【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 素的時(shí)序。采用視頻分離芯周國(guó)旺： 基于 AVR 單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 6 片，從模擬信號(hào)中分離出場(chǎng)、行同步信號(hào)和奇偶場(chǎng)信號(hào)后，接單片機(jī)的外部中斷口，產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中對(duì) AD采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像存儲(chǔ)，從而形成一個(gè)二維的數(shù)字圖像 。 最后對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行處理，獲得時(shí)序正確的數(shù)字圖像信息，即實(shí)際的黑線路徑參數(shù)。 CCD攝像頭尋跡方案的優(yōu)點(diǎn)是可以 更遠(yuǎn)更早地感知路徑的變化，路徑分辨率高，前瞻性較強(qiáng)，缺點(diǎn)是對(duì)單片機(jī)片內(nèi)資源消耗大，實(shí)時(shí)性略差。 方案 3：用 RPR220型光電對(duì)管 RPR220 是一種一體化反射型光電探測(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度，硅平面光電三極管。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測(cè)出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測(cè)出黑線繼而輸出高電平。 其具有如下特點(diǎn)： 內(nèi)置可見光過濾器能減小離散光的影響。 體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。 當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出低電平。 電路簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定。 由于光敏電阻易 受光照影響 ， CCD 攝像頭對(duì)單片機(jī)片內(nèi)資源消耗大 等原因，本設(shè)計(jì)選擇方案 3。 方案 1： 使用超聲波探測(cè)器 超聲波探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是比較耐臟污，即使傳感器上有塵土，只要沒有堵死就可以測(cè)量，可以在較差的壞境中使用 。 缺點(diǎn)是精度較低，且成本較高。同時(shí)，超聲波探測(cè)具有幾厘米甚至幾十厘米的盲區(qū)，這 對(duì) 于小車是個(gè)致命的限制。 方案 2： 使用激光測(cè)距傳感器 激光測(cè)距傳感器工作原理為： 由激光二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā) 射激光脈沖 ， 經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射 ， 部分散射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，因此它能檢測(cè)極其微弱的光信號(hào)。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間，即可測(cè)定目標(biāo)距離。 激光測(cè)距傳感器 測(cè)量范圍廣，響應(yīng)速度快；測(cè)量精度高 ， 量程大 。但其體積大，價(jià)格昂貴，不適用于本次智能小車的開發(fā)設(shè)計(jì)。 方案 3： 使用 紅外避障傳感器 紅外避障傳感器 E18D80NK平均有效探測(cè)距離為 0—80cm可調(diào) ， 且抗外界背景光干擾能力強(qiáng)，可在日光下正常工作 ， 這滿足了信號(hào)發(fā)射與接收的要求 。 該傳感器具有探測(cè)山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人 及智能車 避障、流水線計(jì)件等眾多場(chǎng)合。 由以上分析，本設(shè)計(jì)最終確定方案 3。 方案 1： 繼電器控制 采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制 ,通過開關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(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 2：采用由 晶體管 組成的 H橋電路 用單片機(jī)控制晶體管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機(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橋電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也很高，是一種廣泛采用的調(diào)速技術(shù)。 方案 3： 采用 L298N驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片 L298N 可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。 由于 繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢 、 易損壞 不適用于本次智能小車的設(shè)計(jì)。而 L298N 驅(qū)動(dòng)芯片有各方面的優(yōu)勢(shì)， 本設(shè)計(jì)選擇 方案 3。 