智能探路車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說明

1、 .PAGE11 / NUMPAGES15 .冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)一種智能探路車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系 別_ 電子信息工程系_專 業(yè)_電子信息工程技術(shù)_班 級_ 09-1班_ _學(xué)生_ 史秀杰_指導(dǎo)老師_王盟_2011年12月01日摘要隨著人工智能技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，智能化設(shè)備得到了越來越廣泛的應(yīng)用，特別是在工業(yè)領(lǐng)域，智能化設(shè)備已經(jīng)起到了主導(dǎo)性作用。論文主要設(shè)計(jì)一款智能探路車系統(tǒng)。該系統(tǒng)會使小車沿著特定的黑線循跡，利用搭建的智能探路小車進(jìn)行循跡實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)主要采用AT89S52芯片，AT89S52是一種低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。只用Atmel公司高

2、密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)8051產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。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。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多單片機(jī)控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超級有效的解決方案。論文采用AT89S52單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動模塊，使得智能探路小車實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退以與左右轉(zhuǎn)向，小車前輪使用的是萬向輪，使得小車可以通過驅(qū)動后輪可以達(dá)到轉(zhuǎn)向的功能。關(guān)鍵字：AT89S52，智能探路小車，電機(jī)驅(qū)動目錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc310595124摘要 PAGEREF _Toc310595124 h

3、IHYPERLINK l _Toc3105951251 緒論 PAGEREF _Toc310595125 h 1HYPERLINK l _Toc3105951262 智能探路小車的介紹 PAGEREF _Toc310595126 h 2HYPERLINK l _Toc3105951272.1智能探路小車的功能特點(diǎn) PAGEREF _Toc310595127 h 2HYPERLINK l _Toc3105951282.2 帶減速機(jī)構(gòu)密閉齒輪箱直流電機(jī) PAGEREF _Toc310595128 h 2HYPERLINK l _Toc3105951292.3 萬向輪 PAGEREF _Toc310

4、595129 h 2HYPERLINK l _Toc3105951302.4 電源部分 PAGEREF _Toc310595130 h 2HYPERLINK l _Toc3105951312.5 電源接口部分 PAGEREF _Toc310595131 h 2HYPERLINK l _Toc3105951322.6 電機(jī)接口 PAGEREF _Toc310595132 h 2HYPERLINK l _Toc3105951332.6.1 直流電機(jī)接口 PAGEREF _Toc310595133 h 2HYPERLINK l _Toc3105951342.6.2 恒速電機(jī)接口 PAGEREF _T

5、oc310595134 h 3HYPERLINK l _Toc3105951352.6.3 步進(jìn)電機(jī)接口 PAGEREF _Toc310595135 h 3HYPERLINK l _Toc3105951362.7傳感器 PAGEREF _Toc310595136 h 3HYPERLINK l _Toc3105951373 方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc310595137 h 4HYPERLINK l _Toc3105951383.1設(shè)計(jì)要求 PAGEREF _Toc310595138 h 4HYPERLINK l _Toc3105951393.2 硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc3105

6、95139 h 4HYPERLINK l _Toc3105951403.2.1 電機(jī)選擇 PAGEREF _Toc310595140 h 4HYPERLINK l _Toc3105951413.2.2 循跡設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc310595141 h 4HYPERLINK l _Toc3105951423.3 軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc310595142 h 5HYPERLINK l _Toc3105951433.3.1 軟件設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc310595143 h 5HYPERLINK l _Toc3105951443.3.2 軟件設(shè)計(jì)思路 PAGEREF _

7、Toc310595144 h 5HYPERLINK l _Toc3105951453.4 應(yīng)用軟件 PAGEREF _Toc310595145 h 5HYPERLINK l _Toc3105951464 過程設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc310595146 h 6HYPERLINK l _Toc3105951474.1 設(shè)計(jì)目的 PAGEREF _Toc310595147 h 6HYPERLINK l _Toc3105951484.2 設(shè)計(jì)過程 PAGEREF _Toc310595148 h 6HYPERLINK l _Toc3105951494.3 流程圖分析 PAGEREF _Toc310

