智能清障小車設(shè)計(jì)說明書[帶圖紙]

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</b></p><p>　圖書分類號(hào)：</p><p>　密 級(jí)：</p><p>　　徐州工程學(xué)院學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明</p><p>　　本人鄭重聲明： 所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論

2、文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)注。</p><p>　　本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。</p><p>　　論文作者簽名： 　　 　　日期： 　　 年 　月　 　日</p><p>　　徐州工程學(xué)院學(xué)位論文版權(quán)協(xié)議書</p>&l

3、t;p>　　本人完全了解徐州工程學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：本校學(xué)生在學(xué)習(xí)期間所完成的學(xué)位論文的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸徐州工程學(xué)院所擁有。徐州工程學(xué)院有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的紙本復(fù)印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱。徐州工程學(xué)院可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。</p>

4、<p>　　論文作者簽名： 　　 導(dǎo)師簽名： 　　 </p><p>　　日期： 　　 年 　月　 　日 日期： 　　 年 　月　 　日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　智能小車在自動(dòng)化生產(chǎn)線、倉(cāng)庫(kù)管理、機(jī)器人服

5、務(wù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、航空航天等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。本文介紹了一款集自動(dòng)尋跡、障礙物監(jiān)測(cè)、障礙物清除等功能于一體的智能小車。智能小車采用AT89S52單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心，利用反射式光電傳感器檢測(cè)識(shí)別黑線，通過比較器反饋高低電平信號(hào)給單片機(jī)，從而控制直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)尋跡功能。安裝于車體前端的點(diǎn)觸開關(guān)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)黑線上的障礙物，一旦觸發(fā)開關(guān)，拉低所接單片機(jī)I/O口，觸發(fā)外部中斷，從而控制機(jī)械手夾持障礙物，配合小車運(yùn)動(dòng)，達(dá)到清除障礙物的目的。本課題研

6、制的智能小車樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明了本文敘述的技術(shù)方案的有效性和正確性，可以為今后全國(guó)及省內(nèi)電子大賽提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞 單片機(jī)；傳感器；循跡；清障；</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Intelligent car has been widely used in automated pro

7、duction lines, warehouse management, robotics services,environmental monitoring, aerospace and other fields.This paper introduces a intelligent car, with the functions of automatic driving, barriers monitoring and barrie

8、rs removing . The intelligent car use AT89S52 SCM as control core. By using reflective photoelectric sensor to detect the information of black track,the intelligent car acquires the information and sends them to the MCU

9、to cont</p><p>　　Keywords SCM sensor track finding barriers removing</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII<

10、/p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 智能化小車發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)1</p><p>　　1.1.1 課題背景1</p><p>　　1.1.2 移動(dòng)式機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2 研究的目的和意義2</p><

11、;p>　　1.3 研究的內(nèi)容2</p><p>　　第2章 智能清障小車系統(tǒng)4</p><p>　　2.1 系統(tǒng)總體方案4</p><p>　　2.2 系統(tǒng)方案論證4</p><p>　　2.2.1 車體方案論證4</p><p>　　2.2.2 小車結(jié)構(gòu)方案論證5</p><p

12、>　　2.2.3 障礙物清理單元方案論證5</p><p>　　2.2.4 控制器方案論證6</p><p>　　2.2.5 供電單元方案論證6</p><p>　　2.2.6 障礙物識(shí)別單元方案論證7</p><p>　　2.2.7 運(yùn)動(dòng)單元方案論證8</p><p>　　2.2.8 循跡單元方案論證

13、9</p><p>　　2.3 系統(tǒng)最終方案10</p><p>　　第3章 智能清障小車硬件設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.1 系統(tǒng)硬件電路介紹12</p><p>　　3.2 障礙物監(jiān)測(cè)模塊介紹12</p><p>　　3.3 障礙物清理模塊介紹13</p><p>　　3.

14、3.1 機(jī)械手介紹13</p><p>　　3.3.2 機(jī)械手控制電路介紹13</p><p>　　3.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)介紹15</p><p>　　3.4.1 AT89S52單片機(jī)簡(jiǎn)介16</p><p>　　3.4.2 單片機(jī)使用資源規(guī)劃17</p><p>　　3.5 供電模塊介紹17</p&

15、gt;<p>　　3.6 尋跡模塊介紹17</p><p>　　3.7 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊介紹19</p><p>　　第4章 智能清障小車軟件部分22</p><p>　　4.1 軟件開發(fā)平臺(tái)22</p><p>　　4.2 軟件開發(fā)調(diào)試23</p><p>　　4.2.1 舵機(jī)工作程序仿真

16、23</p><p>　　4.2.2 直流電機(jī)工作程序仿真24</p><p>　　4.3 系統(tǒng)軟件流程25</p><p>　　4.4 尋跡軟件流程27</p><p>　　4.5 障礙物檢測(cè)及清理軟件流程28</p><p>　　第5章 系統(tǒng)測(cè)試30</p><p>　　5.1

17、測(cè)試場(chǎng)景介紹30</p><p>　　5.2 實(shí)際測(cè)試過程30</p><p>　　5.3 測(cè)試結(jié)果分析32</p><p><b>　　結(jié) 論33</b></p><p><b>　　致 謝34</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35&l

18、t;/b></p><p><b>　　附錄I36</b></p><p><b>　　附錄II37</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 智能化小車發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)</p><p>　　1.1.

19、1 課題背景</p><p>　　肩負(fù)著人類探測(cè)火星使命的“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)分別于2004年1月3日和1月24日在火星不同區(qū)域著陸，并于2004年4月5日和2004年4月26日相繼通過所有“考核標(biāo)準(zhǔn)”。美國(guó)宇航局的孿生火星車探測(cè)計(jì)劃至此正式宣告取得圓滿成功。美國(guó)宇航局科學(xué)家和工程師先設(shè)立了一系列硬指標(biāo)，作為判定兩輛火星車聯(lián)合探測(cè)計(jì)劃是否能成功的依據(jù)。按照規(guī)定，每輛火星車都需要至少工作90個(gè)火星日(約地球上的9

20、2天)，在火星上行駛總里程至少達(dá)到600米，至少造訪8個(gè)不同地點(diǎn)，必須拍下周圍環(huán)境的立體和彩色全景照片。“勇氣”號(hào)是迄今美國(guó)發(fā)射的最尖端的火星探測(cè)裝置，其頂部的桅桿式結(jié)構(gòu)上裝有全景照相機(jī)及具有紅外探測(cè)能力的微型熱輻射分光計(jì)?；鹦擒嚹軌蛟诨鹦巧献灾餍旭?，當(dāng)火星車發(fā)現(xiàn)值得探測(cè)的目標(biāo)，它會(huì)驅(qū)動(dòng)六個(gè)輪子向目標(biāo)行駛；在檢測(cè)到前進(jìn)方向上的障礙后，火星車會(huì)去尋找可能的最佳路徑[1]。</p><p>　　類似火星車，以輪子作為

