簡易避障小車設計

1、簡易避障小車設計設計背景隨著汽車的自動化、智能化程度的提高，新一代智能汽 車的研發(fā)在國內外受到越來越多的重視。目前，國內比較先 進的智能車通過觀測前方的路況，將路面的信息輸入到車內 的電腦中，通過計算機控制方向盤的運動，實現(xiàn)自動避障1。 智能車輛的速度，關鍵在于它的控制技術，這就涉及到它的 避障算法。一個好的控制算法如同一個有經驗的司機，控制 汽車運行2。自第一臺工業(yè)機器人誕生以來，智能小車的發(fā) 展已經遍及機械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領域。 近年來智能小車的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人 們的生活方式。人們在不斷探討、改造、認識自然的過程中， 制造能替代人勞動的機器一直是人類的夢

2、想。借此在上單片 機課的這次機會，我們三個共同想要自己研究制造一輛避障 小車?？傮w概述2.1系統(tǒng)功能智能小車采用后輪驅動，后輪左右兩邊各用一個電機驅 動，分別控制兩個輪子的轉動從而達到轉向的目的，后輪是 萬向輪，起支撐的作用。將三個紅外線光電傳感器分別裝在 車體的左中右，當車的左邊的傳感器檢測到障礙物時，主控 芯片控制右輪電機反向轉動左輪電機正向轉動，車向右方轉 向，當車的右邊傳感器檢測到障礙物時，主控芯片控制左輪 電機反向轉動，右輪電機正向轉動，車向左方轉向，當前面 有障礙物時規(guī)定車向右轉。2.2系統(tǒng)結構智能避障小車的結構2.3系統(tǒng)原理本設計用單片機來處理傳感器采集來的數(shù)據，通過光電 開光傳

3、感器判斷小車前面的障礙物接受信號，處理完畢之后 以便去控制電機驅動電路來驅動電機。電源部分為整個電路 模塊提供電源，以便能正常工作。2.4控制框圖電池（9v）2.5系統(tǒng)模塊2.5.1障礙物探測模塊使用三只E3F-DS30C4光電開關，分別探測正前方，前 右側，前左側障礙物信息，在特殊地形（如障礙物密集地形） 可將正前方的光電開關移置后方進行探測。E3F-DS30C4光電 開關平均有效探測距離0-30cm可調，且抗外界背景光干擾 能力強，可在日光下正常工作（理論上應避免日光和強光源 的直接照射）。小車換檔調速后的最大制動距離不超過30cm， 一般在10-20cm左右。2.5.2電機驅動模塊使用全

4、橋驅動芯片L298N芯片驅動電機，L298N是一個具 有高電壓大電流的全橋驅動芯片，輸出電壓最高可達50V， 可以直接通過電源來調節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的IO 口提供信號，而且?guī)в惺鼓芏耍奖鉖WM調速，電路簡單， 性能穩(wěn)定，使用比較方便。L298N芯片可以驅動兩個二相電 機，也可以驅動一個四相電機，正好符合小車兩個二相電機 的驅動要求。2.5.3電源模塊采用6V干電池通過7805轉換為5V電壓向單片機和光 電開光供電，在穩(wěn)壓方面，起始時考慮使用7805芯片對6V 的電池電壓進行降壓穩(wěn)壓。故使用干電池對系統(tǒng)供電，小車模型作為小車底座，采 用單片機作為主控芯片，采用E3F-DS30C4光電

5、開關進行障 礙物探測，使用L298N驅動直流電機。硬件電路本次設計是以單片機來控制小車實現(xiàn)啟停和檢測前面 的障礙物并且能夠實現(xiàn)簡單的避障。本系統(tǒng)硬件由單片機系 統(tǒng)控制電路、障礙檢測電路、電機驅動電路和顯示電路模塊。 本設計通過小車這個載體再結合由單片機為核心的控制板 可以達到其基本功能，能夠利用紅外線光電傳感器感應到前 面的障礙物，再通過控制電路使小車可以進行向右向左轉 彎，再輔加由紅外線光電傳感器組成的避障電路、電源電路、 差分驅動電路就可以完善整個設計。利用紅外技術檢測障礙 物信息，采用單片機進行實時控制，實現(xiàn)智能避障，智能小 車采用后輪驅動，兩輪各用一個直流電機控制，避障用的傳 感器采用

