智能循跡避障小車設(shè)計(jì)同名

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1、摘 要 本系統(tǒng)以設(shè)計(jì)題目的要求為目的，采用80C51單片機(jī)為控制核心，利用紅外線傳感器進(jìn)行尋線，控制電動小汽車的自動循跡，并再通過光電開關(guān)探測障礙，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)進(jìn)行壁障功能。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性能高，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果滿足要求。本文著重?cái)⑹隽嗽撓到y(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法、軟件設(shè)計(jì)方法及測試結(jié)果分析。小車運(yùn)行方案，在現(xiàn)有玩具電動車的基礎(chǔ)上，加裝紅外線光電開關(guān)模塊和紅外尋線模塊，實(shí)現(xiàn)對電動車位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對電動車的智能控制。 關(guān)鍵詞：80C51單片機(jī)、紅外線傳感器、光電開關(guān)、電動小車 Abstract

2、 The system requirements of the design project for the purpose of the 80C51 microcontroller for the control of the core,the use of the hunt and infrared sensors,automatic obstacle acoidance control of electric cars,and the photoelectric switch to the barrier function.The electric circuit constructio

3、n of whole system is simple, the function is dependable. Experiment test result satisfy the request, this text emphasizes introduced the hardware system designs and the result analyse. Car is running the program, under the existing toy electric car, based on the installation of super sonic sensor an

4、d infrared sensors, to achieve the location of electric vehicles,operational status of the real-time measurement, and measurement data sent to the microcontroller for processing, then SCM detected according to a variety of data to achieve intelligent control of electric vehicles. Key words: 80C51 s

5、ingle chip computer,infrared sensors,photoelectric switch, the electric car 目 錄 第1章前言1 1.1研究目的及意義1 1.2國內(nèi)外發(fā)展情況2 第2章整體設(shè)計(jì)框架3 2.1方案選擇及論證3 控制模塊選擇4 路面探測黑線軌跡模塊4 探測路面障礙模塊5 電機(jī)模塊6 電機(jī)驅(qū)動模塊6 車架選擇7 最終方案選擇7 2.2方案可行性分析8 第3章硬件設(shè)計(jì)8 3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖9 3.2 紅外線光電開關(guān)模塊9 光電開關(guān)的工作原理10 光電開關(guān)的類型10 光電開關(guān)電路的設(shè)計(jì)13 3.3電

6、機(jī)驅(qū)動模塊13 3.4紅外循線模塊15 3.4.1 紅外放射式光電傳感器特性與工作原理15 3.4.2 紅外循線具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)16 3.5 最小系統(tǒng)模塊17 3.5.1 晶振電路的設(shè)計(jì)17 3.5.2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)17 3.6電源模塊18 第4章軟件設(shè)計(jì)19 4.1 主程序流程圖19 4.2 避障子程序流程圖20 4.3 循線子程序流程圖21 第5章系統(tǒng)調(diào)試和測試21 5.1安裝步驟21 5.2電路調(diào)試23 5.2.1 光電開關(guān)模塊調(diào)試過程23 電機(jī)模塊調(diào)試過程23 紅外循線模塊調(diào)試過程24 測試結(jié)果與分析25 結(jié)論26 致謝27 參考文獻(xiàn)28 附

7、錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖29 附錄設(shè)計(jì)系統(tǒng)部分源代碼30 第1章 前言 隨著生產(chǎn)自動化的發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)自動化上，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。 智能小車的研究、開發(fā)和應(yīng)用涉及傳感技術(shù)、電氣控制工程、智能控制等學(xué)科，智能控制技術(shù)是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。本課題所設(shè)計(jì)的智能小車，既具有操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成靈活運(yùn)動的自動化生產(chǎn)設(shè)備。 隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展,工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用

8、于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)部門,如采掘、噴涂、焊接、醫(yī)療等各大領(lǐng)域。由于工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn),它不斷替代了人們的繁重勞動,大大提高了勞動生產(chǎn)率,減輕了人們的勞動強(qiáng)度,此外,它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作,日益體現(xiàn)出它的優(yōu)越性。 智能控制小車模擬機(jī)器人的運(yùn)作，可以通過自己的動手排除故障，更加可以給學(xué)生一個(gè)實(shí)踐操作的空間，加強(qiáng)學(xué)生的動手能力和思維能力。 在制作的產(chǎn)品中，發(fā)現(xiàn)一些比較符合實(shí)際應(yīng)用的玩具，而且成本低廉，能夠運(yùn)用實(shí)際生產(chǎn)并且有一定的新穎度，有一定的社會需求。在制作中提高自身對社會需求方向的靈敏度，發(fā)現(xiàn)商機(jī)，為自己在以后實(shí)現(xiàn)創(chuàng)業(yè)這個(gè)宏偉的目標(biāo)中打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基

