智能循跡避障小車設(shè)計

《智能循跡避障小車設(shè)計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《智能循跡避障小車設(shè)計（18頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、畢業(yè)設(shè)計(論文) 摘要 自從首個工業(yè)智能設(shè)施誕生以來，智能設(shè)施的發(fā)展已經(jīng)擴展到了包括機器、刻板、電子、冶金、交通、宇航、國防等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。近年來智能設(shè)施水平迅速上升，大大的改變了大多數(shù)人類的生活方式。在人類的智能化技術(shù)不斷飛速進步的過程中，能夠取代手動的機器人在更加人性化的同時也越來越智能化。 本文主要討論了基于單片機的智能循跡避障小車的設(shè)計。智能自動循跡制導(dǎo)系統(tǒng)在驅(qū)動電路的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)自動跟蹤汽車導(dǎo)線，而智能避障是使用紅外傳感器測距系統(tǒng)來實現(xiàn)功能來規(guī)避障礙。智能尋光避障小車是一種采用了多種傳感器，以單片機為核心，電力馬達驅(qū)動和自動控制為技術(shù)，根據(jù)程序預(yù)先確定的模式，而不是人工管理來實現(xiàn)避

2、障導(dǎo)航的自動跟蹤高新技術(shù)。這項技術(shù)已廣泛應(yīng)用于智能無人駕駛、智能機器人、全自動工廠等許多領(lǐng)域。 這個設(shè)計使用STC89C52單片機[1]作為小車的智能核心，使用紅外傳感器對智能小車跟蹤模塊識別引導(dǎo)線跟蹤，收集模擬信號并將信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，使用C語言編寫程序，設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，時效性高。 關(guān)鍵詞：智能化；單片機最小系統(tǒng)；傳感器；驅(qū)動電路 ABSTRACT From the first level of industrial intelligent facilities since birth, the development of intelligent faciliti

3、es has been broadened to include machinery, electronics, metallurgy, transportation, aerospace, defense and other fields. Intelligent facilities level rising in recent years, and rapidly, significantly changed the way people live. People in the process of thinking, improvement, learning and intellig

4、ence of replace the manual machine is more and more. This paper mainly discusses the intelligent tracking based on single chip microcomputer control process of the obstacle avoidance car. Intelligent automatic tracking is based on the driving circuit of the guidance system, to achieve automatic tra

5、cking car line; obstacle avoidance is the use of infrared sensor ranging system to realize the function to evade obstacles. Intelligent tracking obstacle avoidance car is a use different sensor , motor drive for power and automatic control technology to realize according to the procedures predetermi

6、ned mode, not by artificial management can realize the automatic tracking of obstacle avoidance navigation of high and new technology. The technology has been widely used in unmanned intelligent unmanned line, intelligent robot and so on many fields. Using infrared sensors for car tracking module t

7、o identify the guide line tracking, collecting analog signal and converts the signal into digital signal; Using C language to write the program, the design of the circuit structure is simple, easy to implement,timeliness is high. Keywords: Intelligent; Single chip microcomputer minimum system; The

8、Sensor; Driver circuit 目錄 第1章緒論1 1.1智能小車的發(fā)展近況與趨勢1 1.2課題研究的目的及意義1 1.3課題研究的主要內(nèi)容2 第2章方案設(shè)計3 2.1系統(tǒng)概述3 2.2硬件模塊方案3 2.3軟件模塊方案5 第3章硬件設(shè)計6 3.1電源模塊6 3.2核心控制模塊6 3.3循跡模塊7 3.4避障模塊8 3.5無線遙控模塊9 3.6電機驅(qū)動模塊10 3.7拓展模塊13 第4章軟件模塊15 4.1循跡程序模塊15 4.2避障程序模塊16 4.3無線遙控程序模塊17 4.4尋光拓展程序模塊18 4.5驅(qū)動電機程序模塊19 第

9、5章系統(tǒng)測試與分析20 5.1硬件調(diào)試20 5.2軟件調(diào)試21 總結(jié)22 參考文獻：23 附錄24 致謝25 第1章 緒論 1.1智能小車的發(fā)展近況與趨勢 1.1.1智能小車的發(fā)展近況 現(xiàn)階段智能汽車的發(fā)展十分的迅速，從智能玩具到其他各行各業(yè)都有實質(zhì)性的結(jié)果[1]?；究梢詫崿F(xiàn)跟蹤和避障測試、光學信息存儲等日常生活中基本能夠涵蓋到的功能，智能汽車的電子設(shè)計競賽中的聲音控制系統(tǒng)開發(fā)以及人工智能化是近幾年中一個非常大的側(cè)重點。 1.1.2智能小車的發(fā)展趨勢 現(xiàn)今的智能小車的科技含量已經(jīng)非常的高了，目前在研究和發(fā)展階段的中，各種外部的傳感器構(gòu)成，使得小車能夠通過感官系統(tǒng)外

