自動避障尋跡小車硬件設(shè)計畢業(yè)論文

西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計本科畢業(yè)設(shè)計(論文論文) 題目：自動避障尋跡小車硬件設(shè)計題目：自動避障尋跡小車硬件設(shè)計系 別： 電子信息系 專 業(yè)： 通信工程 班 級： B090310 學(xué) 生： 李春健 學(xué) 號： B09031009 指導(dǎo)教師： 王青岳 2013 年 06 月畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書系別 電子信息系 專業(yè) 通信工程 班級 B090310 姓名 李春健 學(xué)號 B09031009 1.畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 自動避障尋跡小車硬件設(shè)計 2.題目背景和意義： 利用超聲波進(jìn)行位置檢測廣泛應(yīng)用于考古、機(jī)器人、醫(yī)療器械等許多方面，而根據(jù)地面特定標(biāo)識自動尋跡在工業(yè)自動化生產(chǎn)及汽車工業(yè)中也得到廣泛應(yīng)用。本題目以單片機(jī)為核心，以玩具小車為控制對象，利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙，控制電動小汽車的自動避障，同時根據(jù)地面特定標(biāo)識，引導(dǎo)小車快慢速行駛以及自動停車，并可以自動記錄時間、里程以及行駛速度。涉及到傳感器位置檢測，直流電機(jī)調(diào)速控制及計算機(jī)應(yīng)用等多方面的知識。 3.設(shè)計(論文)的主要內(nèi)容（理工科含技術(shù)指標(biāo)）： 本題目以玩具小車為控制對象，要求小車在地面標(biāo)識引導(dǎo)下能夠自動尋跡，尋跡路線設(shè)有隨機(jī)布置的障礙，要求小車能夠根據(jù)檢測自動躲避障礙，并恢復(fù)對路線的尋跡。同時小車能夠自動顯示、記錄時間、里程以及行駛速度。 4.設(shè)計的基本要求及進(jìn)度安排（含起始時間、設(shè)計地點）： 設(shè)計地點：單片機(jī)實驗室； 起始時間：1-18 周 ； 基本要求： 1）系統(tǒng)電源設(shè)計；2）尋跡模塊接口硬件設(shè)計；3）超聲波換能器接口設(shè)計；4）直流電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計；5）1602 液晶接口設(shè)計；6）轉(zhuǎn)速檢測接口設(shè)計等 5.畢業(yè)設(shè)計（論文）的工作量要求 實驗（時數(shù)）*或?qū)嵙?xí)（天數(shù)）： 400 學(xué)時 圖紙（幅面和張數(shù)）*： A4 圖紙 5 張 其他要求： 論文字?jǐn)?shù) 1.5 萬字以上；外文翻譯 5000 字以上；參考文獻(xiàn) 15 篇以上（含英文參考文獻(xiàn) 3 篇） 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 學(xué)生簽名： 年 月 日 系（教研室）主任審批： 年 月 日說明：1 本表一式二份，一份由學(xué)生裝訂入附件冊，一份教師自留。2 帶*項可根據(jù)學(xué)科特點選填。I自動避障尋跡小車硬件設(shè)計自動避障尋跡小車硬件設(shè)計摘摘 要要本系統(tǒng)以 AT89S52 單片機(jī)為控制核心，利用紅外對管檢測行駛軌道的黑線引導(dǎo)線實現(xiàn)尋跡功能，用超聲波模塊實現(xiàn)避障檢測。采用直流電機(jī)驅(qū)動小車的后輪，用一個轉(zhuǎn)向電機(jī)控制小車的前輪。利用舵機(jī)控制小車的行駛方向，采用 PWM 技術(shù)調(diào)節(jié)占空比以此來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使小車實現(xiàn)自動尋跡避障的功能。行駛時間、速度、里程的顯示用一塊 1602LCD。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：AT89S52 單片機(jī)；紅外對管；超聲波；PWM 技術(shù)；尋跡；避障；1602LCDIIAutomatic Obstacle Avoidance Car Tracing Hardware DesignAbstract The system is controlled by AT89S52 single-chip microcomputer. It uses infrared tube to detect the black guide line on the running track so as to realize the tracing function, and it uses ultrasonic module to detect obstacle avoidance. The rear wheels of the car are drived by DC motor and the front wheels of the car are controlled by a steering motor. The driving direction of the car is controlled by Servo. It adopted PWM technology to adjust the duty cycle so as to control the speed of the motor and realize the function of automatic tracing and obstacle avoidance. The travel time, speed and mileage are displayed on the 1602LCD.Key Words: AT89S52 MCU；Infrared Tube；Ultrasonic Wave；PWM Technology； Tracing;Obstacle Avoidance;1602LCDIII目錄目錄1 緒論緒論.11.1 前言 .11.2 課題研究的背景及意義 .11.2.1 題目背景.11.2.2 研究意義.11.3 課題研究的主要內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo) .21.3.1 主要內(nèi)容.21.3.2 硬件設(shè)計主要要求.22 系統(tǒng)方案論證與設(shè)計系統(tǒng)方案論證與設(shè)計.32.1 系統(tǒng)方案論證與設(shè)計 .32.1.1 控制器模塊論證與選擇.32.1.2 電機(jī)驅(qū)動模塊論證與選擇.42.1.3 電源模塊論證與選擇.52.1.4 尋跡模塊選擇與論證.52.1.5 避障模塊論證與選擇.52.1.6 速度檢測模塊論證與選擇.62.1.7 顯示模塊論證與選擇.62.1.8 本系統(tǒng)最終方案.73 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計系統(tǒng)硬件電路設(shè)計.83.1 總體設(shè)計方案 .83.2 單片機(jī)電路設(shè)計 .93.2.1 AT89S52 芯片介紹.103.2.2 單片機(jī)晶振及復(fù)位電路設(shè)計.123.2.3 電源穩(wěn)壓電路設(shè)計.133.3 電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計 .133.3.1 L298N 芯片介紹 .133.3.2 