9、礎(chǔ)。 1.1研究目的及意義 通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力。在實(shí)踐過程中，熟悉以單片機(jī)為核心控制芯片，設(shè)計(jì)小車的檢測障礙、尋線和電機(jī)驅(qū)動等外圍電路，采用智能控制算法實(shí)現(xiàn)小車的智能循跡以及避障。在此過程中，加深對控制理論的理解和認(rèn)識。 從對紅外線、電機(jī)驅(qū)動和光電開關(guān)在智能小車上的應(yīng)用，可以進(jìn)一步研發(fā)，將紅外線技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)中的車輛上，比如紅外線倒車警報(bào)系統(tǒng)、紅外車輛防盜系統(tǒng)等等很多方面都可以利用。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展情況 十九世紀(jì)末，隨著內(nèi)燃機(jī)的誕生，人們發(fā)明了最現(xiàn)代化的交通工具——汽車。經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，汽車技術(shù)、性能有了很大的提高，人們充分享受到了汽車帶

10、來的巨大便利。但是，在享受汽車帶來便利的同時(shí)，人們也發(fā)現(xiàn)汽車也給社會的發(fā)展帶來了不少的損失，甚至危害到了人們的人身安全。由于公路客運(yùn)、貨運(yùn)輸量的迅速增長，人們深受交通擁擠、堵塞嚴(yán)重事故頻繁和環(huán)境污染等公害的困撓。尤其是隨著高速公路發(fā)展，汽車速度的提高，各類惡性交通事故的發(fā)生呈不斷上升趨勢，給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失。同時(shí)，經(jīng)常性的交通擁擠和環(huán)境污染等也給現(xiàn)代城市的可持續(xù)發(fā)展帶來了嚴(yán)重的影響。這迫使人們采用高、新技術(shù)以提高車輛的安全性、可靠性，以解決道路交通的公害問題。 我國開展智能車輛技術(shù)方面的研究起步較晚，開始于20世紀(jì)80年代，而且大多數(shù)研究尚處于針對某個(gè)單項(xiàng)技術(shù)研究的階段。雖然我

11、國在智能車輛技術(shù)方面的研究總體落后于發(fā)達(dá)國家，并且存在一定的技術(shù)差距，但是我國也取得了一系列的成功。中國第一汽車集團(tuán)公司和國服科技大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院于2003年研制成功了我國第一輛自主駕駛轎車。該自主駕駛轎車的正常交通驚恐下得高速公路上，形式的最高溫度速度為12km/h，最高峰值速度可達(dá)170km/h，并且具有超車功能，其總體技術(shù)性能和指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。 在國外，美國國家科學(xué)委員會曾預(yù)言：“20世紀(jì)的核心武器是坦克，21世紀(jì)的核心武器是無人作戰(zhàn)系統(tǒng)，其中2000年以后遙控地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)將連續(xù)裝備部隊(duì)，并走向戰(zhàn)場?！睘榇?，從80年代開始美國國防高級研究計(jì)劃局(DARPA)專

12、門立項(xiàng)，制定了地面無人作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)略計(jì)劃，目標(biāo)是研制出滿足戰(zhàn)場需要的智能車輛，可以在崎嶇的地形上沿規(guī)劃的路線自主導(dǎo)航及躲避障礙，必要時(shí)重新規(guī)劃其路線。另外，日本通產(chǎn)省組織的極限環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人計(jì)劃、歐洲尤里卡中的移動機(jī)器人計(jì)劃等。雖然智能車輛的研究起源于軍事的要求，但是在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也有極大的價(jià)值，并且在研究上也取得了一定的成果。在太空探索方面，美國NASA研制的火星探測機(jī)器人索杰那于1997年成功登上火星，這是一個(gè)具有六個(gè)輪子的自主移動機(jī)器人。在民用方面，智能車輛也有許多成功的例子。如日本的VERTIS智能汽車系統(tǒng)，該智能汽車主要有23個(gè)ITSZ子系統(tǒng)，主要用于實(shí)現(xiàn)車載通訊、信息加工處理

13、、環(huán)境探測、輔助控制(自動駕駛)等四項(xiàng)功能。另據(jù)報(bào)道，雷諾正在研制的自動汽車或智能車輛將讓汽車能夠感知周圍環(huán)境，如道路狀況、附近車輛的距離及行駛速度等，并能根據(jù)具體情況及時(shí)作出調(diào)整車速、校正方向等正確反應(yīng)。目前，雷諾公司正在進(jìn)行紅外攝像、雷達(dá)、隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)注。 第2章 整體設(shè)計(jì)框架 2.1 方案選擇及論證 根據(jù)題目要求，系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)循線、壁障功能，必須要?jiǎng)澐殖蔀榱鶄€(gè)模塊。對各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)，分別有以下一些不同的設(shè)計(jì)方案。 控制模塊選擇 方案一： 采用可編程邏輯器件CPLD作為控制器，CPLD可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定