10、部環(huán)境的信息采集來進行精密的描繪外部環(huán)境的變化[2]。智能循跡小車能根據(jù)環(huán)境的轉(zhuǎn)變，依靠其本身內(nèi)置的程序模塊知識庫，在很多十分復(fù)雜多變的場景中依舊能夠完成所制定的功能模塊，并具有一定的決策和適應(yīng)能力、自我學習能力和自我組織的能力[3]。為了讓智能小車能更加完善的完成預(yù)訂的功能模塊，在應(yīng)該所具有較高的智能化和普遍的應(yīng)用化技術(shù)研究，另一方面也應(yīng)該探討多類傳感器信息融合技術(shù)的發(fā)展，以獲得小車途徑中周圍環(huán)境更準確，更全面的信息。 1.2課題研究的目的及意義 1.2.1課題研究目的 智能化機器人的不斷涌現(xiàn)和此技術(shù)的迅速發(fā)展，使得傳統(tǒng)的生產(chǎn)發(fā)生了根本的改變，讓人類的生產(chǎn)方式從繁重且機械式勞動進入到了

11、機械與自動化智能的新時代。機器人技術(shù)是科學研究領(lǐng)域的一個極重要的焦點[4]。機器人研究集物理力學、電子、機械工程、計算機科學和自動控制為一個有機整體，是一個綜合性十分強的全面化學科。 1.2.2課題研究意義 伴隨著社會的飛速發(fā)展，科學技術(shù)水平的提高，人們都希望創(chuàng)造一種能夠代替人類來完成部分的危險或者其他的要求且擁有高等精度的工具，于是便誕生出了智能化學科?，F(xiàn)在所涌現(xiàn)出來的智能小車都發(fā)展的非常迅速，從智能化玩具到其他的各行各業(yè)都有了很大且實質(zhì)性的效果?？梢詫崿F(xiàn)基本的跟蹤循跡、避障、尋光進庫、規(guī)避懸崖等功能，部分電子設(shè)計大賽的智能汽車的重點都在在語音控制系統(tǒng)開發(fā)上有了非常大的偏移。 1.3課

12、題研究的主要內(nèi)容 包括距離感應(yīng)器在內(nèi)的機器人傳感器，使得自動化行駛成為一個機器人的重要組成部分。視覺傳感器的典型應(yīng)用領(lǐng)域就是自主智能導(dǎo)航系統(tǒng)，因為各種不同的視覺圖像處理技術(shù)的發(fā)展，機器視覺技術(shù)和基于圖像理解技術(shù)，需要通過大量的作業(yè)就可以知道一些簡單的結(jié)構(gòu)化的環(huán)境目標[6]。核心的設(shè)備是一個自動化場效應(yīng)管或視覺感光傳感器，視覺感光傳感器已經(jīng)能夠基本的實現(xiàn)自動化對焦。但是視覺感光傳感器的價格昂貴，使用得其在某些方面的優(yōu)勢是非常微弱的，所以在不需要一個非常清晰的圖像而只需要粗略感覺下，自動化場效應(yīng)管傳感器的使用系統(tǒng)被認為是一個最為實用和有效的選擇方法。 機器人要達成獨立導(dǎo)向引導(dǎo)效果以及避障的功能

13、模塊，就必須要規(guī)范和感知障礙，這就需要給予智能化設(shè)備一個十分精準的視覺引導(dǎo)線性函數(shù)。智能避障控制系統(tǒng)是基于自動化智能引導(dǎo)車輛系統(tǒng)(AVG -自動引導(dǎo)車輛)，在此系統(tǒng)實現(xiàn)自動識別的基礎(chǔ)上，讓我們的智能汽車能夠自動避開障礙，并且選擇正確的行駛道路[5]。使用一個優(yōu)秀可行的傳感器以及一個接近完美無重大問題的函數(shù)算法是小車能夠作出正確的判斷和相應(yīng)的步驟的一個至關(guān)重要的點。 智能汽車已經(jīng)可以說成為了智能機器人的一個十分典型的重要代表。它可以在結(jié)構(gòu)上大致的分為三個部分：傳感器檢測部分、執(zhí)行部分和中央智能處理器。機器人如果基本達成了自動避讓障礙物的效果模塊，還能夠?qū)⒋斯δ軕?yīng)用到感知軌道、遠離干擾物等其他方

14、面。 第2章 方案設(shè)計 2.1系統(tǒng)概述 根據(jù)實際的所需要求，所以使用以下解決方案：基于現(xiàn)有的電動智能化玩具汽車，配備基礎(chǔ)并精準的光電傳感器，實現(xiàn)電動智能小汽車的運行速度、位置都能夠進行實時檢測，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C中進行處理，然后根據(jù)所檢測到的不同的測試數(shù)據(jù)，反饋到單片機以實現(xiàn)智能控制此智能化電動小汽車。這個方案可以實現(xiàn)在進行實時運動的過程中同時使得電氣控制具有靈活、可靠、精度高的特點[6]。 由單片機作為整個系統(tǒng)的控制核心來控制的汽車性能指標。一個完整的分析系統(tǒng)，關(guān)鍵是要意識到汽車的自動控制，在這一點上，單片機將顯示其優(yōu)勢，其控制方便簡單，迅速快捷。因此，可以充分利用其豐富的資源和更加