電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計.153.4 尋跡模塊設(shè)計 .163.4.1 反射型光電探測器 RPR359F 工作原理.163.4.2 四路運算放大器 LM324 和雙運算放大器 LM358.173.4.3 尋跡光電對管電路的設(shè)計.183.4.4 尋跡光電對管的安裝.19IV3.5 超聲波檢測處理模塊設(shè)計 .203.5.1 超聲波測距原理.203.5.2 超聲波測距模塊 HC-SFR05.203.6 轉(zhuǎn)速檢測接口設(shè)計 .223.6.1 霍爾傳感器工作原理.223.6.2 A44E 霍爾測速模塊 .233.7 光電隔離模塊設(shè)計 .253.7.1 光耦芯片 TLP521-4 .253.7.2 光電隔離模塊的電路設(shè)計.273.8 液晶顯示接口設(shè)計 .273.8.1 1602A 液晶顯示模塊.274 硬件及功能調(diào)試硬件及功能調(diào)試.314.1 硬件電路測試 .314.2 功能模塊測試及功能實現(xiàn) .314.2.1 電機(jī)驅(qū)動功能的實現(xiàn).314.2.2 尋跡功能的實現(xiàn).314.2.3 避障功能的實現(xiàn).324.2.4 車速檢測的實現(xiàn).325 總結(jié)總結(jié).33參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).34致謝致謝.35畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明.36畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明.371 緒論11 緒論緒論1.1 前言前言隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品的智能化和小型化越來越成為人們關(guān)注的熱點。各種智能小車在智能化玩具中占了很大的比例。近年來，傳統(tǒng)玩具的市場逐步縮水，高科技智能化的電子類玩具則逐步成為市場的主流。因此，可遙控的智能化小車的研究是非常有意義的，具有很大潛在市場價值的。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展是一個國家高科技水平和工業(yè)自動化程度的重要標(biāo)志和體現(xiàn)。機(jī)器人由于具有高度的靈活性、可以幫助人們提高生產(chǎn)率、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量和改善勞動條件等優(yōu)點，在世界各地的生產(chǎn)生活領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用1。智能小車正是模仿機(jī)器人的一種嘗試。它是一種以汽車電子為背景，涵蓋控制，模式識別，電子、電氣、單片機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科的科技創(chuàng)新性設(shè)計，一般主要由路徑識別、速度采集、角度控制以及車速控制等模塊組成。這種智能小車能夠自動搜尋前進(jìn)路線，還能爬坡；感知前方的障礙物，并自動尋找前進(jìn)方向，避開障礙物；加入相關(guān)聲光訊號后，更能體現(xiàn)出智能化和人性化的一面。機(jī)器人要實現(xiàn)自動導(dǎo)引功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個視覺功能。避障控制系統(tǒng)是基于自動導(dǎo)引小車（AVGauto-guide vehicle）系統(tǒng)，基于它的智能小車實現(xiàn)自動識別路線，判斷并自動避開障礙，選擇正確的行進(jìn)路線。使用傳感器感知路線和障礙并作出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動作。1.2 課題研究的背景及意義課題研究的背景及意義1.2.1 題目背景題目背景在生產(chǎn)實際中，某些場合要求工作小車有自動尋跡、自動規(guī)避障礙的功能。路線檢測的準(zhǔn)確與否直接影響小車尋跡時的行駛狀態(tài)及速度，而自動規(guī)避障礙在實際生產(chǎn)生活中有廣泛應(yīng)用，因此尋求一種低成本、抗干擾性強(qiáng)并且位置指示準(zhǔn)確的障礙檢測方法具有重要意義。1.2.2 研究意義研究意義自第一臺工業(yè)機(jī)器人誕生以來，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領(lǐng)域。近年來機(jī)器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）2們的生活方式。人們在不斷探討、改造、認(rèn)識自然的過程中，制造能替代人勞動的機(jī)器一直是人類的夢想，智能小車可以作為機(jī)器人的典型代表。 電子技術(shù)的飛速發(fā)展，對自動化要求越來越高，智能汽車檢測并完成特殊的任務(wù)將成為以后的一個新的發(fā)展方向。在危險或不利于人工作業(yè)的環(huán)境下，利用智能小車替代人工作業(yè)完成特殊任務(wù)，避免人員傷亡，更可減少經(jīng)濟(jì)損失。1.3 課題研究的主要內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo)課題研究的主要內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo)1.3.1 主要內(nèi)容主要內(nèi)容本題目以玩具小車為控制對象，要求小車在地面標(biāo)識引導(dǎo)下能夠自動尋跡，尋跡路線設(shè)有隨機(jī)布置的障礙，要求小車能夠根據(jù)檢測自動躲避障礙，并恢復(fù)對路線的尋跡。同時小車能夠自動顯示、記錄時間、里程以及行駛速度。1.3.2 硬件設(shè)計主要硬件設(shè)計主要要求要求本題目要求對一玩具小車進(jìn)行控制，使小車能夠在引導(dǎo)線指引下自動循跡；遇到引導(dǎo)線前設(shè)置的障礙時，要求小車能夠自動躲避障礙，并重新找到引導(dǎo)線恢復(fù)循跡。具體包括：a. 系統(tǒng)電源設(shè)計。b. 直流電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計。c. 尋跡模塊接口設(shè)計。d. 轉(zhuǎn)速檢測接口設(shè)計。e. 超聲波換能器接口設(shè)計。f. 1602 液晶接口設(shè)計。2 系統(tǒng)方案論證與設(shè)計32 系統(tǒng)方案論證系統(tǒng)方案論證與設(shè)計與設(shè)計2.1 系統(tǒng)方案論證系統(tǒng)方案論證與設(shè)計與設(shè)計根據(jù)題目要求，設(shè)計方案如圖 2.1。在玩具電動車上，加裝反射式紅外光電傳感器、超聲波傳感器、速度檢測傳感器等部件,實現(xiàn)對電動車運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。AT89S52路徑識別單元避障檢測模塊舵機(jī)控制單元驅(qū)動電機(jī)控制車速檢測單元速度里程顯示電池組9V電池組 9V電源管理單元信號調(diào)理電路 圖 2.1 系統(tǒng)框圖為較好的實現(xiàn)各模塊的功能，分別設(shè)計了幾種方案并分別進(jìn)行了論證。2.1.1 控制器模塊論證與選擇控制器模塊論證與選擇此部分是整個小車運行的核心部分，起著控制小車所有運行狀態(tài)的作用?？刂频姆椒ㄓ泻芏?，大部分都采用單片機(jī)控制。