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標(biāo)題: 基于單片機(jī)控制的自主尋跡電動(dòng)小車的設(shè)計(jì)資料 [打印本頁(yè)]
作者: 490198789    時(shí)間: 2018-1-3 14:18
標(biāo)題: 基于單片機(jī)控制的自主尋跡電動(dòng)小車的設(shè)計(jì)資料


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摘 要:針對(duì)小車在行駛過程中的尋跡要求，設(shè)計(jì)了以AT89C51單片機(jī)為核心的控制電路，采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用色標(biāo)傳感器、金屬探測(cè)傳感器、超聲波傳感器、霍爾傳感器組成不同的檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)小車在行駛中軌跡、探測(cè)預(yù)埋金屬鐵片、躲避障礙物、測(cè)量車速等問題檢測(cè)，并對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了理論分析和實(shí)際測(cè)試。結(jié)果表明，該智能小車具有很好的識(shí)別與檢測(cè)的能力，具有定位精度、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。

  
0 引 言
      自主尋跡電動(dòng)小車是一個(gè)運(yùn)用傳感器、單片機(jī)、信號(hào)處理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及自動(dòng)控制等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知和自動(dòng)行駛為一體的高新技術(shù)綜合體，它在軍事、民用和科學(xué)研究等方面已獲得了應(yīng)用。本文研究的電動(dòng)小車是在給定的區(qū)域內(nèi)沿著軌跡完成對(duì)各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的訪問，主要指標(biāo)有行駛距離、時(shí)間、探測(cè)物計(jì)數(shù)、障礙物躲避等。本文采用AT89C51單片機(jī)作控制，針對(duì)小車在行駛過程中的不同要求，采用模塊化設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了各部分電路的設(shè)計(jì)。
  
1 智能小車控制的基本要求    小車必須沿規(guī)定路線行駛，控制部分設(shè)計(jì)不能采用無線遙控，具體控制要求如下:
      (1)電動(dòng)車從起跑線出發(fā)，沿規(guī)定引導(dǎo)直線行駛到達(dá)B點(diǎn)。在“直道區(qū)”下沿引導(dǎo)線埋有1一3塊寬度為15cm、長(zhǎng)度不等的薄鐵片。電動(dòng)車在行駛中檢測(cè)到薄
  鐵片時(shí)需立即發(fā)出聲光指示信息，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、顯示在“直道區(qū)”檢測(cè)到的薄鐵片數(shù)目。電動(dòng)車在“直道區(qū)”行駛過程中，存儲(chǔ)并顯示每個(gè)薄鐵片(中心線)至起跑
  線間的距離;
  
    (2)電動(dòng)車到達(dá)B點(diǎn)以后進(jìn)人“彎道區(qū)”，沿圓 弧引導(dǎo)線到達(dá)C點(diǎn)。C點(diǎn)下埋有邊長(zhǎng)為 15cm的正方形薄鐵片，要求電動(dòng)車到達(dá)C點(diǎn)檢測(cè)到薄鐵片后在C點(diǎn)處停車5秒，停車期間發(fā)出斷續(xù)的聲光信息;
      (3)電動(dòng)車在光源的引導(dǎo)下，通過障礙區(qū)進(jìn)人停車區(qū)并到達(dá)車庫(kù)。電動(dòng)車必須在兩個(gè)障礙物之間通過且不得與其接觸;
      (4)電動(dòng)車完成上述任務(wù)后應(yīng)立即停車。停車后，能準(zhǔn)確顯示電動(dòng)車全程行駛時(shí)間。
  
2 方案的選擇與實(shí)現(xiàn)
  2.1 系統(tǒng)方案的確定
      根據(jù)題目要求，將控制對(duì)象及檢測(cè)目標(biāo)劃分為不同模塊，即障礙物檢測(cè)、路面鐵片檢測(cè)、路面軌跡檢測(cè)、光源檢測(cè)、速度路程檢測(cè)等模塊。針對(duì)不同模塊的控制要求分別采用不同的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)組成及原理框圖如圖1所示。其中色標(biāo)傳感器用來檢測(cè)小車的運(yùn)行軌跡，金屬探測(cè)傳感器用來檢測(cè)路跡下薄鐵片的數(shù)目，超聲波傳感器用來檢測(cè)小車前進(jìn)方向的障礙物，霍爾傳感器用于檢測(cè)小車行駛的速度及距離。
  
