基于at89s52单片机的循迹避障小车的设计论文

基于at89s52单片机的循迹避障小车的设计论文内容摘要：

ontrol of useing easily and having multifunction ,it suffers large users. The motor driver uses the mon wayPWM for the motor controlling speed. the speed of car is displayed by the LCD screen .The circuit structure of the whole system is relatively simple, high reliability, and it can meet the requirements of the various the continuous improvement of high technology and the stead process in industrial automation in our country,the Intelligencecar which gradually access to people39。 s attention has been widely applied to design a variety of toys and other products,which greatly enriched people39。 s lives. Key words: SCM。 Sensor。 PWM speed adjusting。 Track finding and obstacle avoidance。 PID control algorithm 4 1 引言 研究背景和发展现状 随着电子技术、计算机技术、智能控制技术的飞速发展，产品的智能化和小型化越来越成为人们关注的热点。 各种智能小车在智能化玩具中占了很大的比例。 近年来，传统玩具的市场逐步缩水，高科技智能化的电子类玩具则逐步成为市场的主流。 因此，可遥控的智能化小车的研究是非常有意义的，具有很大潜在市场价值的。 智能小车，也被称之为轮式机器人。 我们知道，机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现。 机器人由于具有高度的灵活性、可以帮助人们提高生产率、改进产品质量和改善劳动条件 等优点，在世界各地的生产生活领域得到了广泛的应用 [5]。 智能小车正是模仿机器人的一种尝试。 它是一种以汽车电子为背景，涵盖控制，模式识别，电子、电气、单片机、机械等多学科的科技创新性设计，一般主要由路径识别、速度采集、角度控制以及车速控制等模块组成。 这种智能小车能够自动搜寻前进路线，还能爬坡；感知前方的障碍物，并自动寻找前进方向，避开障碍物；加入相关声光讯号后，更能体现出智能化和人性化的一面。 研究目的和意义 随着人们物质文化生活水平的不断提高，智能化的电子玩具深受人们的喜爱，尤其是各种智能小车，由于 这类玩具具有较好的交互性，可控性，能够给人们带来很好的娱乐以及参与其中的体验，高科技智能化的电子类玩具逐渐 5 成为市场的主流。 与此同时，智能小车可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面，尤其在足球机器人研究方面具有很好的发展前景。 因此，智能化小车的研究不仅具有很大的现实意义，还具有极为广阔的应用前景和市场价值 研究内容 本设计的智能电动小车具有自动寻迹、寻光、避障、速度检测功能，可程控行驶速度、准确定位停车。 整体设计可以分为如下几个模块，控制核心采用 MCS51 系列中的 AT89S52单片机，循迹避障 是通过传感器实现的，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制小车的自动避障，从而发出避障信号。 整个系统具有自动寻迹、寻光和速度测试功能。 电机驱动采用常用的 PWM 方式进行电机的降压调速控制，小车的速度通过液晶屏来显示。 软件中主要用到工业中常用的 PID 控制算法。 整个系统的电路结构较简单，可靠性能高。 实验测试结果满足要 求。 2 系统总体方案设计与论证 总体方案设计 根据题目的要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装反射式红外光电传感器、超声波传感器、速度检测传感器以及光敏二极管阵列 ，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电车的智能控制。 本方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活 ，精度高，可 6 满足对系统的各项要求。 系统整体方框图如图 21 所示。 图 21 系统总体设计框图 方案选择 检测系统主要运用传感器作为外部敏感组件，进行外部信号的检测。 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感 受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其它所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求 [7]。 它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 选择合适的传感器可以使设计简便，还可以简化硬件电路。 循迹检测系统 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。 这两种方案都可以达到小车循迹要求，目前使用最为普遍的循迹检测方法是红外探测法。 两种方案的主要区别是使用 7 的传感器不同。 具体区别见表 21。 表 21 循迹检测方案对比 红外 光电传感器 CCD 传感器 受外界干扰程度 小 较小 实时性 好 差 对主控芯片要求 较低 较高 成本 较低 高 从上表中可以很明显的看出，红外传感器相对于 DDC 传感器来说，在实时性和对主控芯片的要求方面都比 CCD 传感器要好。 基于这些优势以及处于成本的考虑，本设计采用小车底部，距地面高度合适，可以达到很好的检测效果。 障碍物检测系统 根据题目功能的要求，小车在循迹行驶过程中要能准确的避开途中遇到的障碍物，因此对检测距离有一定要求。 又考虑到在测障过程中小车车速及避障反应堆小车速度的限 制，小车应在距障碍物 10CM 的范围内做出反应，这样才能在顺利绕过障碍物的同时还为下一步驶入车库寻找到最佳的位置和方向。 