方案一：智能車系統(tǒng)采用飛思卡爾 16 位單片機(jī) MC9S12DG128 為核心控制單元，由采用光電檢測技術(shù)的道路識別模塊和速度檢測模塊負(fù)責(zé)采集信號，并將采集到的電平信號送入核心控制單元 MCU，核心控制單元對信號進(jìn)行處理后，通過單片機(jī)端口發(fā)出 PWM 信號波，通過輸出不同占空比分別對轉(zhuǎn)向舵機(jī)、直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動控制，完成控制智能車的方向與速度2。但考慮到對這個方案采用的微處理器并不熟悉，使用起來并不是很方便，這對于硬件電路的設(shè)計和軟件編程增加了難度。我們決定不再使用此方案，考慮其他方案。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）4方案二：采用 AT89S52 單片機(jī)作為主控制器。AT89S52 是一個超低功耗，和標(biāo)準(zhǔn) 51 系列單片機(jī)相比較具有運算速度快，抗干擾能力強(qiáng)，支持 ISP 在線編程，片內(nèi)含 8k 空間的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀存儲器，具有 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM） ，32 個 I/O 口，2 個 16 位可編程定時計數(shù)器3。其指令系統(tǒng)和傳統(tǒng)的 8051 系列單片機(jī)指令系統(tǒng)兼容，降低了系統(tǒng)軟件設(shè)計的難度，電路設(shè)計簡單、價格低廉，在后來的實驗中 89S52 精確度和運算速度也都完全符合我們系統(tǒng)的要求。綜合以上方案我們選擇比較普通是的更為熟悉的方案二使用 AT89S52 單片機(jī)為我們整個系統(tǒng)的控制核心。2.1.2 電機(jī)驅(qū)動模塊論證與選擇電機(jī)驅(qū)動模塊論證與選擇方案一：使用直流電機(jī)，加上適當(dāng)減速比的減速器。直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，控制起來也比較簡單。直流電機(jī)只要通上直流電源就可連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)電壓的大小就可以改變電機(jī)的速度。直流電機(jī)的驅(qū)動電路實際上就是一個功率放大器。常用的驅(qū)動方式是 PWM 方式，即脈沖寬度調(diào)制方式4。此方法性能較好，電路和控制都比較簡單。方案二：使用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)具有良好的控制性能。當(dāng)給步進(jìn)電機(jī)輸入一個電脈沖信號時，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸就轉(zhuǎn)動一個角度，因此可以實現(xiàn)精確的位置控制。與直流電機(jī)不同，要使步進(jìn)電機(jī)連續(xù)的轉(zhuǎn)動，需要連續(xù)不斷的輸入點脈沖信號，轉(zhuǎn)速的大小由外加的脈沖頻率決定。去而且其轉(zhuǎn)動不受電壓波動和負(fù)載變化的影響，也不受溫度、氣壓等環(huán)境因素的影響，僅與控制脈沖有關(guān)5。但步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動相對較復(fù)雜，要由控制器和功率放大器組成。具體差別見表 2.1。表 2.1 電機(jī)控制方式對比直流電機(jī)步進(jìn)電機(jī)調(diào)速性能較好較差位置控制精度較差好驅(qū)動簡單復(fù)雜穩(wěn)定性較好好，僅與控制脈沖有關(guān)由上表可以看出步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)都有各自的優(yōu)點。步進(jìn)電機(jī)能進(jìn)行精確的位置控制，但驅(qū)動電路麻煩，鑒于本設(shè)計中小車的位置控制不要求十分精確，直流電機(jī)即可滿足小車要求的精度。且直流電機(jī)易于控制，驅(qū)動電路十分簡單。故選擇直流電機(jī)用于小車驅(qū)動，采用市面易購的電機(jī)驅(qū)動芯片 L298N 驅(qū)動電機(jī)。該芯片是利用 TTL 電平進(jìn)行控制，通過改變芯片控制端的輸入電平，即可以對電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止操作；利用可調(diào)占空比的 PWM 波輸入驅(qū)動芯片使能端，就可以實現(xiàn) PWM 調(diào)速目的6。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）52.1.3 電源模塊論證與選擇電源模塊論證與選擇由于本系統(tǒng)需要給小車系統(tǒng)供電，考慮如下幾種方案: 方案一：采用 9V 電池組。電池組具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動能力及穩(wěn)定的電壓輸出性能，經(jīng)測試在用此種供電方式下，單片機(jī)和傳感器工作穩(wěn)定，直流電機(jī)工作良好，且電池體積較小、可以充電、能夠重復(fù)利用等，能夠滿足系統(tǒng)的要求。方案二：采用 12V 蓄電池。由于蓄電池的體積過于龐大，我們的車體在設(shè)計時空間有限，在小型電動車上使用極為不方便，因此我們放棄此方案。綜上所述，選擇方案一作為本系統(tǒng)供電方式。2.1.4 尋跡模塊選擇與論證尋跡模塊選擇與論證循跡檢測常用到傳感器。根據(jù)小車功能的要求有兩種方案，一種是使用紅外光電傳感器，另一種是使用 CCD 傳感器。兩種方案的主要區(qū)別是使用的傳感器不同。CCD 傳感器靈敏度高，能夠做到對圖像的識別，但是控制電路復(fù)雜、成本高。紅外光電傳感器結(jié)構(gòu)簡單，對特定顏色的識別靈敏度差異大，可以實現(xiàn)對特定顏色的軌道路線識別。這里我們選用 RPR359F 型光電對管完成系統(tǒng)循跡。RPR359F 是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管7。RPR359F 特點：塑料透鏡可以提高靈敏度。內(nèi)置可見光過濾器能減小離散光的影響。體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。此光電對管調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。實物如圖 2.2 所示。 圖 2.2 紅外對管 RPR359F 實物圖2.1.5 避障模塊論證與選擇避障模塊論證與選擇方案一：采用一只光電開關(guān)置于小車中央。其安裝簡易，也可以檢測到障礙物的存在，但難以確定小車在水平方向上是否會與障礙物相撞，但是本課題要求在尋跡的路線上避障，也就是說障礙物可能在尋跡的路線上，而其他方向無障礙物這樣西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）6只要把避障后的舵機(jī)的方向規(guī)定就可以了，然后啟動延時也能越過障礙。這種方案也是可以的。方案二：利用超聲波傳感器。超聲波傳感器是靠發(fā)射某種頻率的聲波信號，利用物體界面上超聲反射、散射檢測物體的存在與否。超聲波在空氣中傳播時如果遇到其它媒介，則因兩種媒質(zhì)的聲阻抗不同而產(chǎn)生反射。因此，向空氣中的被測物體發(fā)射超聲波，檢測反射波并進(jìn)行分析，從而獲得障礙物的信息。