15、強大的控制功能，可以解決其他控制核心出現(xiàn)的操作功能，價格等缺點。 2.2硬件模塊方案 2.2.1硬件模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 使用簡潔明了的系統(tǒng)設(shè)計方案。在智能循跡模塊中，使用紅外感應(yīng)以及高精度光電二極管來判斷所設(shè)置路徑，并進行跟蹤功能的工作；在智能避障模塊中，使用超聲波測距模塊檢測前方障礙。在獲得傳感器數(shù)據(jù)后，然后再由單片機通過IO口控制驅(qū)動模塊改變兩個直流電機的工作狀態(tài),最終實現(xiàn)自動跟蹤。 如圖2.1所示： 圖2.1智能循跡小車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 2.2.2各模塊功能概述 整體模塊可以分為以下幾個部分： 核心控制模塊：使用STC89C52單片機芯片作為主要控制單元。此單片機優(yōu)點十分的多，

16、也是我們在大學時使用頻率最高的一款單片機型號，因為其所具有的操作簡便，成本低廉，抗干擾能力十分強的特點而受到廣大電子技術(shù)者的喜愛。 循跡模塊：使用了紅外傳感器，因為其的信號穩(wěn)定性以及波形制式等原因，可以有效的減少外界的干擾因素所帶來的影響。信號采集部分相當于是智能循跡避障小車的眼睛，黑色引導(dǎo)線的識別和執(zhí)行的高電平和低信號傳送到控制單元中，控制驅(qū)動模塊和單片機指令生成控制兩個直流電機的工作狀態(tài),完成自動跟蹤。 避障模塊：采用反射式超聲波測距換能器，只要有物體反射超聲波時就能有信號輸入，再將接受信號的計時器值減去發(fā)送信號時計數(shù)器的值，就可以得出小車至所測量到的干擾物的距離。將此距離信息發(fā)送給核

17、心控制模塊，單片機將會根據(jù)程序設(shè)定使小車的行駛發(fā)生偏移，從而達到規(guī)避干擾物的目的。 紅外遙控模塊：采紅外模塊分為一個紅外接受元器件與一個紅外發(fā)射元器件（即紅外遙控器），通過紅外發(fā)射元器件發(fā)射對應(yīng)頻率的紅外接受元器件中。使得紅外接受元器件的信號發(fā)生改變，再將這個信號傳送到單片機中，單片機開始輸出控制指令，從而實現(xiàn)紅外控制。 驅(qū)動模塊：采取電機驅(qū)動芯片L293D作為智能循跡避障小車的驅(qū)動。這是一款具備有穩(wěn)定的H橋電機驅(qū)動系統(tǒng)的智能化芯片。L293D能夠同時對兩個直流電機進行控制。L293D可以使用外部核心進行控制，也可以使用單片機控制軟件,滿足各種復(fù)雜的電路。此外，L293D驅(qū)動的功率較大，可

18、以根據(jù)不同的輸入電壓和輸出電壓的大小和功率選擇不同的負載能力[7]。 直流電機：分為左右兩個直流電機。相比異步電動機，直流電機的控制方法更為簡單，只需要添加適當?shù)碾妷弘娋涂梢允闺姍C旋轉(zhuǎn)，在正常工作電壓范圍內(nèi)，電壓越高直流電機的旋轉(zhuǎn)速度越快。 電源模塊：由四節(jié)的1.5V的干電池作為電源。 2.3軟件模塊方案 現(xiàn)今，52系列單片機編程所使用的主要語言有兩種即匯編語言和C語言。 匯編語言是最接近機器語言，也是真正的面向?qū)ο蟮囊环N機器語言。它廣泛的應(yīng)用于程序相關(guān)的系統(tǒng)硬件，如訪問I / O端口，中斷處理程序等等，是最快速和最具有效力的語言之一，在有一定的空間和時間需求的情況下使用匯編語言程序

19、是最好的選擇，但匯編語言也有其自身的缺點與局限性，如項目開發(fā)周期長，浮點運算處理緩慢，復(fù)雜的和糟糕的應(yīng)用程序的可移植性等等。 在程序設(shè)計過程中，設(shè)計C語言的思想是：模塊化編程思想。在很多時候為了有效地完成任務(wù)，該語言將任務(wù)分為幾個相互獨立但仍然有著一定連接的一些個模塊。這些模塊中，每一個模塊的任務(wù)相對簡單，其模塊對外部數(shù)據(jù)交換也相對輕松，易于編寫，容易檢測，易于閱讀和維護。而且C語音編程的可移植性強，便于更多的人來進行修改和編寫。具體流程圖如下圖2.2所示： 圖2.2系統(tǒng)主程序流程圖 第3章硬件設(shè)計 3.1電源模塊 電源模塊只需所有器件采用統(tǒng)一的一種單一電源（即4節(jié)AA電池）。這樣供

