,特別是大型和中型小車，絕大多數(shù)都采用電磁感應導航。(2) 激光式安裝有可旋轉的激光掃描器的 AGV可安裝在墻壁或有

6、高反射激光定位標志的支柱 上或者路徑上運行，AGV依靠激光掃描器發(fā)射激光束，然后接收由四周定位標志反射回 的激光束，車載計算機，計算出當前車輛的位置和運動方向，通過置的數(shù)字地圖和校準 位置相比，以實現(xiàn)自動處理。目前，這種 AGV類型的應用比較廣泛?；谕瑯拥脑?， 如果激光掃描儀被紅外線發(fā)射器，或超聲波發(fā)射取代，激光制導的AGW、車可以轉變?yōu)榧t外引導和超聲引導的 AGV。(3) 視覺式視覺引導式AGV是的迅速發(fā)展和比較成熟的 AGV這種AGV配備CCD攝像機，傳感 器和車載電腦，在車載計算機中設置有 AGV欲行駛路徑周圍環(huán)境圖像數(shù)庫。在 AGV勺行 駛過程中，相機得到的圖像與圖像數(shù)據(jù)庫進行比較

7、，以確定當前位置和車輛周圍的圖像 信息并對駕駛下一步作出決定。這種 AGV、車并不需要設置任何的人工物理路徑，所以 在理論上具有靈活性，在計算機圖像采集，存儲和處理技術飛速發(fā)展的今天，這種類型 的AGV實用性越來越強。此外，還有鐵磁陀螺慣性引導式 AGV光學引導式AGV等多種 形式的 AGV2 。1.1.3 智能循跡小車的應用智能循跡小車發(fā)展歷史及主要應用場所如下：(1) 倉儲業(yè)1954年，來自美國南卡羅來納州的 Mercury Motor Freight 公司成為第一批把 AGV 小車的應用到倉庫的使用者，來實現(xiàn)出入庫貨物的自動處理。至今世界上有超過 2100 個廠家把大約2萬臺大型或小型的

8、AGV、車應用到自己的倉庫中。中國的海爾集團在 2000年把9臺AGV、車投產(chǎn)到了自己的倉庫區(qū)，形成一個靈活的AGV自動數(shù)據(jù)庫處理系 統(tǒng)，輕松地完成了每天至少 33500的儲存和裝卸貨物的任務。(2) 制造業(yè)在制造業(yè)的的生產(chǎn)線中AGV、車大顯身手，快速，精確，靈活的完成材料的運送任 務。由多臺AGW、車組成的物流運輸處理系統(tǒng)，較人工搬運系統(tǒng)來說更靈活，運輸路線 可以根據(jù)生產(chǎn)過程及時調(diào)整，使一條生產(chǎn)線，生產(chǎn)十幾個產(chǎn)品，大大提高了生產(chǎn)的靈活 性，企業(yè)的競爭力。在 1974年瑞典的沃爾沃卡爾馬的汽車組裝廠，提高了運輸系統(tǒng)的 靈活性，使用以AGV、車為載運工具的裝配線，采用該裝配線后，減少了 20%裝

9、配時間、 減少了 39%組裝錯誤，減少了 57%投資資金回收時間以及減少了 5%的員工費用。目前， 在世界主要的汽車生產(chǎn)廠家，如通用、豐田、克萊斯勒、大眾AGW、車已被廣泛應用。(3) 郵局、圖書館、港口碼頭和機場 在郵局，圖書館，碼頭和機場候機樓等人口密集的公眾場所，存在著大量的物品的 運送工作，充滿不定性和動態(tài)性強的特點，搬運過程往往也很單一。AGV有著可并行工作、自動化、智能化和處理靈活的特點，可以很好的滿足這些場合的運輸要求。1983年瑞典的大斯得哥爾摩郵局， 1988 年日本東京的多摩郵局， 1990 年中國的郵政相繼開 始使用AGV、車來完成郵品的搬運工作。在荷蘭的鹿特丹港口，50

10、輛被稱為“院子里的 拖拉機”的AGV、車每天都在把集裝箱從船邊運送到幾百米以外的倉庫中。(4) 煙草、醫(yī)藥、化工、食品 對于處理一些需要在清潔、安全、無排放污染等其他特殊環(huán)境要求的產(chǎn)品生產(chǎn)如煙草、制藥、食品、化工等產(chǎn)品時應考慮 AGV、車的應用。在全國許多卷煙企業(yè)，如頤中 集團、紅塔集團、紅河卷煙廠、卷煙廠，應用激光引導式AGV完成托盤貨物的搬運工作。1.2 智能循跡小車研究中的關鍵技術現(xiàn)在全世界越來越多的國家都在做著研究智能化、多樣化的自動汽車導航的工作。 自動汽車導航是一個非常復雜的系統(tǒng)，它不僅應具有正常的運動功能的成分，而且還應 具有任務分析，路徑規(guī)劃，信息感知，自主決策等類似人類的智能