21、移動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)自主行駛的機(jī)器人，我們稱之為智能小車，又稱輪式機(jī)器人。</p><p>　　智能小車是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動(dòng)行駛等功能于一體的智能輪式機(jī)器人，它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。智能小車作為現(xiàn)代高科技的產(chǎn)物，是21世紀(jì)的科技亮點(diǎn)之一。智能小車技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)該說它是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)綜合性結(jié)果。同時(shí)，它為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一門有著重大影響的

22、科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)后各國(guó)加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，而對(duì)輪式機(jī)器人的研究成果又提高了本國(guó)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平。比如說日本戰(zhàn)后開始進(jìn)行汽車工業(yè)，這時(shí)候由于它人力的缺乏，它迫切需要一種機(jī)器人來進(jìn)行大批量的制造，提高生產(chǎn)效率降低勞動(dòng)成本，這是社會(huì)發(fā)展本身的一個(gè)需求。另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，人類在不斷探討自然、認(rèn)識(shí)自然、改造自然過程中，需求一種能夠解放人的自動(dòng)化裝置。那么這種自動(dòng)化裝置就是代替人們

23、能夠從事復(fù)雜和繁重的體力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)不可達(dá)到的世界的認(rèn)識(shí)和改造，這也是人們?cè)诳萍及l(fā)展過程中的一個(gè)客觀需要。但另一方面，盡管人們有各種各樣好的想法，它也歸功于電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)及制造技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展提供額強(qiáng)大技術(shù)保證[2]。</p><p>　　目前，許多國(guó)家已經(jīng)把智能小車方面的比賽作為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段。智能小車涉及到多個(gè)學(xué)科，如：電工、機(jī)械、自動(dòng)控制、人工智能、傳感技術(shù)等，是眾多領(lǐng)域中的高科技。智能

24、小車比賽是一種高科技對(duì)抗活動(dòng)，各國(guó)專家學(xué)者通過這項(xiàng)競(jìng)賽，不斷推進(jìn)了輪式機(jī)器人方面的研究，通過不斷改進(jìn)輪式機(jī)器人尋址速度和算法研究，試圖讓輪式機(jī)器人更接近智能化，它集高科技、娛樂和競(jìng)賽于一體，引起了各國(guó)的廣泛關(guān)注和極大興趣，從而推動(dòng)了輪式機(jī)器人的研究熱潮。</p><p>　　1.1.2 智能化小車在國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　我國(guó)智能化小車研究主要有：1)以MCS-51單片機(jī)為控制核

25、心，結(jié)合多種傳感器實(shí)現(xiàn)尋跡、測(cè)速、避障、清障等功能[3]；2)基于FPGA的智能小車系統(tǒng)，即本地計(jì)算機(jī)通過接入Internet小車實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端工作現(xiàn)場(chǎng)、危險(xiǎn)環(huán)境地段等特殊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)視和控制的系統(tǒng)，這種智能小車可以適應(yīng)不同環(huán)境，不受溫度、濕度、空間、磁場(chǎng)輻射、重力等條件的影響，可以在人類無法進(jìn)入或生存的環(huán)境中完成人類無法完成的探測(cè)任務(wù)[4]；3)以Freesealel6位單片機(jī)MC9S12DGl28作為系統(tǒng)控制處理器，基于CCD傳感器采集視

26、頻圖像，通過對(duì)獲得的圖像進(jìn)行處理分析，獲得道路信息提取賽道黑線，并結(jié)合測(cè)速反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的閉環(huán)反饋控制，后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊采用了模糊PID控制算法，充分利用了內(nèi)部提供的模糊推理機(jī)[5]；4)基于DSP的智能小車系統(tǒng)，該系統(tǒng)以DSP單片機(jī)作為處理器，用RFl2作為通信模塊，將所采集的溫濕度傳送到上位機(jī)，利用蟻群算法實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)避障功能，避障功能模塊我們采用多超聲波傳感器來實(shí)現(xiàn)[6]；5) 以LPC2368為核心搭建智能

27、小車的控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，通過光電碼盤、防碰開關(guān)、超聲波傳感器</p><p>　　1.2 研究的目的和意義</p><p>　　機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋跡功能和檢測(cè)障礙物功能就必須要有感知導(dǎo)引線，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個(gè)視覺功能。智能小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別路線和檢測(cè)障礙物使用傳感器感知路線并作出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作,選擇正確的行進(jìn)路線。通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的能力。在實(shí)踐

28、過程中，熟悉以單片機(jī)為核心控制芯片，設(shè)計(jì)小車的檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)和顯示等外圍電路，結(jié)合障礙物監(jiān)測(cè)和清除模塊，實(shí)現(xiàn)小車的循跡清障功能。靈活應(yīng)用機(jī)電等相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí)，聯(lián)系實(shí)際電路設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)方法，達(dá)到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。</p><p>　　本課題利用AT89S52設(shè)計(jì)了一種嵌入式智能尋跡小車，在傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和軟件的控制下，能夠智能地完成行走路線探測(cè)、監(jiān)測(cè)障礙物、清除障礙物等任務(wù)，與傳統(tǒng)的遙控玩具車相比，具有一定的獨(dú)

29、立性和智能性。</p><p><b>　　1.3 研究的內(nèi)容</b></p><p>　　本課題設(shè)計(jì)的智能清障小車具有自動(dòng)尋跡、障礙物檢測(cè)、障礙物清除等功能。整體設(shè)計(jì)可分為機(jī)械和電氣兩部分：機(jī)械部分主要包括車體結(jié)構(gòu)和機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，目前車體主要有輪式和履帶式兩種可供選擇，機(jī)械手設(shè)計(jì)需根據(jù)障礙物進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加緊力計(jì)算等；電氣部分主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、供電模塊、

30、運(yùn)動(dòng)模塊、尋跡模塊、障礙物監(jiān)測(cè)模塊組成。采用MCS-51系列中的AT89S52單片機(jī)制作最小系統(tǒng)，直流電機(jī)作為小車動(dòng)力源并通過驅(qū)動(dòng)芯片控制小車的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向，利用光電傳感器識(shí)別黑線，經(jīng)比較器反饋信號(hào)最終實(shí)現(xiàn)尋跡功能，點(diǎn)觸開關(guān)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)黑線上的障礙物，整個(gè)系統(tǒng)通過雙電源供電，12V穩(wěn)壓電源一部分供運(yùn)動(dòng)模塊使用，另一部分經(jīng)轉(zhuǎn)換，供單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、尋跡模塊、障礙物監(jiān)測(cè)模塊使用，機(jī)械手上的舵機(jī)由5V干電池供電。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、可靠性

31、高。</p><p>　　第2章 智能清障小車系統(tǒng)</p><p>　　2.1 系統(tǒng)總體方案</p><p>　　經(jīng)過對(duì)本設(shè)計(jì)要求的分析，提出了不同的方案，需要進(jìn)行方案論證：機(jī)械部分主要是車體和機(jī)械手控制方式的選擇；電氣部分主要有主控制器的選擇，供電模塊的設(shè)計(jì)，循跡傳感器的選擇，障礙物監(jiān)測(cè)傳感器的選擇。主要構(gòu)成如圖2-1的系統(tǒng)，單片機(jī)最小系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心

