自动避障寻迹小车硬件设计_毕业论文(编辑修改稿)

自动避障寻迹小车硬件设计_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

能。 当给步进电机输入一个电脉冲信号时，步进电机的输出轴就转动一个角度，因此可以实现精确的位置控制。 与直流电机不同，要使步进电机连续的转动，需要连续不断的输入点脉冲信号，转速的大小由外加的脉冲频率决定。 去而且其转动不受电压波动和负载变化的影响，也不受温度、气压等环境因素的影响，仅与控制脉冲有关 [5]。 但步 进电机的驱动相对较复杂，要由 控制器和功率放大器组成。 具体差别见 表。 表 电机控制方式对比 直流电机 步进电机 调速性能 较好 较差 位置控制精度 较差 好 驱动 简单 复杂 稳定性 较好 好，仅与控制脉冲有关 由上表可以看出步进电机和直流电机都有各自的优点。 步进电机能进行精确的位置控制，但驱动电路麻烦，鉴于本设计中小车的位置控制不要求十分精确，直流电机即可满足小车要求的精度。 且直流电机易于控制，驱动电路十分简单。 故选择直流电机用于小车驱动， 采用市面易购的电机驱动芯片 L298N驱动电机。 该芯片是利用 TTL电平进 行控制，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正转、反转和停止操作；利用可调占空比的 PWM 波输入驱动芯片使能端，就可以实现 PWM 调速目的 [6]。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 5 电源模块论证与选择 由于本系统需要给小车系统供电，考虑如下几种方案 : 方案一：采用 9V 电池组。 电池组具有较强的电流驱动能力及稳定的电压输出性能，经测试在用此种供电方式下，单片机和传感器工作稳定，直流电机工作良好，且电池体积较小、可以充电、能够重复利用等，能够满足系统的要求。 方案二：采用 12V蓄电池。 由于蓄电池的体积过于庞大，我们的车体在 设计时空间有限，在小型电动车上使用极为不方便，因此我们放弃此方案。 综上所述，选择方案一作为本系统供电方式。 寻迹模块选择与论证 循迹检测常用到传感器。 根据小车功能的要求有两种方案，一种是使用红外光电传感器，另一种是使用 CCD 传感器。 两种方案的主要区别是使用的传感器不同。 CCD 传感器灵敏度高，能够做到对图像的识别，但是控制电路复杂 、成本高。 红外光电传感器结构简单，对特定颜色的识别灵敏度差异大， 可以实现对特定颜色的轨道路线识别。 这里 我们选用 RPR359F 型光电对管完成系统循迹。 RPR359F 是一种 一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管 [7]。 RPR359F 特点：塑料透镜可以提高灵敏度。 内置可见光过滤器能减小离散光的影响。 体积小，结构紧凑。 此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。 实物如图 所示。 图 红外对管 RPR359F 实物图 避障模块论证与选择 方案一：采用一只光电开关置于小车中央。 其安装简易，也可以检测到障碍物的存在，但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，但是本课题要求在寻迹的路 线上避障，也就是说障碍物可能在寻迹的路线上，而其他方向无障碍物这样西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 6 只要把避障后的舵机的方向规定就可以了，然后启动延时也能越过障碍。 这种方案也是可以的。 方案二：利用超声波传感器。 超声波传感器是靠发射某种频率的声波信号，利用物体界面上超声反射、散射检测物体的存在与否。 超声波在空气中传 播时如果遇到其它媒介，则因两种媒质的声阻抗不同而产生反射。 因此 ， 向空气中的被测物体发射超声波，检测反射波并进行分析，从而获得障碍物的信息。 超声波传感器由于信息处理简单、快速并且价格低，被广泛用在机器人测距、定位及环境建模等任务中。 超声波检测距离远，不易受外界环境干扰，由于小车需要在行驶过程中检测障碍物，颠簸，光照方面可能会对检测产生影响。 所以需要选择稳定性较好的，故本设计选择超声波检测。 速度检测模块论证与选择 方案一：旋转编码器。 分绝对式或者增量式两种，一般使用增量式编码盘，它输出脉冲的个数正比于电机转动的角度，从而使它的输出脉冲频率正比于转速。 可以通过测量单位周期内脉冲个数或者脉冲周期得到脉冲的频率。 但是旋转编码器价格昂贵。 方案二： 采用反射式红外对管， 在车轮适当位置粘贴一白纸片，每当白纸片转到红外对管处，单片机计数 一次，结合车轮半径就能求出小车行进距离及速度。 这种方案操作较简单，但是不 准确。 方案三：霍尔传感器检测。 在后轮输出齿轮轴上粘贴 4 个小型永磁体，附近固定 1 个霍尔传感器，霍尔元件有 3 个引脚，其中 2 个是电源和地，第三个是输出信号，只要通过 1 个上拉电阻接至 5V电压，就可形成开关脉冲信号，后轮电机每转 1周，则可形成 4 个脉冲信号，方便测速。 霍尔传感器价格便宜且具有体积小、灵敏度高、响应速度快、温度性能好、精确度高、可靠性高等特点，能很好地满足车轮测速系统设计的需要。 综合考虑选择第三种测速方案。 显示 模块论证与选择 方案一：采用 LED 数码管显示。 LED 显示具有硬件电路结构简单、调试方便、软件实现相对容易等优点，但是由于我们计划要显示小车运行时间、里程、行驶速度， LED 数码管无法显示如此丰富的内容，因此我们放弃此方案。 方案二：采用 LCD 1602A 液晶显示。 LCD 液晶因具有功耗低、显示内容丰富、清晰，显示信息量大，显示速度较快，界面友好等特点而得到了广泛的应用，因此我们选择此方案。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 7 通过以上方案论述我们选择方案二。 