《基于51的避障循跡重力感應(yīng)遙控的智能小車設(shè)計(jì)(C語言)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《基于51的避障循跡重力感應(yīng)遙控的智能小車設(shè)計(jì)(C語言)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（58頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、基于51的避障/循跡/重力感應(yīng)遙控的智能小車設(shè)計(jì)1 緒論1.1 選題背景隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)注。全國電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究?？梢娖溲芯恳饬x很大。本設(shè)計(jì)就是在這樣的背景下提出的，指導(dǎo)教師已經(jīng)有充分的準(zhǔn)備。本題目是結(jié)合科研項(xiàng)目而確定的設(shè)計(jì)類課題。設(shè)計(jì)的智能電動(dòng)小車應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)適應(yīng)能力，能自動(dòng)避障，可以智能規(guī)劃路徑。智能化作為現(xiàn)代社會(huì)的新產(chǎn)物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)特定的環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，無需人為管理，便可以完成預(yù)期所要達(dá)到的或是更高的目標(biāo)。同遙控小車不同，遙控小車需要人為控

2、制轉(zhuǎn)向、啟停和進(jìn)退，比較先進(jìn)的遙控車還能控制器速度。常見的模型小車，都屬于這類遙控車；智能小車，則可以通過計(jì)算機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)其對行駛方向、啟停以及速度的控制，無需人工干預(yù)。操作員可以通過修改智能小車的計(jì)算機(jī)程序來改變它的行駛方向。因此，智能小車具有再編程的特性，是機(jī)器人的一種。中國自1978年把“智能模擬”作為國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃的主要研究課題，開始著力研究智能化。從概念的引進(jìn)到實(shí)驗(yàn)室研究的實(shí)現(xiàn)，再到現(xiàn)在高端領(lǐng)域（航天航空、軍事、勘探等）的應(yīng)用，這一過程為智能化的全面發(fā)展奠定基石。智能化全面的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)其對資源的合理充分利用，以盡可能少的投入得到最大的收益，大大提高工業(yè)生產(chǎn)的效率，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有工業(yè)生

3、產(chǎn)水平從自動(dòng)化向智能化升級，實(shí)現(xiàn)當(dāng)今智能化發(fā)展由高端向大眾普及。從先前的模擬電路設(shè)計(jì)，到數(shù)字電路設(shè)計(jì)，再到現(xiàn)在的集成芯片的應(yīng)用，各種能實(shí)現(xiàn)同樣功能的元件越來越小為智能化產(chǎn)物的生成奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。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綜合系統(tǒng)，它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。1.2 智能小車研究現(xiàn)狀智能車輛作為智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，是許多高新技術(shù)綜合集成的載體。智能車輛駕駛是一種通用性術(shù)語，指全部或部分完成一項(xiàng)或多項(xiàng)駕駛?cè)蝿?wù)的綜合車輛技術(shù)。智能車輛的一個(gè)基本特征是在一定道路條件下實(shí)現(xiàn)全部或者部分的自動(dòng)駕

4、駛功能，下面簡單介紹一下國內(nèi)外智能小車研究的發(fā)展情況。1.2.1 國外智能車輛研究現(xiàn)狀國外智能車輛的研究歷史較長，始于上世紀(jì)50年代。它的發(fā)展歷程大體可以分成三個(gè)階段：第一階段 20世紀(jì)50年代是智能車輛研究的初始階段。1954年美國Barrett Electronics 公司研究開發(fā)了世界上第一臺自主引導(dǎo)車系統(tǒng)AGVS（Automated Guided Vehicle System）。該系統(tǒng)只是一個(gè)運(yùn)行在固定線路上的拖車式運(yùn)貨平臺，但它卻具有了智能車輛最基本得特征即無人駕駛。早期研制AGVS的目的是為了提高倉庫運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化水平，應(yīng)用領(lǐng)域僅局限于倉庫內(nèi)的物品運(yùn)輸。隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)

5、展，智能車輛的研究不斷得到新的發(fā)展。第二階段 從80年代中后期開始，世界主要發(fā)達(dá)國家對智能車輛開展了卓有成效的研究。在歐洲，普羅米修斯項(xiàng)目于1986年開始了在這個(gè)領(lǐng)域的探索。在美洲，美國于1995年成立了國家自動(dòng)高速公路系統(tǒng)聯(lián)盟（NAHSC），其目標(biāo)之一就是研究發(fā)展智能車輛的可能性，并促進(jìn)智能車輛技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化。在亞洲，日本于1996年成立了高速公路先進(jìn)巡航/輔助駕駛研究會(huì)，主要目的是研究自動(dòng)車輛導(dǎo)航的方法，促進(jìn)日本智能車輛技術(shù)的整體進(jìn)步。進(jìn)入80年代中期，設(shè)計(jì)和制造智能車輛的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司開始研制智能車輛平臺。第三階段 從90年代開始，智能車輛進(jìn)入了深入、系統(tǒng)、大規(guī)模研