14、性高、I/O資源豐富、易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模控制系統(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經(jīng)濟(jì)的角度考慮，最終放棄了此方案。 方案二： 采用凌陽的16位單片機(jī)，它是16位控制器，且有體積小、驅(qū)動能力高、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。處理速度高。但是當(dāng)凌陽單片機(jī)作為處理器時(shí)，電路較為復(fù)雜，而且方案成本較高。 方案三： 采用ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)作為主控制器，AT89C51是一個(gè)低功耗、高性能的51內(nèi)核的CMOS 8位單片機(jī)，該單片機(jī)

15、結(jié)果簡單、功耗低、接口豐富，完全能滿足此次智能小車設(shè)計(jì)的要求。最重要的是，它相對前兩者成本最為低廉。 從節(jié)約成本的角度考慮，最終選擇了方案三 路面探測黑線軌跡模塊 在該設(shè)計(jì)中智能小車從起跑線到終點(diǎn)是對路面軌跡進(jìn)行探測，探測路面黑線軌跡模塊的大致原理是：光線照射到路面并反射，由于黑線和白線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱判斷是否小車沿黑線行駛。 方案一： 采用可見光發(fā)光二級管與光敏二極管 組成的發(fā)射-接收電路。這種方案的缺點(diǎn)在于其它環(huán)境光源會對光敏二極管的工作產(chǎn)生很大干擾，一旦外界條件改變，很可能造成誤判和漏判；雖然采用超高亮發(fā)光管可以降低一定的干擾，但這又將增加額外的功率

16、損耗。 方案二： 采用反射式紅外發(fā)射-接收器。采用紅外管代替普通可見光管，可以明顯降低環(huán)境光源干擾，提高了控制精度。 基于此，擬選用方案二。 探測路面障礙模塊 方案一： 采用紅外線光電開關(guān)。由于紅外線指向性強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播遠(yuǎn)，因而紅外線經(jīng)常應(yīng)用于距離的測量、障礙物的探測等。紅外線探測障礙物并繞過障礙物模塊是利用紅外線發(fā)射器向某一方向紅外線，紅外線在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，紅外線接收器收到反射光經(jīng)相應(yīng)的電路進(jìn)行處理，以測定障礙物的方位及距離，并向小車發(fā)送控制信號以使小車?yán)@過障礙物。 方案二： 采用超聲波穿感器，超聲波傳感器探測障礙是利用超聲波發(fā)送模塊向某一方向發(fā)

17、射超聲波，超聲波在空氣中傳播，在一定距離內(nèi)遇到測定的障礙物就會立即返回超聲波接受模塊接受，再由相關(guān)電路處理，以測定障礙物的相關(guān)方位、距離。超聲波傳感器成本相對較高， 以上兩種方案都是比較可行的。尤其是紅外線光電開關(guān)，應(yīng)用相當(dāng)廣泛、但是為了本題目更加的實(shí)用和有效，超聲波傳感器成本相對較高，電路較為復(fù)雜，采用紅外線光電開關(guān)，更加合適與有效，更加有利于發(fā)現(xiàn)前方障礙物。所以本設(shè)計(jì)選擇方案一。 電機(jī)模塊 方案一： 采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是具有快速啟停能力，如果負(fù)荷不超過步進(jìn)電機(jī)所能提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能夠立即使步進(jìn)電機(jī)啟動或反轉(zhuǎn)。另一個(gè)顯著特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制靈活。

18、 方案二： 采用普通直流電機(jī)。直流電動機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣；過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；能滿足各種不同的特殊運(yùn)行要求。 由于普通直流電機(jī)更易于購買，并且電路相對簡單，因此采用直流電機(jī)作為動力源。 電機(jī)驅(qū)動模塊 方案一： 使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，成本低，加速能力強(qiáng)，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)距運(yùn)行時(shí)，通過電阻R的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大，對于小車的長時(shí)間運(yùn)行不利。 方案二： 采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制,通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)整.此方案

19、的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。 方案三： 采用由集成了雙極性管組成的H橋電路芯片L298N。用單片機(jī)控制晶體管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)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(shù)。 綜合三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，決定選擇方案三。 車架選擇 方案一： 使用四輪驅(qū)動的電動小車，這樣速度方面非常流暢，但靈活性不足，特別是遇到障礙物時(shí)，轉(zhuǎn)彎非常不流暢，程序方面還要相對復(fù)雜，對于小車的躲避障礙物非常不利。 方案二