超聲波傳感器由于信息處理簡單、快速并且價格低，被廣泛用在機(jī)器人測距、定位及環(huán)境建模等任務(wù)中。超聲波檢測距離遠(yuǎn)，不易受外界環(huán)境干擾，由于小車需要在行駛過程中檢測障礙物，顛簸，光照方面可能會對檢測產(chǎn)生影響。所以需要選擇穩(wěn)定性較好的，故本設(shè)計選擇超聲波檢測。2.1.6 速度檢測模塊論證與選擇速度檢測模塊論證與選擇方案一：旋轉(zhuǎn)編碼器。分絕對式或者增量式兩種，一般使用增量式編碼盤，它輸出脈沖的個數(shù)正比于電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度，從而使它的輸出脈沖頻率正比于轉(zhuǎn)速?？梢酝ㄟ^測量單位周期內(nèi)脈沖個數(shù)或者脈沖周期得到脈沖的頻率。但是旋轉(zhuǎn)編碼器價格昂貴。方案二： 采用反射式紅外對管，在車輪適當(dāng)位置粘貼一白紙片，每當(dāng)白紙片轉(zhuǎn)到紅外對管處，單片機(jī)計數(shù)一次，結(jié)合車輪半徑就能求出小車行進(jìn)距離及速度。這種方案操作較簡單，但是不準(zhǔn)確。 方案三：霍爾傳感器檢測。在后輪輸出齒輪軸上粘貼 4 個小型永磁體，附近固定 1 個霍爾傳感器，霍爾元件有 3 個引腳，其中 2 個是電源和地，第三個是輸出信號，只要通過 1 個上拉電阻接至 5V 電壓，就可形成開關(guān)脈沖信號，后輪電機(jī)每轉(zhuǎn)1 周，則可形成 4 個脈沖信號，方便測速?；魻杺鞲衅鲀r格便宜且具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)速度快、溫度性能好、精確度高、可靠性高等特點，能很好地滿足車輪測速系統(tǒng)設(shè)計的需要。綜合考慮選擇第三種測速方案。2.1.7 顯示模塊論證與選擇顯示模塊論證與選擇方案一：采用 LED 數(shù)碼管顯示。LED 顯示具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、軟件實現(xiàn)相對容易等優(yōu)點，但是由于我們計劃要顯示小車運行時間、里程、行駛速度，LED 數(shù)碼管無法顯示如此豐富的內(nèi)容，因此我們放棄此方案。方案二：采用 LCD 1602A 液晶顯示。LCD 液晶因具有功耗低、顯示內(nèi)容豐富、清晰，顯示信息量大，顯示速度較快，界面友好等特點而得到了廣泛的應(yīng)用，因此我們選擇此方案。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）7通過以上方案論述我們選擇方案二。2.1.8 本系統(tǒng)最終方案本系統(tǒng)最終方案經(jīng)過反復(fù)的探討和論證我們最終確定本系統(tǒng)設(shè)計的如下最終方案：a. 采用 AT89S52 單片機(jī)作為整個電路的控制核心。b. 使用 9V 可充電動力電池組為系統(tǒng)提供基準(zhǔn)電源。c. 采用直流電機(jī)作為小車系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)。d. 使用電機(jī)專用驅(qū)動芯片 L298N 作為直流電機(jī)的驅(qū)動芯片。e. 用 RPR359F 型紅外對管實現(xiàn)小車的尋跡。f. 采用 HY-SFR05 超聲波模塊完成避障檢測。g. 采用 LCD 1602A 實現(xiàn)系統(tǒng)信息顯示需求。h. 采用霍爾測速模塊實現(xiàn)速度檢測。3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計83 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1 總體設(shè)計方案總體設(shè)計方案智能小車依靠電機(jī)驅(qū)動芯片 L298N 對小車前后兩電機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)行控制。前電機(jī)控制轉(zhuǎn)向，后電機(jī)為主驅(qū)。尋跡功能通過裝在車頭的反射式紅外光電傳感器檢測地面黑線來實現(xiàn)。避障功能主要依靠裝在車身上的超聲波模塊對小車運行路線中是否遇到障礙物進(jìn)行檢測。車速檢測主要依靠霍爾測速模塊來完成?？紤]到電機(jī)控制要使用 PWM 波形，而 AT89S52 單片機(jī)本身不能產(chǎn)生 PWM，需要外加電路或使用軟件的方式實現(xiàn)，為減少硬件電路，這里選用軟件產(chǎn)生 PWM方式。整體原理電路圖如圖 3.1 所示。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）9VSS1VO3VDD2RS4RW5E6D07D18D29D310D411D512D613D714BLA15BLK16RP11602AVS4OUTI2OUT23OUT313OUT414ENB15ENA1N15N27N310N412ENA6ENB11GND8VSS9U2L298NOUT27N2-6N2+5VCC4N1+3N1-2OUT11OUT414IN4-13N4+12GND11N3+10N3-9OUT38U10LM324OUT11IN1(-)2IN1(+)3GND4IN2(+)5IN2(-)6OUT27VCC8U11LM358M1M2U4RPR220U5RPR220U7RPR220U6RPR220U9RPR220U8RPR220R21200R22200R24200R2520R23200R2620R2720R2820R3200R1020kR5200R920kR1220kR6200R210KR8200R11KR1420kR7200R4200R1120kR1320kS1 SW-PBR151KR161KR171KR181KR191KR201KD2D1D4D3D5D6D7D8Y112M12J1POWERC322uFC70.1uFC4100uFC50.1uFR020KVCCP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0P1.4P1.3P1.2VCCVCCIN1IN2IN3IN4DJA1DJA2DJB1DJB2C6100uFC230pFC130pFVCC+9DJA1DJA2DJB1DJB2ENAENBVCCVCCVCCP1.0/T1P1.1/T2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.111P3.010P3.212P3.313P3.414P3.515P3.616XTAL118GND20XTAL219P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN/29ALE/PROG/30EA/VPP31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40RST9P3.717U1AT89S52IN6+IN6-IN5+IN5-IN4+IN4-IN3+IN3-IN2+IN2-IN1+IN1-ENATrigEchoOutIN2ENBIN3IN4X1X2IN1P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7123J3cesumokuai12345J2chaoshengbomokuaiVCCTRIGECHOVCCOutERSRWOUT1OUT5IN5-IN5+IN6+IN6-OUT6IN1-IN1+IN2+IN2-OUT2OUT3IN3-IN3+IN4+IN4-OUT4VCCOUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6VDD1122334455667788161615151414131312121010111199U3圖 3.1 整體原理電路圖3.2 單片機(jī)電路設(shè)計單片機(jī)電路設(shè)計單片機(jī)是控制單元的核心，起著控制小車所有運行狀態(tài)的作用。