否则，如果范围太大，则可能产生障碍物的判断失误；范围过小又很容易造成车身撞上障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想定向方案。 障碍物检测可以有多种方法：红外光检测、超声波检测、甚至机械接触。 这些方法都有各自的优缺点。 常用的有红外检测和超声波检测，两种方案的区别见表 22。 8 表 22 障碍检测系统方案对比 从上表可以看出，相对红外检测，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。 光源检测系统 光源检测使用常见的光敏器件，光敏二极管。 光敏电阻器（ photovaristor）又叫光感电阻，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。 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）。 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。 我们可以再外接一个 LED 作为检测指示灯，则可以明显观察到这个变化。 即有光照时 LED 亮，无时则灭。 红外检测 超声波检测 检测距离 4~10cm ~ 精确度 1cm 1cm 受外界环境干扰程度 易受 外界环境干扰 不易受外界环境干扰 硬件电路 所需元器件少，尺寸小，安装简便 稍复杂，安装简便 成本 8 元左右 6 元左右 9 速度检测系统 在电机测速中，考虑了两种方案：一种是使用光电码盘，即透射式光电传感器（凹槽型，类似老式鼠标），另一种是 霍尔传感器（适合较高速度）。 两种方案的主要区别如表 23。 表 23 速度检测系统方案对比 霍尔传感器 关电码盘 抗干扰性 较强 强 霍尔传感器 关电码盘 实时性 较好 好 易用性 需和磁钢配对使用，较麻烦 较简单 由上表可以看出光电码盘在各方面都具有一定的优势，因此本设计采用关电码盘测速。 电机驱动系统 直流电机和步进电机都可以用于小车驱动。 故有两种方案。 方案一：使用直流电机，加上适当减速比的减速器。 直流电机具有良好的调速性能，控制起来也比较简单。 直流电机只要通上直流电源就可连续 不断的转动，调节电压的大小就可以改变电机的速度。 直流电机的驱动电路实际上就是一个功率放大器。 常用的驱动方式是 PWM 方式，即脉冲宽度调制方式。 此方法性能较好，电路和控制都比较简单。 方案二：使用步进电机。 步进电机具有良好的控制性能。 当给步进电机输 10 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 [8]。 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。 具体差别见下表 24。 表 24 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。 单片机控制电路系统 此部分是整个小车运 行的核心部分，起着控制小车所有运行状态的作用。 控制的方法有很多，大部分都采用单片机控制。 单片机要完成电机控制、循线控制、避障控制金属检测控制和光源检测控制等工作。 本设计中小车的主控采用我们最为熟悉的 AT89S52 单片机。 虽然这款单片机本身没有 PWM 模块，但 11 若采用本身有 PWM 模块的单片机就会产生资源浪费。 我们可以通过软件编程产生 PWM，既能充分利用可用资源，又不浪费。 且能很好的满足题目要求。 显示模块 由于小车要显示速度和行驶距离，内容较多。 数码管使用简单，价格低廉，但一个数码管只能显示一个数字，要显 示多位数据时要使用多个数码管，这就增加了硬件电路的复杂度和额外功耗。 故不予考虑。 液晶显示电路简单，使用方便，一个液晶显示器就可以同时满足此处同时显示速度和距离的要求，且更加直观明了。 3 硬件设计 总体设计方案 智能小车采用后轮驱动，后轮左右两边各用一个电机驱动，调制两个后面两个轮子的转速从而达到控制转向的目的，前轮是万象轮，起支撑的作用。 将四个红外线光电传感器装在车体的底盘前端，小车根据传感器检测到的情况执行。 避障的原理和循迹一样，在车头装了一个传感器，传感器检测到障碍物时，小车减速，车 体做出相应的反应。 小车速度的检测也是靠的红外线，只不过是器件的型号不同，速度检测的传感器用的是对射式，避障用的是直射式。 把码盘装在电机的轴上，码盘随电机一起转动，这里使用的是改进过的的码盘，把圆形硬纸片切制成直径为 25mm的圆，再把圆周用锯条均匀切 12 条缝，缝的宽度约为 1mm。 可以很好的满足小车所需的精度。 考虑到电机控制要使用 PWM 波形，而 AT89S52 单片机本身不能产生 12 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 31 所示。 图 31 整体原理电路图 单片机控制电路 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。 单片机控制模块使用的是 ATMEL 公司生产的 AT89S52，使用该芯片很容易实现对其它模块的控制。 通过对单片机 AT89S52 写入程序，可以方便的用软件来控制整 个过程 .控制部分如图 32 所示。 13 图 32 单片机最小系统 AT89S52 单片机最小系统包括了一路复位开关，用于小车复位。 输出PWM 信号， ~ 分别控制电机驱动。 其它 P 口用外接控制 小车的各种控制开关， P0 口外接 10K 的上拉电阻，可用于外接 LCD1602。 AT89S52 单片机介绍： AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。 使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统 可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52 具有以下标准功 能： 8k 字节 Flash， 256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个 16 位 定时器 /计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。 另外， AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。 空闲模式下， C。