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《物理实验》项目设计报告青岛滨海学院项目设计报告项目：超声波避障小车的设计与制作专业计算机应用技术学生姓名刘少鹏班级14微高学号20141080523指导教师郭志卓完成日期2015.05.12《物理实验》项目设计报告摘要STC89C52单片机是一款八位单片机，他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。本文提出一种智能避障，循迹小车的设计方法，利用红外技术检测障碍物，轨迹信息，采用STC89C52单片机进行实时控制，实现智能避障，循迹。再利用无线通信实现上位机与下位机的通信，智能小车采用前轮驱动，两轮各用一个直流电机控制，避障,循迹用的传感器采用红外反射式传感器。整个系统的电路结构简单，可靠性能较高。实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及程序设计。采用的技术主要有：（1）PWM调速；（2）红外传感器；（3）无线通信及串口通信；（4）上位机.（5）LCD（6）超声波传感器《物理实验》项目设计报告目录摘要------------------------------------------------------------------------------0前言------------------------------------------------------------------------------2功能概述------------------------------------------------------------------------3硬件设计------------------------------------------------------------------------3避障电路------------------------------------------------------------------------3循迹电路------------------------------------------------------------------------5单片机电路---------------------------------------------------------------------7电机转速控制电路------------------------------------------------------------8电源电路------------------------------------------------------------------------8电机驱动电路------------------------------------------------------------------9通信系统-------------------------------------------------------------------------11测速模块儿----------------------------------------------------------------------15上位机设计----------------------------------------------------------------------16附录一----------------------------------------------------------------------------17附录二----------------------------------------------------------------------------20小结------------------------------------------------------------------------------42参考文献------------------------------------------------------------------------42《物理实验》项目设计报告前言---------------------------------------------------随着生产自动化的发展需要，机器人已经越来越广泛地应用到生产自动化上，随着科学技术的发展，机器人的传感器种类也越来越多，其中红外传感器已经成为自动行走和驾驶的重要部件。红外的典型应用领域为自主式智能导航系统，机器人要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，感知障碍物相当给机器人一个视觉功能。智能避障是基于红外传感系统，采用红外传感器实现前方障碍物检测，并判断障碍物远近。而利用红外对不同颜色物体反射强弱差别可以检测到不同颜色的物体，从而实现循迹功能。由于时间和水平有限，我们暂选最基本的避障，循迹功能作为此次设计的目标。目前,在自动控制领域中,经常要实现上位机和下位机的通信。有时甚至要求上位机和多台下位机建立通信。因此人们常常将工控机和ＰＣ机结合起来构成主从式控制系统。在这过程中,上位机主要负责人机接口管理和系统资源的高层控制。下位机主要完成数据采集、处理、接收，本次我们基于串口通信和VB通过NRF24L01设计了一个上位机下位机无线通信的系统。本设计通过小车这个载体再结合由STC89C52为核心的控制板可以达到其基本功能，再辅加由反射式光电开关E18-D80NK组成的避障电路，由TCRT5000光电对管和LM324设计的循迹电路，基于PWM技术的转速控制、基于LM2940电源电路、基于L298N的电机驱动电路以及基于NRF24L01的无线通信系统就可以完成整个硬件设计。《物理实验》项目设计报告一.功能概述智能小车采用前轮驱动，前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。