主要作用在于：西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）10接收傳感器的輸入信號，計算、處理接收到各種傳感器信號并輸出控制信號。因此，控制器電路設(shè)計的關(guān)鍵在于各種接口電路的設(shè)計，包括：系統(tǒng)電源設(shè)計、尋跡模塊接口設(shè)計、超聲波換能器接口設(shè)計、轉(zhuǎn)速檢測接口設(shè)計、1602 液晶接口設(shè)計、直流電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計。3.2.1 AT89S52 芯片介紹芯片介紹AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 可編程 Flash存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng) 可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案8。AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k 字節(jié) Flash，256 字節(jié) RAM，32 位 I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位 定時器/計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許 RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程。其引腳排列如圖 3.2 所示。P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0(RXD)10P3.1(TXD)11P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P3.6(WR)16P3.7(RD)17XTAL218XTAL119GND20VCC40(AD0)P0.039(AD1)P0.138(AD2)P0.237(AD3)P0.336(AD4)P0.435(AD5)P0.534(AD6)P0.633(AD7)P0.732EA/VPP31ALE/PROG30PSEN29(A15)P2.728(A14)P2.627(A13)P2.526(A12)P2.425(A11)P2.324(A10)P2.223(A9)P2.122(A8)P2.021U1AT89S515VP1.0P1.1P1.2 圖 3.2 AT89S52 引腳排列圖a. 主要性能：(1) 與 MCS-51 單片機(jī)產(chǎn)品兼容；(2) 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器；西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）11(3) 1000 次擦寫周期；(4) 全靜態(tài)操作：0Hz33Hz；(5) 三級加密程序存儲器；(6) 32 個可編程 I/O 口線；(7) 三個 16 位定時器/計數(shù)器；(8) 八個中斷源；(9) 全雙工 UART 串行通道；(10) 低功耗空閑和掉電模式；(11) 掉電后中斷可喚醒；(12) 看門狗定時器；(13) 雙數(shù)據(jù)指針；(14) 掉電標(biāo)識符。b. 引腳說明： (1) VCC ：電源電壓。(2) GND ：接地。(3) 端口 0 ：P0 口是一個 8 位的開漏雙向 I / O 端口。作為一個輸出端口，每個引腳可以吸收 8 位 TTL 輸入。當(dāng) 1 秒寫入到端口 0 引腳，該引腳可作為高阻抗輸入。P0 口也可以配置為復(fù)低位地址/數(shù)據(jù)總線在外部程序和數(shù)據(jù)存儲器存取數(shù)據(jù)總線。在這種模式下，P0 具有內(nèi)部上拉電阻。P0 口也接收過程中的代碼字節(jié)及閃存編程和程序驗證過程中產(chǎn)出的代碼字節(jié)。外部上拉，必須在程序的驗證。(4) 端口 1：端口 1 是一個帶內(nèi)部上拉的 8 位雙向 I/O 口。在 1 口輸出緩沖器可匯/源 4 TTL 輸入。當(dāng) 1 秒寫入端口 1 引腳，他們拉高了內(nèi)部上拉電路，可作為輸入使用。作為輸入，端口 1 由于內(nèi)部上拉電阻外部被拉低時將吸收電流引腳的源電流。4 個 P 口在一般情況下都是是一個 8 位雙向 I/O 口。不過 P0 口是漏極開路的8 位雙向 I/O 口，而其他 P 口都是具有內(nèi)部上拉電阻的 8 作為輸出口要外部上拉電阻。且 P1 口部分引腳和 P3 口具有第二功能。具體見表 3.1 和表 3.2。表 3.1 P1 口引腳第二功能引腳號第二功能P1.0 T2定時器/計數(shù)器 T2 的外部計數(shù)輸入，時鐘輸出P1.1 T2EX定時器/計數(shù)器 T2 的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制P1.5 MOSI在系統(tǒng)編程用P1.6 MISO在系統(tǒng)編程用西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）12P1.7 SCK在系統(tǒng)編程用表 3.2 P3 口引腳第二功能3.2.2 單片機(jī)晶振及復(fù)位電路設(shè)計單片機(jī)晶振及復(fù)位電路設(shè)計AT89S52 常用的復(fù)位方式有上電復(fù)位、手動復(fù)位和看門狗定時器復(fù)位三種。a. 上電復(fù)位：系統(tǒng)上電時 RST 端自動產(chǎn)生復(fù)位所需的電平信號將單片機(jī)復(fù)位。b. 按鍵復(fù)位：上電和手動復(fù)位電路，如圖 3.3 所示。c. 看門狗定時器復(fù)位：看門狗定時器是可以根據(jù)用戶程序正常運行周期設(shè)定的專用定時器。啟動看門狗定時器后，要在程序中的適當(dāng)位置清空看門狗定時器。若單片機(jī)受到干擾，程序進(jìn)入非正常運行狀態(tài)，看門狗定時器將因不能執(zhí)行清空指令而溢出（即超過了設(shè)置的定時時間） ，同時復(fù)位單片機(jī)，使之重新回到初始狀態(tài)。在本設(shè)計中采用了按鍵復(fù)位方式，本復(fù)位電路采用 RC 的電平按鍵復(fù)位方式復(fù)位。一般 R 取 10K，C 取 10uF，由于 RC 越大，充電時間越長，單片機(jī)上電復(fù)位過程就越長，RC 取值不是特別嚴(yán)格的情況下，可取 R=1K，C=22uF，抗擾性更好。晶振電路中晶振采用無源晶振，兩 pF 小電容作為起振電容取值為 30pF。