8、595149 h 6HYPERLINK l _Toc3105951505 總結(jié) PAGEREF _Toc310595150 h 9HYPERLINK l _Toc3105951515.1 智能探路小車的應(yīng)用 PAGEREF _Toc310595151 h 9HYPERLINK l _Toc3105951525.1.1 工業(yè)運(yùn)輸 PAGEREF _Toc310595152 h 9HYPERLINK l _Toc3105951535.1.2 農(nóng)業(yè)灌溉 PAGEREF _Toc310595153 h 9HYPERLINK l _Toc3105951545.2 學(xué)習(xí)感觸 PAGEREF _Toc310

9、595154 h 9HYPERLINK l _Toc310595155致 PAGEREF _Toc310595155 h 111 緒論自第一臺工業(yè)智能機(jī)器以來，智能的發(fā)展已經(jīng)遍與機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領(lǐng)域。近年來智能機(jī)器的水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式。人們在不斷探討、改造、認(rèn)識自然的過程中，制造能替代人勞動的智能機(jī)器一直是人類的夢想。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的感覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動行走和駕駛的重要部件，視覺的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng)，對于視覺的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)發(fā)達(dá)，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，與其視覺需要通過大量

10、的運(yùn)算也成為智能識別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡單的目標(biāo)。視覺傳感器的核心器件是攝像管或CCD，目前的CCD已能做到自動聚焦。但CCD傳感器價格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近傳感器是一種實(shí)用有效的方法。該智能探路小車可以作為智能機(jī)器的典型代表。它可以分為三大組成部分：傳感器檢測部分、執(zhí)行部分、CPU，智能探路小車要實(shí)現(xiàn)循跡功能，感知引導(dǎo)線，可以實(shí)現(xiàn)小車自動識別路線，選擇正確的行進(jìn)線路。基于上述要求，傳感器檢測部分考慮到小車一般不需要感知清晰的圖像，只要求粗略感知即可，所以可以舍棄昂貴的CCD傳感器而考慮使用價廉物美的紅外反射式傳感器來充當(dāng)，智能小車的執(zhí)

11、行部分，是由直流電機(jī)來充當(dāng)?shù)?，主要控制小車的行進(jìn)方向和速度，單片機(jī)驅(qū)動直流電機(jī)一般有兩種方案，：第一,勿需占用單片機(jī)資源，直接選擇有PWM功能的單片機(jī)，這樣可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速，第二，可以由軟件模擬PWM輸出調(diào)制，需要占用單片機(jī)資源，難以精確調(diào)速，但單片機(jī)型號的選擇余地較大。CPU使用AT89S52單片機(jī)，配合軟件編程實(shí)現(xiàn)。2 智能探路小車的介紹2.1智能探路小車的功能特點(diǎn)控制器采用主板+核心板架構(gòu)。主板中間可搭載相配套的控制器模塊。板上帶有16個傳感器接口，其中有8個接口可以兼容模擬信號的輸入；另外還有四個直流減速電機(jī)接口；一個1602液晶屏接口；兩個恒速電機(jī)接口；兩個步進(jìn)電機(jī)接口（預(yù)留）；兩個

12、RS232串口等。系統(tǒng)配套提供AT89S52核心板。也可以更換為ARM7核心板，AVR核心板。提供8.4V 1500mAH鎳氫電池組與電源充電器。2.2 帶減速機(jī)構(gòu)密閉齒輪箱直流電機(jī)帶減速機(jī)構(gòu)密閉齒輪箱直流電機(jī)，DC9V輸入，200轉(zhuǎn)/分鐘；直流電動機(jī)固定在標(biāo)準(zhǔn)L型支架上，安裝有外徑72mm的橡膠車輪。2.3 萬向輪標(biāo)準(zhǔn)萬向輪，用于輪式移動智能機(jī)器小車支撐和隨動，鐵制材料表面鍍鋅處理，塑料輪體，頂蓋安裝孔的距離為53*36*24。2.4 電源部分電源部分采用的是鎳氫電池組，7節(jié)充電電池連接，最大輸出電流為1A，為主板提供動力源。2.5 電源接口部分用8.4V鎳氫電池組為其供電，通過兩片LM78

