【正文】 棗莊學(xué)院 單片機(jī)原理及接口技術(shù) 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 題 目 智能避障避險(xiǎn)小車(chē) 院 部 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)及班級(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 11 級(jí)本 2 設(shè) 計(jì) 人 馬飛 劉洪濤 彭鵬 劉智慧 任可勝 史維 鑫 劉悅 劉飛飛 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 尹相雷 成 績(jī) 設(shè)計(jì)時(shí)間 : 2021 年 7 月 4 日 目錄 設(shè)計(jì)題目 …………………………………………………………………………… 2第一章設(shè)計(jì)目的…………………………………………………………………… 2 第二章 設(shè)計(jì)思路 ………………… ………… ……………………………………… 4 主控系統(tǒng) …………………………………………………………………… 4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 ………………………………………………………………… 4 循跡模塊 …………………………………………………………………… 6 避障模塊 …………………………………………………………………… 7 機(jī)械系統(tǒng) …………………………………………………………………… 7 電源模塊 …………………………………………………………………… 8第三章 硬件電原理圖和連接圖 …………………………………………………… 8 總體設(shè)計(jì) …………………………………………………………………… 8 驅(qū)動(dòng)電路 …………………………………………………………………… 9 信號(hào)檢測(cè)模塊 ………………………………………………………………… 10 主控電路 …………………………………………………………………… 11第四章 程序流程圖 … ……… …………………………………………………… 12 主程序模塊 …………………………………………………………………… 12 循跡模塊 ……………………………………………………………………… 13 避障模塊 ……………………………………………………… …… ………… 15第五章 程序清單 ………………………………………………………… …… ……第六章設(shè)計(jì)心得 ……………………………………………………… …… …… ……………………………………………………………………………… 18 ………………………………………………………………………… …… … 19 參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………… …… …… 19 設(shè)計(jì)題目 (選自 山東省大學(xué)生機(jī)器人大賽 比賽 智能避障避險(xiǎn)小車(chē) 比賽 ) （一）比賽任務(wù) 小車(chē)從出發(fā)區(qū)出發(fā)后，沿車(chē)道行駛一圈，并返回出發(fā)區(qū)。 （二）比賽場(chǎng)地 圖 4 比賽場(chǎng)地俯視圖（注 1 有變化） 比賽場(chǎng)地 平面（即車(chē)道表面）俯視圖如圖 4 所示。 比賽場(chǎng)地 平面（即車(chē)道表面）由 2 塊細(xì)木工板（尺寸規(guī)格： 寬度 ，長(zhǎng)度 ，厚度不定）拼接而成。細(xì)木工板表面未進(jìn)行任何特殊處理（如：拋光、刷漆和貼紙等），保持木材本身的材質(zhì)和顏色。 比賽場(chǎng)地下方的地面的顏色不確定（不作規(guī)定）。 車(chē)道表面距離車(chē)道下方的地面的高度不小于 6cm，可用墊高物墊在場(chǎng)地下方，墊高物不外露。 在直行車(chē)道轉(zhuǎn)入環(huán)形車(chē)道和環(huán)形車(chē)道轉(zhuǎn)入直行車(chē)道處均有提示線（為直線），提示線由黑色防滑膠帶（線寬 ～ 厘米，常規(guī)為 厘米）粘貼而成。 圖 4 中的⑤⑥⑦⑧⑨遮擋墻和遮擋柱的位置，在開(kāi)始正式比賽前由裁判組協(xié)商后確定位置（所有參賽隊(duì)采用相同位置）。 （三）車(chē)子規(guī)格 車(chē)體（安裝傳感器后）的長(zhǎng)度和寬度均不得超過(guò) 20cm，高度不限。 所用電壓不超過(guò) 24V。 所用處理器類(lèi)型不限。 （四）比賽規(guī)則 車(chē)子 必須按圖 4 中指定的方向離開(kāi)和返回出發(fā)區(qū)。 車(chē)子通過(guò)車(chē)道中的環(huán)形區(qū)時(shí)，采用順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蚓伞? 車(chē)子不能以任何方式人為遙控，如：使用激光束或通過(guò)無(wú)線通信遙控車(chē)子等。凡是違反此項(xiàng)規(guī)定者，取消其比賽資格。 每隊(duì)有 3 次運(yùn)行機(jī)會(huì)。每次運(yùn)行前有 1 分鐘準(zhǔn)備時(shí)間。 