毕业设计论文--基于单片机控制的电动小车寻迹壁障及入库动作的实现

毕业设计论文--基于单片机控制的电动小车寻迹壁障及入库动作的实现内容摘要：

个三极管和一个电机要使电机运转必须导通对角线上的一对三极管根据不同三极管对的导通情况电流可能会从左至右或从右至左流过电机从而控制电机的转向脉冲宽度调制Pulse Width Modulation 简称 PWM 脉冲周期不变只改变晶闸管的导通时间即通过改变脉冲宽度来进行直流调速 PWM 的理论基础是冲量相等而形状不同的的窄脉冲加在具有惯性的环节上其 效果基本相同采用 PWM 进行电机的调速控制实际是保持加在电机电机电枢上的脉冲电压频率不变调节其脉冲宽度电机是一个惯性环节它的电枢电流饿转速均不能突变很高的频率的 PWM 加在电机上效果相当于施加一个恒定电压的直流电这个电压可以由脉冲的宽度调节 使用 PWM方式可以很容易的实现调速 PWM信号由单片机软件产生使用非常方便由于电路总体上并不复杂驱动电路的控制输入端也可以不用经光耦合隔离直接与单片机引脚相连 图 35 小车驱动模块电路图 4 循迹模块 利用 TCRT5000 光电传感器智能小车在铺有约两厘米宽黑纸的路面行驶路面可以近似看为白色由于黑纸和白色路面对光线的反射系数不同可以根据接收的反射光的强弱来判断道路黑纸轨迹本设计采用简单易用应用也较为普遍的红外探测法 红外探测法即用红外线在不同颜色的物表面具有不同的反射性质的特点在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光当红外线遇到白色地面时发生漫反射反射光被装在小车上的接收管接收如果遇到黑纸则红外光被吸收小车上的接收管则接收不到信号 41 光电传感器的工作原理 光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的TCRT5000传感器的工作原理与一般的红外传感器一样一传一感 TCRT5000具有一个红外发射管和一个红外接收管当发射管的红外信号经反射被接收管接收后接收管的电阻会发生变化在电路上一般以电压的变化形式体现出来而经过 LM 等电路整形后得到处理后的输出结果电阻的变化于接收管所接收的红外信号强度常表现在反射面的颜色和反射面接收管的距离两二方面 TCRT5000传感器 TCRT5000传感器硬件参考原理图差分输入电压可以大于 Vcc 并不损坏器件保护部分必须能阻止输入电压向负端超过 03VLM393 的输出部分是集电极开路发射极接地的 NPN 输出可以用多集电极输出提供或 OR ing 采用双列 直插 8 脚塑料封装 DIP8和微形的双列 8 脚塑料封装 SOP8 图 43 LM393 引脚图及内部框图 44LM393 的优势 1 高精度比较器 2 减少由于温度引起的失调电压 3 可以单电源供电 4 输入共模电压范围接近地电平 5 兼容逻辑电路 45 小车循迹原理在画有黑线的白纸 路面上行驶由于黑线和白纸对光线的反射系数不同可根据接收到的反射光的强弱来判断道路黑线红外探测法即利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射性质的特点在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光当红外光遇到白色地面时发生漫发射反射光被装在小车上的接收管 接收如果遇到黑线则红外光被吸收则小车上的接收管接收不到信号正确选择检测方法和传感器是决定循迹效果的重要因素而正确的器件安装方法也是影响循迹电路好坏的一个重要因素从简单方便可靠等角度出发设计装设 2个红外传感器及采用 2套上面的电路具体位置分布如图 43a所示此套红外光电传感器固定在小车底盘前沿贴近地面正常行驶时发射管发射红外光照射地面光线经白纸反射后被接收管接收输出高电平信号电动车经过黑线时发射端发射的光线被黑线吸收接收端接收不到反射光线传感器输出低电平信号后送 AT89c52 单片机处理判断执行哪一种预先编制的程序 来控制小车的行驶状态 图 43a 循线传感器布局 图 43b 寻迹模块电路图 5 避障模块 小车在遇到障碍物时会自动绕行探测障碍的最简单的方法是使用超声波传感器它是利用向目标发射超声波脉冲计算其往返时间来判定距离的由于超声波指向性强能量消耗缓慢在介质中传播的距离较远因而超声波经常用于距离的测量如和物位测量仪等都可以通过超声波来实现利用超声波检测往往比较迅速方便计算简单易于做到实时控制并且在测量精度方面能达到工业实用的要求因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用 HCSR04超声波模块 HCSR04模块性能稳定测度距离精确能和国外的 SRF05SRF02 等超声波测距模块相媲美模块高精度盲区 2cm 超近稳定的测距是此产品成功走向市场的有力根据 HCSR04 超声波模块 1 采用 IO 触发测距给至少 10us 的高电平信号 2 模块自动发送 8 个 40khz 的方波自动检测是否有信号返回 3 有信号返回通过 IO 输出一高电平高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间．