基于avr单片机的智能小车设计

基于avr单片机的智能小车设计内容摘要：

素的时序。 采用视频分离芯周国旺： 基于 AVR 单片机的智能小车设计 6 片，从模拟信号中分离出场、行同步信号和奇偶场信号后，接单片机的外部中断口，产生中断，在中断服务程序中对 AD采集的数据进行图像存储，从而形成一个二维的数字图像。 最后对图像信号进行处理，获得时序正确的数字图像信息，即实际的黑线路径参数。 CCD摄像头寻迹方案的优点是可以 更远更早地感知路径的变化，路径分辨率高，前瞻性较强，缺点是对单片机片内资源消耗大，实时性略差。 方案 3：用 RPR220型光电对管 RPR220 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。 红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。 其具有如下特点： 内置可见光过滤器能减小离散光的影响。 体积小，结构紧凑。 当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。 电路简单，工作性能稳定。 由于光敏电阻易 受光照影响 ， CCD 摄像头对单片机片内资源消耗大 等原因，本设计选择方案 3。 方案 1： 使用超声波探测器 超声波探测器的优点是比较耐脏污，即使传感器上有尘土，只要没有堵死就可以测量，可以在较差的坏境中使用。 缺点是精度较低，且成本较高。 同时，超声波探测具有几厘米甚至几十厘米的盲区，这 对 于小车是个致命的限制。 方案 2： 使用激光测距传感器 激光测距传感器工作原理为： 由激光二极管对准目标发 射激光脉冲 ， 经目标反射后激光向各方向散射 ， 部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。 雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。 记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。 激光测距传感器 测量范围广，响应速度快；测量精度高 ， 量程大。 但其体积大，价格昂贵，不适用于本次智能小车的开发设计。 方案 3： 使用 红外避障传感器 红外避障传感器 E18D80NK平均有效探测距离为 0—80cm可调 ， 且抗外界背景光干扰能力强，可在日光下正常工作 ， 这满足了信号发射与接收的要求。 该传感器具有探测山东交通学院毕业设计（论文） 7 距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人 及智能车 避障、流水线计件等众多场合。 由以上分析，本设计最终确定方案 3。 方案 1： 继电器控制 采用继电器对电动机的开或关进行控制 ,通过开关的切换对小车的速度进行调整。 此方案的优点是电路较为简单 ,缺点是继电器的响应时间慢 ,易损坏 ,寿命较短 ,可靠性不高。 方案 2：采用由 晶体管 组成的 H桥电路 用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。 这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高； H桥电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也很高，是一种广泛采用的调速技术。 方案 3： 采用 L298N驱动芯片 L298N 是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片 L298N 可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。 用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。 由于 继电器的响应时间慢 、 易损坏 不适用于本次智能小车的设计。 而 L298N 驱动芯片有各方面的优势， 本设计选择 方案 3。 方案 1：采用步进 电机 由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。 虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。 方案 2：采用直流减速电机 直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。 由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大 转矩。 由以上分析，步进电机不适用于本次设计的要求，故本设计采用方案 2。 小车选用常见的智能车模型，小车总长 20cm，宽 150cm，车轮直径。 小车为三轮结构，前两轮驱动，后轮为万向轮，采用前轮差动转向。 周国旺： 基于 AVR 单片机的智能小车设计 8 小车外形如图。 图 小车外形 Fig. Car shape 山东交通学院毕业设计（论文） 9 3系统硬件电路设计 本系统采用 ATMEGA16单片机作为中央处理器。 其主要任务是在小车行走过程中不断读取传感器采集到的数据，将得到的数据进行处理后，来控制小车 运动。 ATMEGA16是一个低功耗，高性能 CMOS 8位单片机，片内含 16k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反复擦写 1000次的 Flash只读程序存储器，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS51指令系统及 80C51引脚结构，芯片内集成了通用 8位中央处理器和 ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的 ATMEGA16可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 其应用范围广，性能良好，可用于解决复杂的控制问题。 如图。 