11、行為。人類可以利用自己的聽覺、視覺、味覺、觸覺等功能獲取事物的信息，人類的大腦 再根據(jù)已經(jīng)掌握的知識對這些信息進行綜合分析，從而全面了解認知事物。這樣一個認 識事物、分析事物和處理信息的過程稱之為信息融合過程。多傳感器信息融合的基本原 理就是模仿人類大腦的這個過程，得到一個對復雜對象的一致性解釋或結論。多傳感器 信息融合是協(xié)調(diào)多個分布在不同地點， 相同或不同種類的傳感器所提供的局部不完整觀 測量信息加以綜合，協(xié)調(diào)使用，消除可能存在的冗余和矛盾，并加以互補，以減少不確 定性，得到對物體或環(huán)境的一致性描述的過程 4 。多傳感器信息融合具有許多性能上的優(yōu)點： (1) 增加了系統(tǒng)的生存能力； (2)

12、減少了 信息的模糊性； (3) 擴展了采集數(shù)據(jù)覆蓋圍； (4)增加了可信度； (5) 改善了探測性能； (6) 提高了空間的分辨力； (7) 改善了系統(tǒng)的可靠性 (8) 信息的低成本性 5 。本文主要由五章組成，第 1 章為緒論，主要講述循跡小車的發(fā)展歷程及在目前所應 用領域中的作用。第 2 章為總體規(guī)劃智能循跡小車系統(tǒng)的設計，包含主系統(tǒng)流程圖。第 3章是系統(tǒng)的硬件設計，其中包含單片機電路的設計、NRF24L0優(yōu)線模塊、TSL1401線性CCD莫塊和電機驅動電路等。第4章為系統(tǒng)的軟件設計，主要介紹的是軟件實現(xiàn)過程 的框圖。第 5 章是制作安裝與調(diào)試，最終保證了系統(tǒng)的正常運行。2總體設計方案2.

13、1整體設計萬案無線遙控器主單片機電路電機驅動模塊循跡模塊直流電機圖2-1系統(tǒng)總體框圖智能循跡小車主要包括了無線遙控器、線性CCD循跡模塊，電機驅動模塊，小車車模等。通過無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)或者線性 CCD僉測道路黑線處理得到數(shù)據(jù)，從而通過電機驅 動模塊控制電機的狀態(tài)和舵機的轉向，最終實現(xiàn)小車可以無線遙控器控制，或者自動識 別路線，完成循跡行車。無線遙控器的設計方案LCD顯示模塊單片機電路無線發(fā)送模塊圖2-2無線遙控器控制系統(tǒng)結構框圖無線遙控器主要有STC12C5A60S單片機主控電路模塊，NRF24L01無線發(fā)射模塊,手機鋰電池充、供電模塊，NOKIA5110顯示模塊，TL431基準電壓模塊和搖桿模

14、塊等。主要工作原理是通過STC12C5A60S單片機控制AD采集搖桿的X,Y軸電位值，并將 電位值通過NRF24L0優(yōu)線模塊發(fā)送給小車，從而控制小車轉向和加、減速等。循跡小車的設計方案智能循跡小車主要包括了 STC12C5A60S單片機主控電路模塊，TSL1401線性CCD 循跡模塊，NRF24L0優(yōu)線接收模塊，超聲波HC_SR0避障模塊，紅外ST188測速模塊， NOKIA5110顯示模塊和PNMO對管構成的H橋電機驅動模塊等。主要工作原理是通過TSL1401線性CCD循跡模塊采集的黑線路經(jīng)或NRF24L01無線 接收模塊接收遙控器的數(shù)據(jù)，然后由 STC12C5A60S產(chǎn)生PWM來控制電機驅