引腳號第二功能P3.0 RXD串行輸入P3.1 TXD串行輸出P3.2INT0(外部中斷 0)P3.3INT0(外部中斷 0)P3.4T0（定時器 0 外部輸入）P3.5T1（定時器 1 外部輸入）P3.6WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7RD(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）13 R210KR11KS1SW-PBY112MC322uFC230pFC130pFVCCP1.0/T1P1.1/T2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.111P3.010P3.212P3.313P3.414P3.515P3.616XTAL118GND20XTAL219P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN/29ALE/PROG/30EA/VPP31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40RST9P3.717U1AT89S52ENATrigEchoOutIN2ENBIN3IN4X1X2IN1P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7ERSRWVCCOUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6圖 3.3 單片機(jī)晶振及復(fù)位電路3.2.3 電源穩(wěn)壓電路設(shè)計電源穩(wěn)壓電路設(shè)計單片機(jī)電源電路如圖 3.4 所示。DV1IN4007+KC347uF+KC422uFKC10.1uFKC20.1uFD9LEDR234.7KVin1+5V3GND2U6 LM7805CT 9V圖 3.4 單片機(jī)供電電源電路設(shè)計在電源方案設(shè)計中，有兩種電源輸入方式，一種電源接入方式為 5V 直接供電方式，這種方式一般采用 USB，或 5V 穩(wěn)壓源，在另一個端口直接輸入。一種是采用了三端穩(wěn)壓芯片 LM7805，這是一種功耗型的穩(wěn)壓芯片?？紤]到整個設(shè)計的簡便及原理圖的可讀行，在單片機(jī)供電電源電路設(shè)計中選用了第二種供電方式。電源模塊中 DC_CON 為外接的+9V 直流電源。由于小車調(diào)試階段使用+9V 的電子穩(wěn)壓電源，而電子穩(wěn)壓電源是由工頻 50Hz，電壓 220V 的市電經(jīng)過降壓變換后得來，在接進(jìn)來的 9V 電源中免不了會夾帶有若干低頻紋波和高頻紋波。所以在輸入級接入47uF/16V 的電解電容和 0.1uF 的瓷片電容，防止電源電壓波動及作為高頻干擾處理，同時考慮到外圍電路負(fù)載電壓波動可能較大，在輸出端并聯(lián) 22uF/25V 電解電容和0.1uF 瓷片電容。電源設(shè)計中 IN4007 二極管是為了防止電源極性接反而設(shè)的保護(hù)器件，LED 燈 D9 為電源指示燈，只要電源上電，LED 燈點亮，此時說明電源已經(jīng)開西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）14始正常供電9。3.3 電機(jī)驅(qū)動模塊電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計設(shè)計3.3.1 L298N 芯片介紹芯片介紹小車使用的是直流電機(jī)。從單片機(jī)輸出的信號功率很弱，即使在沒有其它外在負(fù)載時也無法帶動電機(jī)，所以在實際電路中我們加入了電機(jī)驅(qū)動芯片提高輸入電機(jī)信號的功率，從而能夠根據(jù)需要控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。本設(shè)計中電機(jī)驅(qū)動采用 L298 集成H 橋芯片如圖 3.5。L298 中有兩套 H 橋電路，剛好可以控制兩個電機(jī)。它的使能端可以外接高低電平，也可以利用單片機(jī)進(jìn)行軟件控制，極大地滿足各種復(fù)雜電路需要。該芯片的主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá) 46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá) 3A，持續(xù)工作電流為 2A；內(nèi)含兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，繼電器，線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作；有一個邏輯電源輸入端，是內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。引腳如功能如表 3.3 所示。圖 3.5 L298N 引腳圖表 3.3 L298N 引腳編號與功能引腳編號名稱功能1電流傳感器 A在該引腳和地之間接小阻值電阻可用來檢測電流2輸出引腳 1內(nèi)置驅(qū)動器 A 的輸出端 1，接至電機(jī) A3輸出引腳 2內(nèi)置驅(qū)動器 A 的輸出端 2，接至電機(jī) A4電機(jī)電源端電機(jī)供電輸入端,電壓可達(dá) 46V西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）155輸入引腳 1內(nèi)置驅(qū)動器 A 的邏輯控制輸入端 16使能端 A內(nèi)置驅(qū)動器 A 的使能端7輸入引腳 2內(nèi)置驅(qū)動器 A 的邏輯控制輸入端 28邏輯地邏輯地9邏輯電源端邏輯控制電路的電源輸入端為 5V10輸入引腳 3內(nèi)置驅(qū)動器 B 的邏輯控制輸入端 111使能端 B內(nèi)置驅(qū)動器 B 的使能端12輸入引腳 4內(nèi)置驅(qū)動器 B 的邏輯控制輸入端 213輸出引腳 3內(nèi)置驅(qū)動器 B 的輸出端 1，接至電機(jī) B14輸出引腳 4內(nèi)置驅(qū)動器 B 的輸出端 2，接至電機(jī) B15電流傳感器 B在該引腳和地之間接小阻值電阻可用來檢測電流L298N 可接受標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號 VSS，VSS 可接 4.57 V 電壓。4 腳 VS接電源電壓，VS電壓范圍 VIH為2.546V。輸出電流可達(dá) 2.5A，可驅(qū)動電感性負(fù)載。1 腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298N 可驅(qū)動 2 個電動機(jī)，OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4 之間可分別接電動機(jī)，本實驗裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機(jī)。5，7，10，12 腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ENA，ENB 接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)10。表 3.4 為 L298N 的邏輯控制表，其中 C、D 分別為 IN1、IN2 或 IN3、IN4；L為低電平，H 為高電平，為不管是低電平還是高電平。表 3.4 L298N 對直流電機(jī)控制的邏輯功能表 3.3.2 電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計本設(shè)計采用高電壓，大電流的 L298N 全橋驅(qū)動芯片，其外圍電路設(shè)計如圖 3.6所示，它響應(yīng)頻率高，一片 L298N 可以分別控制兩個直流電機(jī)。兩個電機(jī)的四個正方向信號和兩個 PWM 信號經(jīng) L298N 后能夠很好的控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和較大范圍的控制電機(jī)電壓。