6、究階段。最為突出的是，美國卡內(nèi)基.梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）機(jī)器人研究所一共完成了Navlab系列的10臺自主車（Navlab1Navlab10）的研究，取得了顯著的成就。目前，智能車輛的發(fā)展正處于第三階段。這一階段的研究成果代表了當(dāng)前國外智能車輛的主要發(fā)展方向。在世界科學(xué)界和工業(yè)設(shè)計(jì)界中，眾多的研究機(jī)構(gòu)研發(fā)的智能車輛具有代表性的有：德意志聯(lián)邦大學(xué)的研究 1985年，第一輛VaMoRs智能原型車輛在戶外高速公路上以100km/h的速度進(jìn)行了測試，它使用了機(jī)器視覺來保證橫向和縱向的車輛控制。1988年，在都靈的PROMRTHEUS項(xiàng)目第一次委員會(huì)會(huì)議上，智能

7、車輛維塔（VITA,7t）進(jìn)行了展示，該車可以自動(dòng)停車、行進(jìn)，并可以向后車傳送相關(guān)駕駛信息。這兩種車輛都配備了UBM視覺系統(tǒng)。這是一個(gè)雙目視覺系統(tǒng)，具有極高的穩(wěn)定性。荷蘭鹿特丹港口的研究 智能車輛的研究主要體現(xiàn)在工廠貨物的運(yùn)輸。荷蘭的Combi road系統(tǒng)，采用無人駕駛的車輛來往返運(yùn)輸貨物，它行駛的路面上采用了磁性導(dǎo)航參照物，并利用一個(gè)光陣列傳感器去探測障礙。荷蘭南部目前正在討論工業(yè)上利用這種系統(tǒng)的問題，政府正考慮已有的高速公路新建一條專用的車道，采用這種系統(tǒng)將貨物從鹿特丹運(yùn)往各地。日本大阪大學(xué)的研究 大阪大學(xué)的Shirai實(shí)驗(yàn)室所研制的智能小車，采用了航位推測系統(tǒng)（Dead Reckoni

8、ng System），分別利用旋轉(zhuǎn)編碼器和電位計(jì)來獲取智能小車的轉(zhuǎn)向角，從而完成了智能小車的定位。另外，斯特拉斯堡實(shí)驗(yàn)中心、英國國防部門的研究、美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、奔馳公司、美國麻省理工學(xué)院、韓國理工大學(xué)對智能車輛也有較多的研究。1.2.2 國內(nèi)智能車輛研究現(xiàn)狀相比于國外，我國開展智能車輛技術(shù)方面的研究起步較晚，開始于20世紀(jì)80年代。而且大多數(shù)研究處在于針對某個(gè)單項(xiàng)技術(shù)研究的階段。雖然我國在智能車輛技術(shù)方面的研究總體上落后于發(fā)達(dá)國家，并且存在一定得技術(shù)差距，但是我們也取得了一系列的成果，主要有：（1）中國第一汽車集團(tuán)公司和國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院與2003年研制成功我國第一輛自主駕駛

9、轎車。該自主駕駛轎車在正常交通情況下的高速公路上，行駛的最高穩(wěn)定速度為13km/h,最高峰值速度達(dá)170km/h，并且具有超車功能，其總體技術(shù)性能和指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。（2）南京理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)、國防科技大學(xué)、清華大學(xué)等多所院校聯(lián)合研制了7B.8軍用室外自主車，該車裝有彩色攝像機(jī)、激光雷達(dá)、陀螺慣導(dǎo)定位等傳感器。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用兩臺Sun10完成信息融合、路徑規(guī)劃，兩臺PC486完成路邊抽取識別和激光信息處理，8098單片機(jī)完成定位計(jì)算和車輛自動(dòng)駕駛。其體系結(jié)構(gòu)以水平式結(jié)構(gòu)為主，采用傳統(tǒng)的“感知-建模-規(guī)劃-執(zhí)行”算法，其直線跟蹤速度達(dá)到20km/h，避障速度達(dá)到5-10k

10、m/h。智能車輛研究也是智能交通系統(tǒng)ITS的關(guān)鍵技術(shù)。目前，國內(nèi)的許多高校和科研院所都在進(jìn)行ITS關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備的研究。隨著ITS研究的興起，我國已形成一支ITS技術(shù)研究開發(fā)的技術(shù)專業(yè)隊(duì)伍。并且各交通、汽車企業(yè)越來越加大了對ITS及智能車輛技術(shù)研發(fā)的投入，整個(gè)社會(huì)的關(guān)注程度在不斷提高。交通部已將ITS研究列入“十五”科技發(fā)展計(jì)劃和2010年長期規(guī)劃。相信經(jīng)過相關(guān)領(lǐng)域的共同努力，我國ITS及智能車輛的技術(shù)水平一定會(huì)得到很大提高?？梢灶A(yù)計(jì)，我國飛速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)實(shí)力將為智能車輛的研究提供一個(gè)更加廣闊的前景。我們要結(jié)合我國國情，在某一方面或某些方面，對智能車進(jìn)行深入細(xì)致的研究，為它今后的發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用打

