畢業(yè)設(shè)計(jì)論文--基于單片機(jī)控制的電動(dòng)小車尋跡壁障及入庫動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)(編輯修改稿)
2024-12-13 20:52 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況電流可能會從左至右或從右至左流過電機(jī)從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向脈沖寬度調(diào)制Pulse Width Modulation 簡稱 PWM 脈沖周期不變只改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間即通過改變脈沖寬度來進(jìn)行直流調(diào)速 PWM 的理論基礎(chǔ)是沖量相等而形狀不同的的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上其 效果基本相同采用 PWM 進(jìn)行電機(jī)的調(diào)速控制實(shí)際是保持加在電機(jī)電機(jī)電樞上的脈沖電壓頻率不變調(diào)節(jié)其脈沖寬度電機(jī)是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)它的電樞電流餓轉(zhuǎn)速均不能突變很高的頻率的 PWM 加在電機(jī)上效果相當(dāng)于施加一個(gè)恒定電壓的直流電這個(gè)電壓可以由脈沖的寬度調(diào)節(jié) 使用 PWM方式可以很容易的實(shí)現(xiàn)調(diào)速 PWM信號由單片機(jī)軟件產(chǎn)生使用非常方便由于電路總體上并不復(fù)雜驅(qū)動(dòng)電路的控制輸入端也可以不用經(jīng)光耦合隔離直接與單片機(jī)引腳相連 圖 35 小車驅(qū)動(dòng)模塊電路圖 4 循跡模塊 利用 TCRT5000 光電傳感器智能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由于黑紙和白色路面對光線的反射系數(shù)不同可以根據(jù)接收的反射光的強(qiáng)弱來判斷道路黑紙軌跡本設(shè)計(jì)采用簡單易用應(yīng)用也較為普遍的紅外探測法 紅外探測法即用紅外線在不同顏色的物表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光當(dāng)紅外線遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫反射反射光被裝在小車上的接收管接收如果遇到黑紙則紅外光被吸收小車上的接收管則接收不到信號 41 光電傳感器的工作原理 光電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實(shí)現(xiàn)控制的TCRT5000傳感器的工作原理與一般的紅外傳感器一樣一傳一感 TCRT5000具有一個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)紅外接收管當(dāng)發(fā)射管的紅外信號經(jīng)反射被接收管接收后接收管的電阻會發(fā)生變化在電路上一般以電壓的變化形式體現(xiàn)出來而經(jīng)過 LM 等電路整形后得到處理后的輸出結(jié)果電阻的變化于接收管所接收的紅外信號強(qiáng)度常表現(xiàn)在反射面的顏色和反射面接收管的距離兩二方面 TCRT5000傳感器 TCRT5000傳感器硬件參考原理圖差分輸入電壓可以大于 Vcc 并不損壞器件保護(hù)部分必須能阻止輸入電壓向負(fù)端超過 03VLM393 的輸出部分是集電極開路發(fā)射極接地的 NPN 輸出可以用多集電極輸出提供或 OR ing 采用雙列 直插 8 腳塑料封裝 DIP8和微形的雙列 8 腳塑料封裝 SOP8 圖 43 LM393 引腳圖及內(nèi)部框圖 44LM393 的優(yōu)勢 1 高精度比較器 2 減少由于溫度引起的失調(diào)電壓 3 可以單電源供電 4 輸入共模電壓范圍接近地電平 5 兼容邏輯電路 45 小車循跡原理在畫有黑線的白紙 路面上行駛由于黑線和白紙對光線的反射系數(shù)不同可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷道路黑線紅外探測法即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)射反射光被裝在小車上的接收管 接收如果遇到黑線則紅外光被吸收則小車上的接收管接收不到信號正確選擇檢測方法和傳感器是決定循跡效果的重要因素而正確的器件安裝方法也是影響循跡電路好壞的一個(gè)重要因素從簡單方便可靠等角度出發(fā)設(shè)計(jì)裝設(shè) 2個(gè)紅外傳感器及采用 2套上面的電路具體位置分布如圖 43a所示此套紅外光電傳感器固定在小車底盤前沿貼近地面正常行駛時(shí)發(fā)射管發(fā)射紅外光照射地面光線經(jīng)白紙反射后被接收管接收輸出高電平信號電動(dòng)車經(jīng)過黑線時(shí)發(fā)射端發(fā)射的光線被黑線吸收接收端接收不到反射光線傳感器輸出低電平信號后送 AT89c52 單片機(jī)處理判斷執(zhí)行哪一種預(yù)先編制的程序 來控制小車的行駛狀態(tài) 圖 43a 循線傳感器布局 圖 43b 尋跡模塊電路圖 5 避障模塊 小車在遇到障礙物時(shí)會自動(dòng)繞行探測障礙的最簡單的方法是使用超聲波傳感器它是利用向目標(biāo)發(fā)射超聲波脈沖計(jì)算其往返時(shí)間來判定距離的由于超聲波指向性強(qiáng)能量消耗緩慢在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量如和物位測量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)利用超聲波檢測往往比較迅速方便計(jì)算簡單易于做到實(shí)時(shí)控制并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求因此在移動(dòng)機(jī)器人研制上也得到了廣泛的應(yīng)用 HCSR04超聲波模塊 HCSR04模塊性能穩(wěn)定測度距離精確能和國外的 SRF05SRF02 等超聲波測距模塊相媲美模塊高精度盲區(qū) 2cm 超近穩(wěn)定的測距是此產(chǎn)品成功走向市場的有力根據(jù) HCSR04 超聲波模塊 1 采用 IO 觸發(fā)測距給至少 10us 的高電平信號 2 模塊自動(dòng)發(fā)送 8 個(gè) 40khz 的方波自動(dòng)檢測是否有信號返回 3 有信號返回通過 IO 輸出一高電平高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間．