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基于51单片机的智能避障小车.docx

发布时间：2022-05-31 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.61M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    单片机原理及应用 综合实验报告 题目：51 单片机智能避障小车 专业班级： 电信 16-2 班 姓 名： 李斌安 学 号： 16034490225 时 间： 2018 年 12 月 22 指导教师： 张涛
    摘 要 利用红外对管检测黑线与障碍物，并以 STC89C51 单片机为控制芯片控制电 动小汽车的转向，从而实现自动避障的功能。其中小车驱动由 L298N 驱动电路完成。 本文首先介绍了智能车的发展前景，接着介绍了该课题设计构想，各模块电路的 选择及其电路工作原理，最后对该课题的设计过程进行了总结与展望并附带各个 模块的电路原理图，和本设计实物图，及完整的 C51 语言程序。 关键词：智能小车；51 单片机；L298N；红外避障； 一、绪论 1.1 智能小车的意义和作用 自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、 交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变 着人们的生活方式。 随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多， 其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式 智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像 的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境 简单的目标。避障控制系统是基于自动导引小车（AVG—auto-guide vehicle）系 统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行 进路线。使用传感器感知路线和障碍并做出判断和相应的执行动作。 该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分：传感器 检测部分、执行部分、CPU。机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功 能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线， 并检测到障碍物自动躲避。基于上述要求，传感检测部分考虑使用价廉物美的红 外反射式传感器来充当。智能小车的执行部分，是由直流电机来充当的，主要控 制小车的行进方向和速度。单片机驱动直流电机一般有两种方案：第一，勿需占 用单片机资源，直接选择有 PWM 功能的单片机，这样可以实现精确调速；第二， 可以由软件模拟 PWM 输出调制，需要占用单片机资源，难以精确调速，但单片 机型号的选择余地较大。考虑到实际情况，本文选择第二种方案。CPU 使用 80C51 单片机，配合软件编程实现。 二、方案设计与论证 现智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。其基本可实 现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能，这几节的电子设计大赛 智能小车又在向声控系统发展。比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。我 此次的设计主要实现循迹避障这两个功能。 根据要求，确定如下方案：在现有 玩具电动车的基础上，加装光电检测器，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 各种数据实现对电动车的智能控制。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实 时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。
    2.1 主控系统 采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的 性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点 上，单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机 就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格 低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。 针对本设计特点——多 开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能 用精简 I/O 口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D 功能也不必选用。根据 这些分析,我选定了 STC89C51 单片机作为本设计的主控装置，51 单片机具有功能 强大的位操作指令，I/O 口均可按位寻址，程序空间多达 8K，对于本设计也绰绰 有余，更可贵的是 51 单片机价格非常低廉。 在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片单 片机，充分利用 STC89C51 单片机的资源。 2.2 电机驱动模块 采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结 构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的 H 型桥式电路(如图 2.1)。 用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转 速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H 型桥式电路保 证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是 一种广泛采用的 PWM 调速技术。现市面上有很多此种芯片，我选用了 L298N。 这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受 频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决 定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。
    L298N 电机驱动模块
    2.3 避障模块 采用两个红外避障模块，放于小车的左前端和右前端，方向与小车的前进方 向平行，及时反映而且可以很好的检测到小车前方的障碍物并发送电信号到中央 处理器。 红外对管避障传感器模块 模块电路原理图
    2.4 机械系统 至于本题目小车，机械系统最好是稳定、灵活、简单，而三轮运动系统具备 以上特点。所以最好是选择三轮的小车，但是我没有选择购买新的三轮车架么而 是节约成本用了以前买过的四轮车架。驱动部分：由于玩具汽车的直流电机功率 较小，而小车上装有电源、电机、电子器件等，使得电机负担较重。为使小车能 够顺利启动，且运动平稳，在直流电机和轮车轴之间加装了三级减速齿轮。 2.5 电源模块 还是为了节约成本并且资源可以多次利用，本次设计采用的电源是 5V-1A 的充电宝移动电源作为小车的能源。虽说是质量较大，而且没有四节 5 号电池那 么大的功率，但是移动电源有一定的续航能力并且是绿色能源的佼佼者。所以最 终还是选择移动电源作为小车的能源。
    三、硬件设计 3.1 总体设计 设计一个直流电机小车系统，用 L298N 驱动电机；用红外传感器实现壁障， STC89C51 最小系统为中央处理器；移动电源作为小车电源供能。 主板设计框图如图 3.1。 复位电路 时钟电路 红外避障传感器 STC89C51 L298N 电机驱动模块 减速电机 图 3.1 智能避障小车实物图
    3.2 驱动电路 电据驱动一般采用 H 桥式驱动电路，L298N 内部集成了 H 桥式驱动电路，从 而可以采用 L298N 电路来驱动电机。通过单片机给与 L298N 电路 PWM 信号来控 制小车的速度启停。其引脚图与驱动原理图如下： 3.3 信号检测模块 在该模块利用红外探测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理表 面具有不同的反射性质的特点。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当 红外光遇到白色地面时发生漫发射，反射光被装在小车上的接收管接收； 如果 遇到黑线则红外光被吸收，则小车上的接收管接收不到信号，再通过 LM324 作 比较器来采集高低电平，从而实现信号的检测。
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