20、電簡單快捷、電壓穩(wěn)定，成本低廉。 3.2核心控制模塊 本次設(shè)計中所采用的控制中心為STC89C52RC。該模塊主要分為供電部分、晶振電路部分、復(fù)位電路部分、下載接口部分、控制部分五大塊。其中供電部分給予單片機電源能量動力；晶振電路部分相當于是單片機的心臟，給予單片機一個穩(wěn)定的時鐘，讓單片機能夠在此時鐘的基礎(chǔ)上制造一定的時序；復(fù)位電路部分是將單片機進行初始化的過程中所需要的，在本次設(shè)計中并未使用；下載接口是用來給單片機進行程序下載的；控制核心即單片機，相當于是人類的大腦，整個設(shè)計的控制中心。 具體輸入輸出口配置如圖3.1所示： 圖3.1單片機系統(tǒng)簡單原理圖 3.3循跡模塊 紅外感應(yīng)器

21、的傳輸方式因為其抗干擾能力強、發(fā)射功率十分的巨大，已普遍應(yīng)用于智能化生產(chǎn)[8]。紅外感應(yīng)器根據(jù)其工作形式的不同大體上可以分為主動紅外探測器和被動紅外探測器，這兩種工作模式都是通過光的陰影以及光學方法如反射、折射來檢測對象至目標的位置。被動紅外探測器本身是不發(fā)射光源的，它只能被動的利用其他光源，通過接受目標其所被發(fā)現(xiàn)的特殊性特征光譜輻射來測量并探測物體本身至目標的位置、溫度或紅外成像。此工作模式下電機驅(qū)動系統(tǒng)十分的方便迅速，不過同時其功能精準性以及模塊抗干擾能力也相對來說比較差，主動紅外探測器由于其調(diào)制模式的連接通信問題，可以解決了交換耦合直流放大器漂移問題，這樣就可以大大的提高探測精度。與此同

22、時，大部分的時間信號干擾由于環(huán)境光直流或低頻分量可以用所預(yù)先設(shè)計的過濾器加以隔離開來，所以抗干擾能力十分的強大，缺點是具有相對被動紅外探測器來說更為復(fù)雜的系統(tǒng)。具體原理圖如圖3.2所示。 圖3.2循跡模塊設(shè)計原理圖 根據(jù)方案選擇采用了被動式紅外循跡檢測方法，這種方法根據(jù)使用所發(fā)射信號的在具有差異的對象的不同光譜中有不同的曲射特性，智能小汽車在地面中駕駛的連續(xù)過程中不斷的發(fā)射一定的特征紅外感光光線，特征紅外感光光線漫反射在地板上的白光再轉(zhuǎn)換為反射光，被安裝在小車底部的紅外自動接收管；而我們預(yù)先設(shè)置好的黑色引導(dǎo)線會將特征紅外感光光線吸收，不可能會讓一個自動紅外接收管所接收到。根據(jù)核心控制模塊所

23、接收到的信號反饋來實現(xiàn)對引導(dǎo)線的距離以及小車的前進方向進行調(diào)整。紅外探測器探測范圍也是有一定局限性的，一般來說是不會超過3厘米的。但由于我們是將紅外探測器安裝在小車底部，從地面近距離的漫反射到傳感器的距離十分的近，所以在此設(shè)計中紅外探測器的使用是足以實現(xiàn)跟蹤功能的。 3.4避障模塊 本次設(shè)計中采用的是反射式超聲波測距換能器，相比紅外傳感器，反射式超聲波測距換能器的設(shè)計模塊系統(tǒng)更加簡單方便，同時因為其超聲波的特性，在不同的介質(zhì)中傳輸速度更為穩(wěn)定，而紅外避障模塊的整體設(shè)計更為復(fù)雜，抗干擾能力也相對反射式超聲波測距換能器來說更差，所以使用反射式超聲波測距換能器更為合適。原理圖如圖3.3所示。

24、超聲波測距的原理是利用單片機持續(xù)的輸出一個頻率為40KHZ的輸出觸發(fā)電平信號，將之前所發(fā)出的輸出觸發(fā)電平信號通過三角針輸入至超聲波測距模塊，再通過發(fā)射器的一個方向發(fā)射超聲波，超聲波測距模塊在單片機軟件定時器時鐘電路的開始時刻開始進行計數(shù)計時。超聲波在空氣中進行傳播，遇到障礙物之后將會在進行返回[9]。超聲波測距模塊接收到遇到障礙之后返回的反射波之后，接收到回波信號之后生成的響應(yīng)將會反饋到單片機，在這個時候單片機就會立即停止計時。如下圖是超聲波模塊的電路原理圖，由于超聲波的傳播速度為已知，故可以根據(jù)計時器開始記錄的時間，以及遇到一個障礙物之后返回時單片機收到的反饋時間就可以計算的距離。為使得超聲