6、光電開光傳感器。時鐘電路復位電路避障P電路XTAL1PO.u/ADOP0.-1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD時鐘電路復位電路避障P電路XTAL1PO.u/ADOP0.-1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/ADP0.5/AD5PO.ti/ADtRSTP0.7/AD7P2E愍P2.H越P2.2/A1CFSEMP2.3/A11ALEP2.4/A12EAP2.5/A13P2.6/A1-P2.7/A15F1.0F3.0/RXDP-1.1P-1.2P3.2州也F1.3F*P3.3/1 NT-1P3.4.-T0P-1.5P-1.6P3.6.WF：P

7、-1.7RSJ/RD&856293+stcS9.o519&O I1-1OJo3*-THr rJ-JL. L.3Ziz.*-L- r jiQ._n_i坤-TOH HI I-TE.4 -I1 JT4驅動電路/電路框圖3.1硬件的最小系統(tǒng)設計模塊單片機在系統(tǒng)中起到控制中心的作用，負責檢測傳感器 的狀態(tài)并向電機驅動電路發(fā)出動作命令。采用手動復位。用 單片機構成最小應用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和 復位電路即可。由于集成度的限制，最小應用系統(tǒng)只能用作 一些小型的控制單元。單片機的P1 口通用口用來接收紅外傳感器的信號,P1.0 到P1.3口分別來接收三個光電開關的輸入信號，P2通用口用 來驅動電機

8、，P2.0到P2.6用來控制L298N的輸入口。最小系統(tǒng)電路圖如圖：TextText4321CON410UF。 0SW11K1410K15112M17192020P20 PP1.0VCCP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3P1.5TextText4321CON410UF。 0SW11K1410K15112M17192020P20 PP1.0VCCP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3P1.5P0.4P1.6P0.5P1.7P0.6RSTP0.7P3.0EAP3.1ALEP3.2PSENP3.3P2.7P3.4P2.6P3.5P2.5P3.6

9、P2.4P3.7P2.3XTAL2P2.2XTAL1P2.1GNDP2.0123456789121340驅J236J5J4333231J0竺迎27最小系統(tǒng)電路圖3.1.1時鐘電路單片機雖然有內部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外 部附加電路。單片機產生時鐘有兩種方法。內部時鐘方式 和外部時鐘方式。本設計采用內部時鐘方式，利用芯片內部的振蕩電 路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件，內部的振蕩 電路便產生自激振蕩。本設計采用最常用的內部時鐘方 式，用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可 在1.2MHZ到12MHZ之間選擇。電容值無嚴格要求，但電 容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振

10、蕩電路起振速 度有少許影響，CX1、CX2可在20PF到100PF之間取值， 但在60PF到70PF時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。所以本 設計中，振蕩晶體選擇12MHZ,電容選擇20PF。時鐘電路圖如圖所示：TeXtexx Text時鐘電路3.1.2復位電路infineonXC2000的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。 復位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器來抑制噪聲。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。 上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只 要Vcc的上升時間不超過1ms，就可以自動實現(xiàn)自動上電復 位。時鐘頻率用11.0592MHZ時C取10pF,R取1K。除了上電復位

11、外，有時還需要按鍵手動復位。本設計就 是用的按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式 兩種。其中電平復位是通過RST端經電阻與電源V cc接通而 實現(xiàn)的。復位電路圖如圖所示：TextTextSW1復位電路3.2避障電路避障電路采用漫反射式光電開關進行避障。光電開關是 集發(fā)射頭和接收頭于一體的檢測開關，其工作原理是根據發(fā) 射頭發(fā)出的光束，被障礙物反射，接收頭據此做出判斷是否 有障礙物。單片機根據接收頭電平的高低做出相應控制，避 免小車碰到障礙物，由于接收管輸出TTL電平，有利于單片 機對信號的處理。小車避障的原理：小車車頭處裝有三個光電開關，中間 一個光電開關對向正前方，兩側的光電開關向兩