32、，尋跡電路模塊反饋信號(hào)給單片機(jī)，通過控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，使小車按要求運(yùn)動(dòng)，障礙物監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)黑線上是否有障礙物，一旦觸發(fā)，單片機(jī)控制清障單元模塊清除障礙物。</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　2.2 系統(tǒng)方案論證</p><p>　　2.2.1 車體方案論證</p><p>　　方案一

33、：自己制作車體。</p><p>　　自己制作的車體，一般采用左右兩輪驅(qū)動(dòng)，后萬向輪轉(zhuǎn)向的方案。即左右輪分別用兩個(gè)轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，車體頭部裝一個(gè)萬向輪，當(dāng)兩個(gè)直流電機(jī)轉(zhuǎn)向相反同時(shí)轉(zhuǎn)速相同就可以實(shí)現(xiàn)車體的旋轉(zhuǎn)。但是制作車體的工具和材料有限，制作后的結(jié)構(gòu)并不一定能按設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行，同時(shí)材料的局限性可能使得車體比較笨重。</p><p>　　方案二：購(gòu)買玩具車體。<

34、/p><p>　　購(gòu)買的玩具電動(dòng)車具有組裝完整的車架車輪、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路等，其美觀方便，只要制作所需電路板就可以方便的固定在車體上，能夠穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)動(dòng)，這種車體一般都是四輪驅(qū)動(dòng)，左側(cè)兩輪和右側(cè)兩輪分別為一組，通過一側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，一側(cè)電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向，但電機(jī)一般為玩具直流電機(jī)，力矩小，負(fù)載性能差，不能適應(yīng)原地轉(zhuǎn)向。</p><p>　　綜合分析上述兩方案，考慮到本設(shè)計(jì)制作的僅是模型，為了方

35、便美觀，所以選擇方案二。</p><p>　　2.2.2 小車結(jié)構(gòu)方案論證</p><p>　　方案一：履帶式小車。</p><p>　　履帶式小車能適應(yīng)各種復(fù)雜地形，其抓地力大，行駛速度穩(wěn)定。常用于工業(yè)領(lǐng)域，如履帶式起重機(jī)、履帶式裝載機(jī)、履帶式推土機(jī)等。但是采用履帶式的車體行駛速度慢，只能通過兩側(cè)履帶輪同速反向轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，同時(shí)對(duì)電機(jī)要求也比較高，一般玩具車電機(jī)負(fù)

36、載能力小，不適用履帶傳動(dòng)。</p><p><b>　　方案二：輪式小車。</b></p><p>　　輪式傳動(dòng)化滑動(dòng)為滾動(dòng)，大大減少了摩擦阻力，行駛速度遠(yuǎn)大于履帶式小車，常用于對(duì)行駛速度要求較高的領(lǐng)域中。對(duì)于地形復(fù)雜的道路，通過加重車體，增加車底離地高度，輪式車輛也能在這些道路行駛，但其穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如履帶式車體。</p><p>　　由于本課題

37、所使用路面平整，采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)車速要求為0.3m/s。綜合考慮，采用方案二。經(jīng)上述兩方案論證，本課題使用的車體如圖2-2所示。</p><p><b>　　圖2-2 小車車體</b></p><p>　　2.2.3 障礙物清理單元方案論證</p><p>　　方案一：氣動(dòng)機(jī)械手[8]</p><p>　　氣動(dòng)機(jī)械手

38、是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是：抓重可達(dá)幾百斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不燃油的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。</p><p>　　方案二：電動(dòng)機(jī)械手[9]</p><p>　　電動(dòng)機(jī)械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直流電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故其結(jié)構(gòu)

39、簡(jiǎn)單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快，行程長(zhǎng)，維護(hù)和使用方便。但此類機(jī)械手目前還不多，資料方面比較欠缺。</p><p>　　鑒于價(jià)格、體積等因素，且本系統(tǒng)重量輕。決定采用方案二。本課題使用的機(jī)械手如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 電動(dòng)機(jī)械手</p><p>　　2.2.4 控制器方案論證</p><p>　　根據(jù)課題要求，控制

40、器主要用于控制電機(jī)和舵機(jī)，通過相關(guān)傳感器對(duì)路面的軌跡信息進(jìn)行處理，并將處理信號(hào)傳輸給控制器，然后控制器做出相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的前進(jìn)和后退、舵機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。</p><p>　　方案一：可以采用ARM為系統(tǒng)的控制器[10]。</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)是該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，片上外設(shè)集成密度高，使其擁有高穩(wěn)定性，同時(shí)系統(tǒng)的處理速度也很高，但是ARM芯片編程復(fù)雜，一般用于大型的項(xiàng)目控制系統(tǒng)中。&l

41、t;/p><p>　　方案二：采用AT89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心[11]。</p><p>　　AT89S52單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、功耗低、體積小、技術(shù)成熟。只要合理設(shè)計(jì)外接電路，其穩(wěn)定性也滿足要求。 </p><p>　　綜合考慮成本、工作量等，本設(shè)計(jì)選擇用AT89S52單片機(jī)做控制器。</p><p>　　2.2.5

42、供電單元方案論證</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)需要電源的有：四個(gè)直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊、尋跡模塊、單片機(jī)、舵機(jī)。以上所有模塊中只有四個(gè)直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊需12V電壓，其它均為5V電壓，必須注意的是舵機(jī)在工作時(shí)，電路中的電流會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，對(duì)單片機(jī)可能產(chǎn)生影響。</p><p>　　方案一：采用單電源供電。</p><p>　　通過單電源對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電，即12V穩(wěn)壓直

43、流電源一部分對(duì)四個(gè)直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)供電，另一部分經(jīng)過降壓，對(duì)其它模塊供電。此方案的優(yōu)點(diǎn)是：減少機(jī)身的重量，操作簡(jiǎn)單，但當(dāng)系統(tǒng)中個(gè)模塊同時(shí)工作時(shí)，可能產(chǎn)生過電流太大，從而燒壞電壓轉(zhuǎn)換芯片，甚至燒壞單片機(jī)，且較大的電流波動(dòng)影響單片機(jī)的穩(wěn)定性。</p><p>　　方案二：采用雙電源供電。</p><p>　　通過兩個(gè)獨(dú)立電源對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供電，即12V穩(wěn)壓直流電源一部分對(duì)四個(gè)直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊供電，

44、另一部分經(jīng)過降壓，對(duì)除舵機(jī)以外的其它模塊供電，另一5V電源單獨(dú)對(duì)舵機(jī)供電，兩電源共地連接。此方案的優(yōu)點(diǎn)是：減少電路中電流波動(dòng)，單片機(jī)具有更佳穩(wěn)定性。唯一的缺點(diǎn)就是會(huì)增加小車的重量。</p><p>　　綜合上述兩方案的的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮單片機(jī)穩(wěn)定性等要求，決定采用第二種方案。</p><p>　　2.2.6 障礙物識(shí)別單元方案論證</p><p>　　方案一：采用超聲波

45、探測(cè)器[12]。</p><p>　　超聲波探測(cè)器利用超聲波特有的指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，常用于距離的測(cè)量。其工作原理是：聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。對(duì)于本課題，可以先設(shè)定時(shí)間，一旦提前收到反射波，表明前方有障礙物，這樣就能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)障礙物的功能。超聲波測(cè)距電路如圖2-4所示

