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1、I 西安工业大学西安工业大学 本科毕业设计本科毕业设计(论文论文) 题目：自动避障寻迹小车硬件设计题目：自动避障寻迹小车硬件设计 摘摘 要要 本系统以 AT89S52 单片机为控制核心，利用红外对管检测行驶轨道的黑线引 导线实现寻迹功能，用超声波模块实现避障检测。采用直流电机驱动小车的后轮， 用一个转向电机控制小车的前轮。利用舵机控制小车的行驶方向，采用 PWM 技术 调节占空比以此来控制电机的转速，使小车实现自动寻迹避障的功能。行驶时间、 速度、里程的显示用一块 1602LCD。 关键词关键词：AT89S52 单片机；红外对管；超声波；PWM 技术；寻迹；避障； 1602LCD II Aut
2、omatic Obstacle Avoidance Car Tracing Hardware Design Abstract The system is controlled by AT89S52 single-chip microcomputer. It uses infrared tube to detect the black guide line on the running track so as to realize the tracing function, and it uses ultrasonic module to detect obstacle avoidance. T
3、he rear wheels of the car are drived by DC motor and the front wheels of the car are controlled by a steering motor. The driving direction of the car is controlled by Servo. It adopted PWM technology to adjust the duty cycle so as to control the speed of the motor and realize the function of automat
4、ic tracing and obstacle avoidance. The travel time, speed and mileage are displayed on the 1602LCD. Key Words: AT89S52 MCU；Infrared Tube；Ultrasonic Wave；PWM Technology； Tracing;Obstacle Avoidance;1602LCD III 目录目录 1 绪论绪论1 1.1 前言 .1 1.2 课题研究的背景及意义 .1 1.2.1 题目背景.1 1.2.2 研究意义.1 1.3 课题研究的主要内容及技术指标 2 1.3.
5、1 主要内容2 1.3.2 硬件设计主要要求2 2 系统方案论证与设计系统方案论证与设计.3 2.1 系统方案论证与设计 3 2.1.1 控制器模块论证与选择3 2.1.2 电机驱动模块论证与选择4 2.1.3 电源模块论证与选择5 2.1.4 寻迹模块选择与论证5 2.1.5 避障模块论证与选择5 2.1.6 速度检测模块论证与选择6 2.1.7 显示模块论证与选择6 2.1.8 本系统最终方案7 3 系统硬件电路设计系统硬件电路设计8 3.1 总体设计方案 .8 3.2 单片机电路设计 .9 3.2.1 AT89S52 芯片介绍.10 3.2.2 单片机晶振及复位电路设计12 3.2.3
6、电源稳压电路设计13 3.3 电机驱动模块设计 13 3.3.1 L298N 芯片介绍 .13 3.3.2 电机驱动电路的设计.15 3.4 寻迹模块设计 16 3.4.1 反射型光电探测器 RPR359F 工作原理16 3.4.2 四路运算放大器 LM324 和双运算放大器 LM358.17 3.4.3 寻迹光电对管电路的设计18 3.4.4 寻迹光电对管的安装.19 IV 3.5 超声波检测处理模块设计 20 3.5.1 超声波测距原理20 3.5.2 超声波测距模块 HC-SFR0520 3.6 转速检测接口设计 22 3.6.1 霍尔传感器工作原理22 3.6.2 A44E 霍尔测速模
7、块 .23 3.7 光电隔离模块设计 25 3.7.1 光耦芯片 TLP521-4 25 3.7.2 光电隔离模块的电路设计27 3.8 液晶显示接口设计 27 3.8.1 1602A 液晶显示模块27 4 硬件及功能调试硬件及功能调试31 4.1 硬件电路测试 31 4.2 功能模块测试及功能实现 31 4.2.1 电机驱动功能的实现31 4.2.2 寻迹功能的实现31 4.2.3 避障功能的实现32 4.2.4 车速检测的实现32 5 总结总结33 参考文献参考文献.34 致谢致谢35 毕业设计（论文）知识产权声明毕业设计（论文）知识产权声明36 毕业设计（论文）独创性声明毕业设计（论文）
8、独创性声明.37 1 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 前言前言 随着电子技术、计算机技术、智能控制技术的飞速发展，产品的智能化和小型 化越来越成为人们关注的热点。各种智能小车在智能化玩具中占了很大的比例。近 年来，传统玩具的市场逐步缩水，高科技智能化的电子类玩具则逐步成为市场的主 流。因此，可遥控的智能化小车的研究是非常有意义的，具有很大潜在市场价值的。 机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现。 机器人由于具有高度的灵活性、可以帮助人们提高生产率、改进产品质量和改善劳 动条件等优点，在世界各地的生产生活领域得到了广泛的应用1。智能小车正是模 仿机器人的一种尝试。它