25、波模塊能夠更加的精確，故將其獨立設(shè)置一個電源模塊，下圖3.4為超聲波模塊電源原理圖。 圖3.3超聲波模塊原理圖 圖3.4超聲波模塊電源原理圖 3.5無線遙控模塊 無線遙控模塊根據(jù)方案論證是使用紅外遙控來實現(xiàn)的。 一般來說常用的紅外遙控系統(tǒng)通常是由一個紅外發(fā)射器件（即紅外電子遙控器）以及紅外接受兩個模塊構(gòu)成的，使用已經(jīng)高度集成的專業(yè)編碼芯片運行程序所需的指令。放射模塊一般都包括有：外設(shè)鍵盤矩陣、編碼調(diào)制解讀器、紅外發(fā)送器件等，而接受部分包括光電數(shù)模放大穩(wěn)壓器件、解碼電路、解調(diào)電路等部分構(gòu)成的。具體流程圖如圖3.5所示。 圖3.5紅外無線遙控系統(tǒng)示意圖 在紅外發(fā)射器（即遙控器）發(fā)射紅

26、外信號時，首先得根據(jù)信號的不同選擇相應(yīng)的矩陣按鍵，根據(jù)命令的不同，所需的按鍵遙控編碼也是不相同的。其具體的波形圖如圖3.6所示。 圖3.6紅外遙控解碼波形圖 紅外接受器件可以選擇使用集成了光電放大器一級紅外接收器于一體的紅外接受器件，不在需要外加任何的外部器件。十分的簡潔方便。且能夠正常的完成由接受到的紅外信號到轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程中的所有工作，同時體型相當?shù)男∏桑鄳?yīng)的電路也更加簡單。 3.6電機驅(qū)動模塊 3.6.1直流驅(qū)動電機的原理 直流驅(qū)動電機是根據(jù)一個穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓電源的能量輸入，再根據(jù)輸入的電壓以及所設(shè)置的電路來輸出不同機械能的機械。如下圖所示為常用的驅(qū)動電機原理內(nèi)部設(shè)計圖

27、。一般來說我們稱呼這個電路為“H橋驅(qū)動電路”，因為此電路的整體外形像是英文中的大寫字母的“H”[10]。一共有四個穩(wěn)壓電源的三極管環(huán)繞在驅(qū)動電機的四周。要使得驅(qū)動電動機能夠正常的工作,必須要讓所處與對角線上的兩對穩(wěn)壓三極管同時導(dǎo)通。根據(jù)所需要求的不同，在不同的條件下穩(wěn)壓三極管的傳導(dǎo)電流的方向可變，可以是從左到右穿過電動機，也可以是從右到左穿過驅(qū)動電動機。根據(jù)傳導(dǎo)電流方向的不同從而控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)向。如下圖3.7所示。 圖3.7“H”橋驅(qū)動電路原理圖 如上所述，要使得驅(qū)動電動機能夠正常的工作，必須要讓所處與對角線上的兩對穩(wěn)壓三極管同時導(dǎo)通。舉個例子：當左上角的穩(wěn)壓三極管與處于其對角線的右下角

28、穩(wěn)壓三極管同時進行工作，這個時候電機的電流就會從電源的正極經(jīng)過左上角穩(wěn)壓三極管從左至右穿過我們的驅(qū)動電機，之后再經(jīng)過右下角穩(wěn)壓三極管回到驅(qū)動電機電源的負極，此時電機將會向右偏移。這種狀態(tài)下，驅(qū)動電機將會順時針轉(zhuǎn)動。同理當左下角穩(wěn)壓三極管與處于其對角線的右上角穩(wěn)壓三極管同時導(dǎo)通，這個時候電機的電流就會從電源的負極經(jīng)過左下角穩(wěn)壓三極管從右至左穿過我們的驅(qū)動電機，之后再經(jīng)過右上角穩(wěn)壓三極管回到驅(qū)動電機電源的正極。這種狀態(tài)下，驅(qū)動電機將會逆時針轉(zhuǎn)動。 3.6.2直流電機驅(qū)動電路 在本次設(shè)計中，直接使用封裝好的電機驅(qū)動電路，即使用電機驅(qū)動芯片L293D。 如下圖3.8為L293D的電路圖： 圖3

29、.8L293D 電路圖 可以看出此芯片其內(nèi)部電路就是H橋驅(qū)動電路。下圖3.9為L293D的引腳圖： 圖3.9L293D引腳圖 相比于普通的直流驅(qū)動電機電路，使用L293D芯片是通過控制脈沖負載比算法來實現(xiàn)速度控制。這種方式具有更加良好的調(diào)速特性、平和調(diào)整速度、可調(diào)速度更大、裝載能力也更加強大。 由于在本次設(shè)計中，驅(qū)動電機是靠單片機來控制的。所以說我們最終是靠單片機的I/O的脈沖來控制H橋中穩(wěn)壓三極管的導(dǎo)通與短路，從而控制直流驅(qū)動電機封裝L293D進行左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進或后退等不同的指令。 下表為L293D芯片的四個輸出口在不同的導(dǎo)通情況下所執(zhí)行的狀態(tài)指令。 其中“1”指此I/O口輸出