20、： 使用兩輪驅(qū)動的電動小車，雖然速度上無法與四輪的小車相提并論，不過靈活性上卻是大大的提升，對于躲避障礙物方面有重要的改變，非常適合題目要求。 綜合兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，決定選擇方案二。 最終方案選擇 經(jīng)過反復(fù)論證，最終確定了如下方案： 采用AT89C51單片機(jī)作為控制器； 用反射式紅外發(fā)射-接收器進(jìn)行黑線檢測； 采用紅外線光電開關(guān)來探測路面障礙物； L298N作為直流電機(jī)的驅(qū)動芯片； 電機(jī)模塊使用普通直流電機(jī)； 使用兩輪的車架增加靈活性。 2.2 方案可行性分析 紅外尋線模塊，是通過紅外二極管發(fā)出紅外線，根據(jù)紅外線在白色和黑色物質(zhì)上反射回來的強(qiáng)弱，來判斷黑線的位置。本項(xiàng)

21、目采用的是一體紅外接收裝置，當(dāng)遇到黑色物時(shí)送給單片機(jī)一個(gè)高電平觸發(fā)，進(jìn)而通過事先編輯好的程序控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。通過分析，此模塊可以準(zhǔn)確的進(jìn)行循線功能。 光電開關(guān)避障模塊，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對目標(biāo)物體進(jìn)行探測。 本次設(shè)計(jì)采用紅外線漫反射型光電開關(guān)，它是通過發(fā)光器發(fā)出一個(gè)光信號，當(dāng)障礙物擋住光時(shí)，把部分光線反射回來，收光器就接受到光信號，輸出一個(gè)開關(guān)信號。輸出的開關(guān)信號由控制器處理，判斷前方是否由障礙，從而

22、確定是否要轉(zhuǎn)向。通過分析，此模塊可以用來探測障礙。 動力方面，此次設(shè)計(jì)使用了L298N電機(jī)驅(qū)動模塊，L298N是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機(jī)。通過分析，它能很好的驅(qū)動電機(jī)。 綜上所述，可以看出方案的可行性非常之高，可以安心地進(jìn)行智能小車實(shí)物的創(chuàng)作。 根據(jù)題目要求，做出以下電路圖以及各模塊實(shí)現(xiàn)功能概述。 第3章 硬件設(shè)計(jì) 智能小車采用兩輪驅(qū)動，左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動，調(diào)制兩個(gè)后面兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的，前輪是萬象輪，起支撐的作用。將八個(gè)紅外線光電傳感器分別裝在車體的左

23、右，當(dāng)車的左邊的傳感器檢測到黑線的邊界時(shí)，主控芯片控制左輪電機(jī)減速，車向左修正，當(dāng)車的右邊傳感器檢測到黑線時(shí)，主控芯片控制右輪電機(jī)減速，車向右修正。 避障的原理和循線一樣，在車頭的前面裝了一個(gè)紅外線光電開關(guān)，當(dāng)前方傳感器檢測到障礙物時(shí)，車子向右轉(zhuǎn)，從而避開障礙物。 3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)硬件電路由光電開關(guān)避障模塊，單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊，電源模塊，電機(jī)驅(qū)動以及尋跡模塊多部分組成，各模塊即可組合聯(lián)調(diào)也可單獨(dú)使用。如圖3-1所示為智能小車硬件設(shè)計(jì)方框圖。 單 片 機(jī)AT89C51 光電模塊發(fā)光器 光電模塊收光器 循跡模

24、塊發(fā)光器 電機(jī)驅(qū)動模塊 電源模塊 循跡模塊收光器 圖3-1 系統(tǒng)功能模塊圖 3.2 紅外線光電開關(guān)模塊 在本設(shè)計(jì)中紅外光電開關(guān)模塊是智能小車前向通道的主要組成部分，本設(shè)計(jì)采用E3F-DS30C4作為探測前方障礙物體的檢測元件，光電開關(guān)發(fā)出信號由單片機(jī)89C51產(chǎn)生。E3F-DS30C4的工作電壓為5V，工作電流為10mA，驅(qū)動電流為100mA，感應(yīng)距離為30cm。結(jié)合題目指標(biāo)和實(shí)際測試結(jié)果，本設(shè)計(jì)中設(shè)定感應(yīng)距離為6cm。 光電開關(guān)的工作原理 光電開關(guān)是傳感器中的一種,它把發(fā)射端和接受端之間光的強(qiáng)弱變化為電流的變化以達(dá)到探測的目的。光電開關(guān)是光接近開關(guān)的簡稱，它是利用被

25、檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無得。所以能反射光線的物體均可被檢測。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱對目標(biāo)物體進(jìn)行探測。工作原理如圖3-2所示。 發(fā)光器 障礙物 收光器 圖3-2 光電開關(guān)工作原理圖 光電開關(guān)的類型 紅外線光電開關(guān)它利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均可檢測。根據(jù)檢測方式的不同，紅外線光電開關(guān)可分為四種：漫反射式光電開關(guān)、鏡反射式光電開關(guān)、對射式光電開關(guān)、槽式光電開關(guān)。 漫反射光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于

