基于51单片机小车的循迹避障系统

基于51单片机小车的循迹避障系统内容摘要：

时，我们需要提前探知其前 方是否存在障碍物，这样就可以在行进过程中，自动选择远离障碍物的路线。 在避障模块的选择时，有两种选择，一种是使用红外避障，还有一种是超声波避障。 红外避障是通过发射和接收光信号，在通过一系列的转换变为数字信号，来判断前方障碍物。 这种方式容易受到其他光的干扰，使得检测结果不准确。 而且由于其光束比较集中，在探测时其探测的区间较小，可能会造成避障不成功。 超声波避障则是利用声波信号遇到障碍物返回，测量其间隔时间来进行避障的。 超声波的测量范围很广，可以测量方向、距离等。 测量距离可以采用主动测距法和被动测距法：被动测距法是 传感器只有接受信号的功能，包括方位法和视差法；主动测距法是传感器既发射信号又接收信号，包括 TOF 法、脉冲回波法、FMCW 法等。 声波在传递过程中，是发散形式的，可以大角度的检测，这样就可以保证不会存在死角。 而且声波的使用也比较广泛，像雷达探测，金属探伤等。 本小车采用了 HCSR04 超声波避障模块（如图 5 所示），在其性能方面，有比较好的探测距离和角度。 采用 I/O 口 TRIG 触发测距，利用接收到信号后的电平差，来进行信号控制，从而选择驱动小车两个轮子来进行避障。 模块由 5V 电压供电，接入端为 VCC 口， TRIG 为触 发控制信号输入口，回响信号则由端口 ECHO 进行输出。 图 5 HCSR04 超声波模块 8 图 6 超声波脉冲响应时序图 表 1 HCSR 电气参数 电气参数 HCSR04 超声波模块 工作电压 DC 5V 工作电流 15mA 工作频率 40Hz 最远射程 4m 最近射程 2cm 测量角度 15 度 输入触发信号 10uS 的 TTL 脉冲 输出回响信号 输出 TTL 电平信号，与射程成比例 规格尺寸 45*20*15mm 控制系统模块 在本小车设计的控制系统中，我们 采用 STC 公司生产的一款单片机STC89C52。 由于在小车的整个运行过程中，其需要处理的数据比较多，在驱动电机时，就需要通过单片机的 I/O 口来输出控制信号，使得小车实现前进、后退以及转弯等功能。 在小车运动过程中，还需要接收很多的控制信号，像循迹信号、超声波信号等。 这样就可以实现小车的速度控制、循迹行驶以及躲避障碍物等功能。 STC89C52 单片机（如图 7 所示）有 40 个 I/O 口，其中 P0、 P P P3为并行 I/O 口。 芯片时钟的产生有两种，内部时钟和外部时钟，而内部时钟就是通过单片机引脚 XTAL1 和 XTAL2 外界晶振得到的。 还有多个中断源及优先级等，可以对程序执行功能的优先进行区分，通过中断来进行高优先级的指令。 52 单片机是 8 位单片机，拥有 8K 字节 Flash， 512 字节 RAM，内置4KB EEPROM，以及复位电路等。 在单片机的 4 个并行 I/O 口中， P0 与 PP1 与 P2 拥有相似的功能，除了 P1 口是单功能口外，其余都为双功能口。 9 图 7 51 单片机引脚图 电源选择 在小车电源选择时，我们需要特别注意，因为系统单片机的额定工作电压为 5V。 对于电机来说，用 5V 驱动又不能让小车行驶，而过高的电压可能会使系统芯片烧坏。 因此，我们需要通过计算得到小车的可允许电压电流范围，一般采用 9V~12V 为好，本小车采用 9V 供电。 这样既可以保证电机驱动所需电压，又不会因为电压过大而造成元器件的烧坏。 10 第 3 章 硬件电路设计 总体设计 图 8 小车总体框架图 小车的整体系统（如图 8 所示）是以 51 单片 机为 CPU，通过红外对管来进行黑线检测循迹行走，通过超声波探测器进行障碍物感知，进行避障功能实现，通过驱动模块来实现电机的驱动，从而达到小车的运动。 