30、高電平，“0”指此I/O口輸出低電平。 out1 out2 out3 out4 狀態(tài) 1 0 0 1 前行 0 1 1 0 后退 1 0 1 0 左轉(zhuǎn) 0 1 0 1 右轉(zhuǎn) 根據(jù)如上所示的原理即設(shè)計，便可得出如圖3.10所示的電路原理圖。 圖3.10電機驅(qū)動模塊原理圖 3.7拓展模塊 在本次設(shè)計中，除了必要的循跡功能模塊以及避障功能模塊外，還加入了一些可拓展模塊。此類模塊功能更為復(fù)雜，所以完成難度更高。 3.7.1智能尋光模塊 智能尋光模塊中，尋光性的收集信息來源是使用光敏電阻的電氣特性，將電壓比較器的原始信號和處理信號輸入到單片機

31、中，利用此信號就能夠?qū)饩€的強弱進行比較，從而得出光強的多少來完成相應(yīng)的模塊功能。利用軟件程序來代替冗長的硬件原理模塊，這樣還可以使系統(tǒng)更加的靈活，使系統(tǒng)硬件更加的簡潔，更容易實現(xiàn)各種各樣的功能[11]。 使用光敏電阻的電氣特性尋光有兩種方法：采用光敏二極管的感光特性來實現(xiàn)對光源的檢測，在這種方法下，二極管響應(yīng)快，制作十分簡潔，同時用到的材料還環(huán)保，但是一般靈敏度比光敏電阻低，而且穩(wěn)定性差；而利用光敏電阻的高靈敏感光特性，除了所得到的信號具有光譜特性一致性等優(yōu)點以外，在外部環(huán)境十分惡劣的情況下，也能夠十分穩(wěn)定的保持其功能模塊的可靠性；即使是在完全黑暗的環(huán)境里，它的電阻值依舊很高，而當其受到光

32、線照射時，其電阻成線性函數(shù)關(guān)系改變。 下圖3.11為智能尋光拓展模塊原理圖。 圖3.11智能尋光拓展模塊原理圖 在此模塊中使用的電壓比較器是否適合是尋光模塊是否能夠運行，運行結(jié)果是否精準的重點，在本次設(shè)計中我使用的是電壓比較器LM393。 如下圖3.12為LM393電壓比較器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。 圖3.12LM393內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 它可與光敏二極管的輸入端相連，接收由電阻值變化產(chǎn)生的光，將模擬信號轉(zhuǎn)換為輸入電壓比較器的輸入電壓，該電壓信號的變化與電壓比較器的反相輸入端的基準電壓相比，電壓比較器的輸出電壓高于電壓比較器的輸出電壓，這個時候同相電壓將會大于反向側(cè)電壓，當相同的相電壓小于反向電壓時，

33、電壓比較器的輸出端將輸出一個低電平電壓，并且將電壓信號發(fā)送給單片機。從而能夠?qū)崿F(xiàn)尋光的目的[12]。 下圖3.13中為電壓比較器的引腳圖。 圖3.13LM393電壓比較器引腳圖 第4章 軟件模塊 4.1循跡程序模塊 智能循跡模塊流程圖如下圖4.1所示： 圖4.1 智能循跡模塊流程圖 當單片機進行初始化之后，智能循跡避障小車將會先前進一小段，之后將會讓左前燈指示左前紅外探測狀態(tài)，即如果左側(cè)紅外探頭檢測到黑色引導(dǎo)線，探頭正常工作，則智能循跡避障小車前方左側(cè)指示燈就會發(fā)光。同理右前燈指示右前紅外探測狀態(tài)。同時，蜂鳴器根據(jù)紅外探頭的狀態(tài)開始發(fā)出聲音。 在初始化之后，單片機根據(jù)紅外探頭的

34、狀態(tài)檢測，與其對應(yīng)的I/O進行掃描。再根據(jù)所得到的掃描結(jié)果檢測紅外探頭是否檢測到黑色引導(dǎo)線。假設(shè)右側(cè)紅外探頭沒有信號但左側(cè)紅外探頭有信號時，即黑色引導(dǎo)線在向左側(cè)偏移，此時開始電機開始左轉(zhuǎn)，在經(jīng)過十分短暫的延時之后，再次判斷是否還需繼續(xù)左轉(zhuǎn)，直至角度正確為止。同理，假設(shè)左側(cè)紅外探頭沒有信號但右側(cè)紅外探頭有信號時，即黑色引導(dǎo)線在向右側(cè)偏移，此時開始電機開始右轉(zhuǎn)，在經(jīng)過十分短暫的延時之后，再次判斷是否還需繼續(xù)左轉(zhuǎn)，直至角度正確為止。 4.2避障程序模塊 智能避障程序流程圖如下圖4.2所示： 圖4.2智能避障程序流程圖 智能避障程序主要是根據(jù)小車前方的避障模塊是否有接收到所發(fā)出的信號來決定的。

35、當小車前方檢測到前方出現(xiàn)不明干擾物的時候，蜂鳴器將會開始鳴叫發(fā)聲，提示小車開始準備避開障礙物。在這個時候小車開始停止運行，為了防止穩(wěn)壓電機的反向沖擊電壓進入單片機中，導(dǎo)致單片機系統(tǒng)開始初始化復(fù)位，從而使得程序壞死，故在此設(shè)置一個短暫的延時程序。在小車停止之后，為避開障礙物，小車將會開始向后行駛短暫的距離，使得障礙物與小車保持一定的空間。在成功避開障礙物后，驅(qū)動電機開始左向偏轉(zhuǎn)，小車左轉(zhuǎn)。待調(diào)整到一個合適的角度，小車繼續(xù)向前行駛，直至其再次遇到其他障礙物。 4.3無線遙控程序模塊 無線紅外遙控程序模塊流程示意圖如下圖4.3所示： 圖4.3無線紅外遙控解碼程序流程圖 首先需要開始并且初始化

