智能小车

1引言智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，它可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等用途。智能电动小车就是其中的一个体现。设计者可以通过软件编程实现它的行进、绕障、停止的精确控制以及检测数据的存储、显示，无需人工干预。因此，智能电动小车具有再编程的特性，是机器人的一种。根据本设计的要求，确定如下方案：以AT89C51单片机为核心的控制电路，采用模块化的设计方案，运用光电传感器、金属探测传感器、超声波传感器组成不同的检测电路，实现小车在行驶中自动寻迹、探测预埋金属铁片、躲避障碍物等问题。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小车的智能控制。这种方案能实现对电动小车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足系统的各项要求。本设计采用了比较先进的AT89C51为控制核心，功耗很低。该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、娱乐等许多方面。尤其是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景；在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。所以本设计与实际相结合，现实意义很强。1.1智能电动小车设计概述随着计算机、微电子、信息技术的快速进步，智能化技术的开发速度越来越快,智能度越来越高,应用范围也得到了极大的扩展。在海洋开发、宇宙探测、工农业生产、军事、社会服务、娱乐等各个领域。智能电动小车系统以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科。主要由路径识别、角度控制及车速控制等功能模块组成[2]。同时，当今机器人技术发展的如火如荼，其应用在国防等众多领域得到广泛开展。神五、神六升天、无人飞船等等无不得益于机器人技术的迅速发展。一些发达国家已把机器人制作比赛作为创新教育的战略性手段。如日本每年都要举行诸如“NHK杯大学生机器人大赛”、“全日本机器人相扑大会”、“机器人足球赛”等各种类型的机器人制作比赛，参加者多数为学生，目的在于通过大赛全面培养学生的动手能力、创造能力、合作能力和进取精神，同时也普及智能机器人的知识。从某种意义上来说,机器人技术反映了一个国家综合技术实力的高低,而智能电动小车是机器人的雏形,它的控制系统的研制将有助于推动智能机器人控制系统的发展，同时为智能机器人的研制提供更有利的手段。随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子竞赛和省内电子竞赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大。本设计是结合科研项目而确定的设计类课题。设计的智能电动小车能够实现在行驶中自动寻迹、探测预埋金属铁片、实时显示铁片数目，躲避障碍物,实时显示铁片数目最后在光源的引导下到达目的地，停车。1.2智能电动小车的设计依据在国内外，智能化系统主要采用单片机作为控制核心。因此，单片机的发展将有助于智能化技术的开发。在本设计中,采用比较先进的AT89C51单片机为控制核心，它的功耗很低。单片机技术发展至今，掌握最先进技术的仍然是国外的几大公司。如Intel公司发展的MCS-51系列的新一代产品，如8ｘC152、80C51FA/FB、80C51GA/GB、8ｘC451、8ｘC452,还包括了Philips、Siemens、ADM、Fujutsu、OKI、Harria-Metra、ATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色﹑与80C51兼容的单片机。新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以实现Microcomputer完善的控制功能为己任，可连接一些外部接口功能单元如A/D、PWM、PCA(可编程计数器阵列)﹑WDT(监视定时器)﹑高速I/O口、计数器的捕获/比较逻辑等。这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。Philips公司还为这一代单片机80C51系列8ｘC592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线---CAN(ControllerAreaNetworkBUS)2智能电动小车设计方案比较2.1总体方案论证与比较方案一、采用AT89C51单片机作为整机的控制单元。以AT89C51单片机为核心的控制电路，采用模块化的设计方案，运用光电传感器、金属探测传感器、超声波传感器组成不同的检测电路，实现小车在行驶中自动寻迹、探测预埋金属铁片、躲避障碍物、光源的引导等问题。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小车的智能化控制[3]。在本系统中，反射式红外光电传感器检测黑线，然后将信号传送到单片机系统进行处理，使小车沿轨道自主行走；电感式接近开关电路代替金属传感器探测预埋在轨道下的金属铁片，并发出声光信息进行提示；；采用H型脉冲宽度调制（PWM）全桥式驱动电路控制电机的转向，实现电动小车的正反向行驶、快慢速行驶及转弯；采用LED实时显示小车行驶的时间。此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，具有高度的智能化、人性化，一定程度体现了智能，能满足系统的要求。此方案的基本原理如图2.1所示。图2.1智能小车运行基本原理图框图方案二、采用各类数字电路来组成电动小车的控制系统。采用数字电路对外围探测轨迹信号，检测金属信号，避障信号，寻找光源信号分部进行处理。但对输入输出都是模拟量的小装置，如果采用数字化方案，则要先用A/D转换器将模拟量转换为数字量，经过数字电路处理后，再经D/A转换器将数字量转换为模拟量。这样必然带来高成本、电路复杂等缺点。因此，本避障模块寻找光源模块电机驱动模块探测轨迹模块声光提示AT89C51单片机显示模块方案灵活性不高，效率低，不利于电动小车智能化的扩展。同时，对各路信号处理也比较困难。