11、下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1.3 主要內(nèi)容本課題要開發(fā)一個(gè)能自動(dòng)循跡自動(dòng)避障同時(shí)可以遙控的智能小車控制系統(tǒng)，系統(tǒng)分小車和遙控器兩部分,主要以簡易智能機(jī)器人為開發(fā)平臺，選擇通用、價(jià)廉的51單片機(jī)為控制平臺，選擇常見的電機(jī)模型車為機(jī)械平臺，通過細(xì)化設(shè)計(jì)要求，結(jié)合傳感器技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)相關(guān)知識實(shí)現(xiàn)小車的各種功能。設(shè)計(jì)完成以由紅外線對管的自動(dòng)尋跡、紅外線自動(dòng)避障、重力遙控組成的硬件模塊結(jié)合軟件設(shè)計(jì)組成多功能智能小車，共同實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)倒退、轉(zhuǎn)向行駛，自動(dòng)根據(jù)地面黑線尋跡導(dǎo)航，檢測障礙物后停止等功能，實(shí)現(xiàn)智能控制，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。2 方案設(shè)計(jì)及論證2.1 總體設(shè)計(jì) 本課題設(shè)計(jì)主要是制作一款能進(jìn)行智能判斷并能做出正確

12、反應(yīng)的小車。小車具有以下幾個(gè)功能：自動(dòng)避障功能；尋跡功能（按路面的黑色軌道行駛）;基于重力感應(yīng)的遙控(通過傾斜方向和角度控制小車運(yùn)動(dòng)方向和速度)。小車端以兩直流電動(dòng)機(jī)為主驅(qū)動(dòng)，通過各類傳感器件來采集各類信息，送入主控單元89C52單片機(jī)處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)動(dòng)作，以達(dá)到自身控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用H橋驅(qū)動(dòng)模塊-雙L298步進(jìn)/直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板 ，能同時(shí)驅(qū)動(dòng)4個(gè)直流電機(jī)和2個(gè)步進(jìn)電機(jī)；避障采用漫反射式光電開關(guān)來完成，自動(dòng)尋跡采用紅外發(fā)射管和接收管光電對管尋跡傳感器完成，最后由控制單元處理數(shù)據(jù)后通過編程有序合理的將各模塊信號整合在一起并完成相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了智能控制，相當(dāng)于簡易機(jī)器人。遙控端由MPU0605

13、陀螺儀和無線模塊、按鍵模塊、LCD顯示模塊組成,通過檢測按鍵和陀螺儀數(shù)據(jù)送入89C52單片機(jī)處理后判斷用戶的指令,然后通過NRF24L01無線模塊把指令發(fā)送到小車端,同時(shí)在LCD12864顯示當(dāng)前工作模式和小車的狀態(tài).2.2 主控單元方案比較與選擇按照題目要求，控制器主要用于控制電機(jī)，通過相關(guān)傳感器對路面的軌跡信息進(jìn)行處理，并將處理信號傳輸給控制器，然后控制器做出相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)循跡和自動(dòng)避障。 方案一：可以采用ARM為系統(tǒng)的控制器，優(yōu)點(diǎn)是該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，片上外設(shè)集成度搞密度高，提高了穩(wěn)定性，系統(tǒng)的處理速度也很高，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。方案二：采用AT89S52作為系統(tǒng)控

14、制的方案。AT89S52單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，功耗低、體積小、技術(shù)成熟，成本也比ARM低。考慮到性價(jià)比問題，本設(shè)計(jì)選擇 用AT89S52單片機(jī)做控制器。2.3 電機(jī)單元方案比較與選擇方案一：采用直流電機(jī)，配合LM293驅(qū)動(dòng)芯片組合。優(yōu)點(diǎn)在于硬件電路的設(shè)計(jì)簡單。當(dāng)外加額定直流電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速幾乎相等。這類電機(jī)用于錄音機(jī)、錄相機(jī)、唱機(jī)或激光唱機(jī)等固定轉(zhuǎn)速的機(jī)器或設(shè)備中，也用于變速范圍很寬的驅(qū)動(dòng)裝置，但容易受到外部因素干擾，影響穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩輸出。 方案二：采用直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便，小車電機(jī)內(nèi)部裝有減速齒輪組，所以并不需要考慮