36、定時器，關(guān)閉外部中斷，防止再有信號到達紅外接收器中導(dǎo)致程序出現(xiàn)運行死掉的情況，之后需要設(shè)置一個短暫的延時程序，用以進行紅外發(fā)射器的按鍵消除抖動。接著判斷紅外發(fā)射器的發(fā)射信號是否消失，如果消失則可能只是按鍵的抖動，則程序不需要進行執(zhí)行，這個時候可以再次打開外部中斷，并返回到程序開始。 在能夠檢測到紅外發(fā)射器的發(fā)射信號依舊持續(xù)存在的情況下，將會對接受到的紅外信號進行一個相應(yīng)的采集，如上圖流程圖中，其實都只是按照相應(yīng)的編碼進行一定的采集，從而確定紅外發(fā)射器所發(fā)出的指令信號具體是哪一個。原理圖如下圖4.4所示。 圖4.4無線紅外遙控原理圖 程序所設(shè)置的管腳以及無線紅外遙控整體原理圖如上圖所示，可

37、以看出紅外接受器件十分的簡潔。在單片機接受到紅外發(fā)射器所發(fā)出的紅外信號，經(jīng)過紅外接收器件的信號接受之后，根據(jù)之前所述的程序解碼流程圖，單片機將會得到一個清晰明確的由紅外發(fā)射端所發(fā)射出的命令。根據(jù)這個命令，單片機將進行相應(yīng)的指令。 目前由于驅(qū)動電機的選擇，故單片機能夠接受到的指令為驅(qū)動電機的五種狀態(tài)，即：前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止。在單片機接受到這五個指令中的其中一種之后，將會開始調(diào)用驅(qū)動電機程序模塊的子程序，來使小車進行相應(yīng)的狀態(tài)改變。 4.4尋光拓展程序模塊 尋光拓展模塊是根據(jù)安裝在小車兩側(cè)的光敏電阻的阻值，經(jīng)過電壓比較器之后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由單片機根據(jù)此數(shù)字信號來進行相應(yīng)處理的。

38、所以單片機將會一直讀取兩邊光敏電阻的輸出電壓是多少。在兩側(cè)的光敏電阻同時檢測到光源時，即小車整體都處于光線的照射下，這個時候驅(qū)動電機將會保持直線前進。然而，當左側(cè)光敏電阻檢測到光線時且右側(cè)光敏電阻未檢測到光線時，單片機將會使得驅(qū)動電機開始停止前進，并向左側(cè)方向偏轉(zhuǎn)，此時小車將會左轉(zhuǎn)；當左側(cè)光敏電阻未檢測到光線時且右側(cè)光敏電阻檢測到光線時，單片機將會使得驅(qū)動電機開始停止前進，并向右側(cè)方向偏轉(zhuǎn)，此時小車將會右轉(zhuǎn)。當左右兩側(cè)的光敏電阻都沒有檢測到光線時，驅(qū)動電機停止運行，小車將會停下。 尋光拓展程序流程如圖4.5所示。 圖4.5尋光拓展模塊程序流程圖 4.5驅(qū)動電機程序模塊 驅(qū)動電機程序模塊

39、主要是根據(jù)下表來進行配置單片機對應(yīng)的輸入輸出端口： M1A M1B M2A M2B 狀態(tài) 0 0 0 0 停止 1 0 1 0 前進 0 1 0 1 后退 0 1 1 0 左轉(zhuǎn) 1 0 0 1 右轉(zhuǎn) 其程序輸入輸出端口的輸出電平情況是由單片機控制執(zhí)行的，當電機M1的A、B兩個端口以及電機M2的A、B兩個端口輸出都為0時，電機停止運行，小車禁止不動；當電機M1和電機M2的A端為1，且電機M1和電機M2的B端為0時，小車向前行駛；當電機M1和電機M2的A端為0，且電機M1和電機M2的B端為1時，小車后退，向后行駛。當電機M1的B端和電機

40、M2的A端為1，且電機M2的B端和電機M1的A端為0時，小車向左行駛；當電機M1的B端和電機M2的A端為0，且電機M2的B端和電機M1的A端為1時，小車向右行駛。 第5章 系統(tǒng)測試與分析 依照本次論文的計劃選擇，總體體系調(diào)試分析大體上可分為硬件測試分析和軟件測試分析兩大類。由于硬件設(shè)計所使用的元器件種類及個數(shù)較為繁雜，故需先將元器件的原理圖脈絡(luò)整理清晰。 5.1硬件調(diào)試 在整體方案及模塊原理確定下來之后，還需對整體的原理圖以及單片機的各個輸入輸出端口進行合理的分配。還要完整全面的對整體設(shè)計進行思考，是否有哪些地方存在不足，有哪些地方還能有所改進。 最終確定了如下圖5.1所示的原理圖：