15、動模塊改變 電機的工作狀態(tài)，最后實現(xiàn)小車循跡。2.2系統(tǒng)設計步驟1根據(jù)設計要求，確定控制方案。2. 利用Altium Designer 設計合理的硬件原理圖。3. 畫出程序流程圖，使用C語言進行編程。4將各元件焊接在PCE板上，并將程序燒錄到單片機。5. 進行調(diào)試以實現(xiàn)控制功能2.3 確定整體控制系統(tǒng)方案1. 主控使用40引腳的STC12C5A60S單片機芯片，因為其部集成10位ADC 2路PWM等，可以節(jié)省外圍設備。2. 整個系統(tǒng)由7.2V、3V、5V三種直流電供電。其中7.2V電源是由直接提供的可 充電電池供電，5V、3.3V是通過7.2V電池來實現(xiàn)的。3. 電機驅動模塊由2片PMO管 I

16、RF4905和2片NMO管IRF3205組成了一個H橋， 可以通過PWM來控制電機的啟停和正反轉。4. 路徑識別采用TSL1401線性CCD通過對賽道黑白的識別來控制舵機轉向。5. 無線模塊采用NRF24L0來傳輸數(shù)據(jù)，從而可以通過遙控器控制小車。6. 避障模塊主要是通過超聲波 HC_SR040距，提前控制舵機轉向，避開障礙物。7. 速度檢測模塊由紅外對管ST188檢測后輪胎轉速，然后數(shù)據(jù)處理為速度并實時 顯示在現(xiàn)實。8. 顯示模塊采用NOKIA511C通過5個普通IO 口與單片機通信，84x48的點陣，可以顯示 4 行漢字，能充分滿足需求。3系統(tǒng)的硬件設計=Sn三三三H-圖3-1系統(tǒng)總體原理

17、圖3.1單片機電路圖3-2 STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)單片機的簡介STC12C5A60S2/AD/PW系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘 /機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051, 但速度快8-12倍。部集成MAX81C專用復位電路，2路PWM 8路高速10位A/D轉換 （250K/S，即25萬次/秒），針對電機控制，強干擾場合。3.1.2 單片機的主要特點1. 增強型8051 CPU 1T,單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051；2. 通用 I/O 口（36/40/44 個），復位后為：準雙向口 /弱上拉

18、（普通 8051 傳統(tǒng) I/O 口）可設置成四種模式：準雙向口 /弱上拉，強推挽 /強上拉，僅為輸入 /高阻， 開漏每個I/O 口驅動能力均可達到20mA但整個芯片最大不要超過120mA3. 部集成MAX81C專用復位電路（外部晶體12M以下時，復位腳可直接1K電阻到 地）；4. 時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，部R/C振蕩器（溫漂為土 5%到土 10%以）用戶在 下載用戶程序時，可選擇是使用部 R/C振蕩器還是外部晶體/時鐘常溫下部R/C振蕩器頻率為：5.0V 單片機為：11MH» 17MHz3.3V 單片機為：8MHz- 12MHz5. 共 4個 16位定時器兩個與傳統(tǒng)8051兼容

19、的定時器/計數(shù)器，16位定時器T0和T1，沒有定時 器2,但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器 ,再加上2路PCA模塊 可再實現(xiàn) 2 個 16 位定時器；6. 3個時鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時鐘，可由T1的溢出P3.5/T1 輸出時鐘，獨立波特率發(fā)生器可以在 P1.0 口輸出時鐘；7. 外部中斷 I/O 口 7路, 傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷 ,并新增支持上升沿 中 斷 的 PCA 模 式 ， Power Down 模 式 可 由 外 部 中 斷 喚 醒 ，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P

20、1 .3（也可通過寄存器設置到 P4.2）, CCP1/P1.4（ 也可通過寄存器設置到 P4.3）；8. PWM（2 路）/ PCA （可編程計數(shù)器陣列 ,2 路）-也可用來當2路D/A使用- 也可用來再實現(xiàn) 2 個定時器- 也可用來再實現(xiàn) 2個外部中斷（上升沿中斷 /下降沿中斷均可分別或同時支 持）；9. A/D轉換,10位精度ADC共8路，轉換速度可達250K/S（每秒鐘25萬次）;10. 通用全雙工異步串行口（UART）,由于STC12系列是高速的8051,可再用定時器 或PCA軟件實現(xiàn)多串口；11. STC12C5A60S系列有雙串口，后綴有 S2標志的才有雙串口， RxD2/P1.