15、調(diào)速功能，很方便的就可以實(shí)現(xiàn)通過單片機(jī)對直流減速電機(jī)前進(jìn)、后退、停止等操作。綜合以上考慮我們選擇方案二的直流減速電機(jī)作為智能小車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。2.4 電源單元方案比較與選擇方案一：采用單電源供電，通過單電源同時(shí)對單片機(jī)和直流電機(jī)進(jìn)行供電，此方案的優(yōu)點(diǎn)是，減少機(jī)身的重量，操作簡單，其缺點(diǎn)是，這樣會(huì)使單片機(jī)的波動(dòng)變大，影響單片機(jī)的性能，穩(wěn)定性比較弱。方案二：采用雙電源供電，通過兩個(gè)獨(dú)立的電源分別對單片機(jī)和直流減速電機(jī)進(jìn)行供電，此方案的優(yōu)點(diǎn)是，減少波動(dòng)，穩(wěn)定性比較好，可以讓小車更好的運(yùn)作起來，唯一的缺點(diǎn)就是會(huì)增加小車的重量。綜合以上的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)決定采用第二種方案。2.5 避障單元方案比較與選擇方案

16、一：用超聲波傳感器進(jìn)行避障。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收。但使用超聲波模塊的成本比較高。因此我們考慮其它的方案，超聲波傳感器實(shí)物圖如下圖2所示：圖2 超聲波傳感器方案二：用漫反射式光電開關(guān)進(jìn)行避障。光電開關(guān)的工作原理是根據(jù)光線發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，其接收電路據(jù)此做出判斷反應(yīng)，物體對紅外光由同步回路選通而檢測物體的有無。當(dāng)有光線反射回來時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒有光線反射回來時(shí)，輸出高電平。光電開關(guān)的是物圖如下圖3所示：圖3 光電開關(guān)考慮到超聲波測量的范圍寬，使用非常靈活,幫助智能小車順利繞過障礙，可以適應(yīng)十分復(fù)雜的環(huán)境，

17、我們最終選擇了方案一。2.6 尋跡單元方案比較與選擇方案一： 利用尋跡來引導(dǎo)小車到達(dá)用戶所指定的地點(diǎn)。采用紅外發(fā)射管和接收管光電對管尋跡傳感器。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光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。此方案存在的缺陷是對光線的亮度要求較高，在夜間難以正常工作。方案二： 通過超聲波定位模塊來實(shí)時(shí)定位小車的位置。超聲波定位的基本原理是通過接收幾個(gè)固定位置的發(fā)射點(diǎn)的超聲波接收器, 在小車上加入一個(gè)發(fā)射器，通過無線模塊計(jì)算各模塊接收到超聲波的時(shí)間差，通過集成模塊的內(nèi)部算法得出小車所在位

18、置和原設(shè)定位置的偏差情況，從而得到主體到這幾個(gè)發(fā)射點(diǎn)的距離, 實(shí)現(xiàn)了超聲波的定位，由于超聲波在空氣中的衰減較大, 它只適用于較小的范圍，而且使用此方案還將面臨著在家中的超聲波各通訊線的布局，使用很不方便。經(jīng)實(shí)測發(fā)現(xiàn)方案一中的紅外對管型尋跡模塊只要給進(jìn)行一定的改善，對環(huán)境的適應(yīng)能力還是比較強(qiáng)的例如可以在晚上行進(jìn)，這樣就可以用低成本來實(shí)現(xiàn)我們你所需要的功能，所以就排除了方案二，以方案一作為小車在家庭中的行進(jìn)方式。3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)控制模塊STC89C52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在線系

19、統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52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。 STC89C52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(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，STC89C52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?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)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(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。如圖4是較為常見的單片機(jī)最小系統(tǒng)圖。

20、圖4 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.1.1 時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生有兩種方法：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。AT89單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，

21、電容值通常取30PF。在焊接刷電路板時(shí)，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。3.1.2 復(fù)位電路位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳RST通過一個(gè)觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個(gè)機(jī)器周期中由復(fù)位電路采樣一次。復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。所謂上電復(fù)位，是指計(jì)算機(jī)加電瞬間，要在RST引腳出現(xiàn)大于10MS的正脈沖，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。按鈕復(fù)位是指用戶按下“復(fù)位”按鈕，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。如上圖3是按鈕電平復(fù)位的一種實(shí)用電路。3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用專用芯片L

22、298N 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，L298N 是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，其響應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)。圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理簡圖3.2.1 L298N芯片的介紹L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)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；額定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)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(gè)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(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部

23、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。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺直流電機(jī)，實(shí)物圖及外圍電路如下圖6、7所示。圖6 L298N芯片圖7 L298N外圍電路接口說明如下示：+5V：芯片電壓5V。 VCC：電機(jī)電壓，最大可接50V。GND：共地接法。A-D-：輸出端，接電機(jī)。AD+ ：為步進(jìn)電機(jī)公共端，模塊上接了VCC。EN1、EN2：高電平有效，EN1、EN2分別為 IN1和IN2、IN3和IN4的使能端。IN1 IN4：輸入端，輸入端電平和輸出端電平是對應(yīng)的。L298N 的5、7、10、12 四個(gè)引腳接