13、05穩(wěn)壓芯片進(jìn)行分頻，分別有兩種電壓值輸出為5V，12V。從而滿足系統(tǒng)板供電要求。2.6 電機(jī)接口2.6.1 直流電機(jī)接口板載的四路直流電機(jī)接口，用于給小車提供足夠的動力來源。采用兩片L298N電機(jī)驅(qū)動芯片，其中每一片L298N均可驅(qū)動兩路直流電機(jī)。L298N部包含4通道路驅(qū)動電路。可以方便的驅(qū)動兩個直流電機(jī)，或一個兩相步進(jìn)電機(jī)。L298N芯片可以驅(qū)動兩個二相電機(jī)，也可以驅(qū)動一個四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。2.6.2 恒速電機(jī)接口板載兩路恒速電機(jī)接口，可用于外接小型直流電機(jī)。2.6.3 步進(jìn)電機(jī)

14、接口主板預(yù)留步進(jìn)電機(jī)接口，可外接兩路步進(jìn)電機(jī)，用于完成控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)動角度以與轉(zhuǎn)動速度。2.7傳感器傳感器分為光電傳感器和紅外傳感器。光電傳感器是由一組紅外發(fā)射和接收器組成，能用來檢測物體表面的反射率，對不同顏色的表面進(jìn)行檢測，完成檢測的功能。光電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實(shí)現(xiàn)控制的。光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。發(fā)送器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光速，發(fā)射的光速一般來源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管（LED）、激光二極管與紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有

15、光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)有該信號。此外，光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維。把發(fā)光器和收光器裝入同一個裝置，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式（或反射鏡反射式）光電開關(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到；一旦光路被檢測物擋住，收光器如果收不到光時，光電開關(guān)就動作，輸出一個開關(guān)控制信號。接近傳感器的輸出是0和1的高低電平變化，其接口方式為3P，在主板上或是傳感器轉(zhuǎn)接板上都有3P接口，使用其中任意一個接口都可。紅外傳感器，也就是遠(yuǎn)距離探測傳感器，檢測前方是否有物體，紅外距離探測器探測距離1050

16、cm，標(biāo)準(zhǔn)3P接口，檢測前方有物體時輸出電平為0，無物體時輸出電平為1。3 方案設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)要求自動智能探路小車從安全區(qū)域啟動。小車按指定路線運(yùn)行，自動區(qū)分直線軌道和彎路軌道，在指定彎路處拐彎，實(shí)現(xiàn)靈活前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、倒退等功能，在軌道上畫出設(shè)定的地圖。3.2 硬件設(shè)計(jì)關(guān)于小車探索道路，我們設(shè)計(jì)了幾套方案，其中包括小車采用直流電機(jī)還是步進(jìn)電機(jī)，采用光電傳感器還是紅外傳感器，這將對我們實(shí)驗(yàn)是否成功有很大的影響。3.2.1 電機(jī)選擇電機(jī)分為直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。我們在實(shí)驗(yàn)中采用的是直流電機(jī)，由于直流電機(jī)只需通過控制PWM輸出的形式，便可以控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)運(yùn)行和反轉(zhuǎn)運(yùn)行，用延時便可以控制小車的轉(zhuǎn)彎幅度大小

17、；而步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)。相對而言，直流電機(jī)比較容易控制，所以我們采用的直流電機(jī)作為智能小車動力源。3.2.2 循跡設(shè)計(jì)這里的循跡是指智能探路小車在白色地板上，循著黑線行走，通常采取的方法是以下三種方案。方案1：用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的組織可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會反生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。但這種方案受光照影響大，不能穩(wěn)定工作

