【文章內(nèi)容簡介】 本論的主要內(nèi)容，舉出了在系統(tǒng)測試過程中所發(fā)現(xiàn)的問題 。 基于 51 單片機的循跡避障小車的設(shè)計 第 7 頁 共 37 頁 2 系統(tǒng)方案確定及主要元件的選擇 系統(tǒng)方案確定 本次設(shè)計的智能小車實現(xiàn)的基本功能如下： ?實時檢測路徑，并按照指定路線行駛； ?實時檢測障礙物，并躲過繼續(xù)行駛； 本設(shè)計 以 AT89C51 為主控芯片，主要包括避障模塊、電源模塊、電機驅(qū)動模塊等，系統(tǒng)框圖如圖 21 所示。通過尋跡及避障傳感器來采集周圍環(huán)境信息來反饋給 CPU，通過主控的處理，來控制電機的運轉(zhuǎn)，從而 實現(xiàn)尋跡與避障，達到智能行駛。 為了能夠更好地完成本次設(shè)計任務(wù)，我們采用三輪車，其前輪驅(qū)動，前輪左右兩邊各用一個電機驅(qū)動，調(diào)制前面兩個輪子的轉(zhuǎn)速起停從而達到控制轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬象輪，起支撐的作用，并 通過軟件程序控制，與硬件架構(gòu)相結(jié)合，從而實線自動尋跡、避障的功能。 圖 21 系統(tǒng)總體框 主要 模塊 的選擇 主控器 按照題目要求，控制器主要用于控制電機，通過相關(guān)傳感器對路面的軌跡信息進行處理，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，實現(xiàn)電機的前進AT89C51 單片機主控芯片 避障模塊 驅(qū)動模塊 循跡模塊 電源模塊 基于 51 單片機的循跡避障小車的設(shè)計 第 8 頁 共 37 頁 和后退，保證在允許范圍內(nèi)實 線循跡避障。 方案一：可以采用 ARM 為系統(tǒng)的控制器，優(yōu)點是該系統(tǒng)功能強大，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)模實時系統(tǒng)的控制核心。而小車的行進速度不可能太高，那么對系統(tǒng)處理信息的要求也就不會太高。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。 方案二：使用 51 單片機作為整個智能車系統(tǒng)的核心。用其控制智能小車，既可以實現(xiàn)預(yù)期的性能指標，又能很好的操作改善小車的運行環(huán)境，且簡單易上手。對于我們的控制系統(tǒng)，核心主要在于如何實現(xiàn)小車的自動控制，對于這點，單片機就擁有很 強的優(yōu)勢 —— 控制簡單、方便、快捷，單片機足以應(yīng)對我們設(shè)計需求 [5]。 51 單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，功耗低、體積小、技術(shù)成熟，且價格低廉。 綜合考慮，本設(shè)計選擇選用 AT89C51 單片機做控制器。 供電單元 方案一：采用單電源供電，通過單電源同時對單片機和直流電機進行供電，此方案的優(yōu)點是，減少機身的重量，操作簡單，其缺點是，這樣會使單片機的波動變大，影響單片機的性能，穩(wěn)定性比較弱。 方案二：采用雙電源供電，通過兩個獨立的電源分別對單片機和直流電機進行供電，此方案的優(yōu)點是，減少波動 ，穩(wěn)定性比較好，可以讓小車更好的運作起。 方案三：采用多節(jié)電池串聯(lián)供電。由于單片機工作電壓在 5V左右，小直流電壓也是幾伏電壓即可驅(qū)動，可以用電池供電，讓多節(jié)電池串聯(lián)來保證系統(tǒng)正常工作。不僅減少了機身重量，而且攜帶時分方便，無需任何的升壓降壓處理，操作簡單。 綜合考慮，本設(shè)計選擇選用 電池供電 。 驅(qū)動電機選擇 方案一：采用直流電機，優(yōu)點在于硬件電路設(shè)計簡單。 當(dāng)外加額定直流電壓時，轉(zhuǎn)速幾乎相等 ，調(diào)速性能較好，且性價比高。對于小車的行駛，能夠很好的控制。 方案二：采用步進電機，步進電機可以實現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)角 輸出， 只要施加合適的脈沖序列，電機可以按照人們的預(yù)定的速度或方向進行連續(xù)的轉(zhuǎn)動 ，便于控速，但是軟件程序的編寫較直流電機稍顯復(fù)雜 。兩種電機性能對比如表 21 基于 51 單片機的循跡避障小車的設(shè)計 第 9 頁 共 37 頁 表 21 電機性能對比 對比項 直流電機 步進電機 調(diào)速性能 較好 較差 位置控制精度 較差 好 控制難易程度 簡單 較難 價格 低 中 綜合考慮，本智能車設(shè)計決定采用 直流電機 作為智能車的動力電機。 