简易避障小车设计

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1、简易避障小车设计1. 设计背景随着汽车的自动化、智能化程度的提高，新一代智能汽 车的研发在国内外受到越来越多的重视。目前，国内比较先 进的智能车通过观测前方的路况，将路面的信息输入到车内 的电脑中，通过计算机控制方向盘的运动，实现自动避障1。 智能车辆的速度，关键在于它的控制技术，这就涉及到它的 避障算法。一个好的控制算法如同一个有经验的司机，控制 汽车运行2。自第一台工业机器人诞生以来，智能小车的发 展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。 近年来智能小车的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人 们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中， 制造能替代人劳动的机器一直是人

2、类的梦想。借此在上单片 机课的这次机会，我们三个共同想要自己研究制造一辆避障 小车。2. 总体概述2.1系统功能智能小车采用后轮驱动，后轮左右两边各用一个电机驱 动，分别控制两个轮子的转动从而达到转向的目的，后轮是 万向轮，起支撑的作用。将三个红外线光电传感器分别装在 车体的左中右，当车的左边的传感器检测到障碍物时，主控 芯片控制右轮电机反向转动左轮电机正向转动，车向右方转 向，当车的右边传感器检测到障碍物时，主控芯片控制左轮 电机反向转动，右轮电机正向转动，车向左方转向，当前面 有障碍物时规定车向右转。2.2系统结构智能避障小车的结构2.3系统原理本设计用单片机来处理传感器采集来的数据，通过

3、光电 开光传感器判断小车前面的障碍物接受信号，处理完毕之后 以便去控制电机驱动电路来驱动电机。电源部分为整个电路 模块提供电源，以便能正常工作。2.4控制框图电池（9v）2.5系统模块2.5.1障碍物探测模块使用三只E3F-DS30C4光电开关，分别探测正前方，前 右侧，前左侧障碍物信息，在特殊地形（如障碍物密集地形） 可将正前方的光电开关移置后方进行探测。E3F-DS30C4光电 开关平均有效探测距离0-30cm可调，且抗外界背景光干扰 能力强，可在日光下正常工作（理论上应避免日光和强光源 的直接照射）。小车换档调速后的最大制动距离不超过30cm， 一般在10-20cm左右。2.5.2电机驱

4、动模块使用全桥驱动芯片L298N芯片驱动电机，L298N是一个具 有高电压大电流的全桥驱动芯片，输出电压最高可达50V， 可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO 口提供信号，而且带有使能端，方便PWM调速，电路简单， 性能稳定，使用比较方便。L298N芯片可以驱动两个二相电 机，也可以驱动一个四相电机，正好符合小车两个二相电机 的驱动要求。2.5.3电源模块采用6V干电池通过7805转换为5V电压向单片机和光 电开光供电，在稳压方面，起始时考虑使用7805芯片对6V 的电池电压进行降压稳压。故使用干电池对系统供电，小车模型作为小车底座，采 用单片机作为主控芯片，采用E3F-DS

5、30C4光电开关进行障 碍物探测，使用L298N驱动直流电机。3. 硬件电路本次设计是以单片机来控制小车实现启停和检测前面 的障碍物并且能够实现简单的避障。本系统硬件由单片机系 统控制电路、障碍检测电路、电机驱动电路和显示电路模块。 本设计通过小车这个载体再结合由单片机为核心的控制板 可以达到其基本功能，能够利用红外线光电传感器感应到前 面的障碍物，再通过控制电路使小车可以进行向右向左转 弯，再辅加由红外线光电传感器组成的避障电路、电源电路、 差分驱动电路就可以完善整个设计。利用红外技术检测障碍 物信息，采用单片机进行实时控制，实现智能避障，智能小 车采用后轮驱动，两轮各用一个直流电机控制，避

6、障用的传 感器采用光电开光传感器。时钟电路复位电路避障P电路XTAL1PO.u/ADOP0.-1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/ADP0.5/AD5PO.ti/ADtRSTP0.7/AD7P2E愍P2.H越P2.2/A1CFSEMP2.3/A11ALEP2.4/A12EAP2.5/A13P2.6/A1-P2.7/A15F1.0F3.0/RXDP-1.1P-1.2P3.2州也F1.3F*P3.3/1 NT-1P3.4.-T0P-1.5P-1.6P3.6.WF：P-1.7RSJ/RD&856293+stcS9.o519&O I1-1OJo3*-THr rJ-JL. L.

7、3Ziz.*-L- r jiQ._n_i坤-TOH HI I-TE.4 -I1 JT4驱动电路/电路框图3.1硬件的最小系统设计模块单片机在系统中起到控制中心的作用，负责检测传感器 的状态并向电机驱动电路发出动作命令。采用手动复位。用 单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和 复位电路即可。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作 一些小型的控制单元。单片机的P1 口通用口用来接收红外传感器的信号,P1.0 到P1.3口分别来接收三个光电开关的输入信号，P2通用口用 来驱动电机，P2.0到P2.6用来控制L298N的输入口。最小系统电路图如图：TextText4321CON410UF

8、。 0SW11K1410K15112M17192020P20 PP1.0VCCP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3P1.5P0.4P1.6P0.5P1.7P0.6RSTP0.7P3.0EAP3.1ALEP3.2PSENP3.3P2.7P3.4P2.6P3.5P2.5P3.6P2.4P3.7P2.3XTAL2P2.2XTAL1P2.1GNDP2.0123456789121340驱J236J5J4333231J0竺迎27最小系统电路图3.1.1时钟电路单片机虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外 部附加电路。单片机产生时钟有两种方法。内部时钟方式 和外部时钟方式。本设