24、到單片機(jī)上，通過對單片機(jī)的編程就可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)的PWM調(diào)速控制，圖8是L298N功能邏輯圖。圖8 L298N功能邏輯圖L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接457 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為2546 V。輸出電流可達(dá)25 A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)，本實(shí)驗(yàn)裝置我們選用驅(qū)動(dòng)一臺電動(dòng)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)。In3，In4的邏輯

25、圖與上圖相同。由上圖可知EnA為低電平時(shí)，輸入電平對電機(jī)控制起作用，當(dāng)EnA為高電平，輸入電平為一高一低，電機(jī)正或反轉(zhuǎn)。同為低電平電機(jī)停止，同為高電平電機(jī)剎停。3.3 紅外避障電路的原理與設(shè)計(jì)用漫反射式光電開關(guān)進(jìn)行避障。光電開關(guān)實(shí)際發(fā)射頭與接收頭于一體的檢測開關(guān)，其工作原理是根據(jù)發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，接收頭據(jù)此做出判斷是否有障礙物。當(dāng)有光線反射回來時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒有光線反射回來時(shí)，輸出高電平。單片機(jī)根據(jù)接收頭電平的高低做出相應(yīng)控制，避免小車碰到障礙物。由于接收管輸出TTL電平，有利于單片機(jī)對信號的處理。小車采用漫反射式傳感器進(jìn)行避障的電路原理圖如下圖9所示：圖9 光電開關(guān)避障電路原

26、理圖3.3.1 光電傳感器簡介光電傳感器在機(jī)器人中有著廣泛的應(yīng)用，可以用來檢測地面明暗和顏色的變化，也可以探測有無接近的物體。光電傳感器是靠紅外發(fā)射管和紅外接收管組成的傳感器，對于小車循跡場地的黑白兩種顏色，發(fā)射管發(fā)出同樣的光強(qiáng)，接收管接收到的光強(qiáng)不同，因此輸出的電壓值也不同；給定一個(gè)基準(zhǔn)電壓，通過對不同輸出電壓值進(jìn)行比較，則電路的輸出為高低電平。當(dāng)檢測到黑白線時(shí)分別輸出為高低電平，這樣不僅系統(tǒng)硬件電路簡單，而且信號處理速度快。原理如下圖10、圖11所示。圖10 白色反射面下的紅外反射 圖11 黑色反射面下的紅外吸收紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線具有一定得方向性，當(dāng)紅外線照射到白色表面上時(shí)會(huì)有較大的反

27、射，如果距離D1取值合適，紅外接收管可接收到反射回的紅外線，再利用紅外接收管的電氣特性，在電路中處理紅外線的接受信息；如果反射表面為黑色，紅外光會(huì)被表面將其大部分吸收，紅外接收管就難以收到紅外線。這樣，就可以利用紅外收發(fā)管組成的光電傳感器檢測賽道黑線，實(shí)現(xiàn)智能車的循跡方案。3.3.2 比較器LM324簡介LM324為四運(yùn)放集成電路，采用14腳雙列直插塑料封裝。內(nèi)部有四個(gè)運(yùn)算放大器，有相位補(bǔ)償電路。電路功耗很小，工作電壓范圍寬，可用正電源330V，或正負(fù)雙電源15V15V工作。在黑線檢測電路中用來確定紅外接收信號電平的高低，以電平高低判定黑線有無。在電路中，LM324的一個(gè)輸入端需接滑動(dòng)變阻器，

28、通過改變滑動(dòng)變阻器的阻值來提供合適的比較電壓，圖12為LM324的管腳圖。圖12 LM324的管教圖3.4 尋跡模塊的硬件設(shè)計(jì)紅外對管循跡模塊，五路尋跡TCR5000的模塊，采用紅外發(fā)射管和接收管光電對管尋跡傳感器。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光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電，圖13為紅外對管黑線檢測電路。圖13 紅外對管黑線檢測電路3.4.1 紅外傳感器TCRT5000簡介TCRT5000光電傳感器模塊是基于TCRT5000紅外光電傳感器設(shè)計(jì)的一款紅外反射式光電開關(guān)。傳感器采用高發(fā)射