26、一體的傳感器，當(dāng)有被檢測物體經(jīng)過時(shí)，將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。圖3-3為漫反射光電開關(guān)工作原理圖。 圖3-3 漫反射式光電開關(guān)工作原理圖 鏡反射式光電開關(guān)亦是集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過反射鏡，反射回接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過且完全阻斷光線時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測開關(guān)信號。圖3-4為鏡反射式光電開關(guān)工作原理圖。 圖3-4 鏡反射式開關(guān)工作原理圖 對射式光電開關(guān)包含在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器。當(dāng)被檢測物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號

27、。當(dāng)檢測物體是不透明時(shí)，對射式光電開關(guān)是最可靠的檢測模式。圖3-5為對射式光電開關(guān)工作原理圖。 槽式光電開關(guān)通常是標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測到的開關(guān)量信號。圖3-6為槽式光電開關(guān)工作原理圖。 圖3-5 對射式光電開關(guān)工作原理圖 槽式光電開關(guān)通常是標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測到的開關(guān)量信號。圖3-6為槽式光電開關(guān)工作原理圖。 圖3-6 槽式開關(guān)工作原理圖 本次設(shè)計(jì)所使用的光電開關(guān)德國SICD

28、公司所生產(chǎn)的E3F-DS30C4，如圖3-7。E3F-DS30C4為常開型紅外線漫反射式光電開關(guān)，由于漫反射光電開關(guān)的工作方式，決定了其功用，正符合本設(shè)計(jì)檢測障礙物所用。 圖3-7 E3F-DS30C4紅外線漫反射式光電開關(guān) 光電開關(guān)電路的設(shè)計(jì) E3F-DS30C4是常開型漫反射式紅外線光電開關(guān)，它有三個(gè)引腳：1引腳為紅色，接電源；2引腳為黑色，接地；3引腳為黃色，接輸出端。輸出端接單片機(jī)時(shí)加一個(gè)1K上拉電阻，使電路更加穩(wěn)定。如圖3-8所示E3F-DS30C4電路連接圖。 圖3-8 光電開關(guān)電路連接圖 3.3 電機(jī)驅(qū)動模塊 由于單片機(jī)I/O口驅(qū)動能力弱，不能直接連接直流電機(jī)，故需

29、要驅(qū)動芯片進(jìn)行驅(qū)動。該設(shè)計(jì)采用的是基于L298N的電路連接方式，L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。L298N是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機(jī)。其電路如圖3-9所示。 1腳和15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，成電流傳感信號。本電路未用到采樣所以將其接地。L298N可以驅(qū)動2個(gè)直流電機(jī)，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個(gè)電動機(jī)。5腳、7腳、10腳、12腳接輸入控制信號，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA，ENB為電機(jī)控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。本電路中分別與單片

30、機(jī)89C51相連，L298N的邏輯功能如表3-1所示。 表3-1 L298N邏輯功能表 ENA(B) IN1(IN3) IN2(IN4) 電機(jī)運(yùn)行情況 H H L 正傳 H L H 反轉(zhuǎn) H H H 快速停止 H L L 快速停止 L 任意 任意 停止 圖3-9 電機(jī)驅(qū)動電路原理圖 圖3-10 電機(jī)驅(qū)動實(shí)物圖 由于電機(jī)在正常工作時(shí)對電源的干擾很大，所以在電機(jī)的驅(qū)動信號輸入端并聯(lián)電容，用以濾除噪聲干擾。電機(jī)驅(qū)動模塊實(shí)物圖如圖3-10所示。 3.4 紅外循線模塊 3.4.1 紅外放射式光電傳感器特性與工作原理 反射式光電傳感器的光源有多

31、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。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同時(shí)又能被接收管接收到的范圍就能進(jìn)行檢測，然而這是一種理想的結(jié)果。因?yàn)楣獾姆瓷涫艿蕉喾N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(jìn)行測量將因?yàn)楦蓴_產(chǎn)生錯(cuò)誤信號，采用對反射光強(qiáng)進(jìn)行測量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。 紅外反射光強(qiáng)法的測量原理是將發(fā)射信號經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā)射，光敏管接收調(diào)制的紅外信號，原理如圖3-11所示。 反射表面 發(fā)射 接收 圖3-11紅外發(fā)射接收原理 3.4.2 紅外循線具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

32、接近傳感器應(yīng)用場合不同選擇不同，感覺的距離范圍不同，可從幾毫米到幾米。對于自動尋跡和小車輪子的測速傳感器，反射距離都在1cm左右，探測環(huán)境都在陰影之下，不易受到日光的干擾。因此，這兩種探測的傳感器都選用FS-359F反射紅外傳感器，048W型封裝。該封裝形狀規(guī)則，便于安裝。在對6個(gè)型號的傳感器測試后，選用了價(jià)格、性能基本適合的048W封裝的反射紅外傳感器。 傳感器的使用數(shù)量應(yīng)該盡量少以減少單片機(jī)的信號處理量，尋跡小車一共安裝有兩個(gè)紅外光電傳感器，選用運(yùn)算放大器LM324，光電傳感器檢測到的信號經(jīng)放大器放大整形送微處理器判斷、運(yùn)算、控制。LM324是14腳DIP封裝，內(nèi)置四個(gè)運(yùn)算放大器的集成器