  
2.2 各部分硬件電路設(shè)計(jì)
  
    (1)電動(dòng)機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)電路
      小車控制的主電路采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。在這種電路中，管子始終工作在飽和與截止模式下，轉(zhuǎn)換速度快，效率高。H型電路可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。其電路圖如圖2。
  
  
    (2)路面黑線檢測(cè)電路
      采用兩個(gè)色標(biāo)傳感器組成檢測(cè)電路。探測(cè)路面黑線的大致原理是:光線照射到路面并反射，由于黑線
  和白紙的反射系數(shù)不同，根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱判斷是否沿黑線前進(jìn)。在車底中部安裝了兩個(gè)GDK一Znw型色標(biāo)傳感器，將兩個(gè)色標(biāo)傳感器探頭置于運(yùn)行軌跡中間，其間距調(diào)整為大于黑線的寬度。色標(biāo)傳感器接受到不同的顏色后會(huì)有不同的電平輸出。本電路中當(dāng)色標(biāo)傳感器檢測(cè)到黑色，③腳輸出為高電平;檢測(cè)到白色，③腳輸出為低電平。實(shí)際行駛時(shí)，只有當(dāng)兩個(gè)色標(biāo)傳感器同時(shí)檢測(cè)為高電平，小車才直線運(yùn)行，否則運(yùn)用差步原理，調(diào)整方向。檢測(cè)電路如圖3。
  
  
    色標(biāo)傳感器工作電流大，抗干擾能力強(qiáng)，檢測(cè)精度高，在  黑色引導(dǎo)線兩側(cè)檢測(cè)，可使小車沿運(yùn)行軌跡精確行    駛。
          (3)路面下金屬片檢測(cè)電路      
  
    在車底中部安裝了一個(gè)金屬探測(cè)傳感器，將其檢測(cè)面對(duì)準(zhǔn)運(yùn)行路面，當(dāng)小車通過金屬鐵塊時(shí)，傳感器給出電平信號(hào)，送單片機(jī)Pl端口，通過對(duì)脈沖計(jì)數(shù)可知金屬片數(shù)目。
  
        (4)障礙物檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)
        采用超聲波傳感器探測(cè)障礙物。超聲波傳感器安裝于小車前端，在規(guī)定的檢測(cè)距離內(nèi)，當(dāng)探測(cè)到障礙
    物時(shí)，超聲波傳感器給出脈沖信號(hào)至單片機(jī)，單片機(jī)檢測(cè)到該信號(hào)后，調(diào)整小車方向，以控制小車準(zhǔn)確的
    繞過障礙物。
        (5)光源檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)
        利用光敏電阻值隨光強(qiáng)弱變化的特性組成光控開關(guān)電路，如圖4。當(dāng)無光照射時(shí)，光敏電阻阻值很大，
  三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，集電極輸出高電平;當(dāng)有光照射時(shí)，光敏電阻阻值變小，三極管飽和導(dǎo)通。將檢測(cè)到
  的高低電平信號(hào)送單片機(jī)，依此調(diào)整車頭方向，使其 沿光源方向行駛。檢測(cè)電路安裝在小車車頭位置。
  
  
    (6)顯示電路的設(shè)計(jì)
        為了減少外部鎖存器和譯碼模塊，使功耗最小，數(shù)碼管全部使用軟件進(jìn)行靜態(tài)顯示。在直道區(qū)內(nèi)，
  數(shù)碼管顯示鐵片數(shù)量和起跑線到鐵片中心的距離;在行駛到終點(diǎn)后，顯示全程所用時(shí)間。用CD45fl驅(qū)動(dòng)四
  位數(shù)碼管，一位顯示鐵片的數(shù)目，三位分別顯示行駛的距離與時(shí)間。
      (7)車速及距離檢測(cè)
      采用霍爾傳感器檢測(cè)小車速度及距離。在車后輪上安裝兩片磁鋼，將霍爾傳感器安裝在固定軸上，通
  過對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行車速及距離的測(cè)量。霍爾傳感器的使用原理如圖5，汽車后輪每轉(zhuǎn)一圈，霍爾元件產(chǎn)生
  兩個(gè)脈沖，將其送人單片機(jī)的TO口進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)完成脈沖數(shù)和距離的計(jì)算。
      (8)小車進(jìn)車庫(kù)停車電路設(shè)計(jì)
      當(dāng)小車車體完全進(jìn)人車庫(kù)后，應(yīng)立即停車。為了準(zhǔn)確得到停車信號(hào)，利用光敏電阻兩端電壓隨光的強(qiáng)弱變化的規(guī)律來設(shè)計(jì)電路。用200W白熾燈對(duì)準(zhǔn)光敏電阻，當(dāng)光敏電阻距離光源不同位置時(shí)，其兩端的電
  壓按表1規(guī)律變化。
  