29、功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，輸出信號經(jīng)施密特電路整形，穩(wěn)定可靠。傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強(qiáng)度不夠大時(shí)，光敏三極管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)模塊的輸出端為低電平，指示二極管一直處于熄滅狀態(tài)；被檢測物體出現(xiàn)在檢測范圍內(nèi)時(shí)，紅外線被反射回來且強(qiáng)度足夠大，光敏三極管飽和，此時(shí)模塊的輸出端為高電平，指示二極管被點(diǎn)亮。TCRT5000反射式光電傳感器是經(jīng)常使用的傳感器，這個(gè)系列的傳感器種類齊全、價(jià)格便宜、體積小、使用方便、質(zhì)量可靠、用途廣泛。此傳感器含一個(gè)反射模塊（發(fā)光二極管）和一個(gè)接收模塊（光敏三極管）。通過發(fā)射紅外信號，看接收信號變

30、化判斷檢測物體狀態(tài)的變化，圖14為TCRT5000傳感器模塊電路原理圖，圖15為它的實(shí)物圖 。 圖14 TCRT5000傳感器模塊電路原理圖圖15 TCRT5000的實(shí)物圖基本參數(shù)如下：外形尺寸：長 32mm37 mm；寬 7.5mm；厚 2mm工作電壓：DC 3V5.5V，推薦工作電壓為5V檢測距離：1mm8mm適用，焦點(diǎn)距離為2.5mm 3.5 無線模塊的硬件設(shè)計(jì)無線模塊的硬件設(shè)計(jì)采用兩塊NRF24L01模塊實(shí)時(shí)接收遙控發(fā)送的新指令.3.6 重力感應(yīng)模塊的硬件設(shè)計(jì)重力感應(yīng)模塊采用MPU-6050模塊(三軸陀螺儀+ 三軸加速度)MPU-6000為全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相較于多組件方

31、案，免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)之軸間差的問題，減少了大量的包裝空間。MPU-6000整合了3軸陀螺儀、3軸加速器，并含可藉由第二個(gè)I2C端口連接其他廠牌之加速器、磁力傳感器、或其他傳感器的數(shù)位運(yùn)動(dòng)處理(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由主要I2C端口以單一數(shù)據(jù)流的形式，向應(yīng)用端輸出完整的9軸融合演算技術(shù)InvenSense的運(yùn)動(dòng)處理資料庫，可處理運(yùn)動(dòng)感測的復(fù)雜數(shù)據(jù)，降低了運(yùn)動(dòng)處理運(yùn)算對操作系統(tǒng)的負(fù)荷，并為應(yīng)用開發(fā)提供架構(gòu)化的API。MPU-6000的角速度全格感測范圍為250、500、1000與2000/sec (dps)，可準(zhǔn)確追緃快速與慢速動(dòng)作，并

32、且，用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為2g、4g8g與16g。產(chǎn)品傳輸可透過最高至400kHz的I2C或最高達(dá)20MHz的SPI。MPU-6000可在不同電壓下工作，VDD供電電壓介為2.5V5%、3.0V5%或3.3V5%，邏輯接口VVDIO供電為1.8V 5%。MPU-6000的包裝尺寸4x4x0.9mm(QFN)，在業(yè)界是革命性的尺寸。其他的特征包含內(nèi)建的溫度感測器、包含在運(yùn)作環(huán)境中僅有1%變動(dòng)的振蕩器。應(yīng)用運(yùn)動(dòng)感測游戲現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)電子穩(wěn)像 (EIS: Electronic Image Stabilization)光學(xué)穩(wěn)像(OIS: Optical Image Stabilization)

33、行人導(dǎo)航器“零觸控”手勢用戶接口姿勢快捷方式認(rèn)證市場智能型手機(jī)平板裝置設(shè)備手持型游戲產(chǎn)品?蝸坊?3D遙控器可攜式導(dǎo)航設(shè)備特征以數(shù)字輸出6軸或9軸的旋轉(zhuǎn)矩陣、四元數(shù)(quaternion)、歐拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算數(shù)據(jù)。具有131 LSBs/sec 敏感度與全格感測范圍為250、500、1000與2000/sec 的3軸角速度感測器(陀螺儀)?？沙淌娇刂?，且程式控制范圍為2g、4g、8g和16g的3軸加速器。移除加速器與陀螺儀軸間敏感度，降低設(shè)定給予的影響與感測器的飄移。數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理(DMP: Digital Motion Processing)引擎可減少復(fù)雜的

34、融合演算數(shù)據(jù)、感測器同步化、姿勢感應(yīng)等的負(fù)荷。運(yùn)動(dòng)處理數(shù)據(jù)庫支持Android、Linux與Windows內(nèi)建之運(yùn)作時(shí)間偏差與磁力感測器校正演算技術(shù)，免除了客戶須另外進(jìn)行校正的需求。以數(shù)位輸出的溫度傳感器以數(shù)位輸入的同步引腳(Sync pin)支援視頻電子影相穩(wěn)定技術(shù)與GPS可程式控制的中斷(interrupt)支援姿勢識別、搖攝、畫面放大縮小、滾動(dòng)、快速下降中斷、high-G中斷、零動(dòng)作感應(yīng)、觸擊感應(yīng)、搖動(dòng)感應(yīng)功能。VDD供電電壓為2.5V5%、3.0V5%、3.3V5%；VDDIO為1.8V 5%陀螺儀運(yùn)作電流：5mA，陀螺儀待命電流：5A；加速器運(yùn)作電流：350A，加速器省電模式電流：

