基于51单片机的循迹避障小车的设计

基于51单片机的循迹避障小车的设计内容摘要：

本论的主要内容，举出了在系统测试过程中所发现的问题。 基于 51 单片机的循迹避障小车的设计 第 7 页 共 37 页 2 系统方案确定及主要元件的选择 系统方案确定 本次设计的智能小车实现的基本功能如下： 实时检测路径，并按照指定路线行驶； 实时检测障碍物，并躲过继续行驶； 本设计 以 AT89C51 为主控芯片，主要包括避障模块、电源模块、电机驱动模块等，系统框图如图 21 所示。 通过寻迹及避障传感器来采集周围环境信息来反馈给 CPU，通过主控的处理，来控制电机的运转，从而 实现寻迹与避障，达到智能行驶。 为了能够更好地完成本次设计任务，我们采用三轮车，其前轮驱动，前轮左右两边各用一个电机驱动，调制前面两个轮子的转速起停从而达到控制转向的目的，后轮是万象轮，起支撑的作用，并 通过软件程序控制，与硬件架构相结合，从而实线自动寻迹、避障的功能。 图 21 系统总体框 主要 模块 的选择 主控器 按照题目要求，控制器主要用于控制电机，通过相关传感器对路面的轨迹信息进行处理，并将处理信号传输给控制器，然后控制器做出相应的处理，实现电机的前进AT89C51 单片机主控芯片 避障模块 驱动模块 循迹模块 电源模块 基于 51 单片机的循迹避障小车的设计 第 8 页 共 37 页 和后退，保证在允许范围内实 线循迹避障。 方案一：可以采用 ARM 为系统的控制器，优点是该系统功能强大，片上外设集成度搞密度高，提高了稳定性，系统的处理速度也很高，适合作为大规模实时系统的控制核心。 而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高。 若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。 方案二：使用 51 单片机作为整个智能车系统的核心。 用其控制智能小车，既可以实现预期的性能指标，又能很好的操作改善小车的运行环境，且简单易上手。 对于我们的控制系统，核心主要在于如何实现小车的自动控制，对于这点，单片机就拥有很 强的优势 —— 控制简单、方便、快捷，单片机足以应对我们设计需求 [5]。 51 单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，功耗低、体积小、技术成熟，且价格低廉。 综合考虑，本设计选择选用 AT89C51 单片机做控制器。 供电单元 方案一：采用单电源供电，通过单电源同时对单片机和直流电机进行供电，此方案的优点是，减少机身的重量，操作简单，其缺点是，这样会使单片机的波动变大，影响单片机的性能，稳定性比较弱。 方案二：采用双电源供电，通过两个独立的电源分别对单片机和直流电机进行供电，此方案的优点是，减少波动 ，稳定性比较好，可以让小车更好的运作起。 方案三：采用多节电池串联供电。 由于单片机工作电压在 5V左右，小直流电压也是几伏电压即可驱动，可以用电池供电，让多节电池串联来保证系统正常工作。 不仅减少了机身重量，而且携带时分方便，无需任何的升压降压处理，操作简单。 综合考虑，本设计选择选用 电池供电。 驱动电机选择 方案一：采用直流电机，优点在于硬件电路设计简单。 当外加额定直流电压时，转速几乎相等 ，调速性能较好，且性价比高。 对于小车的行驶，能够很好的控制。 方案二：采用步进电机，步进电机可以实现精确的转角 输出， 只要施加合适的脉冲序列，电机可以按照人们的预定的速度或方向进行连续的转动 ，便于控速，但是软件程序的编写较直流电机稍显复杂。 两种电机性能对比如表 21 基于 51 单片机的循迹避障小车的设计 第 9 页 共 37 页 表 21 电机性能对比 对比项 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 控制难易程度 简单 较难 价格 低 中 综合考虑，本智能车设计决定采用 直流电机 作为智能车的动力电机。 电机驱动器 方案一：如果电机的开启和关闭控制通过继电器的来控制的话，该方案的优点是电路较简单的 [6]，但响应速度很慢，且易损坏，使用寿 命短，可靠性不是很高。 方案二：采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。 但数字电阻元件比较昂贵，且电阻网络实现的调速很有限。 更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。 方案三：采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。 线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的 H 型桥式电路 (如图 22)。 用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速，这是一种普遍使用的 PWM 技术。 该电路由于在饱和截止模式下 工作，效率很高，保证速度和方向的简单控制。 H 桥电路的调速特性好，且调速范围宽，过载能力强，且能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转。 因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。 基于 51 单片机的循迹避障小车的设计 第 10 页 共 37 页 图 22 H 型桥式电路 传感器 的选择 本设计外围传感部分采集包括两大部分：寻迹部分，避障部分。 寻迹采用红外对管 ST188，其采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体组成，采用非接触式检测方式，且检测距离可调范围较大。 