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1、 基于51单片机智能避障小车的设计报告参赛院系：参赛学生：参赛类别： 联系方式： 二零一二年五月 前言摘要：智能小车可在预先设定的场景模式中自动运作，其设计主要集机械、电子、检测技术与智能控制于一体，可应用于工业控制等领域，是机器人研究领域的一项重要内容。本设计以玩具小车为车体，硬件是以STC89C52单片机为主控芯片，配合直流电动机、光电传感器等器件构成，并通过相应的软件代码实现控制小车的前进、转弯、避障、自动转向等动作。实验表明，本设计结构简单，在一定程度上体现了小车的智能化运作，具有较好的鲁棒性。关键词：智能小车；场景模式；光电传感器一、智能小车的设计要求智能车辆是集环境感知、规划决策、
2、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，是智能交通系统的一个重要组成部分，其设计主要集机械、电子、检测技术与智能控制于一体，是机器人研究领域的一项重要内容，在军事、民用、太空开发等领域有着广泛的应用前景，且其智能技术广泛运用于各种领域。二、系统方案论证与选择根据题设要求，系统可以划分为电源部分、信号检测部分、控制部分、驱动部分。其中信号检测部分包括：感光探测模块（LM339高速比较器、红外对管）；控制部分包括：STR89C52单片机；驱动部分包括：电机驱动模块（LN293D、直流减速电机）。 系统模块图三、系统基本方案为实现各模块的功能，分别作了几种不同的设计方案并进行了论证。1.电源模块论证与
3、选择双电源供电。由于电机驱动和其他芯片工作电压不一样，需用不同的电源供电。2.控制器模块论证与选择方案一：选用PIC、或AVR、或凌阳SPCE061A等作为控制核心；这些单片机资源丰富，可以实现复杂的逻辑功能，功能强大，完全可以实现对小车的控制。但对于本题目而言，其优势资源无法得以体现，且成本稍高。方案二：采用两片STC公司的STC89C52作为系统控制器的双CPU方案。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。综上所述，采用方案二。3.循迹探测模块方案一：用光敏电阻组成光敏探测器
4、。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白纸上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在木板轨迹上方和黑色轨迹上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。单片机据此来判断小车是否偏离轨道或是否到达转弯标志，并根据反馈来不同的电平信号，发出相应的控制操作命令来控制小车。但是这种方案的缺点是受环境中光线的影响很大，且由于电压变化不是很大，不能够稳定的工作。方案二：采用光电传感器，即利用红外线遇到障碍物会反射回来红外接收管可以接受到，在小车行驶过程中红外发射管不断发出红外线，当发出的红外线射入黑线时，没有反射，红外输出低
5、电平，若红外接收管没有在黑线上方则可以接收到经轨道地板反射回的光线则输出高电平。此光电传感器调理电路简单，工作性能稳定。是在黑暗或者是强光照射下，小车系统均可以很稳定的工作，对环境的适应能力较强。综上所述，采用方案二。4.电机模块方案一：采用直流减速电机。直流减速电机驱动转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便，小车电机内部装有齿轮组。所以并不需要考虑调速功能，很方便的就可以实现通过单片机对直流减速电机前进、后退、停止等操作。方案二：采用步进电机作为该系统的驱动电机，由于其转动的角度可以精确定位，可以实现小车前进距离和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，但步进电机的输出力矩较低，
6、随转速的升高而下降，且在较高的转速时会急剧下降，其转速较低时不适于小车等对速度有一定要求的系统。经综合比较分析我们决定放弃此方案。综上所述，选择方案一。5.电机驱动模块方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率。而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单。缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。继电器式电机驱动电路方案三：采用L293
7、D驱动。L293D采用16引脚DIP封装，其内部集成了双极型H-桥电路，所有的开量都做成n型。这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续；电机可四角限运行；电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区：低速平稳性好等。L293D通过内部逻辑生成使能信号。H-桥电路的输入量可以用来设置马达转动方向，使能信号可以用于脉宽调整（PWM）。另外，L293D将2个H-桥电路集成到1片芯片上，这就意味着用1片芯片可以同时控制2个电机。每1个电机需要3个控制信号EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信号，IN1、IN2为电机转动方向控制信号，IN1、IN2分别为1，0时，电