46、，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)距遠(yuǎn)、可靠性高，但是電路復(fù)雜，編程繁碎。</p><p>　　圖2-4超聲波接收和發(fā)射電路圖</p><p>　　方案二：采用RPR220型光電對(duì)管[12]。</p><p>　　RPR220是一種一體化反射型光電探測(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度，硅平面光電三極管。主要應(yīng)用在游戲機(jī)、復(fù)印機(jī)和辦公自動(dòng)化等設(shè)備中。其優(yōu)點(diǎn)是:

47、體積小結(jié)構(gòu)緊湊、較高靈敏度。其缺點(diǎn)是：測(cè)距有限，只有1-3cm，受外界光線影響較大。電路框圖如圖2-5所示，相對(duì)于超聲波測(cè)距電路，該方案使用電路簡(jiǎn)單，編程也容易。</p><p>　　圖2-5 RPR220型光電對(duì)管電路框圖</p><p>　　方案三：采用點(diǎn)觸開關(guān)。</p><p>　　點(diǎn)觸式開關(guān)是一種通過觸碰開關(guān)就能接通，松手就斷開的簡(jiǎn)易開關(guān)。優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、

48、價(jià)格低廉、無需程序控制。唯一缺點(diǎn)是需要觸碰控制，即控制距離近。在電路中只需將開關(guān)一端接單片機(jī)I/O，另一端根據(jù)需要的反饋信號(hào)接在高或低電平上，電路框圖如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 點(diǎn)觸開關(guān)電路框圖</p><p>　　綜合三個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要高精度，對(duì)測(cè)距無要求，決定采用方案三。</p><p>　　2.2.7 運(yùn)動(dòng)單元方案論證&l

49、t;/p><p>　　方案一：采用步進(jìn)電機(jī)，配合LM298驅(qū)動(dòng)芯片組合[13]。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的電機(jī)。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，只要施加合適的脈沖序列，電機(jī)就按照人為預(yù)定的速度或方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。但是軟件程序的編寫較直流電機(jī)稍顯復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)芯片的硬件電路復(fù)雜，且步進(jìn)電機(jī)的價(jià)格昂貴，如電路框圖2-7所示。&

50、lt;/p><p>　　圖2-7 步進(jìn)電機(jī)+LM298組合電路圖</p><p>　　方案二：采用直流電機(jī)，配合L298N驅(qū)動(dòng)芯片組合[10]。</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。通過驅(qū)動(dòng)芯片控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速，硬件電路簡(jiǎn)單，如2-8電路框圖所示，一個(gè)芯片就能控制兩個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，且不需要外接電路。但容易受到外部因素干擾，影響穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和

51、轉(zhuǎn)矩輸出。</p><p>　　圖2-8 直流電機(jī)+L298N組合電路框圖</p><p>　　綜合上述兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，鑒于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)體積較小，自身重量較輕，對(duì)電機(jī)輸出功率要求不高，故采用方案二。</p><p>　　2.2.8 循跡單元方案論證</p><p>　　方案一：用光敏電阻組成光敏探測(cè)器[11]。</p><

52、p>　　光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種阻值隨入射光強(qiáng)弱而改變的電阻器，入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。在本課題中，當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)生強(qiáng)烈反射，光線照射到黑線上面時(shí)，光線反射較弱，利用光敏電阻在白線和黑線上的不同阻值，通過比較器將阻值轉(zhuǎn)變成電信號(hào)反饋給單片機(jī)就能實(shí)現(xiàn)尋跡功能。此方案的優(yōu)點(diǎn)是：光敏電阻價(jià)格低廉，技術(shù)成熟。但光敏電阻受外界光照影響很大，不能穩(wěn)定的工作，電路框圖如2-9所示。</p&

53、gt;<p>　　圖2-9 光敏電阻電路框圖</p><p>　　方案二：用紅外發(fā)射管和接收管制作的光電傳感器[11]。</p><p>　　紅外對(duì)管是紅外線發(fā)射管與紅外線接收管配合在一起使用時(shí)候的總稱。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的紅外線則表示是白線，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的紅外線則表示是黑線，通過比較器轉(zhuǎn)換信號(hào)，繼而

54、向單片機(jī)反饋高低電平。這樣的傳感器基本能滿足要求，但其工作不穩(wěn)定，容易受外界光線的影響，因此每次工作前必須根據(jù)傳感器的反饋電壓來調(diào)整比較器的比較電壓范圍，電路框圖如2-10所示。</p><p>　　圖2-10 紅外對(duì)管電路框圖</p><p>　　方案三：采用RPR220型光電對(duì)管[12]。</p><p>　　RPR220是一種一體化反射型光電探測(cè)器，其發(fā)射器是

55、一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度，硅平面光電三極管。主要應(yīng)用在游戲機(jī)、復(fù)印機(jī)和辦公自動(dòng)化等設(shè)備中。其優(yōu)點(diǎn)是:體積小結(jié)構(gòu)緊湊、較高靈敏度。其缺點(diǎn)是：測(cè)距有限，只有1-3cm。電路框圖如圖2-5所示，該方案使用電路簡(jiǎn)單，編程也容易。</p><p>　　綜合比較三種方案，根據(jù)制作的難以程度等因素，我們最終采用方案三。</p><p>　　2.3 系統(tǒng)最終方案</p>

56、<p>　　經(jīng)過反復(fù)論證，我們最終確定了如下方案：</p><p>　　車體用購(gòu)買的金屬材料四輪驅(qū)動(dòng)小車。</p><p>　　電動(dòng)機(jī)械手作為清障工具。</p><p>　　采用點(diǎn)觸開關(guān)監(jiān)測(cè)路面障礙。</p><p>　　采用AT89S52單片機(jī)作為主控制器。</p><p>　　通過雙電源為系統(tǒng)供電：1

57、2V穩(wěn)壓電源一方面為電機(jī)供電，另一方面經(jīng)LM7805降壓后為舵機(jī)以外的其它模塊供電；5V干電池直接供舵機(jī)使用。</p><p>　　L298N作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。</p><p>　　采用RPR220型光電對(duì)管進(jìn)行路面信息采集。</p><p>　　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-11所示。</p><p>　　圖2-11 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p&

58、gt;<p>　　第3章 智能清障小車硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 系統(tǒng)硬件電路介紹</p><p>　　本課題設(shè)計(jì)的智能小車硬件系統(tǒng)主要包括機(jī)械和電氣兩部分，機(jī)械部分主要有：障礙物監(jiān)測(cè)模塊和障礙物清理模塊；電氣部分主要有：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、供電模塊、尋跡模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。障礙物監(jiān)測(cè)模塊顧名思義，就是實(shí)時(shí)進(jìn)行黑線上障礙物的監(jiān)測(cè)工作，主要通過點(diǎn)觸開關(guān)結(jié)合圖3-1中

59、第5部分的電路，實(shí)現(xiàn)該模塊監(jiān)測(cè)障礙物的功能；障礙物清除模塊主要通過舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手清除障礙物；單片機(jī)最小系統(tǒng)相當(dāng)于“大腦”,是整個(gè)電路的控制核心；供電模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電源；尋跡模塊相當(dāng)于“眼睛”，為小車尋找道路上的黑線；直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊相當(dāng)于“腳”，控制小車的進(jìn)退與轉(zhuǎn)向。</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)電路原理圖</p><p>　　1.單片機(jī)最小系統(tǒng) 2.供電單元 3.