比较以上两种方案的优缺点，方案一简洁、灵活、可扩展性好，能达到设计要求，因此本设计采用方案一来实现。2.2探测轨迹模块方案比较在本设计中，要求电动小车沿着路面的黑色轨道行驶。其探测路面黑线的基本原理：光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱来判断是否是黑线。利用这个原理，可以控制电动小车行走的路迹。下面几种方案是根据本原理设计的。方案一、采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。由于光敏二极管受可见光的影响较大，稳定性差，所以放弃该方案。方案二、利用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。方案三、采用反射式红外线光电传感器。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点[4]。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在电动小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，电动小车上的接收管接收不到红外光。单片机根据是否收到反射回来的红外光来确定黑线的位置，从而控制小车的行走路线。采用红外线发射，外面可见光对接收信号的影响较小，再用射极输出器对信号进行隔离。红外线光电传感器的特点是尺寸小、使用方便、工作状态受温度影响小。它的外围电路简单。因此本方案易于实现，也比较可靠。所以本设计采用反射式红外线光电传感器。2.4避障模块方案比较考虑到在测障过程中小车车速及反应调向速度的限制，小车应在距障碍物40CM的范围内做出反应，这样在顺利绕过障碍物后，可寻找到最佳的位置和方向。否则，如果范围太大，则可能产生对障碍物的判断失误；范围过小又很容易造成车身撞上障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想定向。根据上述要求，提出以下方案。方案一、采用激光传感器探测障碍物。该传感器能非常准确地测出障碍物的存在，但价格高，处理复杂，不符合该设计的要求。方案二、采用超声波传感器探测障碍物。超声波传感器安装于小车前端，在规定的检测距离内，当探测到障碍物时，超声波传感器给出脉冲信号至单片机，单片机检测到该信号后，调整小车的方向，以控制小车准确地绕过障碍物，而且避免因小车自然转弯而导致的盲目方向控制。这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性。同时，超声波传感器具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在光线不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射，形成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面[6]。智能电动小车应以准确、智能见优，因此采用超声波传感器探测障碍物。2.5寻找光源模块方案比较方案一、采用多只方向性较强的光敏二极管作光源定位器。若干定位器在水平面上按不同角度展开，在寻找光源时根据每个定位器接收到的光线强弱（有无）得出光源的方位。该方案若采用方向性较强的光敏二极管作为光源定位器，要么是需要很多的器件，要么是难以检测到光源的方向。方案二、利用由光敏电阻组成的光控开关电路。利用光敏电阻阻值随光强弱变化的特性组成光控开关电路，检测光源。光敏电阻是用光电导体制成的光电器件，又称光电管，它是基于半导体内光电效应工作的。当无光照射时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，因此电路中电流迅速增加。光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性，光谱响应从紫外区一直到红外区，而且体积小、重量轻、性能稳定，因此在自动化技术中得到了广泛的应用。综合考虑到上述方案的优缺点，本设计采用光敏电阻组成的光控开关电路。2.6显示模块方案比较方案一、采用LED数码管显示。在系统中要用到多只LED数码管进行动态显示即可达到要求。其优点是价格便宜，寿命长。缺点是只能显示0～9的数字和一些简单的字符，电路设计繁锁，且占用空间。方案二、采用LCD1602液晶显示器。LCD广泛应用于微型计算机控制系统中。与LED相比，它具有功耗低，抗干扰能力强，体积小，廉价的特点，且有良好的人机界面，直观，显示效果漂亮。目前已广泛应用在各种显示领域。另外，LCD在大小和形状上更加灵活，接口简单，不但可以显示数字、字符，而且可以显示汉字和图形，因此在袖珍仪表、医疗仪器、分析仪器及低功耗便携式仪器中，LCD已成为一种占主导地位的显示器件【8】。LED数码显示价格便宜，在课程设计中用到的比较多，比较熟悉，设计要求中数码管只用来显示铁片个数，用一位LED数码显示足够，因此，本设计采用LED数码管显示。2.7电动机驱动模块方案比较方案一、使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，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大，对于小车的长时间运行不利。方案二、采用继电器控制电机。采用继电器对电机的开或关进行控制。通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高【1】。方案三、采用H型脉冲宽度调制（PWM）全桥式驱动电路。通过PWM脉宽调制的方法,实现对小车速度的控制。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，还可以实现频繁的快速启动、制动和反转等优点，是一种广泛采用的调速技术。H型全桥式电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制。这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。为了电路设计简单，采用电机专用驱动芯片L298N，其驱动电流大，瞬时电流最高可达2A，为电机驱动专门设计，工作稳定可靠。完全满足设计要求[9]。综合三种方案的优缺点，选择H型脉冲宽度调制（PWM）全桥式驱动电路。3系统的硬件电路设计单片机（SCM）是单片微型计算机（SingleChipMicr