35、20A10Hz高達(dá)400kHz快速模式的I2C，或最高至20MHz的SPI串行主機(jī)接口(serial host interface)內(nèi)建頻率產(chǎn)生器在所有溫度范圍(full temperature range)僅有1%頻率變化。使用者親自測試10,000 g 碰撞容忍度為可攜式產(chǎn)品量身訂作的最小最薄包裝 (4x4x0.9mm QFN)符合RoHS及環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)6 效果圖6軟件設(shè)計(jì)4.1 編譯語言的選取目前，STC89C52單片機(jī)的開發(fā)多為支持兩種語言，一種是匯編語言，另一種是C語言，而這兩種語言各有其優(yōu)缺點(diǎn)。匯編語言：效率高，對硬件的可操控性更強(qiáng)，體積小，但不易維護(hù)，可移植性很差。C語言:效率比較低

36、，硬件可操控性比較差，目標(biāo)代碼體積大，但容易維護(hù)，可移植性很好。而在本設(shè)計(jì)里面，程序需要接近底層，但程序要解決的問題繁多，邏輯關(guān)系也比較復(fù)雜，代碼量也比較大，又考慮到產(chǎn)品以后需要升級，各方面綜合考慮，主要以C51語言來編寫本設(shè)計(jì)的程序是最佳選擇。4.2 軟件調(diào)試平臺Keil for C51是美國Keil Software公司出品的C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(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 for C

37、51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)高級語言的優(yōu)勢。下面詳細(xì)介紹Keil for C51開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。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了。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軟件除了致力于單片機(jī)的編程開發(fā)平臺外，還針對目前最流行C51開發(fā)項(xiàng)目出品了Keil for 51軟件平臺以及支持在線調(diào)試的串口燒寫。從近年來各仿真機(jī)廠商

38、紛紛宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(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（uVision2）將這些部份組合在一起。4.2 小車端程序文件一main.c#include #include #include .headerinit.h#include .headerNRF24L01.hvoid R_S_Byte(uchar R_Byte) SBUF = R_Byte; while( TI = 0 );/查詢法 TI = 0; /*定時(shí)器初始化程序*/void T0T1_init() EA=1; ET1=1; ET0=1

39、; TMOD=0x11;/定時(shí)器0負(fù)責(zé)小車速度控制 定時(shí)器1負(fù)責(zé)超聲波測距和舵機(jī)控制TH0=(65536-500)/256; TL0=(65536-500)%256;TH1=(65536-500)/256;TL1=(65536-500)%256;TL1=0;TH1=0;TR0=1;TR1=1; void StartModule(void)/超聲波測距子函數(shù) TX=1; /啟動(dòng)一次模塊 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_()

40、; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); TX=0; void Conut(void)/通過超聲波測量的數(shù)據(jù)計(jì)算距離if(csflag=0) time=TH1*256+TL1; TH1=0; TL1=0; S=(time*1.7)/10; /算出來是 mm / if(S499) ;else csflag=0; S=600;/如果定時(shí)器溢出則距離S=600 if(jd=3) middleS=S; / 測量正前方 else if(jd=2) leftS=S;/測量左前方 el

41、se if(jd=4) rightS=S;/測量右前方/*接收遙控器的狀態(tài)標(biāo)志*/void RX_STATE(void)uchar RxBuf4;uchar SIGN=0; if(nRF24L01_RxPacket(RxBuf)/如果收到遙控器的數(shù)據(jù)則進(jìn)入led2=led2;R_S_Byte(RxBuf0);SIGN=RxBuf2;/判斷傾斜的方向 X_SIAN=0:前方 X_SIAN=1:下方STATE=RxBuf3;LED_FLAG=(SIGN&0x04)2;/判斷小車燈光控制位CONTROL_MODE_FLAG=(STATE&0xf0)4;/讀取當(dāng)前狀態(tài)標(biāo)志if(LED_FLAG) LE

42、D1=1;else if(LED_FLAG=0) LED1=0; void delay_RX(uint z)/避障模式下當(dāng)出現(xiàn)while循環(huán)時(shí)用的延時(shí)函數(shù),uint x,y;for(x=110;x0;x-)for(y=z;y0;y-);RX_STATE();/掃描無線模塊接收到的新指令void measured(unsigned char fs)/測距函數(shù)jd=3測量正前方j(luò)d=2測量左前方j(luò)d=4測量右前方 TH1 = (65536-500)/256;TL1 = (65536-500)%256; /12MZ晶振，0.5msmode=0;jd=fs;count2=0;TR1=1;delay_R