21、2（可通 過寄存器設置到P4.2），TxD2/P1.3（可通過寄存器設置到P4.3）。3.2路徑檢測模塊圖3-3 TSL1401線性CCD循跡模塊路徑檢測模塊是智能車系統(tǒng)信號的輸入模塊主要檢測的賽道對道路偏離量，這些信息是小車沿賽道運行的信息基礎獲得更多、更遠、更精確的塞到信息是提高車模運行速 度的關鍵。所以，路徑檢測的好壞直接關系到最終性能的優(yōu)劣。對于小車路徑信息的采 集的方式如下所示：方案一：紅外傳感器的檢測方式，優(yōu)點：電路設計相對簡單、檢測速度信息快、調(diào) 試簡單、成本低。缺點：道路參數(shù)檢測精度低、道路參數(shù)檢測種類少、傳感器的個數(shù)較 多、檢測距離前瞻較短、耗電量較大。方案二：線陣CCD僉測

22、方法，優(yōu)點：檢測前瞻距離大、檢測圍寬、檢測道路參數(shù)較 多。缺點：電路設計復雜、軟件計算量大、監(jiān)測信息更新速度快。綜上所述每個方案都有自己的優(yōu)缺點， 綜合考慮線陣CCD僉測方法比較好，它能夠 使檢測到的道路信息更加的精確，有利于小車的速度提高。3.2.1 TSL1401 線性 CCDS介TSL1401線性CCD專感器陣列由一個128X 1的光電二極管陣列，相關的電荷放大 器電路，和一個部的像素數(shù)據(jù)保持功能， 它提供同時集成起始和停止時間所有像素。 該 陣列是由 128 個像素，其中每一個具有光敏面積 3,524.3 平方微米。 像素之間的間隔 是 8 微米。 操作簡化部控制邏輯，需要只有一個串行

23、輸入端 （SI） 的信號和時鐘。主要特點：1. 128X1個傳感器單元組織；2. 每英寸400點（DPI）傳感器間距；3. 高線性度和均勻度；4. 寬動態(tài)圍：4000：1（72分貝）；5. 輸出參考地；6. 低圖像延遲： 0.5 典型值；7. 操作為 8MHz；8. 單 3V 到 5V 供應；9. 軌到軌輸出擺幅（ AO）；10. 沒有外部負載電阻。322線性CCD勺主要工作原理TSL1401CL的核心是128個光電二極管組成的感光陣列，陣列后面有一排積分電容， 光電二極管在光能量沖擊下產(chǎn)生光電流， 構成有源積分電路， 那么積分電容就是用來存 儲光能轉化后的電荷。 積分電容存儲的電荷越多， 說

24、明前方對應的那個感光二極管采集 的光強越大。反映在像素點上就是，像素灰度低。光強接近飽和，像素點灰度趨近于全 白，則呈白電平。模擬輸出（A0）的電壓由公式（3-1）給出：（3-1）Vout 是為白色狀態(tài)下的模擬輸出電壓；Vdrk 是黑暗條件下的模擬輸出電壓；Re是器件的響應性，對于給定的光的的波長在；Ee是在的時間輻照；Tint 為積分時間，以秒為單位。3.2.3 環(huán)境光影響問題試驗表明TSL1401線性CCD勺輸出信號和環(huán)境光線密切相關，在自然光條件比晚上燈光下A0引腳輸出電壓值高出很多，正對著光線比背著光線輸出電壓高，白熾燈光下 比日光燈下輸出電壓高。因此，同一參數(shù)(曝光時間、鏡頭光圈)難

25、以適應各種環(huán)境， 在光線較弱環(huán)境下的參數(shù)在強光下會出現(xiàn)輸出飽和， 在較強光線下調(diào)節(jié)好的參數(shù)在弱光 下輸出電壓過低，甚至處于截止狀態(tài)。在智能車應用中，白天自然光環(huán)境和晚上燈光環(huán)境、正對光和背光、不同的比賽場地之間都不能采用相同的曝光參數(shù)。與輸出電壓密切 相關的參數(shù)是曝光量，曝光量取決于CCD莫塊所采用的鏡頭光圈大小和程序所控制的曝 光時間。智能車為適應各種運行環(huán)境，必須實時感知環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境閉環(huán)調(diào)節(jié)曝光量， 使得在不同環(huán)境中曝光量都處于一個合理的圍，這樣才能保證在不同環(huán)境中CCD輸出電壓在合理圍，以利于算法提取黑線信息。鏡頭相關參數(shù)一旦選定在智能車運行難以改 變，曝光時間比較容易通過程序控制，