9、计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电 路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡 电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方 式，用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可 在1.2MHZ到12MHZ之间选择。电容值无严格要求，但电 容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速 度有少许影响，CX1、CX2可在20PF到100PF之间取值， 但在60PF到70PF时振荡器有较高的频率稳定性。所以本 设计中，振荡晶体选择12MHZ,电容选择20PF。时钟电路图如图所示：TeXtexx Text时钟电路3.1.2复位电路infineonXC2000的复位是由外部

10、的复位电路来实现的。 复位引脚RST通过一个斯密特触发器来抑制噪声。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只 要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以自动实现自动上电复 位。时钟频率用11.0592MHZ时C取10pF,R取1K。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就 是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式 两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源V cc接通而 实现的。复位电路图如图所示：TextTextSW1复位电路3.2避障电路避障电路采用漫反射式光电开关进行避障。光电开关是 集发射头和接收头于一体的

11、检测开关，其工作原理是根据发 射头发出的光束，被障碍物反射，接收头据此做出判断是否 有障碍物。单片机根据接收头电平的高低做出相应控制，避 免小车碰到障碍物，由于接收管输出TTL电平，有利于单片 机对信号的处理。小车避障的原理：小车车头处装有三个光电开关，中间 一个光电开关对向正前方，两侧的光电开关向两边各分开30 度。小车在行进过程中由光电开关向前方发射出红外线，当 红外线遇到障碍物时发生漫反射，反射光被光电开关接收。 小车根据三个光电开关接受信号的情况来判断相应的动作。 光电开关的平均探测距离为30cm。光电开关工作原理：光电开关是通过把光强度的变化转 换成电信号的变化来实现控制的。光电开关

12、在一般情况下， 有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。避障功能表见表1-1 :传感器避障电路输出（上升沿动作）待执行命令右中左左转信号（P3.1 ）右转信号（P3.0 ）000V左转001V左转010V不存在011V左转100V右转101V左转110V右转111刖进注（“0”表示有障碍物；“1”表示无障碍物）3.3电源模块设计电源模块的作用把6V锌锰干电池通过7805转换为5V , 供单片机和光电开关使用。电池对驱动电机供电。本系统所有芯片都需要+5V的工作电压，而干电池只能 提供的电压为1 .5V的倍数的电压，并且随着使用时间的延 长，其电压会逐渐下降，则需要LM7805稳压芯片

13、。L7805 能提供300至500mA的电流，足以满足芯片供电的要求。虽然微处理器和微控制器不需要支持电路，功耗也很低，但 必须要加以考虑。可以满足需要。电源模块电路图如图2-5 :TextTextL7805CVTextVinDNG+5VVout图2-5电源模块电路图Text3.3电机驱动模块设计电机驱动模块主要功能是将主控芯片发出的信号通过 L298N电机控制芯片转化为小车实际的动作。L298N芯片有 两个电源引脚VDD引脚和VCC引脚。VDD引脚接+9V电 源用来给电机供电，VCC引脚接+5V电源用来给芯片供电， 并作为逻辑高电平标准L298N芯片通过一个有四个IN4148 二极管组成的保

14、护电路与电机相连，保护电路主要是用来在 电机开启和关闭时防止被反向击穿。由于一直让转向电机以最大功率使能从而获得最大的 扭矩，保证小车转向成功，而不需要控制转向电机的输出功 率，所以ENA引脚（即转向电机使能引脚）直接接+5 V，即让转向电机一直使能。对于后置的驱动电机，不仅要控制 其实现前进、后退和停止，还要能够控制其转速以解决由于 电量不足而产生的小车变慢的问题15。所以，将L298N芯 片的ENB引脚与STC89C51的P2.1用来实现PWM调速。L298N芯片的IN1和IN2引脚分别和STC89C51的 P2.4和P2.5引脚连接用来接收主控芯片输出的转向电机的 动作指令，并通过OUT

15、1和OUT2来控制转向电机的正转与 反转，最终功能的实现表现在小车的左转与右转。L298N芯 片的IN3和IN4引脚分别与STC89C51的P2.2和P2.0引 脚连接用来接收主控芯片输出的驱动电机的动作指令，并通 过OUT3和OUT4来控制驱动电机的正转与反转，最终功能 的实现表现在小车的前进、后退、停止。采用与门对两电机进行选择控制，从而实现前进、左转、 右转。驱动电路原路框图如图2-6 :图2-6驱动电路原理图驱动电路图如图2-7 :图2-7电机驱动模块电路图可参考下图表:电机旋转方式控制端IN1控制端IN2控制端IN3控制端IN4输入PWM信号改变脉宽可调速调速端A调速端BM1正转高低

16、/高/反转低高/高/停止低低/高/M2正转/高低/高反转/低高/高停止低低/高3.4单片机控制电路模块4软件设计在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，如 何根据每个功能需要设计应用程序。因此，软件设计在微机 控制系统设计中占很重要的地位。对于本系统，软件也显得 比较重要。软件和硬件的结合，使系统达到更好的效果。程 序使用C语言来编写，编译软件使用keilC51来进行编译。为了完成本设计，在进行软件设计时，通常把整个过程 分为若干个模块。每个模块完成一定功能，相对独立的程序 段，这种程序设计方法是模块程序设计法。模块程序设计方 法主要优点是：单个模块比起一个完整的程序易编写及调 试；模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下 调用；模块程序允许设计者分割任务和利用己有程序，为设 计者提供方便。本系统软件由主程序、初始化子程序、 前进子程序、左转子程序、右转子程序、停止子程序、中断子程序、延时 子程序。主程序设计思路如图3-1所示：图3-1主程序设计思路图