電機驅(qū)動器 方案一：如果電機的開啟和關(guān)閉控制通過繼電器的來控制的話，該方案的優(yōu)點是電路較簡單的 [6]，但響應(yīng)速度很慢，且易損壞，使用壽 命短，可靠性不是很高。 方案二：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)節(jié)電動機的分壓，從而達到分壓的目的。但數(shù)字電阻元件比較昂貴，且電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的調(diào)速很有限。更主要的問題在于一般的電動機電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實現(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。線性型驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，加速能力強，采用由達林頓管組成的 H 型橋式電路 (如圖 22)。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速，這是一種普遍使用的 PWM 技術(shù)。該電路由于在飽和截止模式下 工作，效率很高，保證速度和方向的簡單控制。 H 橋電路的調(diào)速特性好，且調(diào)速范圍寬，過載能力強，且能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)。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。 基于 51 單片機的循跡避障小車的設(shè)計 第 10 頁 共 37 頁 圖 22 H 型橋式電路 傳感器 的選擇 本設(shè)計外圍傳感部分采集包括兩大部分：尋跡部分，避障部分。尋跡采用紅外對管 ST188，其采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體組成，采用非接觸式檢測方式，且檢測距離可調(diào)范圍較大。避障采用集成模塊 E18D50NK，聲音傳感器則采用由電 壓比較器 LM393 及駐極體話筒構(gòu)成的聲音傳感器模塊。 基于 51 單片機的循跡避障小車的設(shè)計 第 11 頁 共 37 頁 3 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計 主控器 AT89C51 AT89C51 單片機擁有 4K bite ROM(Read Only Memory） ，且具有 低電壓、高性能 8 位 微處理器 的工作特性 [7]。 單片機中的 EEPROM 存儲器可以循環(huán)擦寫 100 次。該裝置選用了 Atmel 的高密度非易失性存儲器制造技術(shù)制造，兼容現(xiàn)代 MCS51 工業(yè)標準的指令集和輸出管腳。TMEL 公司的 89C51 是一種高效的微控制器，因其將 8 位 CPU 和 FLASH 存儲器組合在一個芯片中，故其簡單、方便、易使用。 89C2051 單片機是它的一種精簡版。 89C單片機制造成本低，且靈活度高，故被廣泛應(yīng)用于嵌入式控制系統(tǒng)中。 1 圖 31 AT89C51 單片機 AT89C51 實物圖和引腳圖如圖 31，其主要特性如下表 31： 基于 51 單片機的循跡避障小車的設(shè)計 第 12 頁 共 37 頁 表 31 AT89C51特性 AT89C51 主要特性 1 兼容 MCS51 的 指令集和輸出管腳 2 擁有 4Kbite 可編程 可擦除只讀 存儲器 3 可循環(huán)擦除 /寫入 1000 次 4 10 年 的 數(shù)據(jù)保留時間 5 全靜態(tài)工作頻率 0Hz24MHz 6 三級程序存儲器鎖定 7 128 8 位內(nèi)部 RAM 8 32 可編程 I/O 線 9 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 10 5 個中斷源 11 可編程串行通道 12 閑置和掉電模式 低功耗 13 擁有 片內(nèi)振蕩器和 時鐘電路 由于 AT89C51 單片機要能正常工作必須要有時鐘和復(fù)位電路等構(gòu)成單片的最小運行環(huán)境，為此本系統(tǒng)的最小控制電路如圖 32 所示 ，實物圖如圖 33 所示 ： 圖 32 單片機最小系統(tǒng) 圖 33 實物圖 基于 51 單片機的循跡避障小車的設(shè)計 第 13 頁 共 37 頁 復(fù)位電路 在單片機系統(tǒng)中，復(fù)位電路是非常關(guān)鍵的，當(dāng)程序跑飛（運行不正常）或死機（停止運行）時，就需要進行復(fù)位。 