26、因此比較容易實現(xiàn)的調(diào)整曝光量方法是通過軟件 調(diào)整曝光時間。3.3無線模塊圖3-4 NRF24L01無線數(shù)據(jù)傳輸模塊3.3.1 無線 NRF24L01簡介NRF24L01是 NORDICS司最近生產(chǎn)的一款無線通信通信芯片， 采用FSK調(diào)制，部集 成NORDIC自己的EnhancedShort Burst協(xié)議。可以實現(xiàn)點對點或是1對6的無線通信。 無線通信速度可以達到2M(bps)。NORDIC公司提供通信模塊的 GERBE文件，可以直接 加工生產(chǎn)。嵌入式工程師或是單片機愛好者只需要為單片機系統(tǒng)預留 5個GPIO 1個中 斷輸入引腳，就可以很容易實現(xiàn)無線通信的功能， 非常適合用來為MCI系統(tǒng)構建無

27、線通 信功能。主要特點：1. 2.4GHz全球開放ISM 頻段，最大OdBm發(fā)射功率，免許可證使用；低工作電壓：正常工作電壓 1.93.6V;2. 高速率：最高2Mbps這樣使得信號空中停留時間極短，減小了無線碰撞的可能（軟件設置1Mbps或者2Mbps的空中傳輸速率）;3. 多頻點：125頻點，可以應用于多點通信以及跳頻的實現(xiàn)；4. 超小型：2.4GHz天線置，體積小巧，規(guī)格：15x29m（包括天線）；低功耗：快 速的傳輸速率也降低了收發(fā)功耗；5. 很低的應用成本：NRF24L01集成了 RF。NRF24L0應用的是SPI接口，可以與單 片機的SPI接口直接相連。沒有SPI接口的單片機可以利

28、用單片機的I/O 口進 行模擬，部有FIFO,用于數(shù)據(jù)緩存，因此NRF24L01可以與各種高低速微處理器 接口，便于使用低成本單片機。3.3.2 無線NRF24L0啲工作原理NRF24L01模塊的原理圖如圖3-5所示：圖3-5 NRF24L01模塊的原理圖從單片機控制的角度來看，我們只需要它的的六個控制和數(shù)據(jù)信號，分別為CSNSCK MISO MOSI IRQ、CECSN ;芯片的片選線，CSN為低電平芯片工作；SCK ；芯片控制的時鐘線（ SPI 時鐘）;MISO ：芯片控制數(shù)據(jù)線（ Master input slave output）；MOSI ：芯片控制數(shù)據(jù)線（ Master outpu

29、t slave input）；IRQ :中斷信號。無線通信過程中 MCI主要是通過IRQ與NRF24L0進行通信；CE :芯片的模式控制線。在 CSN為低的情況下，CE協(xié)同NRF24L0啲CONFIG寄存器共同決定NRF24L01的狀態(tài)（掉電、發(fā)射、接收、待機I、待機U）。發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先將 NRF24L01配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點地址 TX_ADD和 有效數(shù)據(jù)TX_PLD按照時序由SPI 口寫入NRF24L01緩存區(qū)，TX_PLD必須在CSN為低時連 續(xù)寫入，而TX_ADD在發(fā)射時寫入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10卩s,延 遲130 ys后發(fā)射數(shù)據(jù)；若自動應答開啟，那么 N

30、RF24L0在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進入接收模 式，接收應答信號（自動應答接收地址應該與接收節(jié)點地址TX_ADDF一致）。如果收到應答，則認為此次通信成功，TX_DSS高，同時TX_PLD從 TX FIFO中清除；若未收到應 答，則自動重新發(fā)射該數(shù)據(jù)（自動重發(fā)已開啟），若重發(fā)次數(shù)（ARC）達到上限，MAX_R置 高，TX FIFO中數(shù)據(jù)保留以便在次重發(fā);MAX_RT或 TX_DSS高時，使IRQ變低，產(chǎn)生中 斷，通知MCU最后發(fā)射成功時，若CE為低則NRF24L01進入空閑模式1;若發(fā)送堆棧中 有數(shù)據(jù)且CE為高，則進入下一次發(fā)射；若發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)且 CE為高，則進入空閑模 式 2。接收數(shù)據(jù)時,首先將

31、NRF24L01配置為接收模式，接著延遲130卩s進入接收狀態(tài)等 待數(shù)據(jù)的到來。當接收方檢測到有效的地址和 CRC寸，就將數(shù)據(jù)包存儲在RX FIFO 中, 同時中斷標志位RX_DRS高，IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知 MClfe取數(shù)據(jù)。若此時自動應 答開啟，接收方則同時進入發(fā)射狀態(tài)回傳應答信號。最后接收成功時，若CE變低，則NRF24L011入空閑模式1。3.4避障模塊XTTOI-.-0圖3-6超聲波HC-SR04避障模塊原理圖3.4.1 超聲波HC-SR04簡介產(chǎn)品應用領域：機器人避模塊性能穩(wěn)定，測度距離精確，模塊高精度，盲區(qū)小 障、物體測距、液位檢測、公共安防、停車場檢測。主要技術參數(shù)：1.