比賽過(guò)程中，如果車(chē)子出現(xiàn)以下異常表現(xiàn)，則認(rèn)定運(yùn)行失?。? （ 1）車(chē)子啟動(dòng)運(yùn)行后，未在 5 分鐘內(nèi)完成任務(wù)； （ 2）車(chē)子出現(xiàn)嚴(yán)重故障或失控； （ 3）車(chē)子掉下場(chǎng)地； （ 4）參賽隊(duì)員未經(jīng)裁判同意干預(yù)車(chē)子工作； （ 5）車(chē)子進(jìn)行鉆、挖等破壞場(chǎng)地（包括撞倒遮擋墻或遮擋柱屬于破壞比賽場(chǎng)地的行為，判一次運(yùn)行失?。┗顒?dòng)。 認(rèn)定運(yùn)行失敗后，參賽隊(duì)員可以向裁判提出重新運(yùn)行的請(qǐng)求。經(jīng)裁判同意，參賽隊(duì)員可以將車(chē)子重新放回到出發(fā)區(qū)，重新啟動(dòng)運(yùn)行。 比賽過(guò)程中，只允許一名參賽隊(duì)員進(jìn)入場(chǎng)地操作。 第一章 設(shè)計(jì)目的 整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，利用了多種傳感器，將軟件和硬件相結(jié)合。本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)如下功能： （ 1） 自動(dòng)沿預(yù)設(shè)軌道行駛小車(chē)在行駛過(guò)程中，能夠自動(dòng)檢測(cè)預(yù)先設(shè)好的軌道，實(shí)現(xiàn)直道和弧形軌道的前進(jìn)。若有偏離，能夠自動(dòng)糾正，返回到預(yù)設(shè)軌道上來(lái)。 （ 2）當(dāng)小車(chē)探測(cè)到前進(jìn)前方的障礙物時(shí)，可以自動(dòng)調(diào)整，躲避障礙物，從無(wú)障礙區(qū)通過(guò)。小車(chē)通過(guò)障礙區(qū)后，能夠自動(dòng)循跡 （ 3）自動(dòng)檢測(cè) ② 號(hào)遮擋墻并自動(dòng)入庫(kù)停車(chē)。 機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(gè)視覺(jué)功能。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(dòng)作。 該智能避障避險(xiǎn)機(jī)器人可以作為機(jī)器人的典型 代表。它可以分為三大組成部分：傳感器檢測(cè)部分、執(zhí)行部分、 CPU。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能，還可以擴(kuò)展循跡等功能，感知導(dǎo)引線和障礙物?？梢詫?shí)現(xiàn)小車(chē)自動(dòng)識(shí)別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，并檢測(cè)到障礙物自動(dòng)躲避?；谏鲜鲆螅瑐鞲袡z測(cè)部分考慮到小車(chē)一般不需要感知清晰的圖像，只要求粗略感知即可，所以可以舍棄昂貴的 CCD傳感器而考慮使用價(jià)廉物美的光電開(kāi)關(guān)和紅外對(duì)管來(lái)充當(dāng)。智能避障避險(xiǎn)機(jī)器人的執(zhí)行部分，是由直流電機(jī)來(lái)充當(dāng)?shù)?，主要控制小?chē)的行進(jìn)方向和速度。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)一由軟件模擬 PWM輸出調(diào)制，需要占用單片機(jī)資源，難以 精確調(diào)速，但單片機(jī)型號(hào)的選擇余地較大。考慮到實(shí)際情況，本文選擇第二種方案。 CPU使用 STC89C52單片機(jī) ，配合軟件編程實(shí)現(xiàn)。 現(xiàn)在智能機(jī)器人發(fā)展很快，從智能玩具到其它各行業(yè)都有實(shí)質(zhì)成果。其基本 可實(shí)現(xiàn)循跡、避障、檢測(cè)貼片、尋光入庫(kù)、避崖等基本功能，電子設(shè)計(jì)大賽智能小車(chē)又在向聲控系統(tǒng)發(fā)展。比較出名的飛思卡爾智能小車(chē)更是走在前列。我此次的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)循跡避障避險(xiǎn)這兩個(gè)功能。 第二章 設(shè)計(jì)思路 根據(jù)要求，確定如下方案：購(gòu)買(mǎi)小車(chē)組件和塑料板材進(jìn)行改裝制作小車(chē)，加裝光電開(kāi)關(guān)和紅外對(duì)管，實(shí)現(xiàn)小車(chē)對(duì)道路和障礙物的檢測(cè)，并將測(cè)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(cè)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車(chē)的智能控制。這種方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。 主控系統(tǒng) 根據(jù)課題的設(shè)計(jì)要求，我認(rèn)為此設(shè)計(jì)屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問(wèn)題。