18、。因此我考慮其他更穩(wěn)定的方案。方案2：用單光束反射式紅外光電傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，紅外接受管接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。外部環(huán)境對其有一定的影響。方案3：用RPR220型光電傳感器。RPR220是一種一體化發(fā)射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。RPR220采用DIP4封裝，其具有如下特點(diǎn)：塑料透鏡可以提高靈敏度。置可見光過濾器能減少離散光的影響。體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。當(dāng)發(fā)射二極管發(fā)出的光線反射活來時，三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光電對管調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。雖然

19、第三方案最好，但由于不容易買到，所以選擇了第二方案。3.3 軟件設(shè)計(jì)兩個光電傳感器室安裝在智能探路小車的車體前端，檢測軌跡，使車體按固定軌跡前行。3.3.1軟件設(shè)計(jì)方案軟件設(shè)計(jì)方案也有兩種：一種為軌跡在兩個光電傳感器之間，另一種為軌跡寬度相對兩個傳感器之間的距離寬，雖然看似這兩種方案大不一樣，其實(shí)兩種方案只要修改一下轉(zhuǎn)向就可以實(shí)現(xiàn)一樣的功能了，我們在這里使用第一種方案，就是軌跡是在兩個光電傳感器之間的。3.3.2軟件設(shè)計(jì)思路如果智能探路小車是沿著黑道行走，軌道在兩個光電傳感器之間的話，那么只要判斷兩個傳感器哪個檢測到有黑道，如果左端的傳感器檢測到有黑道，那么向左拐，如果右端的傳感器檢測到有黑道

20、的話，智能探路小車向右拐。3.4 應(yīng)用軟件我們此次編寫程序使用的是KeilC51軟件。KeilC51 u Vision2集成開發(fā)環(huán)境是Keil Software Inc/Keil Elektronik GmbH開發(fā)的基于80C51核的微處理器軟件開發(fā)平臺，嵌多種符合當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)工具，可以完成從工程建立和管理、編譯連接目標(biāo)代碼的生成、軟件仿真硬件仿真等完整的開發(fā)流程。尤其C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準(zhǔn)確性和效率方面達(dá)到了較高的水平，而且可以附加靈活的控制選項(xiàng)，在開發(fā)大型項(xiàng)目時非常理想。4 過程設(shè)計(jì)4.1 設(shè)計(jì)目的隨著社會的進(jìn)步和發(fā)展，機(jī)器世界已經(jīng)融入了我們的生活，而智能探路小車探路為我們也可以帶

21、來不小的幫助，比如，飛船上天的時候就可以由智能探路小車沿著路線去點(diǎn)火，不用人們冒著危險去工作，而且一些工廠可以由機(jī)器人自己沿著路線拉送貨物，人們只需在起點(diǎn)或終點(diǎn)接應(yīng)就可以了，不需要耗費(fèi)大量的人力，可以創(chuàng)造更多的利潤等等。4.2 設(shè)計(jì)過程由軟件設(shè)計(jì)思路，我制出了流程圖，可以大致反應(yīng)智能探路小車是如何執(zhí)行的。由于智能探路小車前輪為萬向輪，所以智能探路小車在驅(qū)動整個小車前進(jìn)時，只需要控制后輪的左右轉(zhuǎn)向就能控制整個智能探路小車的轉(zhuǎn)向，這就萬向輪的好處，所以小車只使用了個兩個驅(qū)動。電機(jī)驅(qū)動模塊采用一片L298N（電機(jī)驅(qū)動）與74LS04（6組反向器），L298N部包含4通道路基驅(qū)動電路?？梢苑奖愕尿?qū)動兩

22、個四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。4.3 流程圖分析如圖4.1所示，當(dāng)按下開關(guān)后，智能探路小車先直走前進(jìn)，這與DIR0與DIR1有關(guān)系，當(dāng)兩者都為0的時候?yàn)榍斑M(jìn)，當(dāng)兩者都為1的時候表示后退，DIR1為左輪，DIR0為右輪。若DIR0=0且DIR1=1時表示左轉(zhuǎn)，賦值相反則表示右轉(zhuǎn)。我們設(shè)置的線路是在兩個傳感器之間的，當(dāng)時的設(shè)計(jì)思路就是如果左傳感器檢測到黑線，說明小車行走偏右，所以應(yīng)該向左拐，如果右傳感器檢測到黑線，就讓小車往左拐，至于拐彎的大小和幅度一般和小車的延時程序有關(guān)系，我一般用的是延時100