32、使用電壓：DC-5V ；2. 靜態(tài)電流：小于2Ma3. 電平輸出：高5V;4. 電平輸出：低0V;5. 感應角度：不大于15度；6. 探測距離：2cm-450cm7. 高精度：可達0.2cm。超聲波的主要工作原理超聲波傳感器的工作原理是瓷的壓電效應。超聲波傳感器在測量過程中，聲波信號 由傳感器發(fā)出，經(jīng)液體或固體物體表面反射后折回由同一傳感器接收，可以測量聲波的 整個運行時間，從而實現(xiàn)物位的測量。超聲測距大致有以下方法：一種是取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓 （其幅值基本 固定）與距離成正比，測量電壓即可測得距離；另一種是測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔t，如圖3-5所示，故

33、被測距離為。本系統(tǒng)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，貝U應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ３暡y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331.45米/秒，由單片機負責計時，單片機使用12.0MHz晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達到毫米級。障 礙 物假定S為被測物體到測距儀之間的距離，測得的時間為，超聲波傳播速度為表示,則有關系式（3-2）:（3-2）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（3-3）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

34、3-1。(3-3)式中：T為實際溫度單位為°C；V為超聲波在介質中的傳播速度單位為。表3-1溫度與聲速參照表溫度與聲速參照表溫度-30-20 -10 0102030聲速3133193223313373443503.5顯示模塊T-Tro-.圖3-8 NOKIA5110顯示模塊原理圖方案一：采用數(shù)碼管顯示。數(shù)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(huán)境要求較低、易于維護等特點。電壓和電流的顯示可以用數(shù)碼管，但數(shù) 碼管顯示的信息量有限，只能顯示簡單的數(shù)字，其電路復雜，占用的系統(tǒng)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(tǒng)中顯示的容以及系統(tǒng)的實用性

35、，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(wěn)定不閃爍、畫 面效果好、分辨率高、抗干擾能力強等優(yōu)點。點陣式LCD不僅可以顯示字符、數(shù)字，還可以顯示各種圖形、曲線及漢字，并且可以實現(xiàn)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(shù)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(jīng)過比較選擇方案二3.5.1 NOKIA5110液晶顯示簡介U61LCLKDI- d/c'VCC Oj C7|匚匚RST455769VDO CLK

36、DfN Drcs osc GtJD VOUTLED1ALED1KLED2AMOKIA5110LCDLED2KE寸LX Xu iE llZR5 1k1011GNDled圖3-9 NOKIA5110液晶顯示器原理圖液晶顯示模塊引腳說明如表3-2所示:表3-2 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1SDIN串行數(shù)據(jù)線5RES復位2SCLK串行時鐘線6VCC電源正3D/C模式選擇7LIGHT背光燈4SCE芯片使能8GND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

37、度快，是LCD12864勺20倍，是LCD1602的40倍；4. NOKIA5110工作電壓2.3V，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(shù)據(jù)/命令NOKIA511(的通信協(xié)議是一個沒有 MISO只有MOSI的SPI協(xié)議：1 r1 1 11 1 1X曲；皿X如X g(W )皿0 XSOI忡/. Mil圖3-10串行總線協(xié)議-傳送1個字節(jié)(2) NOKIA5110的初始化接通電源后，部寄存器和 RAM勺容是不確定的，這需要一個 RES氐電平脈沖復位一 下。 5 砂 A，*K朝圖3-11 NOKIA5110復位

38、時序(3) 顯示英文字符英文字符占用個點陣，通過建立一個ASCII的數(shù)組font6x86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3.6電機驅動電路圖3-12 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(yōu)點在于硬件電路的設計簡單 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。也用于變速圍很寬的驅動裝置。容易受到外部因素干擾, 影響穩(wěn)定的轉速和轉矩輸出。電路如圖 3-13 :MG I152EOtllpLl 兇Output? OutputV5Out

39、put!TVUNI %EMZJipUTlInpui2InpuLlLttpui-1s二亡 NN e ceo9VML I圖3-13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(xiàn)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(xù)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LM298芯片的硬件電路比較復雜。如圖3-14 :斗 5irgDJ* De-11I5SQ£圖3-14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