43、X(500);TR1=0;mode=1;TH1=0; TL1=0;StartModule(); while(!RX);/當(dāng)RX為零時(shí)等待 TR1=1; /開啟計(jì)數(shù) while(RX);/當(dāng)RX為1計(jì)數(shù)并等待 TR1=0;/關(guān)閉計(jì)數(shù) Conut(); /*避障模式子函數(shù)*/ void csbmode(void) unsigned char temp;TR1=0;mode=1;TH1=0; TL1=0;StartModule(); while(!RX);/當(dāng)RX為零時(shí)等待 TR1=1; /開啟計(jì)數(shù) while(RX);/當(dāng)RX為1計(jì)數(shù)并等待 TR1=0;/關(guān)閉計(jì)數(shù) Conut();/測量前方距離

44、delay_RX(80);speed1=16;speed2=16;while(middleS500 &CONTROL_MODE_FLAG=3)/當(dāng)前方空間大于300mm時(shí)保持 IN1_1=0;IN1_2=1;IN2_1=0;IN2_2=1;/小車前進(jìn) TR1=0;mode=1;TH1=0; TL1=0;StartModule(); while(!RX);/當(dāng)RX為零時(shí)等待 TR1=1; /開啟計(jì)數(shù) while(RX);/當(dāng)RX為1計(jì)數(shù)并等待 TR1=0;/關(guān)閉計(jì)數(shù) Conut();delay_RX(2);IN1_1=0;IN1_2=0;IN2_1=0;IN2_2=0;/小車停止 speed1=

45、0;speed2=0;measured(2);measured(4);TH1 = (65536-500)/256;/舵 機(jī) 復(fù)位 TL1 = (65536-500)%256; /12MZ晶振，0.5msmode=0;jd=3;count2=0;TR1=1;delay_RX(500);TR1=0;if(leftS250|rightS250)temp=middleS;speed1=20;speed2=20;IN1_1=1;IN1_2=0;IN2_1=1;IN2_2=0;/小車后退while(middleS-temp)200&CONTROL_MODE_FLAG=3)speed1=20;speed2=

46、20;delay_RX(2);TR1=0;mode=1;TH1=0; TL1=0;StartModule(); while(!RX);/當(dāng)RX為零時(shí)等待 TR1=1; /開啟計(jì)數(shù) while(RX);/當(dāng)RX為1計(jì)數(shù)并等待 TR1=0;/關(guān)閉計(jì)數(shù) Conut();speed1=20;speed2=20;if(leftSrightS)IN1_1=1;IN1_2=0;IN2_1=0;IN2_2=1; elseIN1_1=0;IN1_2=1;IN2_1=1;IN2_2=0; delay_RX(500);speed1=0;speed2=0;IN1_1=0;IN1_2=0;IN2_1=0;IN2_2=0

47、;/小車停止 measured(2);measured(4);TH1 = (65536-500)/256;/舵 機(jī) 復(fù)位 TL1 = (65536-500)%256; /12MZ晶振，0.5msmode=0;jd=3;count2=0;TR1=1;delay_RX(500);TR1=0; if(leftSrightS)speed1=0;speed2=0;IN1_1=1;IN1_2=0;IN2_1=0;IN2_2=1;while(middleS600&CONTROL_MODE_FLAG=3)speed1=17;speed2=17;delay_RX(5);TR1=0;mode=1;TH1=0; T

48、L1=0;StartModule(); while(!RX);/當(dāng)RX為零時(shí)等待 TR1=1; /開啟計(jì)數(shù) while(RX);/當(dāng)RX為1計(jì)數(shù)并等待 TR1=0;/關(guān)閉計(jì)數(shù) Conut();else speed1=0;speed2=0; IN1_1=0;IN1_2=1;IN2_1=1;IN2_2=0; /小車左轉(zhuǎn) while(middleS2;/判斷小車燈光控制位CONTROL_MODE_FLAG=(STATE&0xf0)4;/讀取當(dāng)前狀態(tài)標(biāo)志KEY_VALUE=STATE&0x0f;/讀取鍵值if(LED_FLAG) LED1=1;else if(LED_FLAG=0) LED1=0; X_SIGN= SIGN&0x01;Y_SIGN= (SIGN&0x02)1;if(X_ANGLE110) X_ANGLE=105;/全速時(shí):if(X_ANGLE160) X_ANGLE=155;if(Y_ANGLE110) Y_ANGLE=110;/全速時(shí):if(X_ANGLE160) X_ANGLE=160;if(Y_ANGLE-X_ANGLE20)IN1_1=1;IN1_2=0;IN2_1=1;IN2_2=0; /小車前進(jìn)