避障采用集成模块 E18D50NK，声音传感器则采用由电 压比较器 LM393 及驻极体话筒构成的声音传感器模块。 基于 51 单片机的循迹避障小车的设计 第 11 页 共 37 页 3 系统硬件部分设计 主控器 AT89C51 AT89C51 单片机拥有 4K bite ROM(Read Only Memory） ，且具有 低电压、高性能 8 位 微处理器 的工作特性 [7]。 单片机中的 EEPROM 存储器可以循环擦写 100 次。 该装置选用了 Atmel 的高密度非易失性存储器制造技术制造，兼容现代 MCS51 工业标准的指令集和输出管脚。 TMEL 公司的 89C51 是一种高效的微控制器，因其将 8 位 CPU 和 FLASH 存储器组合在一个芯片中，故其简单、方便、易使用。 89C2051 单片机是它的一种精简版。 89C单片机制造成本低，且灵活度高，故被广泛应用于嵌入式控制系统中。 1 图 31 AT89C51 单片机 AT89C51 实物图和引脚图如图 31，其主要特性如下表 31： 基于 51 单片机的循迹避障小车的设计 第 12 页 共 37 页 表 31 AT89C51特性 AT89C51 主要特性 1 兼容 MCS51 的 指令集和输出管脚 2 拥有 4Kbite 可编程 可擦除只读 存储器 3 可循环擦除 /写入 1000 次 4 10 年 的 数据保留时间 5 全静态工作频率 0Hz24MHz 6 三级程序存储器锁定 7 128 8 位内部 RAM 8 32 可编程 I/O 线 9 两个 16 位定时器 /计数器 10 5 个中断源 11 可编程串行通道 12 闲置和掉电模式 低功耗 13 拥有 片内振荡器和 时钟电路 由于 AT89C51 单片机要能正常工作必须要有时钟和复位电路等构成单片的最小运行环境，为此本系统的最小控制电路如图 32 所示 ，实物图如图 33 所示 ： 图 32 单片机最小系统 图 33 实物图 基于 51 单片机的循迹避障小车的设计 第 13 页 共 37 页 复位电路 在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位。 MCS5l 系列单片机的复位引脚 RST（ 第 9 管脚） 出现 2 个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。 如果 RST 一直保持高电平，那么单片机就无限循环复位 [8]。 复位模式基本包括 上电自动复位和开关复位。 这两种复位方式如图 34 所示 ,在上电瞬间，电容两端电压不能突变，且电容负极和 reset 相连，此时电压全部加在电阻上， rest 引脚电压为高电平，芯片复位。 随后， 5V 电源开始给电容充电，电阻上的电压逐渐降低至接近 0V，芯片正常工作。 图 34 复位电路 在并联电容器两端的复位按钮，在复位按钮不压在电路上电复位芯片，在正常工作时，按下按钮， RST 引脚的高水平，手动复位的效果。 复位按钮并联在电容的两端，当复位按钮未被按下的时候电路实现上电复位，在单片机正常工作后，通过 复位按钮使 RST 引脚出现高电平，达到复位的效果。 通常，在 RST 引脚上输入 10ms 以上的高电平，就可以使单片机复位 [9]。 图中所示的复位电阻和电容只是常用值，实际可以根据需要采用同一数量级的电阻和电容代替。 时钟电路 时钟电路是用来产生 AT89C51 单片机工作时所必须的时钟信号， AT89C51 本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现， AT89C51 在唯一的时钟信基于 51 单片机的循迹避障小车的设计 第 14 页 共 37 页 号的控制下严格的按时序执行指令进行工作，时钟的频率影响单片机的速度和稳定性。 通常时钟由于两种形式：内部时钟和外部时钟 [10]。 图 35 时钟电路 我们系统采用内部时钟方式来为系统提供时钟信号，如图 35 所示。 AT89C51 内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该放大器的输入输出引脚为 XTAL1和 XTAL2 它们跨接在晶体振荡器和用于微调的电容，便构成了一个自激励振荡器。 电路中的 C C2 的选择在 30PF 左右，但电容太小会影响振荡的频率、稳定性和快速性。 晶振频率为在 ~12MHZ 之间，频率越高单片机的速度就越快，但对存储器速度要求就高。 为了提高稳定性我们采用温度稳定性好的 NPO 电容，采用的晶振频率为 12MHZ。 寻迹模块 小车循迹，我们通常采用红外检测的方法，红外检测法是通过黑线和白色对红外线的吸收效果不同，当红外光线射到白色底板时，会发生漫反射反射到智能车的接受管上，而射到黑线则会被吸收不会产生发射，智能车红外接收管就接收不到。 故，整个智能车通过红外接收管是否接收到红外线来判断黑线和白线的 [11]，从而实现循迹。 但需要主要的是，红外传感器的检测距离有限，一般在 3cm 之内。 红外光电传感器由 1 个红外发射管（发射器）和 1 个光电二极管（接收器）所构成 ， 循迹示意图 如图 36 所示。 本次设计，红外光电传感器 我们采用是的 ST188，其是由发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管构成，它使用的非接触式检测方式，且检测距离范围较大，基于 51 单片机的循迹避障小车的设计 第 15 页 共 37 页 一般为 4~13mm。 寻迹传感器红外光电对管 ST188 实物及内部结构图如图 37 所示： 图 36 循迹示意图 图 37 ST188结构与实物图 避障模块 本设计避障模块选用的是集成模块 E18D50NK，该传感器是一种红外光电管。 这是一种集发射与接收于一体的光电式传感器，其检测距离可以根据我们的需要进行。