  
    用ADC0809的INO端采集其變化電壓，在3.SV時(shí)給出停車指令，完成停車任務(wù)。
  
  
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
      控制電路主要由一片89c51單片機(jī)組成。89c51主要實(shí)現(xiàn)對(duì)路面黑線的檢測(cè)，以糾正小車的行走方向;負(fù)責(zé)車速檢測(cè)、鐵片檢測(cè)、障礙物檢測(cè)、光源檢測(cè)、光強(qiáng)度檢測(cè)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)顯示等功能。主程序流程如圖6。
  
  
    (1)直道檢測(cè)。在小車的中部平行裝有兩個(gè)色標(biāo)傳感器，采用查詢檢測(cè)的方法對(duì)黑線進(jìn)行檢測(cè)。89C51
  在檢測(cè)到黑線信號(hào)后，通過89C51的PI.5和Pl.6口得知是哪一個(gè)傳感器檢測(cè)到黑線，以此作為調(diào)整小車方向的基準(zhǔn)。在程序方面，我們采用了差補(bǔ)控制算法。在校正服務(wù)程序中通過檢測(cè)PI.5和Pl.6口的狀態(tài)，運(yùn)用差補(bǔ)算法，精確調(diào)節(jié)左右前輪的方向，達(dá)到使小車穩(wěn)定沿黑線行走的目的。為了保證程序的準(zhǔn)確性，服務(wù)程序中設(shè)置了2重黑線檢測(cè)，有效的防止了小車沖出跑道。在直道上的鐵片，我們使用金屬探測(cè)傳感器來檢測(cè)。通過計(jì)算小車開始檢測(cè)到鐵片與離開鐵片時(shí)的圈數(shù)之差，乘以車輪的周長(zhǎng)，我們可以得到鐵片的長(zhǎng)度以及鐵片一半的長(zhǎng)度，由此可以得到起跑線到鐵片中央的距離。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，安裝在輪胎上的磁鋼使霍爾元件產(chǎn)生電平變化。因此只需記錄電平變化的次數(shù)，便能得到實(shí)際轉(zhuǎn)速。為了提高準(zhǔn)確度，減少誤差，我們安裝了兩塊磁鋼。
  
    (2)轉(zhuǎn)彎?rùn)z測(cè)。為了防止小車沖出跑道以及按照黑線轉(zhuǎn)彎，需要在進(jìn)人彎道之前降低速度。因此我們采用了高效的H型PWM電路調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。在進(jìn)人轉(zhuǎn)彎之前，我們通過提前減速程序使小車降低速度。通過跟隨黑線行駛和檢測(cè)最后一片鐵片的位置，我們可以得到準(zhǔn)確的停車位置和車頭方向。在鐵片上停留55的期間，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警系統(tǒng)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào);同時(shí)，由累計(jì)脈沖的總數(shù)便可得到全程行駛的時(shí)間。
      (3)障礙檢測(cè)。首先我們通過尋找Zoow燈泡的光源，來校正小車的方向。然后通過超聲波對(duì)障礙物進(jìn)行距離檢測(cè)，以此為基準(zhǔn)，繞過障礙物。再通過檢測(cè)光源找到小車與車庫(kù)之間的距離，并由此引導(dǎo)小車準(zhǔn)確進(jìn)入車庫(kù)。
  4 結(jié)束語
      從測(cè)試結(jié)果來看，PWM技術(shù)能夠極大地提高電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)效率;雙色標(biāo)傳感器解決了小車嚴(yán)格按照軌跡(黑線)運(yùn)行的問題;超聲波傳感器能夠精確測(cè)量小車與障礙物之間的距離，為躲避障礙物提供了較好的測(cè)量方法;霍爾傳感器可精確測(cè)量運(yùn)行中的轉(zhuǎn)速。從運(yùn)行情況看，采用本方案設(shè)計(jì)制作的智能小車，系統(tǒng)可靠性較高，運(yùn)行穩(wěn)定，定位準(zhǔn)確，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
  
參考文獻(xiàn)
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