本系统最终方案 经过反复的探讨和论证我们最终确定本系统设计的如下最终方案： a. 采用 AT89S52 单片机作为整个电路的控制核心。 b. 使用 9V可充电动力电池组为系统提供基准电源。 c. 采用直流电机作为小车系统的驱动电机。 d. 使用电机专用驱动芯片 L298N 作为直流电机的驱动芯片。 e. 用 RPR359F 型红外对管实现小车的寻迹。 f. 采用 HYSFR05 超声波模块完成避障检测。 g. 采用 LCD 1602A 实现系统信息显示需求。 h. 采用霍尔测速模块实现速度检测。 3 系统硬件电路设计 8 3 系统硬件电路设计 总体设计方案 智能小车依靠电机驱 动芯片 L298N 对小车前后两电机的运行状态进行控制。 前电机控制转向，后电机为主驱。 寻迹功能通过装在车头的反射式红外光电传感器检测地面黑线来实现。 避障功能主要依靠装在车身上的超声波模块对小车运行路线中是否遇到障碍物进行检测。 车速检测主要依靠霍尔测速模块来完成。 考虑到电机控制要使用 PWM 波形，而 AT89S52 单片机本身不能产生 PWM，需要外加电路或使用软件的方式实现，为减少硬件电路，这里选用软件产生 PWM方式。 整体原理电路图如图 所示。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 9 V S S1VO3V D D2RS4RW5E6D07D18D29D310D411D512D613D714B L A15B L K16R P 11 6 0 2 AVS4O U T I2O U T 23O U T 313O U T 414E N B15E N A1N15N27N310N412E N A6E N B11G N D8V S S9U2L 2 9 8 NO U T 27N 2 6N 2 +5V C C4N 1 +3N 1 2O U T 11O U T 414I N 4 13N 4 +12G N D11N 3 +10N 3 9O U T 38U 1 0L M 3 2 4O U T 11I N 1 ( )2I N 1 ( + )3G N D4I N 2 ( + )5I N 2 ( )6O U T 27V C C8U 1 1L M 3 5 8M1M2U4R P R 2 2 0U5R P R 2 2 0U7R P R 2 2 0U6R P R 2 2 0U9R P R 2 2 0U8R P R 2 2 0R 2 12 0 0R 2 22 0 0R 2 42 0 0R 2 520R 2 32 0 0R 2 620R 2 720R 2 820R32 0 0R 1 02 0 kR52 0 0R92 0 kR 1 22 0 kR62 0 0R21 0 KR82 0 0R11KR 1 42 0 kR72 0 0R42 0 0R 1 12 0 kR 1 32 0 kS1S W P BR 1 51KR 1 61KR 1 71KR 1 81KR 1 91KR 2 01KD2D1 D4D3D5 D6 D7 D8Y11 2 M12J1P O W E RC32 2 u FC70 . 1 u FC41 0 0 u FC50 . 1 u FR02 0 KV C CP 0 .7P 0 .6P 0 .5P 0 .4P 0 .3P 0 .2P 0 .1P 0 .0P 1 .4P 1 .3P 1 .2V C C V C CI N 1I N 2I N 3I N 4D J A 1D J A 2D J B 1D J B 2C61 0 0 u FC23 0 p FC13 0 p FV C C +9D J A 1D J A 2D J B 1D J B 2E N AE N BV C CV C CV C CP 1 .0 / T1P 1 .1 / T2P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78P 3 .111P 3 .010P 3 .212P 3 .313P 3 .414P 3 .515P 3 .616X T A L 118G N D20X T A L 219P 2 .021P 2 .122P 2 .223P 2 .324P 2 .425P 2 .526P 2 .627P 2 .728P S E N /29A L E / P R O G /30E A / / V P P31P 0 .732P 0 .633P 0 .534P 0 .435P 0 .336P 0 .237P 0 .138P 0 .039V C C40R S T9P 3 .717U1A T 8 9 S 5 2I N 6 +I N 6 I N 5 +I N 5 I N 4 +I N 4 I N 3 +I N 3 I N 2 +I N 2 I N 1 +I N 1 E N AT r i gE c h oO u tI N 2E N BI N 3I N 4X1X2I N 1P 0 .0P 0 .1P 0 .2P 0 .3P 0 .4P 0 .5P 0 .6P 0 .71 2 3J3c e s u m o k u a i1 2 3 4 5J2c h a o s h e n g b o m o k u a iV C CTRIGECHOV C COutERSRWO U T 1O U T 5I N 5 I N 5 +I N 6 +I N 6 O U T 6I N 1 I N 1 +I N 2 +I N 2 O U T 2 O U T 3I N 3 I N 3 +I N 4 +I N 4 O U T 4V C CO U T 1O U T 2O U T 3O U T 4O U T 5O U T 6V D D1122334455667788161615151414131312121010111199U3 图 整体原理电路图 单片机电路设计 单片 机是控制单元的核心 ， 起着控制小车所有运行状态的作用。 主要作用在于：西。