33、件，用1個(gè)LM324便能完成所有傳感器與MCU的連接，并且電路簡單，響應(yīng)速度快，波形規(guī)則，調(diào)試簡單。含有LM324的紅外循線模塊原理圖如圖3-12所示。 圖3-12 含有LM324的紅外傳感器電路原理圖 3.5 最小系統(tǒng)模塊 3.5.1 晶振電路的設(shè)計(jì) 晶振電路由頻率為12MHz的晶體作為時(shí)鐘，兩個(gè)20pF的瓷片電容構(gòu)成，如圖3-13所示。由于機(jī)器周期為晶體周期的12倍，因此使用該晶體時(shí)，機(jī)器周期=1us。晶體和瓷片電容相同，在焊接時(shí)沒有正負(fù)極之分 外部時(shí)鐘電路完成后，給單片機(jī)上電，如果時(shí)鐘電路及單片機(jī)工作正常，則X2對地電壓和X1對地電壓均在2.3V左右（±0.5V）。 圖3-1

34、3 晶振電路 3.5.2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 復(fù)位電路比較簡單，由一個(gè)10pF的電解電容、一個(gè)開關(guān)按鍵、一個(gè)10K的電路構(gòu)成，如圖3-14所示。 圖3-14 復(fù)位電路圖 3.6 電源模塊 本次設(shè)計(jì)所用的電源為12V直流電源，經(jīng)過7812和1805的降壓穩(wěn)壓，把12V的直流電源變?yōu)?V的電源，供電給單片機(jī)工作。而12V電源則提供給電機(jī)足夠的電壓，使電機(jī)能夠正常工作。如圖3-15所示，此圖為含有7805的穩(wěn)壓電路圖。 7805是三端正電源穩(wěn)壓電路，它有一系列固定的電壓輸出，應(yīng)用非常的廣泛。7805有三個(gè)管腳，1管腳為輸入，2管腳為接地，3管腳為輸出。 圖3-15 含有7805的穩(wěn)壓電路圖

35、 第4章 軟件設(shè)計(jì) 在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。對于本系統(tǒng)，軟件更為重要。 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個(gè)基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然后再輸出，以便控制小車。 為了完成上述任務(wù)，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通常把整個(gè)過程分成若干個(gè)部分，每一部分叫做一個(gè)模塊。所謂“模塊”，實(shí)質(zhì)上就是所完成一定功能，相對獨(dú)立的程序段，這種程序設(shè)計(jì)方法叫模塊程序設(shè)計(jì)法。 本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)

36、構(gòu)，由主程序﹑避障子程序﹑循線子程序、中斷子程序等構(gòu)成。 4.1 主程序流程圖 如圖4-1為主程序流程框圖，打開電源，小車運(yùn)行。小車檢測黑線，如果遇到黑線，則紅外傳感器輸出高電平，小車沿著黑線行駛。小車裝有兩個(gè)紅外傳感器，分別一左一右，用來探測黑線信號。假如左邊燈亮，小車往左，右邊燈亮，小車向右。左右兩個(gè)傳感器不斷修正軌跡，使小車始終保持沿黑線行駛。小車運(yùn)行，在檢測黑線的同時(shí)，也在檢測障礙物，如果小車前方有障礙，光電開關(guān)給單片機(jī)輸出一個(gè)低電平，同時(shí)小車安裝程序往右行駛，避開障礙。 小車運(yùn)行 檢測黑線 檢測障礙物 沿黑線行駛 N Y N Y 小車右轉(zhuǎn) 小車前進(jìn) 開始

37、 圖4-1 主程序流程圖 4.2 避障子程序流程圖 如圖4-2為避障模塊流程圖，小車開始運(yùn)行，紅外線光電傳感器為高電平，光電傳感器檢測障礙物，如前方有障礙物，紅外線光電傳感器向單片機(jī)輸出低電平，單片機(jī)接收低電平信號，控制電機(jī)改變轉(zhuǎn)向；如前方無障礙物小車向前運(yùn)行。 N Y 開始 小車運(yùn)行 檢測障礙物 小車右轉(zhuǎn) 小車向前 圖4-2 避障模塊流程圖 4.3 循線子程序流程圖 圖4-3為循線模塊流程圖，小車初始化完畢，等待接受信號。如果左邊紅外線接收管為高電平，則小車向左轉(zhuǎn)，如不是，則繼續(xù)運(yùn)行；如果右邊紅外接收管為高電平，則小車向右轉(zhuǎn)，如不是則保持運(yùn)行。 第5章 系統(tǒng)調(diào)