23、ms，這個對于彎的大小也有好的控制。另外程序里面涉與的PWM0、PWM1也可以控制智能探路小車的轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)和停止。但是他們的原理有些不一樣，PWM0、PWM1是小車的使能，如果要想使小車前進(jìn)，就把PWM0、PWM1都置為1，要想讓小車往右拐，可以把小車右輪PWM0置為0，左輪PWM1置為1，其效果就是右輪停止轉(zhuǎn)動，左輪繼續(xù)前進(jìn)，和DIR實(shí)現(xiàn)的功能是一樣的，但是效果是不一樣的。另外PWM還有一個比DIR更好的一方面是小車可以停止，只要把PWM0、PWM1都置為0，小車就會停止不動了。是否否左傳感器是否檢測到 黑線 傳感器是否檢測到黑線是小車前進(jìn)繼續(xù)前進(jìn)左轉(zhuǎn)開始圖4.1 流程圖對4.1流程圖加以分

24、析，編寫了程序：void main()while(1) DIR0=0; DIR1=0; /前進(jìn)if(PA6=0)&(PA7!=0) /如果左輪檢測到有黑線DIR0=0; DIR1=1; /左轉(zhuǎn) delay100ms(1); /轉(zhuǎn)彎延時100ms DIR0=0; DIR1=0; /繼續(xù)前進(jìn) if(PA7=0)&(PA6!=0) /如果右輪檢測到有黑線 DIR0=1; PWM1=0; /右轉(zhuǎn)，使左輪停止，右輪后退delay100ms(1); /轉(zhuǎn)彎延時100ms PWM1=1;/左輪使能 DIR0=0; DIR1=0; /繼續(xù)前進(jìn) 5 總結(jié)5.1 智能探路小車的應(yīng)用隨著社會的發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步，人們

25、周圍出現(xiàn)了很多機(jī)械工具，機(jī)器出現(xiàn)在了很多的工業(yè)場所，農(nóng)業(yè)場所，還有生活當(dāng)中，智能機(jī)器也逐漸普遍進(jìn)入了人們家庭中，本次設(shè)計(jì)的智能探路小車可以為工業(yè)領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域以與人們的生活方面帶來很大的方便，可以減少人力，只需要智能探路小車就可以很好的做到。5.1.1 工業(yè)運(yùn)輸在工廠里有許多運(yùn)輸環(huán)節(jié)，比如進(jìn)出貨物的時候，可以利用智能探路小車運(yùn)輸，只需要把貨物裝載到機(jī)器人探路小車上，它就可以沿著指定的路線把貨物運(yùn)送到指定地點(diǎn)，而且人們只需在始點(diǎn)或終點(diǎn)接應(yīng)小車，減少了人力，也為工廠減少了開支。5.1.2 農(nóng)業(yè)灌溉現(xiàn)在雖然有了一些比較先進(jìn)的農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)，但是我所設(shè)計(jì)的這一款智能探路小車有很大優(yōu)勢，不需人工自己打藥劑，只需要讓小車沿著路線行走，一樣可以實(shí)現(xiàn)藥劑灌溉的功能，減少人們勞動的時間，可以交給智能探路小車去實(shí)現(xiàn)。5.2 學(xué)習(xí)感觸在這次設(shè)計(jì)中，我完成了這次任務(wù)，設(shè)計(jì)出了循跡機(jī)器人，并詳細(xì)的設(shè)計(jì)了智能探路小車的行走結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)、傳感器類型的選擇與排列布局。在軟件方面也設(shè)計(jì)出了程序的流程圖。在這次設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了很多上