方案 1：采用步進(jìn) 電機(jī) 由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)。 方案 2：采用直流減速電機(jī) 直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生較大 轉(zhuǎn)矩 。 由以上分析，步進(jìn)電機(jī)不適用于本次設(shè)計(jì)的要求，故本設(shè)計(jì)采用方案 2。 小車選用常見的智能車模型，小車總長(zhǎng) 20cm，寬 150cm，車輪直徑 。小車為三輪結(jié)構(gòu)，前兩輪驅(qū)動(dòng)，后輪為萬向輪，采用前輪差動(dòng)轉(zhuǎn)向。 周國(guó)旺： 基于 AVR 單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 8 小車外形如圖 。 圖 小車外形 Fig. Car shape 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用 ATMEGA16單片機(jī)作為中央處理器。其主要任務(wù)是在小車行走過程中不斷讀取傳感器采集到的數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，來控制小車 運(yùn)動(dòng) 。 ATMEGA16是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含 16k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000次的 Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)及 80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8位中央處理器和 ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 ATMEGA16可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。其應(yīng)用范圍廣，性能良好，可用于解決復(fù)雜的控制問題。如圖 。 圖 最小系統(tǒng)電路 Fig. Minimum system A G N D31X113X212R E S E T9P D 2 ( I N T 0)16P D 3 ( I N T 1)17P D 4 ( O C 1B )18P D 5 ( O C 1A )19P B 0 ( T 0)1P B 1 ( T 1)2P B 2 ( A I N 0)3P B 3 ( A I N 1)4P B 4 ( S S )5P B 5 ( M O S I )6P B 6 ( M I S O )7P B 7 ( S C K )8( A D C 0) P A 040( A D C 1) P A 139( A D C 2) P A 238( A D C 3) P A 337( A D C 4) P A 436( A D C 5) P A 535( A D C 6) P A 634( A D C 7) P A 733( S C L ) P C 022( S D A ) P C 123( T C K ) P C 224( T M S ) P C 325( T D O ) P C 426( T D I ) P C 527( T O S C 1) P C 628( T O S C 2) P C 729P D 7 ( T O S C 2)21P D 6 ( I C P )20A V C C30A R E F32P D 1 ( T X D )15P D 0 ( R X D )14GND11VCC10M E G A 16 D I P 40C4I N 4 1 4 8R110KV C CR S TX1C3 22pC3 22pC1V C C周國(guó)旺： 基于 AVR 單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 10 尋跡模塊電路所用傳感器是 RPR220，如圖 。 RPR220是一種一體化反射型光電探測(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度，硅平面光電三極管 。 圖 RPR220 RPR220 紅外發(fā)光二極管發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外線照射物體，紅外光敏三極管在接收到反射回來的紅外線后導(dǎo)通，發(fā)出一個(gè)電平跳變信號(hào)。當(dāng)小車在非黑色地面行駛時(shí)，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號(hào)，經(jīng)反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號(hào)，那么光敏三 極管將導(dǎo)通 。 尋跡模塊電路如圖 。 圖 Fig. Tracing module circuit 當(dāng)小車行駛到黑色引導(dǎo)線上時(shí)，紅外線信號(hào)被黑色吸收后，光敏三極管截止，經(jīng)LM339電壓比較器 輸出低電平 ，從而實(shí)現(xiàn)了通過紅外線檢測(cè)信號(hào)的功能。將檢測(cè)到的信號(hào)送到單片機(jī) I/O口，當(dāng) I/O口檢測(cè)到的信號(hào)為 低 電平時(shí)，表明紅外光被地上的黑色引導(dǎo)線吸收了，表明小車處在黑色的引導(dǎo)線上；同理，當(dāng) I/O口檢測(cè)到的信號(hào)為 高 電平時(shí)，表明小車行駛在白色地面上。 321L M 3 3 9R P R 2 2 0R41 0 KR31kR25 . 1 KR15 . 1 KV C CPA 端口山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 為了保證小車沿黑線行駛，采用了 四個(gè)檢測(cè)器并行排列，檢測(cè)器排列位置如圖 所示 。 