VEN C D輸 出H L正 轉(zhuǎn)HHL H反 轉(zhuǎn)L 沒有輸出，電機(jī)不工作西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）16VS4OUTI2OUT23OUT313OUT414ENB15ENA1N15N27N310N412ENA6ENB11GND8VSS9U2L298NM1M2D2D1D4D3D5D6D7D8C70.1uFC4100uFC50.1uFC6100uFVCC+9DJA1DJA2DJB1DJB2ENAENB圖 3.6 L298N 電機(jī)驅(qū)動電路如圖 3.6 所示，本設(shè)計中 L298N OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4 之間各接一個小直流電動機(jī)。VSS 9 腳接經(jīng)過穩(wěn)壓后的+5V，VS 4 腳直接接+9V 電源。1，5，8腳都接地。5，7，10，12 腳接輸入控制信號(控制信號從單片機(jī)P0.0，P0.1，P0.3，P0.4 發(fā)出，經(jīng)光耦 TLP521-4 后接 L298N 的 5，7，10，12 腳輸入)，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。單片機(jī)的兩個端口（P0.2，P0.5）給出 PWM 信號直接與ENA，ENB 相連控制使能端，從而達(dá)到控制電機(jī)直行、加減速、倒退等動作11。在該模塊設(shè)計中，我們采用了小周期信號，通過改變小車的占空比對小車的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。將小車速度分為 20 個檔，這樣就可以讓小車在調(diào)試過程中得到一個合理的速度，使其行駛在對穩(wěn)定的狀態(tài)。3.4 尋跡模塊設(shè)計尋跡模塊設(shè)計3.4.1 反射型光電探測器反射型光電探測器 RPR359F 工作原理工作原理RPR359F 發(fā)是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管12。RPR359F 采用 DIP4 封裝，發(fā)射器和接收器都有兩根引出腳，其中長腳為正極，西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）17短腳為負(fù)極。其具有如下特點：a. 塑料透鏡可以提高靈敏度。b. 內(nèi)置可見光過濾器能減小離散光的影響。c. 體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。d. 集電極功耗小，僅為 80mW。該小車在鋪有約兩厘米寬黑紙的路面行駛，路面可以近似看為白色。當(dāng)發(fā)光二極管對地發(fā)射紅外線，當(dāng)?shù)孛鏋楹谏珪r，無反射，三極管不導(dǎo)通，輸出高電平；當(dāng)?shù)孛鏋榘咨珪r，有紅外線反射回來使得接收的三極管導(dǎo)通，輸出為低電平。3.4.2 四路運算放大器四路運算放大器 LM324 和雙運算放大器和雙運算放大器 LM358設(shè)計中預(yù)采用六組反射式紅外光電探測器來檢測尋跡線路，即小車尋跡過程中檢測電路與電位器的輸出共有六組。故需要用到運算放大器。我們選擇 LM324 和LM358 來做尋跡檢測電路的電壓比較器。LM324 系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四運算放大器可以工作在低到 3.0V 或者高到 32V 的電源下，靜態(tài)電流大致為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一（對每一個放大器而言） 。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性，輸出電壓范圍也包含負(fù)電源電壓12。LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。LM358 的封裝形式有塑封 8引線雙列直插式、貼片式和圓形金屬殼封裝等。3.4.3 尋跡光電對管電路的設(shè)計尋跡光電對管電路的設(shè)計本設(shè)計的光電對管檢測電路如圖 3.7 所示。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）18圖 3.7 光電對管檢測電路由于給此電路供電的電池的壓降較小，而且尋跡檢測電路的作用是只是用來分辨地面的尋跡黑線，不需要很遠(yuǎn)的檢測距離，使用電壓比較器便可以滿足本設(shè)計要求，因此我們選擇此電路作為我們的傳感器檢測與調(diào)理電路。當(dāng)反射型紅外光電探測器 RPR359F 的發(fā)光二極管對地面發(fā)射紅外線打到尋跡黑線上時，由于黑色的引導(dǎo)線對紅外線無反射，此時光電三極管不能接收到反射回來的紅外線，三極管不導(dǎo)通，經(jīng)過比較器后輸出高電平。反之，當(dāng)打到白色的地面時，有紅外線反射使得三極管導(dǎo)通，經(jīng)過比較其后輸出低電平。本畢業(yè)設(shè)計尋跡線路檢測處理模塊的總體電路設(shè)計原理圖如圖 3.8 所示。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）19OUT27N2-6N2+5VCC4N1+3N1-2OUT11OUT414IN4-13N4+12GND11N3+10N3-9OUT38U10LM324OUT11IN1(-)2IN1(+)3GND4IN2(+)5IN2(-)6OUT27VCC8U11LM358U4RPR359FU5RPR359FU7RPR359FU6RPR359FU9RPR359FU8RPR359FR3200R1020kR5200R920kR1220kR6200R8200R1420kR7200R4200R1120kR1320kR151KR161KR171KR181KR191KR201KVCCIN6+IN6-IN5+IN5-IN4+IN4-IN3+IN3-IN2+IN2-IN1+IN1-OUT1OUT5IN5-IN5+IN6+IN6-OUT6IN1-IN1+IN2+IN2-OUT2OUT3IN3-IN3+IN4+IN4-OUT4 圖 3.8 尋跡檢測模塊電路原理圖3.4.4 尋跡光電對管的安裝尋跡光電對管的安裝正確選擇檢測方法和傳感器件是決定尋跡效果的重要因素，而且正確的器件安裝方法也是尋跡電路好壞的一個重要因素。從簡單、方便、可靠角度出發(fā)，同時在車體頭部底盤裝設(shè) 6 個紅外反射式光電傳感器，進(jìn)行三級方向糾正控制，將大大提高其尋跡的可能性。設(shè)計中，具體光電對管的安裝位置及分布示意圖如圖 3.9 所示。A管B管C管F管E管D管西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）20圖 3.9 反射型光電探測器位置分布及安裝示意圖圖中光電傳感器全部在一條直線上。其中 C、D 兩個為第一級方向傳感器，B、E 為第二級方向傳感器，A、F 為第三級方向傳感器，并且同一邊的兩個傳感器之間的寬度不得大于黑線的寬度。小車前進(jìn)時，始終沿著黑色引導(dǎo)線行進(jìn)，黑線始終在中間這兩個第一級傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時，第一級傳感器就能檢測到黑線，發(fā)光二極管發(fā)出的信號不能從黑線上發(fā)射回來，此時三極管不能導(dǎo)通，從而使 LM324 或 LM358 中的一個電壓比較器的同相端電壓為高，電壓比較器輸出高電平。同時檢測的信號送給單片機(jī)處理，單片機(jī)發(fā)出信號對小車軌跡予以糾正。