測試距離 高電平時(shí)間聲速 340MS 2 圖 52 超聲波模塊 Pin 接口從左到右依次編號 1234 它們的定義如下 1 號 Pin 接 VCC 電源直流 5V 2 號 Pin 接外部電路的 Trig 端向此管腳輸入一個(gè) 10uS 以上的高電平可觸發(fā)模塊測距 3 號 Pin 接外部電路的 Echo 端當(dāng)測距結(jié)束時(shí)此管腳會輸出一個(gè)高電平電平寬度為超聲波往返時(shí)間之和 4 號 Pin 接外部電路的地 上圖表明只需要在 Trig 管腳輸入一個(gè) 10US 以上的高電平系統(tǒng)便可發(fā)出 8個(gè) 40KHZ 的超聲波脈沖然后檢測回波信號當(dāng)檢測到回波信號后通過 Echo 管腳輸出根據(jù) Echo 管腳輸出高電平的持續(xù)時(shí)間可以計(jì)算距離值即距離值為 高電平時(shí)間 340ms 2 53 超聲波測距原理 通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波根據(jù)接收器接到超聲 波時(shí)的時(shí)間差就可以知道距離了這與雷達(dá)測距原理相似超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)超聲波在空氣中傳播途中碰到障礙物就立即返回來超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)超聲波在空氣中的傳播速度為 340ms 根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t 就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 s 即 s 340t2 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩其頻率超過 20KHz 分橫向振蕩和縱向振蕩兩種超聲波可以在氣體液體及固體中傳播其傳播速度不同它有折射和反射現(xiàn)象且在傳播過程中有衰減利用超聲波的特性可做成各種超聲波傳感器結(jié)合不同的電路 可以制成超聲波儀器及裝置在通訊醫(yī)療及家電中獲得廣泛應(yīng)用 作為超聲波傳感器的材料主要為壓電晶體壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅魉梢詫㈦娔苻D(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波同時(shí)它接收到超聲波時(shí)也能轉(zhuǎn)變成電能故它分為發(fā)送器和接收器 圖 53a 超聲波發(fā)射電路 圖 53b 超聲波接收電路 54 超聲波測距特點(diǎn) 超聲波指向性強(qiáng)能量消耗緩慢在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)利用超聲波檢測往往比較迅速方便計(jì)算簡單易于做到實(shí)時(shí)控制并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用 為了使智能小車能自動(dòng)避障行走就必須裝備測距系統(tǒng)以使其及時(shí)獲取距障礙物的距離信息距離和方向超聲波測距系統(tǒng)就是為小車了解其前方左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個(gè)運(yùn)動(dòng)距離信息 由于超聲實(shí)現(xiàn)方便技術(shù)成熟成本低且周圍環(huán)境對于超聲波的影響也不大所以超聲避障成為常用的避障方法從 國內(nèi)外研究情況來看超聲波裝置主要用作測距通過測量聲源與目標(biāo)物之間的往返傳播時(shí)間求得目標(biāo)物的距離在有些情況下超聲波傳感器是光學(xué)系統(tǒng)無可比擬的 55 超聲波傳感器的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)如下 1 對于黑暗的環(huán)境和物體超聲波傳感器幾乎不受惡劣環(huán)境的影響仍然能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的探測障礙物信息反饋給信息處理設(shè)備 2 和光學(xué)傳感器相比超聲波傳感器不僅可以探測到障礙物的存在而且能夠得到障礙物距小車的距離便于小車做出決策 3 雖然光傳播速度比聲音快但計(jì)算機(jī)控制器延時(shí)和電機(jī)響應(yīng)速度等特點(diǎn)將限制小車執(zhí)行任務(wù)的速度因此光速快的優(yōu)勢并不 明顯 6 尋光模塊 61 小車感光入庫原理 小車采用光敏電阻感光來實(shí)現(xiàn)入庫光敏電阻是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器入射光強(qiáng)電阻減小入射光弱電阻增大這里我們就可以利用光敏二極管對光源變換的敏感反映檢測外部光源當(dāng)有光照射時(shí)光敏二極管呈強(qiáng)電阻經(jīng)比較器輸出一個(gè)高電平反之則輸出低電平設(shè)計(jì)光控電路時(shí)用泡小電珠光線或線作控制光源使設(shè)計(jì)大為簡化它的電阻和光線的強(qiáng)弱有直接關(guān)系光強(qiáng)度增加則電阻減小光強(qiáng)度減小則電阻增大光敏電阻器一般用于光的測量光的控制和光電轉(zhuǎn)換將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器它是由制成的光敏電阻器的阻值隨入射光線
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