9、是一种以汽车电子为背景，涵盖控制，模式识别，电子、 电气、单片机、机械等多学科的科技创新性设计，一般主要由路径识别、速度采集、 角度控制以及车速控制等模块组成。这种智能小车能够自动搜寻前进路线，还能爬 坡；感知前方的障碍物，并自动寻找前进方向，避开障碍物；加入相关声光讯号后， 更能体现出智能化和人性化的一面。 机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导 引线相当给机器人一个视觉功能。避障控制系统是基于自动导引小车（AVG auto-guide vehicle）系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开 障碍，选择正确的行进路线。使用传感器感知路线和障碍并作
10、出判断和相应的执行 动作。 1.2 课题研究的背景及意义课题研究的背景及意义 1.2.1 题目背景题目背景 在生产实际中，某些场合要求工作小车有自动寻迹、自动规避障碍的功能。路 线检测的准确与否直接影响小车寻迹时的行驶状态及速度，而自动规避障碍在实际 生产生活中有广泛应用，因此寻求一种低成本、抗干扰性强并且位置指示准确的障 碍检测方法具有重要意义。 1.2.2 研究意义研究意义 自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交 通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 2 们的生活方式。人们在不断
11、探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的 机器一直是人类的梦想，智能小车可以作为机器人的典型代表。 电子技术的飞速发展，对自动化要求越来越高，智能汽车检测并完成特殊的任 务将成为以后的一个新的发展方向。在危险或不利于人工作业的环境下，利用智能 小车替代人工作业完成特殊任务，避免人员伤亡，更可减少经济损失。 1.3 课题研究的主要内容及技术指标课题研究的主要内容及技术指标 1.3.1 主要内容主要内容 本题目以玩具小车为控制对象，要求小车在地面标识引导下能够自动寻迹，寻 迹路线设有随机布置的障碍，要求小车能够根据检测自动躲避障碍，并恢复对路线 的寻迹。同时小车能够自动显示、记录时间、里程
12、以及行驶速度。 1.3.2 硬件设计主要硬件设计主要要求要求 本题目要求对一玩具小车进行控制，使小车能够在引导线指引下自动循迹；遇 到引导线前设置的障碍时，要求小车能够自动躲避障碍，并重新找到引导线恢复循 迹。具体包括： a. 系统电源设计。 b. 直流电机驱动电路设计。 c. 寻迹模块接口设计。 d. 转速检测接口设计。 e. 超声波换能器接口设计。 f. 1602 液晶接口设计。 2 系统方案论证与设计 3 2 系统方案论证系统方案论证与设计与设计 2.1 系统方案论证系统方案论证与设计与设计 根据题目要求，设计方案如图 2.1。在玩具电动车上，加装反射式红外光电传 感器、超声波传感器、速
13、度检测传感器等部件,实现对电动车运行状况的实时测量， 并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对 电动车的智能控制。 AT89S52 路径识别单元 避障检测模块 舵机控制单元 驱动电机控制 车速检测单元 速度里程显示 电 池 组 9 V 电池 组 9V 电源管理单元 信号调理电路 图 2.1 系统框图 为较好的实现各模块的功能，分别设计了几种方案并分别进行了论证。 2.1.1 控制器模块论证与选择控制器模块论证与选择 此部分是整个小车运行的核心部分，起着控制小车所有运行状态的作用。控制 的方法有很多，大部分都采用单片机控制。 方案一：智能车系统采用飞思卡尔 16
14、位单片机 MC9S12DG128 为核心控制单 元，由采用光电检测技术的道路识别模块和速度检测模块负责采集信号，并将采集 到的电平信号送入核心控制单元 MCU，核心控制单元对信号进行处理后，通过单 片机端口发出 PWM 信号波，通过输出不同占空比分别对转向舵机、直流电机进行 驱动控制，完成控制智能车的方向与速度2。但考虑到对这个方案采用的微处理器 并不熟悉，使用起来并不是很方便，这对于硬件电路的设计和软件编程增加了难度。 我们决定不再使用此方案，考虑其他方案。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 4 方案二：采用 AT89S52 单片机作为主控制器。AT89S52 是一个超低功耗，和
15、 标准 51 系列单片机相比较具有运算速度快，抗干扰能力强，支持 ISP 在线编程， 片内含 8k 空间的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读存储器，具有 256 bytes 的随机存 取数据存储器（RAM） ，32 个 I/O 口，2 个 16 位可编程定时计数器3。其指令系统 和传统的 8051 系列单片机指令系统兼容，降低了系统软件设计的难度，电路设计 简单、价格低廉，在后来的实验中 89S52 精确度和运算速度也都完全符合我们系统 的要求。 综合以上方案我们选择比较普通是的更为熟悉的方案二使用 AT89S52 单片机 为我们整个系统的控制核心。 2.1.2 电机驱动模块论证与选
16、择电机驱动模块论证与选择 方案一：使用直流电机，加上适当减速比的减速器。直流电机具有良好的调速 性能，控制起来也比较简单。直流电机只要通上直流电源就可连续不断的转动，调 节电压的大小就可以改变电机的速度。直流电机的驱动电路实际上就是一个功率放 大器。常用的驱动方式是 PWM 方式，即脉冲宽度调制方式4。此方法性能较好， 电路和控制都比较简单。 方案二：使用步进电机。步进电机具有良好的控制性能。当给步进电机输入一 个电脉冲信号时，步进电机的输出轴就转动一个角度，因此可以实现精确的位置控 制。与直流电机不同，要使步进电机连续的转动，需要连续不断的输入点脉冲信号， 转速的大小由外加的脉冲频率决定。去而且其转动不受电压波动和负载变化的影响， 也不受温度、气压等环境因素的影响，仅与控制脉冲有关5。但步进电机的驱动相 对较复杂，要由控制器和功率放大器组成。具体差别见表 2.1。 表 2.1 电机控制方式对比 直流电机步进电机 调速性能较好较差 位置控制精度较差好 驱动简单复杂 稳定性较好好，仅与控制脉冲有关 由上表可以看出步进电机和直流电机都有各自的优点。步进电机