图 最小系统电路 Fig. Minimum system A G N D31X113X212R E S E T9P D 2 ( I N T 0)16P D 3 ( I N T 1)17P D 4 ( O C 1B )18P D 5 ( O C 1A )19P B 0 ( T 0)1P B 1 ( T 1)2P B 2 ( A I N 0)3P B 3 ( A I N 1)4P B 4 ( S S )5P B 5 ( M O S I )6P B 6 ( M I S O )7P B 7 ( S C K )8( A D C 0) P A 040( A D C 1) P A 139( A D C 2) P A 238( A D C 3) P A 337( A D C 4) P A 436( A D C 5) P A 535( A D C 6) P A 634( A D C 7) P A 733( S C L ) P C 022( S D A ) P C 123( T C K ) P C 224( T M S ) P C 325( T D O ) P C 426( T D I ) P C 527( T O S C 1) P C 628( T O S C 2) P C 729P D 7 ( T O S C 2)21P D 6 ( I C P )20A V C C30A R E F32P D 1 ( T X D )15P D 0 ( R X D )14GND11VCC10M E G A 16 D I P 40C4I N 4 1 4 8R110KV C CR S TX1C3 22pC3 22pC1V C C周国旺： 基于 AVR 单片机的智能小车设计 10 寻迹模块电路所用传感器是 RPR220，如图。 RPR220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。 图 RPR220 RPR220 红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体，红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通，发出一个电平跳变信号。 当小车在非黑色地面行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线信号，经反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，那么光敏三 极管将导通。 寻迹模块电路如图。 图 Fig. Tracing module circuit 当小车行驶到黑色引导线上时，红外线信号被黑色吸收后，光敏三极管截止，经LM339电压比较器 输出低电平 ，从而实现了通过红外线检测信号的功能。 将检测到的信号送到单片机 I/O口，当 I/O口检测到的信号为 低 电平时，表明红外光被地上的黑色引导线吸收了，表明小车处在黑色的引导线上；同理，当 I/O口检测到的信号为 高 电平时，表明小车行驶在白色地面上。 321L M 3 3 9R P R 2 2 0R41 0 KR31kR25 . 1 KR15 . 1 KV C CPA 端口山东交通学院毕业设计（论文） 11 为了保证小车沿黑线行驶，采用了 四个检测器并行排列，检测器排列位置如图 所示。 其编号 1至 4对应的硬件电路分别接在单片机的 PA0、 PA PA PA3端口。 在小车 运动 过程中，结合查询方式，通过程序控制小车 运动 轨迹。 如果 2号红外对管和3号红外对管检测到黑线，则单片机控制小车向前直走；如果 2号红外对管偏离黑线， 3号红外对管检测到黑线，则单片机控制小车轻微左移；如果 3号红外对管偏离黑线， 2号红外对管检测到黑线，则单片机控制小车轻微右移；如果 2号和 3号红外对管偏离黑线， 1号红外对管检测到黑线，则单片机控制小车向左移动；如果 2号和 3号红外对管偏 离黑线， 4号红外对管检测到黑线，则单片机控制小车向左移动。 图 检测器位置 Fig. Detector arranged location 避障模块采用型号为 E18D80NK的红外避障传感器，如图。 图 E18D80NK E18D80NK E18D80NK是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出 ， 有效的避免了可见光的干扰。 透镜的使用，也使得这款1 .7 c m 1 .2 c m12 34周国旺： 基于 AVR 单片机的智能小车设计 12 传感器最远可以检测 80cm距 离。 检测障碍 物的距离可以根据要求通过尾部的电位器旋钮进行调节。 该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。 加 调 制 发 射 管调 制 器 整 流 稳 压接 电 源整 流 稳 压解 调 器 时 钟 逻 辑 负 载放 大 器接 电 源加 调 制 发 射 管发 射 器接 收 器 图 E18D80NK原理图 Fig. E18D80NK Principle circuit E18D80NK电气特性如表。 表 E18D80NK电气特性 Tab . Electrical Characteristics 红色 绿 色 黄色 工作电压 工作电流 驱 动电流 感应距离 VCC GND OUT 5VDC 1015mA 100mA 380CM 使用时 注意事项：在接线的时候，请避免出现电源和地接错的现象，该操作有可能造成传感器永久性损坏 ； 信号输出端请加上拉电阻；为保护动作的可靠和寿命长，请避免有关规定以外的温度外界 （ 户外 ） 条件下，接近传感器虽为耐水结构，若装上罩使用，勿使水和水容性切削油等淋到，则可更好地提高可靠性及寿命。 还请避免在有化学药剂，特别是在强碱、酸、硝酸、铭酸、热浓硫酸等气候中使用 [4]。 E18D80NK红外避障传感器检测到目标时输出低电平，正常状态下是高电平输出。 黄色线为 输出端口，接单片机的 PB口，将传感器信号输入单片机进行处理，并做出相应的输出， 避障模块电路如图。 避障模块采用三只红外避障传感器，安装于小车两侧及下中央，可以检测两侧和正前方是否有障碍，检测后将信号送入单片机，单片机对信号进行处理并发出相应的信号驱动小车电机，使小车躲避障碍。 其左中右三个传山东交通学院毕业设计（论文） 13 感器的硬件电路分别接到单片机的 PB0、 PB PB2 端口。 当三个传感器检测到无障碍时，小车正常前进行驶；当前侧传感器检测到 有障碍时，小车右转；当左侧或左及前侧传感器检测到障碍时，小车右转；当右侧或右侧及前侧传感器检测到障碍时，小车左转；当三个传感器都检测到有障碍或左右侧传感器检测到有障碍时，小车停止。 图 Fig. Obstacle avoidance module circuit L298N电机驱动芯片 L298N是 ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。 该芯片采用 15脚其实物图及直流电机实物如图。 图 L298N及电机实物图 Fig. L298N and Motor physical shape L298N主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达 46V；输出电。