MCS5l 系列單片機的復(fù)位引腳 RST（ 第 9 管腳） 出現(xiàn) 2 個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復(fù)位操作。如果 RST 一直保持高電平，那么單片機就無限循環(huán)復(fù)位 [8]。 復(fù)位模式基本包括 上電自動復(fù)位和開關(guān)復(fù)位。這兩種復(fù)位方式如圖 34 所示 ,在上電瞬間，電容兩端電壓不能突變，且電容負極和 reset 相連，此時電壓全部加在電阻上， rest 引腳電壓為高電平，芯片復(fù)位。隨后， 5V 電源開始給電容充電，電阻上的電壓逐漸降低至接近 0V，芯片正常工作。 圖 34 復(fù)位電路 在并聯(lián)電容器兩端的復(fù)位按鈕，在復(fù)位按鈕不壓在電路上電復(fù)位芯片，在正常工作時，按下按鈕， RST 引腳的高水平，手動復(fù)位的效果。復(fù)位按鈕并聯(lián)在電容的兩端，當(dāng)復(fù)位按鈕未被按下的時候電路實現(xiàn)上電復(fù)位，在單片機正常工作后，通過 復(fù)位按鈕使 RST 引腳出現(xiàn)高電平，達到復(fù)位的效果。通常，在 RST 引腳上輸入 10ms 以上的高電平，就可以使單片機復(fù)位 [9]。圖中所示的復(fù)位電阻和電容只是常用值，實際可以根據(jù)需要采用同一數(shù)量級的電阻和電容代替。 時鐘電路 時鐘電路是用來產(chǎn)生 AT89C51 單片機工作時所必須的時鐘信號， AT89C51 本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為保證工作方式的實現(xiàn)， AT89C51 在唯一的時鐘信基于 51 單片機的循跡避障小車的設(shè)計 第 14 頁 共 37 頁 號的控制下嚴格的按時序執(zhí)行指令進行工作，時鐘的頻率影響單片機的速度和穩(wěn)定性。通常時鐘由于兩種形式：內(nèi)部時鐘和外部時鐘 [10]。 圖 35 時鐘電路 我們系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式來為系統(tǒng)提供時鐘信號，如圖 35 所示。 AT89C51 內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，該放大器的輸入輸出引腳為 XTAL1和 XTAL2 它們跨接在晶體振蕩器和用于微調(diào)的電容，便構(gòu)成了一個自激勵振蕩器。 電路中的 C C2 的選擇在 30PF 左右，但電容太小會影響振蕩的頻率、穩(wěn)定性和快速性。晶振頻率為在 ~12MHZ 之間，頻率越高單片機的速度就越快，但對存儲器速度要求就高。為了提高穩(wěn)定性我們采用溫度穩(wěn)定性好的 NPO 電容，采用的晶振頻率為 12MHZ。 尋跡模塊 小車循跡，我們通常采用紅外檢測的方法，紅外檢測法是通過黑線和白色對紅外線的吸收效果不同，當(dāng)紅外光線射到白色底板時，會發(fā)生漫反射反射到智能車的接受管上，而射到黑線則會被吸收不會產(chǎn)生發(fā)射，智能車紅外接收管就接收不到。故，整個智能車通過紅外接收管是否接收到紅外線來判斷黑線和白線的 [11]，從而實現(xiàn)循跡。但需要主要的是，紅外傳感器的檢測距離有限，一般在 3cm 之內(nèi)。紅外光電傳感器由 1 個紅外發(fā)射管（發(fā)射器）和 1 個光電二極管（接收器）所構(gòu)成 ， 循跡示意圖 如圖 36 所示。 本次設(shè)計，紅外光電傳感器 我們采用是的 ST188，其是由發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管構(gòu)成，它使用的非接觸式檢測方式，且檢測距離范圍較大，基于 51 單片機的循跡避障小車的設(shè)計 第 15 頁 共 37 頁 一般為 4~13mm。 尋跡傳感器紅外光電對管 ST188 實物及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 37 所示： 圖 36 循跡示意圖 圖 37 ST188結(jié)構(gòu)與實物圖 避障模塊 本設(shè)計避障模塊選用的是集成模塊 E18D50NK，該傳感器是一種紅外光電管。這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電式傳感器，其檢測距離可以根據(jù)我們的需要進行