40、空比可調(diào)的開關狀態(tài)，精確調(diào)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(xiàn)轉速和方向的控制；電子開關的速度很快，穩(wěn)定性也很高，是一種廣泛采用的調(diào)速技術，其電路原理簡圖如圖3-15所示。YCC圖3-15電機驅動原理簡圖綜合3種方案的優(yōu)缺點，鑒于本系統(tǒng)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 3-9就是一種簡單的H橋電路，它由 2個IRF4905 P型場效應管Q1、Q2與2個IRF3205 N型場效應管Q3 Q3組成，所以它 叫P-NMO管H橋。橋臂上的4個場效應管相當于四個開關，P

41、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 3-12電路后，PWM置高電平（U=VC）PWM置低電 平（U=0）時，Q1、Q4關閉，Q2 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。PWM置低電平、PWM置高電平時，Q2 Q3關閉，Q1 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PWM1 PWM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。3.7紅外測速電路圖3-16紅外ST188測速原理圖反

42、射式光電傳感器的光源有多種，常用的有紅外發(fā)光二極管，普通發(fā)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(fā)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圍的光，且價格較貴。理論上光電 傳感器只要位于被測區(qū)域反射表面可受到光源照射又能被接收管接收到的測量圍就能 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(fā)射和接收 管進行測量將因為干擾產(chǎn)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(tǒng)的 可靠性和準確性。紅外反射光強法的測量原理是將發(fā)射信號經(jīng)調(diào)制后

43、送紅外管發(fā)射，光 敏管接收調(diào)制的紅外信號，原理如圖 3-17所示。圖 3-18 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(shù)，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3-18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(xiàn)一種狀態(tài)，例如開關管截止；當被檢測物表面 為白色時，反射光強烈，發(fā)射端發(fā)射的紅外線被接收端全部接收，使接收端呈現(xiàn)另一種 相反的狀態(tài)，例如開關管開通。這兩種相反的狀態(tài)表現(xiàn)在電

44、路中，就是高低電平組成的 脈沖信號。4系統(tǒng)的軟件設計4.1程序設計框圖圖4-1循跡控制系統(tǒng)程序流程圖圖4-2無線遙控器程序設計流程圖4.2 AD程序STC12C5A60AD/S系列帶A/D轉換的單片機的 A/D轉換口在P1 口 (P1.7-P1.0)，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、電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。上電復位后 P1 口為弱上拉型I/O 口，用戶可以通過軟件設置將8路中的任何一路設置為 A/D轉換，不需作為A/D使用的 口可繼續(xù)作為I/O 口使用。在無線遙控器程序中設置 P1A0P1A2為AD轉換

45、接口，其中P1A0檢測搖桿X軸AD 值，P1A1檢測搖桿Y軸AD值，P1A2檢測基準電壓TL431的AD值，從而測出電源電壓。 模數(shù)轉換速度設置為90個時鐘轉換一次即A/D轉換速度大約140KHz AD轉換結果取前 8位值。具體程序配置如下：P1ASF=0X0f;AUXR 1=0;ADC_RES=0;ADC_CONTR=0x80; delayms(1);ADC_CONTR=0x88|ch; 采集程序如下： void adstart() while(ADC_CONTR&0X10); ADC_CONTR&=!0X80;ADC_CONTR&=0XE7;if(ch=0) tx_

46、buf0=ADC_RES; else if(ch=1)tx_buf1=ADC_RES;else if(ch=2) tx_buf3=ADC_RES; if(+ch>2)ch=0;ADC_CONTR=0x88|ch;在循跡控制系統(tǒng)程序中設置 P1A0為AD轉換接口用于檢測總電源分壓電路 AD值， 從而算出實際總電源電壓。 模數(shù)轉換速度設置為 540 個時鐘轉換一次即 A/D 轉換速度大 約25KHz AD轉換結果取前8位值。具體程序配置如下：P1ASF=0X81;ADC_RES=0;ADC_CONTR=0x80;SCON = 0x90;/187500 delayms(1);采集程序如下：uc

47、har getadcval(uchar ch) ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDHH|ch|ADC_START;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG);ADC_CONTR&=ADC_FLAG;return ADC_RES;4.3 NOKIA5110 程序N0KIA511C使用SPI協(xié)議，顯示48*84點陣可以顯示6*16個字母，或者3*5個12*12 的漢字。在無線遙控程序中，第一屏在第二行，第四行分別顯示“歡迎使用”，“無線 遙控器”。然后在第二屏第一行顯示“無線發(fā)射”，