避障部分，将3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停止左轮转动，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停止转动，车向左方转向，当前面有障碍物时规定车右转。而当小车同时有两个传感器接收到信号时，采用倒退方式转弯以避免碰到障碍物，于此同时测定速度并显示，在避障小车前进的同时,通过无线通信系统，把小车的速度和路程传到上位机显示。循迹部分，采用七个红外传感器置于车身前下方，中间五个主要用于循迹普通道路，外边两个略比中间的靠前，主要用来检测直角弯道。车向左偏时右拐，右偏时左拐，左右拐又分为校正和转弯两档。遇到直角时极易冲出跑道，故给车施加一个反向脉冲。行驶过程中上位机显示车速及路程。二．硬件设计如下图所示，是本次设计智能小车的电路框图。以STC89C52为电路的中央处理器，来处理传感器采集来的数据，处理完毕之后以便去控制电机驱动电路来驱动电机，并通过无线传输到上位机。电源部分是为整个电路模块提供电源，以便能正常工作。三.避障电路1.障碍物探测方案的选择方案一：脉冲调制的反射式红外线发射接受器。由于采用该有交流分量的调《物理实验》项目设计报告制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外红外线接受官的最大工作电流取决于平均电流。如果采用占空比小的调制信号，再品均电流不变的情况下，顺势电流很大（50—100mA），则大大提高了信噪比。并且其反应灵敏，外围电路也很简单。它的优点是消除了外界光线的干扰提高了灵敏度。方案二：采用超声波传感器，如果传感器接收到反射的超声波，则通知单片机前方有障碍物，如则通知单片机可以向前行驶。市场上很多红外光电探头也都是基于这个原理。这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性由以上两种方案比较可知。方案一要比方案二优势大，市场上很多红外观点探头也都基于这个原理。其电路简单，工作可靠，性能比较稳定。从而避免了电路的复杂性，因此我先用方案二作为小车的监测系统。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。当有光线反射回来时，输出低电平；当没有光线反射回来时，输出高电平。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。2．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。避障电路功能表：传感器避障电路输出（上升沿动作）待执行命令《物理实验》项目设计报告左中右左转信号(P2.1)右转信号（P2.0）000√后右转001√右转010√右转011√右转100√左转101√右转110√左转111前进注解（“0”表示有障碍物；“1”表示无障碍物）四.循迹模块TCRT5000传感器小车循迹原理是小车在画有黑线的白纸“路面”上行驶，由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”—黑线。笔者在该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法——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。避障亦是此原理。电路图如图3.4。《物理实验》项目设计报告市面上有很多红外传感器，在这里我选用TCRT5000型光电对管。图3.4循迹原理图循迹模块儿功能表1234567左拐100000011000000100000ZZ00000小左011000000100000Z10000直走00110000001000000110000Z1Z00小右0000100000011000001Z0右拐00000100000011000000100000ZZ特殊0011100《物理实验》项目设计报告00001110001111右直角001111101111110ZZZ111左直角1110000111100011111001111110111ZZZ0全白0000000全黑1111111五.单片机电路本设计的主控芯片选择STC89C52，负责检测传感器的状态并向电机驱动电路发出动作命令。复位电路采用手动复位。单片机电路如下：《物理实验》项目设计报告六.电机转速控制电路转速控制采用基于PWM技术的脉冲调制技术，通过单片机输出两列PWM信号，经过l298N对电机进行速度调控。PWM（脉冲宽度调制）控制，通常配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大，它的原理就是直流斩波原理。如图1所示，若S3、S4关断，S1、S2受PWM控制，假设高电平导通，忽略开关管损耗，则在一个周期内的导通时间为t，周期为T，波形如图6，则电机两端的平均电压为：U=Vcct/T=αVcc，其中，α=t/T称为占空比，Vcc为电源电压（电源电压减去两个开关管的饱和压降）。电机的转速与电机两端的电压成比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比α＝1时，电机转速最大。PWM控制波形的实现可以通过模拟电路或数字电路实现，例如用555搭成的触发电路，但是，这种电路的占空比不能自动调节，不能用于自动控制小车的调速。而目前使用的大多数单片机都可以直接输出这种PWM波形，或通过时序模拟输出，最适合小车的调速。我们使用的是STC89C52单片机，它是8位单片机，内部设有3个独立的计数器，完全可以模拟任意频率、占空比随意调节的PWM信号输出，用以控制电机调速。在小车行进的过程中，占空比不应该太高，在直线前进和转弯的时候应该区别对待。若车速太快，则在转弯的时候，方向不易控制；而车速太慢，则很浪费时间。这时可以根据具体情况慢慢调节七.电源电路本系统所有芯片都需