41、 圖5.1智能循跡避障小車原理圖 在原理圖設(shè)計好之后開始整理元器件，根據(jù)所設(shè)計的原理圖對小車進行相應(yīng)的焊接工作。焊接時要細致、仔細同是要對照原理圖檢查清楚，盡量的避免出現(xiàn)斷線、虛焊、假焊等問題。 待焊接完成之后還需再次對電路板進行一次檢查，在檢查無誤之后可以使用萬用表進行相應(yīng)的檢測。首先使用用萬用表測量主觀意識上認為容易出現(xiàn)問題的地方，之后對電路圖整體進行測量檢測，要特別值得注意的是電源和地是否存在短路的問題，一旦短路將會導(dǎo)致整個電路無法工作，嚴重的還會燒毀電路中的元器件。 在用萬用表檢查清楚確認無誤之后才能對電路板上電進行檢查，當給電路板加電時，要事先查看電子元器件的電源耐壓值是不是

42、處在元器件的額定合理值，上電后再用萬用表的電壓檔查看關(guān)鍵點電壓是不是處在所需范圍內(nèi)。 上電之后開始測試各個模塊的功能是否正常。如出現(xiàn)問題則對出現(xiàn)問題的模塊進行隔離，排查出現(xiàn)的問題可能是由哪些原因?qū)е碌?，查找出原因后開始解決問題。 在測試各個模塊的功能都正常時，還需要經(jīng)過調(diào)整循跡模塊功能板上的滑動變阻器的阻值來調(diào)節(jié)紅外探測器的靈敏程度。靈敏度太大的話，會導(dǎo)致小車在環(huán)境不穩(wěn)定的情況下容易受到干擾，靈敏度太小的話可能導(dǎo)致小車無法正常的工作使用。需要多次實驗調(diào)整到一個合適的值。 在小車各個模塊的功能能夠完美實現(xiàn)的情況下，對小車的器件以及連接的螺母，焊點等進行加固，防止小車在行駛的過程中部件模塊掉

43、落等情況的出現(xiàn)。 5.2軟件調(diào)試 系統(tǒng)軟件模塊部分的調(diào)試的流程為：首先編寫各個模塊的獨立子程序，要注意的是不能夠出現(xiàn)全局變量導(dǎo)致模塊與模塊之間的變量沖突，編寫各個模塊的獨立子程序完成之后還需檢查清楚，程序是否每一步都是按照程序流程圖所繪制的走向，程序是否出現(xiàn)錯誤，出現(xiàn)了錯誤的問題能否解決。 等各個模塊的獨立子程序編寫完成之后還需對整體程序進行整合匯總。在匯總的過程中需要注意的是整體程序的流程指向，在調(diào)用子程序時是否合理，有沒有考慮不周全的地方，各個輸入輸出管腳的分配是否合理。這些問題都解決之后開始運行程序，對整個程序進行測試調(diào)通。 程序確定沒有出現(xiàn)問題之后開始匯編，并用Keil軟件生成

44、HEX文件燒寫至單片機中。觀察小車工作運行是否正常。 通過軟件調(diào)試檢查出編寫的程序中出現(xiàn)過了許許多多各式各樣的問題。經(jīng)過不知多少次的各個模塊的獨立子程序的修改，一步一步的慢慢的完善整體程序，來解決出現(xiàn)的問題。 最終編寫出了一套可以穩(wěn)定使用的程序。 總結(jié) 參考文獻： [1] 謝自美·電子線路設(shè)計.試驗.測試 [M] ·華中科技大學出版社，2004 [2] 宗光華·機器人的創(chuàng)意設(shè)計與實踐 [M] ·北京航空航天大學出版社，2004 [3] 肖景和·紅外線熱釋電與超聲波遙控電路[M] ·人民郵電出版社，2003 [4] 靳 桅·單片機原理及應(yīng)用[M] ·西南交通大學出版社，

45、2004 [5] 王毅編著·單片機器件手冊[M] ·人民郵電出版社,1994 [6] 何立民·單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M] ·北京航空航天大學出版社，1995 [7] 軟件Keiluvision2、ISP 說明書，芯片89C51RA2xx說明書 [8] 丹尼斯.克拉克機·器人設(shè)計與控制[M] ·科學出版社，2004 [9] 楊幫文·新編傳感器實用寶典[M] ·機械工業(yè)出版社，2005 [10] 周堅編·單片機C語言輕松入門[M] ·北京航空航天大學出版社,2006 [11] OppenheinAV, SchaferR·Discrete-TimeSignalProcessing [M] ·EnglewoodCliffs，NJ: Prentice-Hall, 1989 [12] ProakisJG, ManolakisDG·IntroductontoDigitalSignalProcessing [M] ·NewYork: MacmillanPublishingCompany,1988·234 附錄 附錄A：英文原文（單獨裝訂） 附錄B：中文翻譯（單獨裝訂） 附錄C：主要源程序（單獨裝訂） 致謝