38、試和測試 5.1 安裝步驟 1.檢查元件的好壞 按電路圖買好元件后首先檢查買回元件的好壞，按各元件的檢測方法分 圖4-3 循線子程序流程圖 別進(jìn)行檢測，一定要仔細(xì)認(rèn)真。而且要認(rèn)真核對原理圖是否一致，在檢查好后才可上件、焊件，防止出現(xiàn)錯(cuò)誤焊件后不便改正。 2.放置、焊接各元件 按原理圖的位置放置各元件，在放置過程中要先放置、焊接較低的元件，后焊較高的和要求較高的元件。特別是容易損壞的元件要后焊，在焊集成芯片時(shí)連續(xù)焊接時(shí)間不要超過10s，注意芯片的安裝方向。 左邊紅外接收管高電平 小車運(yùn)行 小車左轉(zhuǎn) 小車右轉(zhuǎn) Y N N Y 右邊紅外接收管高電平 小車前進(jìn) 開始

39、 5.2 電路調(diào)試 首先燒入電機(jī)控制小程序，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，停止均正常。說明電機(jī)及驅(qū)動電路無誤。然后加入避障子程序，小車運(yùn)轉(zhuǎn)正常時(shí)，光電開關(guān)模塊靈敏度使達(dá)到理想效果。接下來測試紅外循線模塊的二極管是否有亮燈，有的話，代表有用不需更換，接著輸入程序進(jìn)行簡單的循線活動，測試靈敏度是否達(dá)到要求。在調(diào)試程序時(shí)，發(fā)現(xiàn)有的指令用的不正確，特別測試紅外循線模塊的時(shí)候，一些比較急的彎，轉(zhuǎn)彎不夠靈活，非常容易走出跑道，對于這段程序調(diào)試了比較長的時(shí)間。 5.2.1 光電開關(guān)模塊調(diào)試過程 光電開關(guān)采用的是紅外線漫反射型光電開關(guān)，直徑為18毫米的圓柱體，工作電壓為5V，消耗電流25mA，響應(yīng)時(shí)間2ms，指

40、向角15°，正常工作環(huán)境溫度為-25℃~+55℃。 當(dāng)電路連接好，檢測小車有無變相，若無，光電開關(guān)常態(tài)下正常。調(diào)試過程中，可取出一張白紙，當(dāng)作障礙物，擋在小車面前方3cm處，如果小車向右轉(zhuǎn)，則光電開關(guān)正常。在把白紙放在小車前方4cm處，在測量小車有無反應(yīng)。 按照如此方法，調(diào)節(jié)軟件程序，最后成功把小車的探測距離，確定在要求范圍內(nèi)。 電機(jī)模塊調(diào)試過程 由于采用的電機(jī)供電電壓是9V，而電機(jī)額定工作電壓是6V，所以可使電機(jī)轉(zhuǎn)動的PWM值范圍可從5% ~65%左右。由于電機(jī)的感性阻抗作用，隨著PWM頻率的升高，感抗增大，導(dǎo)致電流減小。尤其設(shè)計(jì)中所采用的電機(jī)是遙控車電機(jī)，額定電流較小，線圈匝數(shù)必

41、然較多，感抗自然就較大。 PWM的原理，其實(shí)就是面積等效原理，在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。所以可用等幅值的不同寬度的脈沖來等效一些想要的波形。 紅外循線模塊調(diào)試過程 首先利用萬用表測試是否有發(fā)光二極管不亮的，有的話再堅(jiān)持是否因?yàn)槎搪坊蛘叨O管燒壞，接著在輸入程序，接著做一個(gè)簡單的跑道進(jìn)行簡單的測試，跑道如圖5-2。 利用這個(gè)跑道可以簡單的了解各功能是否正常運(yùn)行。 A起點(diǎn) E起點(diǎn) C起點(diǎn) B起點(diǎn) D起點(diǎn) 圖5-2 紅外測試跑道 從D點(diǎn)到B點(diǎn)的彎道上，總是會出現(xiàn)出軌道的情況，后來經(jīng)過改變程序和

42、利用塑膠減小光的影響，最后成功讓小車順利過彎成功。 測試結(jié)果與分析 1.測試方法 （1）開啟電源開關(guān)，將智能電動車放于起跑線位置，智能電動小車在“直道區(qū)”行駛過程中，檢查看其是否沿跑道運(yùn)行，再檢測是否能順利轉(zhuǎn)彎。 （2）當(dāng)小車穿過障礙物區(qū)時(shí)看小車是否碰到障礙物及小車能否順利通過障礙物。 2.測試結(jié)果 從測試結(jié)果看，基本上該智能電動車能較好的完成要求的各種功能。同時(shí)，在測試中有時(shí)會有誤動作和誤差。原因是受實(shí)驗(yàn)條件的約束，如跑道不平整、電動車的性能不好、電機(jī)電源消耗過快等因素，這些都有待改進(jìn)。 結(jié) 論 本智能小車電路在硬件上采用了紅外線光電開關(guān)來檢測障礙。PWM技術(shù)的應(yīng)用解決了