8、机正转，反之，电机反转。因此决定采用L293D控制直流电机，即采用方案三。L293D电机驱动电路四、系统各模块的最终方案经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：（1）电源模块：采用双电源供电（2）控制模块：采用STC89C52单片机（3）循迹探测模块：采用红外光电传感器（4）电机模块：采用直流电机驱动（5）电机驱动模块：采用专用芯片L293D作为电机驱动芯片（6）车底采用废旧的通用板的底座五、系统的硬件设计与实现（1）系统硬件的基本组成部分本设计是一个光、机、电一体的综合设计,在设计中运用了检测技术、自动控制技术和电子技术。系统可分为传感器检测部分和智能控制部分。传感部分包括红外循
9、迹模块，智能控制部分包括系统中控制器件根据由传感器变换输出的电信号进行逻辑判断，控制小车的电机，完成了小车的直线行驶，探测转弯标志，等各项任务。控制部分包括四个主要单元电路：单片机控制电路、电机驱动电路。系统硬件框图如图所示。（2）主要单元电路的设计电源电路：将六节干电池的电源稳压成两路电源，一路供给单片机用，一路供给驱动电路用。一部分4.5伏给单片机供电，一部分6伏给直流电机供电。控制电路：小车加电系统开始工作，计时模块运行。小车行驶时，利用光电传感器判断是否到转弯标志，控制小车转弯。同时数码管显示当前计时。再判断是否到超车标志，控制两辆小车的交替超车。基于89C52芯片完全能实现题目要求且
10、稳定性强，性价比高，所以用它作为主控制芯片。单片机控制电路如图所示。单片机控制电路循迹探测电路利用光电传感器控制小车并在转弯处控制小车转弯。循迹探测电路原理图如图所示。循迹探测电路原理图电机驱动电路L293D采用16引脚DIP封装，其内部集成了双极型H-桥电路，所有的开量都做成n型。这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续；电机可四角限运行；电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区：低速平稳性好等。L293D通过内部逻辑生成使能信号。H-桥电路的输入量可以用来设置马达转动方向，使能信号可以用于脉宽调整（PWM）。另外，L293D将2个H-桥电路集成到1片芯片上
11、，这就意味着用1片芯片可以同时控制2个电机。每1个电机需要3个控制信号EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信号，IN1、IN2为电机转动方向控制信号，IN1、IN2分别为1，0时，电机正转，反之，电机反转。电机驱动电路原理图六、系统软件设计 （一）软件结构图： 上电运行后，放到没有障碍物的空地上，小车直走。当前方没有障碍物的时候就一直直走。如果前方遇到障碍物，则小车做后退运动。直至前方没有障碍物，这时小车恢复直走。如果前部下方悬空（虚拟悬崖），小车停止运行。如果前方有障碍物的时候，左边同时也有障碍物，则小车右转。直至左边没有障碍或者前方没有障碍物。这时小车恢复直走。如果前面没有障碍物，
12、则先执行直走。如果前方，左方，右方均有障碍物，则小车后退，直至前方，左方，右方任意方向没有障碍，则此时小车开始以前方。（二）C程序语言：#include sbit in1=P10;sbit in2=P11;sbit in3=P12;sbit in4=P13;sbit m1=P20;sbit m2=P21;sbit m3=P22;sbit m4=P23;void ahead (void);void left (void);void right (void);void stop (void);void back (void);int i;main()while(1)if(in2=0)stop( )
13、;elseif(in1=0&in4=0&in3=0)ahead( );elseif(in1=0&in4=0&in3=1)right( );elseif(in1=0&in4=1&in3=0)for(i=0;i20000;i+)back( );elseif(in1=0&in4=1&in3=1)right( );elseif(in1=1&in4=0&in3=0)left( );elseif(in1=1&in4=0&in3=1)back( );elseif(in1=1&in4=1&in3=0)left( );elseif(in1=1&in4=1&in3=1)back( );void ahead( )m1=1;m2=0;m3=1;m4=0;void left( )m1=0;m2=0;m3=1;m4=0;void right( )m1=1;m2=0;m3=0;m4=0;void stop( )m1=0;m2=0;m3=0;m4=0;void back( )m1=0;m2=1;m3=0;m4=1;七、系统测试（1）测试仪器序号名称、型号、规格数量备注1UNI-T数字万用表1胜利公司2直流电压源DF1731SC2A1宁波中策电子有限公司3挡板14