據(jù)此，擬定了以下兩種方案并進(jìn)行了綜合的比較論證，具體如下： 方案一： 選用一片 CPLD（如 EPM7128LC8415）作為系統(tǒng)的核心部件，實(shí)現(xiàn)控制與處理的功能。 CPLD 具有速度快、編程容易、資源豐富、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，可利用 VHDL 語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)開(kāi)發(fā)。但 CPLD 在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢(shì)。同時(shí)， CPLD的處理速度非常快，而小車(chē)的行進(jìn)速度不可能太高，那么對(duì)系統(tǒng)處理信息的要求也就不會(huì)太高，在這一點(diǎn)上， MCU 就已經(jīng)可以勝任了。若采用該方案，必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此，我們不采用該種方案，進(jìn)而提出了第二種設(shè)想。 方案二： 采用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車(chē)，以實(shí)現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。充分分析我們 的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)小車(chē)的自動(dòng)控制，而在這一點(diǎn)上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來(lái)它的優(yōu)勢(shì) —— 控制簡(jiǎn)單、方便、快捷。這樣一來(lái)，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，這種方案是一種較為理想的方案。 針對(duì)本設(shè)計(jì)特點(diǎn) —— 多開(kāi)關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長(zhǎng)處理多開(kāi)關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)，而不能用精簡(jiǎn) I/O 口和程序存儲(chǔ)器的小體積單片機(jī)， D/A、A/D 功能也不必選用。根據(jù)這些分析 ,我選定了 STC89C52 單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控裝置， 51 單片機(jī)具有功能強(qiáng)大的位操作指令， I/O 口均 可按位尋址，程序空間多達(dá) 8K，對(duì)于本設(shè)計(jì)也綽綽有余，更可貴的是 51 單片機(jī)價(jià)格非常低廉。 在綜合考慮了傳感器、兩部電機(jī)的驅(qū)動(dòng)等諸多因素后，我們決定采用一片單片機(jī)，充分利用 STC89C52 單片機(jī)的資源。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 方案一： 采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制 ,通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車(chē)的速度進(jìn)行調(diào)整 .此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單 ,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢 ,易損壞 ,壽命較短 ,可靠性不高。 方案二： 采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到分壓的目的。但電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般的電動(dòng)機(jī)電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。 方案三： 采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，加速能力強(qiáng)，采用由達(dá)林頓管組成的 H 型橋式電路 (如圖 )。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高， H 型橋式電路保證了簡(jiǎn)單的 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開(kāi)關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的 PWM 調(diào)速技術(shù)?，F(xiàn)市面上有很多此種芯片，我選用了 L298N(如圖 )。 這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。 圖 H 橋式電路