系统电路图见附录 1： 电源电路设计 在小车的电源系统，采用 9V 直流供电，为了防止在误操作时接入过高的电流使整个电路烧毁，一般会在电路中接入防击穿电容。 图 9 小车电源电路 11 驱动电路设计 图 10 驱动电路框架图 在驱动电路部分设计时，我们要考虑的是驱动芯片的选择，一般是在L298N 和 L293D 这两 款芯片中选择。 对于 L298N 芯片，是使用的 15 脚直插式封装模式，具有四通道驱动逻辑电路，可以很方便的驱动两个电机。 而且它的工作电压以及单通道输出电流都比较高，一般可达到 46V 和 2A。 L293D 在功能上和 L298N 基本一样，但是它的工作电压和通道电流都相比于 L298N 要小，其采用的是直插式 16 脚 SOIC20 封装模式。 所以，在应用时，一般使用 L298N 而不采用 L293D，从经济方面来考虑， L298N 也更具有优势。 L298N输出电压的方式有两种，一种是直接通过电源的调节来进行电压输出；另一种就是直接使用单片机上 的输入输出口提供电压信号。 图 11 L298N 引脚图 12 小车采用两轮驱动，使用 L298N 芯片组成的电路来驱动电机，驱动电路中，采用 7805 稳压芯片进行稳压。 由于电机驱动所需要的电压很大，因此使用 9V 电压直接通过驱动芯片供电。 通过八个 LED 灯来分别显示每个车轮的转动方向。 图 12 电机驱动电路 该驱动芯片可驱动 2 路直流电机，使能端 ENA、 ENB 为高电平时有效，控制方式及直流电机状态表如下所示。 如果 PWM 直流电机的速度控制，需要设置 IN1 和 IN2，确定电机的旋转方向，并使输出 PWM 脉冲，可以实现转速控制。 请注意，当使能信号是 0，电动机自由停止状态；若使能 ENA 信号为1，并且 IN1 和 IN2 都为 00 或 11 时，电机处于制动状态。 表 2 L298N 驱动状态表 ENA IN1 IN2 直流电机状态 0 X X 停止 1 0 0 制动 1 0 1 正转 1 1 0 反转 1 1 1 制动 13 7805（如图 13 所示）作为稳压芯片，在我们日常使用中，是使用最广泛的。 并且使用起来很简单、很方便，只要简单的接入电路中，给它一个稳定的直流电压源即可。 7805 一共有三个引脚，引脚 1 是 INPUT 即为整流器输入电压，引脚 2 为 GND，公共接地端，引脚 3 是 OUTPUT 输出稳压后的 5V电压 . 图 13 LM7805 引脚图 循 迹部分电路 图 14 循迹模块框架 在进行小车循迹电路设计时，我们要考虑到当红外对管检测到黑线以后，如何进行下一步操作。 首先将红外对管接收的光信号转化为电流信号，再将模拟电流信号转化为数字信号。 在这里我们就可以使用电压比较器，进行电压比较，来确定检测到的黑线在哪一边，再通过控制电机的转动来驱动小车循着黑线行驶。 一般常用的电压比较器芯片为 LM339 和 LM393，其中LM339 为四电压比较器，而 LM393 为双电压比较器。 由于我们采用五个红外对管进行黑线检测，所以使用了一个 LM339 和一个 LM393。 14 图 15 循迹模块电路 避障部分电路 图 16 超声波模块框架图 15 在小车避障时，我们选用超声波避障模块，主要是因为其在进行检测时，受到外界干扰较少，检测距离相对较远，可以多角度多范围的进行检测，这样可以减少避障失败的可能。 超声波电路主要由一个声波发射口，一个声波接收口以及 MAX232 和 EM78P153 组成。 其中 MAX232 该产品是一款兼容 RS232标准的芯片， EM78P153 是采用高速 CMOS 工艺制造的 8 位单片机芯片。 通过扬声器 T 发出的超声波，如果遇到障碍物返回后，被传感器接 收到。 