60、尋跡單元 4.直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 5.監(jiān)測(cè)障礙物模塊</p><p>　　3.2 障礙物監(jiān)測(cè)模塊介紹</p><p>　　通過方案論證，系統(tǒng)最終確定采用點(diǎn)觸開關(guān)作為障礙物檢測(cè)傳感器，小車在黑線上行駛的過程中，通過點(diǎn)觸開關(guān)的開閉狀態(tài)判斷道路上是否有障礙物，障礙物監(jiān)測(cè)電路如圖3-2所示。點(diǎn)觸開關(guān)閉合時(shí)，檢測(cè)指示燈發(fā)光，此時(shí)EX0引腳為低電平，觸發(fā)了單片機(jī)的外部中斷，從而控制機(jī)械手工作

61、；斷開時(shí)，檢測(cè)指示燈不發(fā)光，EX0引腳為高電平，不能觸發(fā)外部中斷，表明黑線上無障礙物，機(jī)械手不工作。</p><p>　　圖3-2 障礙物監(jiān)測(cè)電路</p><p>　　點(diǎn)觸開關(guān)的安裝位置如圖3-3所示，當(dāng)障礙物進(jìn)入夾持器并觸碰開關(guān)后，就能觸發(fā)單片機(jī)的中斷，使整個(gè)系統(tǒng)停止當(dāng)前一切動(dòng)作，進(jìn)入中斷執(zhí)行清除障礙物程序。若點(diǎn)觸開關(guān)的安裝位置太靠前，則觸發(fā)中斷的時(shí)候障礙物還未進(jìn)入夾持器，機(jī)械手就開始動(dòng)

62、作，無法實(shí)現(xiàn)清障功能；若點(diǎn)觸開關(guān)安裝太靠后，即觸頭不在夾持器范圍內(nèi)，這樣導(dǎo)致點(diǎn)觸開關(guān)始終處于斷開狀態(tài)，障礙物監(jiān)測(cè)模塊和障礙物清理模塊都無法正常工作。</p><p>　　圖 3-3 點(diǎn)觸開關(guān)安裝位置</p><p>　　3.3 障礙物清理模塊介紹</p><p>　　3.3.1 機(jī)械手介紹</p><p>　　電動(dòng)機(jī)械手是一種利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)并

63、能夾持物體的機(jī)構(gòu)。考慮到本課題設(shè)計(jì)的模型體積小、重量輕，且機(jī)械手安裝于車體頭部，為了防止車體前后不穩(wěn)，機(jī)械手重量不能太大，故機(jī)械手材料采用優(yōu)質(zhì)ABS工程塑料制作，抓取的物體最大直徑為53cm，夾持器張開后長(zhǎng)度為85cm，閉合后長(zhǎng)度為100cm。本設(shè)計(jì)清障的方案是：第一步，障礙物監(jiān)測(cè)模塊發(fā)現(xiàn)障礙物；第二步，機(jī)械手加緊障礙物；第三步，小車向黑線外運(yùn)動(dòng)，將障礙物推出黑線，此時(shí)松開機(jī)械手，小車回到黑線繼續(xù)運(yùn)動(dòng)（清障過程詳細(xì)參見圖5-3、圖5-4

64、、圖5-5）。整個(gè)過程只是通過機(jī)械手夾住障礙物，而不是僅僅通過機(jī)械手就達(dá)到清障目的，故設(shè)計(jì)中的機(jī)械手只起到夾持物體作用，對(duì)其要求只有夾持器范圍，夾持力并無要求，只要夾住便可，設(shè)計(jì)模型使用的機(jī)械手見圖2-3。</p><p>　　3.3.2 機(jī)械手控制電路介紹</p><p>　　本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手通過一個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制電路如圖3-4紅圈中所示，所使用的單片機(jī)I/O先接上拉電阻，然后直接與舵

65、機(jī)的信號(hào)線連接即可。由于單片機(jī)I/O口提供的電流有限，無法驅(qū)動(dòng)機(jī)械手使用的舵機(jī)，所以通過上拉電阻，為舵機(jī)提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流。</p><p>　　圖3-4 舵機(jī)控制電路</p><p>　　舵機(jī)電路雖然簡(jiǎn)單，但編程還是比較復(fù)雜的[16]。舵機(jī)必須通過PWM信號(hào)控制，具體的數(shù)據(jù)如圖3-5所示，舵機(jī)的控制信號(hào)是周期20ms的脈寬調(diào)制信號(hào)，其中脈沖寬度為1ms-2ms，相對(duì)應(yīng)舵盤的位置為0－1

66、80度，呈線性變化，也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供另外一個(gè)寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的位置上，詳細(xì)參見表3-6。值得注意的是：舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間對(duì)于控制非常重要，一方面可以通過修改PWM周期獲得，另一方面也可以通過機(jī)械方式，利用舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距余量，將角度進(jìn)行放大，加快舵機(jī)響應(yīng)速度。</p><p>　　圖3-5 舵機(jī)工作信號(hào)<

67、/p><p>　　表3-6 舵機(jī)角度控制表</p><p>　　3.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)介紹</p><p>　　單片機(jī)最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、時(shí)鐘電路組成，單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖3-7所示。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是使單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序，除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為使單片機(jī)正常工作，也可以通過復(fù)位

68、以重新啟動(dòng)。復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位、按鍵電平復(fù)位、外部脈沖復(fù)位和自動(dòng)復(fù)位四種方式，該最小系統(tǒng)采用上電自動(dòng)復(fù)位方式，使復(fù)位端經(jīng)電容與Vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)。時(shí)鐘電路相當(dāng)于“心臟”，為單片機(jī)提供時(shí)鐘電平，所需晶振為12MHz。</p><p>　　圖3-7 單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p>　　3.4.1 AT89S52單片機(jī)簡(jiǎn)介</p><p>　　AT89S52是美國(guó)A

69、TMEL公司生產(chǎn)的低功耗、高性能CMOS8位單片機(jī)。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲(chǔ)器既可在線編程也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程。AT89S52單片機(jī)的功能強(qiáng)、價(jià)位低，適用于許多高性價(jià)比的場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域[17]。</p><p><b>　　a.主要性能參數(shù)：</b></p><p>

70、　　與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容；</p><p>　　8K字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash閃速存儲(chǔ)器；</p><p>　　4.0-5.5V的電壓工作范圍；</p><p>　　全靜態(tài)工作模式：0Hz-33MHz；</p><p>　　128*8字節(jié)內(nèi)部RAM；</p><p>　　32個(gè)可編程I/O口線（P

71、0、P1、P2、P3）；</p><p>　　2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可通過編程實(shí)現(xiàn)4種工作方式；</p><p>　　1個(gè)具有6個(gè)中斷源、4個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷潛嵌套結(jié)構(gòu)；</p><p>　　中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng)；</p><p>　　看門狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針；</p><p>　　靈活的在系統(tǒng)編程（ISP字節(jié)或