43、電動機(jī)驅(qū)動效率和電機(jī)速度控制的問題；采用紅外線傳感器很好的解決了循線的問題，從而實(shí)現(xiàn)更加智能化的循線方式，在軟件上，充分利用了89C51的系統(tǒng)資源，使智能小車完美的實(shí)現(xiàn)了障礙檢測、循線等功能。 本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，系統(tǒng)反映快速靈活，硬件電路由可拆卸模塊拼接而成有很大的擴(kuò)展空間。經(jīng)實(shí)驗(yàn)收測試，該智能小車設(shè)計(jì)方案正確、可行，各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定、可靠。 雖然智能小車系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，但在設(shè)計(jì)當(dāng)中也存在著一些不足。如光電開關(guān)受光線影響，沒有很好的解決措施，所以在使用中需要注意環(huán)境影響，由于沒采用雙電源供電，使系統(tǒng)的抗干擾性還是欠佳，紅外循線部分還可以使用紅外對管ST178，可以更加好的隔絕光線的干擾

44、，使小車更加穩(wěn)定行走。 致 謝 歷時(shí)三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)告一段落。經(jīng)過自己不斷的搜索努力以及張老師的耐心指導(dǎo)和熱情幫助，本設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完成。在這段時(shí)間里，張老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和熱忱的工作作風(fēng)令我十分欽佩，她的指導(dǎo)使我受益非淺，在此對張艷老師表示深深的感謝。 通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我深刻地認(rèn)識到學(xué)好專業(yè)知識的重要性，也理解了理論聯(lián)系實(shí)際的含義，并且檢驗(yàn)了大學(xué)三年的學(xué)習(xí)成果。雖然在這次設(shè)計(jì)中對于知識的運(yùn)用和銜接還不夠熟練。但是我將在以后的工作和學(xué)習(xí)中繼續(xù)努力、不斷完善。這三個(gè)月的設(shè)計(jì)是對過去所學(xué)知識的系統(tǒng)提高和擴(kuò)充的過程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。 由于自身水平有限，設(shè)計(jì)中一定存在很多

45、不足之處，敬請各位老師批評指正。 參考文獻(xiàn) 1 輝雄.智能電動小車的設(shè)計(jì).電子報(bào),2005—05—15(11) 2 徐瑋.51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)步電機(jī)控制.電子制作,2006(11):15 3 戴仙金等.51單片機(jī)及其C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì).北京:清華大學(xué)出版社，2005 4 柳郭等.單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用技能與技巧.北京:中國電力出版社,2008 5 何希才等.傳感器及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:65-83 6 丁鎮(zhèn)生.傳感器及傳感技術(shù)應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社,1998:59-72 7 John F.Wakerly,數(shù)字設(shè)計(jì)原理與實(shí)踐.林生等譯.北京機(jī)械工業(yè)出版社,2003

46、 8 王艷，基于51單片機(jī)的紅外遙控小車設(shè)計(jì)和制作，機(jī)電信息，2010-04-25,28～32 9 傳感器及其應(yīng)用實(shí)例／何希才,薛永毅編著．—北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004 10 張立、楊立，電動小車的循跡，電子世界，2004-06-01,5～8 11 YasushiSaito,BrianNBershad,andHenryMLevy. Manageability,availabilityandperformanceinporcupine:ahighly scalable cluster-based mail service .Operation system review, 2003,

47、(12):1-15 附錄 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖 附錄 設(shè)計(jì)系統(tǒng)部分源代碼 #include //包含單片機(jī)寄存器的頭文件 #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit en1=P1^0; sbit in2=P1^1; sbit in1=P1^2; sbit en2=P0^0; sbit in3=P0^1; sbit in4=P0^2; sbit bizhang=P1^4; sbit xunji_right=P1^3; sbit xunji_left=P0^3; /*******

48、********************************* 函數(shù)功能：延時(shí)一段時(shí)間 *****************************************/ void delay(uint time) { unsigned char i,j; for(i=0;i

49、oid turn_left(void) { en1=1; en2=1; in1=0; in2=1; in3=0; in4=1; } void go(void) { en1=1; en2=1; in1=0; in2=1; in3=1; in4=0; } void stop(void) { en1=0; en2=0; } /******************************************************* 函數(shù)功能：主函數(shù) ******************

50、**************************************/ void main(void) { P0=0xff; P1=0xff; while(1) { if(bizhang==0) { turn_right(); } else { if(((xunji_right==1)&&(xunji_left==1))==1) go(); else { if(((xunji_right==1)&&(xunji_left==0))==1) { turn_left(); } if(((xunji_left==1)&&(xunji_right==0))==1) { turn_right(); } } if(((xunji_right==0)&&(xunji_left==0))==1) turn_left(); } } }