其編號(hào) 1至 4對(duì)應(yīng)的硬件電路分別接在單片機(jī)的 PA0、 PA PA PA3端口。在小車 運(yùn)動(dòng) 過程中，結(jié)合查詢方式，通過程序控制小車 運(yùn)動(dòng) 軌跡。如果 2號(hào)紅外對(duì)管和3號(hào)紅外對(duì)管檢測(cè)到黑線，則單片機(jī)控制小車向前直走；如果 2號(hào)紅外對(duì)管偏離黑線， 3號(hào)紅外對(duì)管檢測(cè)到黑線，則單片機(jī)控制小車輕微左移；如果 3號(hào)紅外對(duì)管偏離黑線， 2號(hào)紅外對(duì)管檢測(cè)到黑線，則單片機(jī)控制小車輕微右移；如果 2號(hào)和 3號(hào)紅外對(duì)管偏離黑線， 1號(hào)紅外對(duì)管檢測(cè)到黑線，則單片機(jī)控制小車向左移動(dòng)；如果 2號(hào)和 3號(hào)紅外對(duì)管偏 離黑線， 4號(hào)紅外對(duì)管檢測(cè)到黑線，則單片機(jī)控制小車向左移動(dòng)。 圖 檢測(cè)器位置 Fig. Detector arranged location 避障模塊采用型號(hào)為 E18D80NK的紅外避障傳感器，如圖 。 圖 E18D80NK E18D80NK E18D80NK是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，發(fā)射光經(jīng)過調(diào)制后發(fā)出，接收頭對(duì)反射光進(jìn)行解調(diào)輸出 ， 有效的避免了可見光的干擾。透鏡的使用，也使得這款1 .7 c m 1 .2 c m12 34周國(guó)旺： 基于 AVR 單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 12 傳感器最遠(yuǎn)可以檢測(cè) 80cm距 離。 檢測(cè)障礙 物的距離可以根據(jù)要求通過尾部的電位器旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。該傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、流水線計(jì)件等眾多場(chǎng)合。 加 調(diào) 制 發(fā) 射 管調(diào) 制 器 整 流 穩(wěn) 壓接 電 源整 流 穩(wěn) 壓解 調(diào) 器 時(shí) 鐘 邏 輯 負(fù) 載放 大 器接 電 源加 調(diào) 制 發(fā) 射 管發(fā) 射 器接 收 器 圖 E18D80NK原理圖 Fig. E18D80NK Principle circuit E18D80NK電氣特性如表 。 表 E18D80NK電氣特性 Tab . Electrical Characteristics 紅色 綠 色 黃色 工作電壓 工作電流 驅(qū) 動(dòng)電流 感應(yīng)距離 VCC GND OUT 5VDC 1015mA 100mA 380CM 使用時(shí) 注意事項(xiàng)：在接線的時(shí)候，請(qǐng)避免出現(xiàn)電源和地接錯(cuò)的現(xiàn)象，該操作有可能造成傳感器永久性損壞 ； 信號(hào)輸出端請(qǐng)加上拉電阻；為保護(hù)動(dòng)作的可靠和壽命長(zhǎng)，請(qǐng)避免有關(guān)規(guī)定以外的溫度外界 （ 戶外 ） 條件下，接近傳感器雖為耐水結(jié)構(gòu)，若裝上罩使用，勿使水和水容性切削油等淋到，則可更好地提高可靠性及壽命。還請(qǐng)避免在有化學(xué)藥劑，特別是在強(qiáng)堿、酸、硝酸、銘酸、熱濃硫酸等氣候中使用 [4]。 E18D80NK紅外避障傳感器檢測(cè)到目標(biāo)時(shí)輸出低電平，正常狀態(tài)下是高電平輸出。黃色線為 輸出端口，接單片機(jī)的 PB口，將傳感器信號(hào)輸入單片機(jī)進(jìn)行處理，并做出相應(yīng)的輸出， 避障模塊電路如圖 。 避障模塊采用三只紅外避障傳感器，安裝于小車兩側(cè)及下中央，可以檢測(cè)兩側(cè)和正前方是否有障礙，檢測(cè)后將信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)小車電機(jī)，使小車躲避障礙。其左中右三個(gè)傳山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 感器的硬件電路分別接到單片機(jī)的 PB0、 PB PB2 端口。當(dāng)三個(gè)傳感器檢測(cè)到無障礙時(shí)，小車正常前進(jìn)行駛；當(dāng)前側(cè)傳感器檢測(cè)到 有障礙時(shí)，小車右轉(zhuǎn)；當(dāng)左側(cè)或左及前側(cè)傳感器檢測(cè)到障礙時(shí)，小車右轉(zhuǎn)；當(dāng)右側(cè)或右側(cè)及前側(cè)傳感器檢測(cè)到障礙時(shí)，小車左轉(zhuǎn)；當(dāng)三個(gè)傳感器都檢測(cè)到有障礙或左右側(cè)傳感器檢測(cè)到有障礙時(shí)，小車停止。 圖 Fig. Obstacle avoidance module circuit L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N是 ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用 15腳其實(shí)物圖及直流電機(jī)實(shí)物如圖 。 圖 L298N及電機(jī)實(shí)物圖 Fig. L298N and Motor physical shape L298N主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá) 46V；輸出電