72、頁(yè)寫模式）；</p><p>　　b.所使用引腳功能：</p><p>　　Vcc：接+5V電壓；</p><p><b>　　Vss：接地；</b></p><p>　　XTAL1：接外部晶振的一個(gè)引腳，在單片機(jī)的內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，此反相放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器；</p><p>

73、　　XTAL2：接外部晶體的另一個(gè)引腳，在單片機(jī)的內(nèi)部，它是反相放大器的輸出端，輸入到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器。當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)，XTAL1接地，XTAL2接收振蕩器信號(hào)；</p><p>　　P1：8位準(zhǔn)雙向I/O口，內(nèi)部含有上拉電阻；</p><p>　　P2：8位準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電路；</p><p>　　P3：8位準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電路，它還提

74、供特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)控制及外部隨機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ埽?lt;/p><p>　　RST：復(fù)位輸入信號(hào)，高電平有效。在振蕩器工作時(shí)，在RST上作用兩個(gè)周期以上的高電平，便可復(fù)位器件；</p><p>　　EA/\Vpp：片外程序存儲(chǔ)器訪問允許信號(hào)，低電平有效。當(dāng)EA/\Vpp接地時(shí)，CPU只執(zhí)行片外存儲(chǔ)器中的程序；當(dāng)EA/\Vpp接Vcc時(shí)，CPU首先執(zhí)

75、行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器中的程序（0000H~0FFFH），然后自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器中的程序（1000H~FFFFH）；</p><p>　　3.4.2 單片機(jī)使用資源規(guī)劃</p><p>　　AT89S52單片機(jī)具有比較強(qiáng)大的系統(tǒng)資源，系統(tǒng)電路在設(shè)計(jì)時(shí)充分利用了它的自身特性，并進(jìn)行合理的規(guī)劃，詳見表3-8。P3口具有普通I/O口功能外，還有第二功能，如定時(shí)器、中斷等，所以一般不用，除非需要

76、使用它的第二功能；P0口內(nèi)部無上拉電阻，需外加上拉電阻才能輸出高電平，在電路中未加上拉電阻，因而不用P0口；P1口和P2口作為普通I/O口，可任意使用。</p><p>　　表3-8 單片機(jī)資源分配表</p><p>　　3.5 供電模塊介紹</p><p>　　供電模塊為系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器等模塊提供可靠的工作電壓。該模型采用兩個(gè)獨(dú)立電源對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供電

77、，即12V穩(wěn)壓直流電源一部分對(duì)四個(gè)直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊供電，另一部分經(jīng)過LM7805降壓到5V，分別對(duì)單片機(jī)最小系統(tǒng)、尋跡模塊供電，另一5V干電池電源單獨(dú)對(duì)舵機(jī)供電，兩電源共地連接。供電模塊電路設(shè)計(jì)如圖3-9所示，電路中的兩個(gè)電容主要用于濾波，以濾除直流電源中不需要的交流成分，使直流電平滑，同時(shí)濾除高頻交流電。</p><p>　　圖3-9 12V穩(wěn)壓直流電源轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　3

78、.6 尋跡模塊介紹</p><p>　　尋跡是指小車在白色地面上總是循著黑線行走。該功能通過RPR220型光電對(duì)管對(duì)黑線進(jìn)行識(shí)別而實(shí)現(xiàn),即利用發(fā)光二極管在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn),當(dāng)可見光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫反射，反射光使安裝于小車上的光電三極管導(dǎo)通并通過比較器LM339反饋高低電平給單片機(jī)，當(dāng)遇到黑線，可見光線則被吸收，光電三極管接收不到光線而無法導(dǎo)通 ,單片機(jī)根據(jù)是否收到反饋電平為依據(jù)來確定

79、小車的行走路線 ,從而實(shí)現(xiàn)小車的尋跡功能。尋跡電路如圖3-10所示，該電路中主要芯片是LM339，它內(nèi)部是將模擬電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓相比較的電路，通過比值不同，反饋高低電平給單片機(jī)。</p><p>　　圖3-10 尋跡模塊電路</p><p>　　尋跡模塊中使用的光電對(duì)管共有四對(duì)，分別安裝在小車兩側(cè)和前端，如圖3-12所示，當(dāng)“前X1”與“前Y1”在黑線上，“左X1”與“右Y1”在黑線外，

80、小車前進(jìn)。在前進(jìn)的過程中，如果“前X1”偏出黑線，如圖3-11，則小車向右微動(dòng)，如果“前Y1”偏出黑線，如圖3-13，則小車向左微動(dòng)，最終使前端兩個(gè)傳感器處于黑線上。當(dāng)小車處于圖3-14狀態(tài)，即“左X1”在黑線上，“右Y1”在黑線外，同時(shí)“前X1”與“前Y1”在黑線外，小車左轉(zhuǎn)。當(dāng)小車處于圖3-15狀態(tài)，即“左X1”在黑線外，“右Y1”在黑線上，同時(shí)“前X1”與“前Y1”在黑線外，小車右轉(zhuǎn)，詳細(xì)表3-16光電傳感器真值表。</p&

81、gt;<p>　　圖3-11 尋跡右微動(dòng) 圖3-12 尋跡直走 圖3-13 尋跡左微動(dòng)</p><p>　　圖 3-14 尋跡左轉(zhuǎn)傳感器位置圖 圖 3-15 尋跡右轉(zhuǎn)傳感器位置圖</p><p>　　表3-16 光電傳感器狀態(tài)真值表</p><p>　　3.7 直流電機(jī)

82、驅(qū)動(dòng)模塊介紹</p><p>　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)小車輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，使小車行進(jìn)[18]。該模塊中主要使用芯片L298N，它是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。如圖3-19，小車上有四個(gè)直流電機(jī)，左側(cè)兩個(gè)電機(jī)（M1,M3）為一組，右測(cè)兩個(gè)電機(jī)（M2,M4）為一組，分別接

83、在兩個(gè)L298N芯片上，兩個(gè)芯片共有八個(gè)信號(hào)口，相同的分別并聯(lián)在一起，這樣通過四個(gè)端口就能控制四個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，控制信號(hào)詳見表3-17。</p><p>　　表3-17 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)編碼</p><p>　　對(duì)于電機(jī)的調(diào)速，我們采用PWM調(diào)速的方法。其原理就是開關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間為t，周期為T，則電機(jī)兩端的平均電壓U=Vcc(t1/T)=a*Vcc，其中a=t/T(占空比)，Vcc是電

84、源，如圖3-18。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成正比，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比正正比，因此電機(jī)的速度與占空比成正比，即占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。</p><p>　　圖3-18 PWM輸出波形</p><p>　　圖3-19 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊硬件電路圖</p><p>　　一般在購(gòu)置小車時(shí)，會(huì)附帶購(gòu)買小車驅(qū)動(dòng)，這樣不但省去自己制作，并能到達(dá)比較好的穩(wěn)定性，直流電