若小車回到了軌跡上，即六個探測器都檢測到白紙，發(fā)光二極管發(fā)出的信號不能從白紙上發(fā)射回來，此時三極管導(dǎo)通，從而使 LM324 或 LM358 中的一個電壓比較器的同相端電壓為低，電壓比較器輸出低電平，同時檢測的信號送給單片機(jī)處理，單片機(jī)發(fā)出信號給電機(jī)驅(qū)動模塊控制小車電機(jī)使小車會繼續(xù)前進(jìn)，第二級方向探測器實際上是第一級的后備保護(hù)，同理第三級方向探測器是第二級的后備保護(hù)，它的存在實際是考慮到小車的慣性過大會偏離軌道，再次對小車的運動進(jìn)行糾正，從而提高了小車尋跡的可靠性。3.5 超聲波檢測處理模塊超聲波檢測處理模塊設(shè)計設(shè)計3.5.1 超聲波測距原理超聲波測距原理本設(shè)計中小車采用超聲波檢測障礙物。超聲波檢測的原理是：超聲波發(fā)生器 T發(fā)出超聲波信號，當(dāng)這個信號遇到障礙物時反射回來，被接收器 R 收到。小車則可以根據(jù)接收到的信號做出相應(yīng)的避障反應(yīng)。超聲波傳感器是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性，通過接受自身發(fā)射的超聲波反射信號，根據(jù)超聲波的發(fā)出和接受回波的時間差及傳播速度，計算出傳播距離，從而得到障礙物的距離信息。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法 TOF（time of flight） ，首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。 由于超聲波在空氣中的傳播速度為 v=340m/s，根據(jù)定時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離，即：s = vt/2。3.5.2 超聲波測距模塊超聲波測距模塊 HC-SFR05HC-SFR05 超聲波測距模塊可提供 2cm450cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)高到 3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。實物如圖3.10 所示。a.主要參數(shù)西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）21(1) 電源電壓：DC5V；(2) 靜態(tài)電流：小于 2mA；(3) 電平輸出：高 5V，低 0V；(4) 感應(yīng)角度：不大于 15 度；(5) 測量精度：0.3cm；(6) 探測距離：2cm-450cm；(7) 工作溫度：-20+60。圖 3.10 超聲波模塊實物圖b. 引腳功能(1) VCC:電源端；(2) Trig:觸發(fā)控制信號輸入；(3) Echo:回響信號輸出；(4) Out:開關(guān)量輸出端；(5) GND:公共地。基本工作原理：單片機(jī)通過 I/O 口向超聲波模塊觸發(fā)控制端 TRIG 給至少 10us的高電平信號，該模塊自動發(fā)送 8 個 40kHz 的方波，在發(fā)射的同時單片機(jī)啟動定時器 T1 開始計時，接收端自動檢測是否有信號返回；若有信號返回，通過 ECHO輸出一個高電平，同時定時器 T1 停止定時，ECHO 端變?yōu)榈碗娖綍r啟動外部中斷0，等待下一次檢測。高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間13。測試距離=(高電平時間*聲速(340m/s)/2。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）22超聲波時序圖如圖 3.11 所示。圖 3.11 超聲波時序圖3.6 轉(zhuǎn)速檢測接口設(shè)計轉(zhuǎn)速檢測接口設(shè)計3.6.1 霍爾傳感器工作原理霍爾傳感器工作原理霍爾傳感器檢測主要通過霍爾效應(yīng)來實現(xiàn)的，磁鐵在接近霍爾傳感器時傳感器會產(chǎn)生一個高電平，通過檢測一定時間內(nèi)高電平的個數(shù)，再與車輪的周長經(jīng)過計算可得出對應(yīng)的速度量。將霍爾傳感器安裝在靠近車輪的固定位置上，并在車輪上分別安裝上 4 個磁鐵，當(dāng)磁鐵轉(zhuǎn)到霍爾元件附近時，霍爾元件的輸出端輸出高電平信號。當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時，單片機(jī)通過霍爾元件感應(yīng)磁鐵來產(chǎn)生脈沖(當(dāng)霍爾元件在離磁場較近時輸出會是高電平，其它時候是低電平)，計算一秒所得的脈沖數(shù)，從而計算出一秒小車輪子轉(zhuǎn)動圈數(shù)，再測量出小車車輪周長即可計算出小車當(dāng)前速度，累加可得到當(dāng)前路程。磁鐵在車輪上的安裝示意圖如圖 3.12 所示。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）23圖 3.12 磁鋼安裝示意圖3.6.2 A44E 霍爾測速模塊霍爾測速模塊A44E 是 Allegro Micro systems 公司生產(chǎn)的寬溫，開關(guān)型的霍爾器件，其工作電壓范圍比較寬(4.518 V)，工作溫度范圍可達(dá)-40150，其輸出的信號符合TTL 電平標(biāo)準(zhǔn)，可以直接接到單片機(jī)的 IO 端口上，而且其最高檢測頻率可達(dá)到1 MHz。A44E 霍爾開關(guān)集成電路應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理，采用半導(dǎo)體集成技術(shù)制造的磁敏電路，它是由電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、史密特觸發(fā)器，和輸出放大器組成的磁敏電路，其輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出是一個數(shù)字電壓信號?；魻柶骷墓ぷ麟妷翰坏贸^規(guī)定的 Vcc，大部分霍爾開關(guān)均為 OC 輸出。因此，輸出應(yīng)接負(fù)載電阻，其數(shù)值取決于負(fù)載電流的大小，不得超負(fù)載使用14。本次車速檢測采用霍爾測速模塊，其實物如圖 3.13 所示。圖 3.13 霍爾測速模塊實物圖基本工作原理：在車輪上貼有四粒磁鐵，霍爾測速模塊安裝在車身側(cè)邊，小車在行駛過程中，車輪帶動磁鐵與測速模塊上的磁感應(yīng)探頭相遇產(chǎn)生脈沖信號，通過脈沖輸出端 OUT 輸出給單片機(jī)，車輪上裝有四粒磁鐵，因此每發(fā)出四個脈沖表示小車行駛了一圈，通過計算單位時間內(nèi)脈沖個數(shù)再與小車周長運算即可算出小車的速度?；魻杺鞲衅?A44E 在測速系統(tǒng)中的主要作用是車輪轉(zhuǎn)速采集。車輪每轉(zhuǎn)一周，磁鐵經(jīng)過 A44E 四次，A44E 的第 3 腳就輸出脈沖信號作為單片機(jī) AT89S52 的外中斷 INT1 的信號，從 P3.3 口輸入。單片機(jī)測量脈沖信號的個數(shù)和脈沖周期。根據(jù)脈沖信號的個數(shù)計算出里程，根據(jù)脈沖信號的周期計算出速度并顯示?；魻枩y速模塊與單片機(jī)的硬件電路連接如圖 3.14 所示。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）24EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10AT89S52123A44E10kVCCVCC圖 3.14 霍爾測速傳感器與單片機(jī)硬件電路連接圖A44E 的磁輸入檢測：A44E 的磁輸入為單極磁場，即施加磁場的方式是改變磁鐵和 A44E 之間的距離。判定磁鐵極性方法是把磁鐵的兩個極分別靠近 A44E 的正面，當(dāng)其