测试距离 高电平时间声速 340MS 2 图 52 超声波模块 Pin 接口从左到右依次编号 1234 它们的定义如下 1 号 Pin 接 VCC 电源直流 5V 2 号 Pin 接外部电路的 Trig 端向此管脚输入一个 10uS 以上的高电平可触发模块测距 3 号 Pin 接外部电路的 Echo 端当测距结束时此管脚会输出一个高电平电平宽度为超声波往返时间之和 4 号 Pin 接外部电路的地 上图表明只需要在 Trig 管脚输入一个 10US 以上的高电平系统便可发出 8个 40KHZ 的超声波脉冲然后检测回波信号当检测到回波信号后通过 Echo 管脚输出根据 Echo 管脚输出高电平的持续时间可以计算距离值即距离值为 高电平时间 340ms 2 53 超声波测距原理 通过超声波发射装置发出超声波根据接收器接到超声 波时的时间差就可以知道距离了这与雷达测距原理相似超声波发射器向某一方向发射超声波在发射时刻的同时开始计时超声波在空气中传播途中碰到障碍物就立即返回来超声波接收器收到反射波就立即停止计时超声波在空气中的传播速度为 340ms 根据计时器记录的时间 t 就可以计算出发射点距障碍物的距离 s 即 s 340t2 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡其频率超过 20KHz 分横向振荡和纵向振荡两种超声波可以在气体液体及固体中传播其传播速度不同它有折射和反射现象且在传播过程中有衰减利用超声波的特性可做成各种超声波传感器结合不同的电路 可以制成超声波仪器及装置在通讯医疗及家电中获得广泛应用 作为超声波传感器的材料主要为压电晶体压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波同时它接收到超声波时也能转变成电能故它分为发送器和接收器 图 53a 超声波发射电路 图 53b 超声波接收电路 54 超声波测距特点 超声波指向性强能量消耗缓慢在介质中传播的距离较远因而超声波经常用于距离的测量如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现利用超声波检测往往比较迅速方便计算简单易于做到实时控制并且在测量精度方面能达到工业实用的要求因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用 为了使智能小车能自动避障行走就必须装备测距系统以使其及时获取距障碍物的距离信息距离和方向超声波测距系统就是为小车了解其前方左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息 由于超声实现方便技术成熟成本低且周围环境对于超声波的影响也不大所以超声避障成为常用的避障方法从 国内外研究情况来看超声波装置主要用作测距通过测量声源与目标物之间的往返传播时间求得目标物的距离在有些情况下超声波传感器是光学系统无可比拟的 55 超声波传感器的优点主要表现如下 1 对于黑暗的环境和物体超声波传感器几乎不受恶劣环境的影响仍然能够实时准确的探测障碍物信息反馈给信息处理设备 2 和光学传感器相比超声波传感器不仅可以探测到障碍物的存在而且能够得到障碍物距小车的距离便于小车做出决策 3 虽然光传播速度比声音快但计算机控制器延时和电机响应速度等特点将限制小车执行任务的速度因此光速快的优势并不 明显 6 寻光模块 61 小车感光入库原理 小车采用光敏电阻感光来实现入库光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器入射光强电阻减小入射光弱电阻增大这里我们就可以利用光敏二极管对光源变换的敏感反映检测外部光源当有光照射时光敏二极管呈强电阻经比较器输出一个高电平反之则输出低电平设计光控电路时用泡小电珠光线或线作控制光源使设计大为简化它的电阻和光线的强弱有直接关系光强度增加则电阻减小光强度减小则电阻增大光敏电阻器一般用于光的测量光的控制和光电转换将光的变化转换为电的变化常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器它是由制成的光敏电阻器的阻值随入射光线。