85、機(jī)所用的驅(qū)動(dòng)如圖3-20所示。在接線時(shí)，小車左側(cè)兩個(gè)電機(jī)和右測(cè)兩個(gè)電機(jī)分別為一組，接在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)A輸出端口電機(jī)B輸出端口上，EA、EB為電機(jī)的使能端，IA、IB為電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向控制端，驅(qū)動(dòng)部分端子（Vms）供電范圍是：+5V～+35V，邏輯部分端子（Vcc）供電范圍是：+5V～+7V。</p><p>　　圖3-20 L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)</p><p>　　第4章 智能清障小

86、車軟件部分</p><p>　　4.1 軟件開發(fā)平臺(tái)</p><p>　　Keil for C51是美國(guó)Keil Software公司出品的C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)[19]。與匯編相比，C語言在功能、結(jié)構(gòu)、可讀性、可維護(hù)性都有明顯的優(yōu)勢(shì)。Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil fo

87、r C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語言的優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　C51開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的源程序要變?yōu)镃51可以執(zhí)行的機(jī)器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機(jī)器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法。隨著C51開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級(jí)語言開發(fā)，單片機(jī)的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，Keil軟件

88、除了致力于單片機(jī)的編程開發(fā)平臺(tái)外，還針對(duì)目前最流行C51開發(fā)項(xiàng)目出品了Keil for 51軟件平臺(tái)以及支持在線調(diào)試的串口燒寫。</p><p>　　Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（uVision3）將這些部份組合在一起，如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 Keil開發(fā)平臺(tái)截圖</p&

89、gt;<p>　　設(shè)計(jì)程序時(shí)，我們使用C語言進(jìn)行編寫，在uVision3開發(fā)環(huán)境中，編寫好的程序通過編譯，可以清楚的看到自己編寫程序中的錯(cuò)誤和警告。人性化的設(shè)計(jì)功能，使編程人員更加方便編寫設(shè)計(jì)程序。同時(shí)，編譯成功的程序可以通過仿真調(diào)試，了解每一步單片機(jī)所占用的I/O口和所耗費(fèi)的時(shí)間，如圖4-2所示是程序調(diào)試的過程。</p><p>　　圖4-2 程序調(diào)試圖</p><p>　

90、　4.2 軟件開發(fā)調(diào)試</p><p>　　當(dāng)編寫的總程序通過Keil編譯成功后，就可以進(jìn)行軟件仿真。此時(shí)我們就需要Proteus這款軟件，Proteus是英國(guó)Labcenter electronic公司出版的EDA工具軟件，它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件，它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具[19]。</p><p>　　4.2.1 舵機(jī)工作程序仿真

91、</p><p>　　舵機(jī)的的工作原理在第三章中已詳細(xì)介紹，這里不再重復(fù)。當(dāng)沒有硬件在手，我們也能在軟件中通過查看單片機(jī)輸出端口的波形，大致了解程序的正確性。</p><p>　　圖4-3 舵機(jī)信號(hào)端口輸出波形</p><p>　　觀察圖4-3中波形，可以發(fā)現(xiàn)舵機(jī)信號(hào)端口輸出的正是PWM信號(hào)，即舵機(jī)工作必須的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，但根據(jù)波形我們無法判斷舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，這正是軟件

92、仿真的局限性。但毋庸置疑的是，有了仿真軟件，在程序編寫時(shí)，可以少走許多彎路。</p><p>　　4.2.2 直流電機(jī)工作程序仿真</p><p>　　直流電機(jī)模塊工作時(shí)主要用到八個(gè)I/O口，四個(gè)尋跡反饋信號(hào)作為輸入，控制四個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，具體參見表3-8，在模擬電路中，兩個(gè)示波器分別接在兩側(cè)電機(jī)控速端口。小車電機(jī)在程序中的工作過程：</p><p>　　機(jī)械手

93、運(yùn)動(dòng)，小車停止，見圖4-4，示波器沒有波形，說明小車此時(shí)是停止的；</p><p>　　圖4-4 小車停止仿真</p><p>　　2） 小車直走，見圖4-5，示波器中兩波形一樣，表明小車兩側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同；</p><p>　　圖4-5 小車直走仿真</p><p>　　3） 小車左微動(dòng)，見圖4-6，當(dāng)P2.0口電平變化，則表明“前Y1”光電

94、傳感器偏出黑線，需要左微動(dòng)，此時(shí)左側(cè)電機(jī)反轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)“前Y1”傳感器回到黑線，小車就停止微動(dòng)，繼續(xù)沿黑線前進(jìn)（同理，右微動(dòng)也是這樣一個(gè)過程）；</p><p>　　圖4-6 小車左微動(dòng)仿真</p><p>　　4） 小車左轉(zhuǎn)，見圖4-7，當(dāng)P2.3口電平變化，則表明“左X1”傳感器在黑線上，小車需要左轉(zhuǎn)，此時(shí)左側(cè)電機(jī)反轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，由程序控制轉(zhuǎn)過90度后，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)（同理，

95、右轉(zhuǎn)也是這樣一個(gè)過程）；</p><p>　　圖4-7 小車左轉(zhuǎn)仿真</p><p>　　4.3 系統(tǒng)軟件流程 </p><p>　　系統(tǒng)軟件流程如圖4-8所示。</p><p>　　圖4-8 系統(tǒng)流程圖</p><p>　　軟件流程是這樣的，開始時(shí)檢測(cè)比較器反饋電平是否變化，若無變化，說明小車上四個(gè)光電傳感器反饋信號(hào)

96、不變，小車位置正?？梢岳^續(xù)前進(jìn)，若變化了，則需要進(jìn)一步檢測(cè)是哪一個(gè)傳感器發(fā)生了變化。首先檢測(cè)“前X1”電平是否變化，若變化了則小車右微動(dòng)直到“前X1”傳感器回到黑線上，然后可以繼續(xù)前進(jìn)，若無變化就進(jìn)一步檢測(cè)“前Y1”電平，若變化說明小車需要進(jìn)行左微動(dòng)調(diào)整“前X1”傳感器位置，直到回到黑線就可以繼續(xù)前進(jìn)，若無變化就檢測(cè)“左X1”傳感器，若它反饋的電平變化，則需要進(jìn)行左轉(zhuǎn)，然后沿黑線直走，無變化則表明“右Y1”傳感器變化了，小車右轉(zhuǎn)90度，

97、然后直走。尋跡小車就是這樣進(jìn)行循跡行走的，在循跡的過程中，實(shí)時(shí)進(jìn)行黑線上障礙物監(jiān)測(cè)，若檢測(cè)到就進(jìn)行清障的工作，否則繼續(xù)循跡，直到完成一個(gè)循環(huán)，整個(gè)程序結(jié)束。</p><p>　　4.4 尋跡軟件流程</p><p>　　在白色地面上有一條黑線，小車就是要沿著這條黑線行走，通過判斷反射式光電傳感器是否接收到反射光來判斷小車行走的路線。檢測(cè)環(huán)節(jié)中一共有四對(duì)這樣的光電傳感檢測(cè)單元，實(shí)現(xiàn)組合式控制