12、邊各分開30 度。小車在行進過程中由光電開關向前方發(fā)射出紅外線，當 紅外線遇到障礙物時發(fā)生漫反射，反射光被光電開關接收。 小車根據三個光電開關接受信號的情況來判斷相應的動作。 光電開關的平均探測距離為30cm。光電開關工作原理：光電開關是通過把光強度的變化轉 換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的。光電開關在一般情況下， 有三部分構成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。避障功能表見表1-1 :傳感器避障電路輸出（上升沿動作）待執(zhí)行命令右中左左轉信號（P3.1 ）右轉信號（P3.0 ）000V左轉001V左轉010V不存在011V左轉100V右轉101V左轉110V右轉111刖進注（“0”表示有障礙物；

13、“1”表示無障礙物）3.3電源模塊設計電源模塊的作用把6V鋅錳干電池通過7805轉換為5V , 供單片機和光電開關使用。電池對驅動電機供電。本系統(tǒng)所有芯片都需要+5V的工作電壓，而干電池只能 提供的電壓為1 .5V的倍數(shù)的電壓，并且隨著使用時間的延 長，其電壓會逐漸下降，則需要LM7805穩(wěn)壓芯片。L7805 能提供300至500mA的電流，足以滿足芯片供電的要求。雖然微處理器和微控制器不需要支持電路，功耗也很低，但 必須要加以考慮?？梢詽M足需要。電源模塊電路圖如圖2-5 :TextTextL7805CVTextVinDNG+5VVout圖TextVinDNG+5VVout圖2-5電源模塊電路

14、圖Text3.3電機驅動模塊設計電機驅動模塊主要功能是將主控芯片發(fā)出的信號通過 L298N電機控制芯片轉化為小車實際的動作。L298N芯片有 兩個電源引腳VDD引腳和VCC引腳。VDD引腳接+9V電 源用來給電機供電，VCC引腳接+5V電源用來給芯片供電， 并作為邏輯高電平標準L298N芯片通過一個有四個IN4148 二極管組成的保護電路與電機相連，保護電路主要是用來在 電機開啟和關閉時防止被反向擊穿。由于一直讓轉向電機以最大功率使能從而獲得最大的 扭矩，保證小車轉向成功，而不需要控制轉向電機的輸出功 率，所以ENA引腳（即轉向電機使能引腳）直接接+5 V，即讓轉向電機一直使能。對于后置的驅動

15、電機，不僅要控制 其實現(xiàn)前進、后退和停止，還要能夠控制其轉速以解決由于 電量不足而產生的小車變慢的問題15。所以，將L298N芯 片的ENB引腳與STC89C51的P2.1用來實現(xiàn)PWM調速。L298N芯片的IN1和IN2引腳分別和STC89C51的 P2.4和P2.5引腳連接用來接收主控芯片輸出的轉向電機的 動作指令，并通過OUT1和OUT2來控制轉向電機的正轉與 反轉，最終功能的實現(xiàn)表現(xiàn)在小車的左轉與右轉。L298N芯 片的IN3和IN4引腳分別與STC89C51的P2.2和P2.0引 腳連接用來接收主控芯片輸出的驅動電機的動作指令，并通 過OUT3和OUT4來控制驅動電機的正轉與反轉，最

16、終功能 的實現(xiàn)表現(xiàn)在小車的前進、后退、停止。采用與門對兩電機進行選擇控制，從而實現(xiàn)前進、左轉、 右轉。驅動電路原路框圖如圖2-6 :圖2-6驅動電路原理圖驅動電路圖如圖2-7 :圖2-7電機驅動模塊電路圖可參考下圖表:電機旋轉方式控制端IN1控制端IN2控制端IN3控制端IN4輸入PWM信號改變脈寬可調速調速端A調速端BM1正轉高低/高/反轉低高/高/停止低低/高/M2正轉/高低/高反轉/低高/高停止低低/高3.4單片機控制電路模塊4軟件設計在進行微機控制系統(tǒng)設計時，除了系統(tǒng)硬件設計外，如 何根據每個功能需要設計應用程序。因此，軟件設計在微機 控制系統(tǒng)設計中占很重要的地位。對于本系統(tǒng)，軟件也顯得 比較重要。軟件和硬件的結合，使系統(tǒng)達到更好的效果。程 序使用C語言來編寫，編譯軟件使用keilC5