通过各级三极管放大电路，将所得信号放大。 放大信号被传送到 EM89P153单片机，通过处理，得到所需要的数字信号。 然后再通过通信接口芯片MAX232，与 STC89C52 单片机通信，将信号传到 52 单片机。 最后通过 52 单片机的处理，得到小车避障所需的控制信息。 图 17 超声波检测电路 MAX232 为 16 脚直插式封装芯片，其主要的作用是来进行电平转换。 其内部主要结构可分为三部分：由端口 1— 6 以及四个电容构成的电荷泵电路，由引脚 714 组成的数据转换通道电路以及供电电路，一般可以产生 12V 和+12V 两种电压。 EM89P153 单片机芯片，其内部有 512*13 位一次性的 ROM，程序代码可以通过 EM下载到 EM89P153芯片中。 工作电压范围为 ；片内有 4MHz校准 RC 振荡器；振荡器起振时间预分频系数可编程；片内可按位编程；两个双向 I/O 口； 5 级堆栈； 3 个中断源，外部中断，输出引脚状态变化中断，TCC 溢出中断； 8 位实时定时 /计数器（ TCC）；每个指令周期为两个时钟周期。 16 主控电路设计 小车的主控电路是以 52 单片机作为控制芯片，结合复位电路、晶振电路来控制整个系统的运行。 在电路中，我们 一般使用的晶振位 12MHz，这样的话，单片机的每一个机器周期为 1uS，这样在利用单片机时钟进行计时时，比较方便。 图 18 最小单片机系统 17 第 4章 程序设计 主程序设计概述 在小车整体设计过程中，不仅有着大量的硬件电路设计，更多的是对于系统软件的分析设计。 因为在硬件电路搭建完以后，只有通过软件程序的控制，才可以让小车按照设想的运行路径进行行驶，达到所需要的功能。 由于小车整体功能比较多，如果在最开始程序设计时就进行整体设计的话，无疑会对整个设计工作带来困难，而且在设计完成后进行运行调试时 ，也会造成困难。 因此，我在设计程序时，采用了模块化设计，即先对每一个部分子功能模块进行设计，在验证各个功能程序的完整性以及正确性以后，再把各个子程序组合成一个完整的程序。 主程序流程图 图 19 系统程序流程图 18 驱动程序流程图 图 20 驱动程序流程图 循迹程序流程图 图 21 循迹程序流程图 19 避障程序流程图 图 22 避障程序流程图 20 第 5章 制作安装与调试 小车的安装 在小车各个部分的电路 焊接完成后，我们就开始对小车进行整体组装。 利用购买的高强度塑料制成的模型作为小车的车体，然后分别将各模块按照功能安装固定好。 红外循迹模块固定在车体底部，因为其作用是来检测地面黑线存在，而且其工作距离也有一定限制，所以不能放在离地面太高的地方。 超声波探测模块则应该置于小车正前方，其目的主要是用来发现前方障碍物，其安装高度要合适。 对于驱动模块和最小单片机系统，安装在小车正中间，因为其要与各模块之间进行连接。 供电电源则放在小车车尾，这样有利于小车整体重量的均匀分布，也可以在进行充电时，更加方便拆装。 小车 运动模式调试 对小车的左右转弯进行调试时，可以在程序里给定每个电机引脚信号，看小车的转动是否满足所设定的方向。 通过调试可知，小车的运动方向与初始设置相同，能够实现。 图 23 小车驱动调试图 21 为了便于明确知道小车电机转向的控制信号，表 3 给出了每个 I/O 的控制信号，通过对其进行不同的改变，可以选择在不同情况下电机的各种运动状态，从而得到小车行驶的数据。 表 3 运动调试结果 I/O 口 结果 输入电平 1 0 1 0 直线前进 1 0 0 1 右 转弯 0 1 1 0 左转弯 0 1 0 1 后退 1 1 1 1 停止 小车循迹调试 小车的循迹是通过五路红外对管实现，当左侧检测到有黑线时，左侧 LED指示灯会亮（图 24），当右侧指示灯亮时，那么小车检测到的黑线在右侧。