98、方向的檢測(cè)。</p><p>　　檢測(cè)部分函數(shù)(圖4-9為該程序的流程圖詳解)：</p><p>　　sbit G1=P2^0; //紅外反饋引腳定義</p><p>　　sbit G2=P2^1;</p><p>　　sbit G3=P2^2;</p><p>　　sbit G4=P2^3;</p>&

99、lt;p>　　while(1) //對(duì)傳感器輸入信號(hào)不斷地進(jìn)行查詢</p><p><b>　　{</b></p><p>　　zhizou(); //直走，直走程序中有左右微動(dòng)檢測(cè)程序</p><p>　　if((G1==1)&&(G2==1)&&(G3==1)&&(G4==1))//

100、判斷小車是否走在轉(zhuǎn)彎路口</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if((G1==1)&&(G3==1))//小車前面兩個(gè)傳感器超越黑線</p><p><b>　　{</b></p><p>　　houtui();//后退到線上</p><p

101、>　　zuozhuan();//左轉(zhuǎn)</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　｝</b></p><p>　　圖4-9 尋跡軟件流程</p><p>　　4.5 障礙物檢測(cè)及清

102、理軟件流程</p><p>　　小車頭部安裝了觸碰開關(guān)，小車行駛過程中，通過這個(gè)開關(guān)，可以準(zhǔn)確的判斷前面是否有障礙物。清障程序在中斷中執(zhí)行，通過外部中斷0觸發(fā)。這樣可以準(zhǔn)確無誤的實(shí)現(xiàn)清障功能。</p><p>　　障礙物檢測(cè)及清除函數(shù)(圖4-10為該程序的流程圖詳解)：</p><p>　　void init()//外部中斷0初始化</p><p

103、><b>　　{</b></p><p>　　EA=1;//開中斷</p><p>　　IT0=1;//脈沖方式</p><p>　　EX0=1;//開外部中斷0</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void Jixieshou

104、() interrupt 0 //進(jìn)入中斷，執(zhí)行機(jī)械手動(dòng)作</p><p><b>　　{</b></p><p>　　EX0=0; //關(guān)閉外部中斷信號(hào)</p><p>　　E1=0; //車停止</p><p><b>　　E2=0;</b></p>

105、<p>　　close(); //機(jī)械手閉合，抓起障礙物</p><p>　　delay(500); //延遲一會(huì)</p><p>　　youzhuan(); //小車右轉(zhuǎn)</p><p>　　zou_1(); //直走一段距離</p><p>　　open(); //機(jī)械手張開，放下障礙物&

106、lt;/p><p>　　delay(500); //延遲一會(huì)</p><p>　　tui_1(); //小車后退一段距離</p><p>　　zuozhuan(); //小車左轉(zhuǎn)，回到軌道</p><p><b>　　}</b></p><p>　　圖4-10 障礙物檢測(cè)及清理軟件流

107、程</p><p><b>　　第5章 系統(tǒng)測(cè)試</b></p><p>　　為了測(cè)試智能清障小車系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易軌道對(duì)智能清障小車系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，只有通過硬件調(diào)試之后，才能確定程序的正確性和可靠性。</p><p>　　5.1 測(cè)試場(chǎng)景介紹</p><p>　　實(shí)驗(yàn)采用510mmx220mm的長(zhǎng)方形黑色軌

108、道對(duì)智能小車系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)軌道如圖5-1所示，在黑線上放置障礙物，小車沿黑線循跡行駛過程的中，通過障礙物檢測(cè)及清除單元，配合小車運(yùn)動(dòng)達(dá)到清障目的。實(shí)驗(yàn)的成功與否就在于能否檢測(cè)并清除障礙物并且小車最終并回到起點(diǎn)。</p><p>　　圖5-1測(cè)試場(chǎng)景及參數(shù)</p><p>　　5.2 實(shí)際測(cè)試過程</p><p>　　系統(tǒng)測(cè)試過程中，采取逆時(shí)針的測(cè)試方法來檢測(cè)小車

109、左右轉(zhuǎn)、清障的效果。經(jīng)過逆時(shí)針20圈的實(shí)際測(cè)試，成功清除障礙物并回到起點(diǎn)的有14次，其余6次均勻失敗告終。</p><p>　　以下是實(shí)際測(cè)試過程：</p><p>　　智能小車從起始位置開始運(yùn)動(dòng)，如圖5-2所示，位于車體兩側(cè)和前端的四對(duì)光電傳感器發(fā)出紅光，表明正在檢測(cè)黑線并反饋信號(hào)給單片機(jī)，從而控制小車運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　圖5-2 小車處于起始位置<

110、/p><p>　　傳感器檢測(cè)到障礙物，如圖5-3所示，此時(shí)小車上信號(hào)燈發(fā)光，機(jī)械手閉合夾持障礙物，小車停止尋跡，執(zhí)行清除障礙物工作。</p><p>　　圖5-3 傳感器檢測(cè)到障礙物</p><p>　　當(dāng)機(jī)械手夾持障礙物后，就需要配合小車運(yùn)動(dòng)，將黑線上的障礙物清除，如圖5-4所示，小車向右旋轉(zhuǎn)90度并向前運(yùn)動(dòng)一段距離，機(jī)械手打開，放下障礙物后小車后退并左轉(zhuǎn)回到黑線上，

111、如圖5-5所示，障礙物離開了黑線，小車?yán)^續(xù)進(jìn)行循跡運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　圖5-4 清除障礙物</p><p>　　圖5-5 清除障礙物后小車回黑線繼續(xù)循跡</p><p>　　當(dāng)兩側(cè)傳感器在黑線上，表明小車已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到轉(zhuǎn)向路口，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向，如圖5-6所示，通過傳感器的反饋信號(hào)，小車自動(dòng)進(jìn)行了向左90度的轉(zhuǎn)向，成功完成了智能小車在循跡過程中的第一個(gè)難點(diǎn)。<

112、/p><p>　　圖5-6 小車左轉(zhuǎn)彎</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)中小車循跡主要兩個(gè)動(dòng)作：一個(gè)是直走，另一個(gè)是左轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)左轉(zhuǎn)很成功的實(shí)現(xiàn)之后，小車就能沿黑線循跡運(yùn)動(dòng)，最終回到起點(diǎn)，如圖5-7所示。</p><p>　　圖5-7 回到起始位置</p><p>　　5.3 測(cè)試結(jié)果分析</p><p>　　通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)

113、，在循跡過程中，小車只要能清除障礙物后回到黑線上繼續(xù)循跡，實(shí)驗(yàn)就能成功，否則以失敗告終。由于小車本身質(zhì)量很小，且輪子固定不穩(wěn)，通過直流電機(jī)控制的小車空轉(zhuǎn)速度快，但負(fù)載能力差，轉(zhuǎn)彎時(shí)只能一側(cè)輪子正轉(zhuǎn)另一側(cè)輪子反轉(zhuǎn)到達(dá)轉(zhuǎn)彎的目的，其轉(zhuǎn)過的角度通過程序控制，受很多因素影響，所以并非每次都能轉(zhuǎn)到預(yù)想的位置。另外，夾持器的張開角度有限，并非每次都能使障礙物進(jìn)入夾持器中。以上都是模型小車的硬傷，無法單單從軟件方面改善，以后應(yīng)盡量避免這些因素。<