48、第四行實時顯示檢測的電池電壓， 第六行顯示兩個AD采集的搖桿X、Y軸的AD值。具體程序如下：初始化程序，第一屏顯示：lcd_rst=0;delay1us();lcd_rst=1;lcd_ce=0;delay1us();lcd_ce=1;delay1us();lcd_write_byte(0x21,0);lcd_write_byte(0xc8,0);lcd_write_byte(0x06,0);lcd_write_byte(0x13,0);lcd_write_byte(0x20,0);lcd_clear();lcd_write_byte(0x0c,0);lcd_ce=0;lcd_clear();

49、lcd_write_chinese_string(11,1,16,4,0,0);lcd_write_chinese_string(3,3,16,5,4,0);delayms(1000);lcd_clear();lcd_write_chinese_string(11,0,16,4,9,0);第二屏顯示：、uint numl;ADVal8=tx_buf0/100+'0'ADVal9=tx_buf0%100/10+'0'ADVal10=tx_buf0%10+'0'ADVal11=tx_buf1/100+'0'ADVal12=tx_buf

50、1%100/10+'0'ADVal13=tx_buf1%10+'0'bat9=(64005/tx_buf3)/100+'0'bat11=(64005/tx_buf3)%100/10+'0'bat12=(64005/tx_buf3)%10+'0'if(tx_buf3>169&&num=0) / 低電量報警顯示 num+;for(num1=3;num1>0;num1-)lcd_clear();delayms(600);lcd_write_chinese_string(14,1,16,4,13

51、,0);lcd_write_chinese_string(3,3,16,5,17,0);delayms(600);lcd_clear();lcd_write_chinese_string(11,0,16,4,9,0);lcd_write_enlish_string(0,3,bat,14);lcd_write_enlish_string(0,5,ADVal,14);在循跡控制系統(tǒng)程序中，第一屏在第二行，第四行分別顯示“歡迎使用”，“智能 循跡車”。然后在第二屏第二行顯示“無線接收”，第三行實時顯示檢測的電池電壓， 第四行顯示無線實時接受的數(shù)據(jù)，第五行顯示超聲波測距的距離值，第六行顯示紅外測 的數(shù)

52、據(jù)。具體程序如下：void display() Speed8=usnum2%100/10+'0'Speed10=usnum2%10+'0'USVal8=measureval/100+'0'USVal9=measureval%100/10+'0'USVal10=measureval%10+'0'USVal11=measureval1/100+'0'USVal12=measureval1%100/10+'0'USVal13=measureval1%10+'0'RCVDat

53、8=rx_buf0/100+'0'RCVDat9=rx_buf0%100/10+'0'RCVDat10=rx_buf0%10+'0'RCVDat11=rx_buf1/100+'0'RCVDat12=rx_buf1%100/10+'0'RCVDat13=rx_buf1%10+'0'bat9=(int)(adc_res*5.90)/100+'0'bat11=(int)(adc_res*5.90)%100/10+'0'bat12=(int)(adc_res*5.90)%10

54、+'0'if(measureval<40)|(measureval1<40) / 超聲波避障顯示 if(bb=0)bb=1;lcd_clear(); lcd_write_chinese_string(11,1,16,4,42,0);lcd_write_enlish_string(0,5,USVal,14);elseif(bb=1)bb=0;lcd_clear();/ 第二屏顯示lcd_write_chinese_string(11,0,16,4,9,0); lcd_write_enlish_string(0,2,bat,14);lcd_write_enlish_st

55、ring(0,3,RCVDat,14);lcd_write_enlish_string(0,4,USVal,14);lcd_write_enlish_string(0,5,Speed,14);adc_res=getadcval(0); /低電量聲光報警if(adc_res<124&&num=1) /7.3v 1248.2v 143delayms(1);num1+; if(num1=200)num=0; duoji=128;CCAP0H=CCAP0L=0XFF;CCAP1H=CCAP1L=0XFF; for(num1=3;num1>0;num1-)lcd_clear(); delayms(350);beep=1; lcd_write_chinese_string(14,1,16,4,24,0); lcd_write_chinese_string(3,3,16,5,28,0);delayms(350);lcd_clear();beep=0;4.4 NRF24L01 無線程序 在初始化的時候無線遙控器配置為發(fā)送模式，這樣就可以把采集到的 AD 值，發(fā)送 到小車，然后控制小車的狀態(tài)。循跡控制系統(tǒng)配置為接收模式，接收無線遙控器發(fā)送的 數(shù)據(jù)，然后根據(jù)接收的數(shù)據(jù)，控制 PW啲占