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作品以两电动机为主驱动通过各类传感器件来采集各类信息送入主控单元AT89S52单片机处理数据后完成相应动作以达到自身控制。电机驱动电路采用高电压高电流四通道驱动集成芯片L293D。其中避障采用红外线收发来完成铁片检测部分采用电感式接近开关LJ18A3-8-Z/BX检测黑带检测采用红外线接收二极管完成趋光部分通过3路光敏二极管对光源信号的采集再经过ADC0809转化为数字信号送单片机处理判别方向。由控制单元处理数据后完成相应动作实现了无人控制即可完成一系列动作相当于简易机器人。 关键字智能控制 蔽障 红外线收发 寻迹行驶 趋光行驶 1总体方案论证与比较
方案一采用各类数字电路来组成小车的控制系统对外围避障信号黑带检测信号铁片检测信号各路趋光信号进行处理。本方案电路复杂灵活性不高效率低不利于小车智能化的扩展对各路信号处理比较困难。
方案二采用ATM89S52单片机来作为整机的控制单元。红外线探头采用市面上通用的发射管与及接收头经过单片机调制后发射。铁片检测采用电感式接近开关LJ18A3-8-Z/BX检测黑带采用光敏二极管对光源信号采集再经过ADC0809转化为数字信号送到单片机系统处理。此系统比较灵活采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分使系统硬件简洁化各类功能易于实现能很好地满足题目的要求。
比较以上两种方案的优缺点方案二简洁、灵活、可扩展性好能达到题目的设计要求因此采用方案二来实现。方案二的基本原理如图1所示。 避障部分采用红外线发射和接受原理。铁片检测采用电感式接近开关LJ18A3-8-Z/BX检测产生的高低电平信号经过处理后完成相应的记录数目驱动蜂鸣器发声。黑带寻迹依*安装在车底部左右两个光敏二极管对管来对地面反射光感应。寻光设计在小车前端安装3路左、中、右光敏电阻对光源信号采集模拟信号经过ADC0809转化为数字信号送到MCU处理。记程通过在车轮上安装小磁块再用霍尔管感应产生计数脉冲。记时由软件实现显示采用普通七段LED。此系统比较灵活采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分使系统硬件简洁化各类功能易于实现。
2模块电路设计与比较
避障方案选择 方案一采用超声波避障超声波受环境影响较大电路复杂而且地面对超声波的反射会影响系统对障碍物的判断。 方案二采用红外线避障利用单片机来产生38KHz信号对红外线发射管进行调制发射发射出去的红外线遇到避障物的时候反射回来红外线接收管对反射回来信号进行解调输出TTL电平。外界对红外信号的干扰比较小且易于实现价格也比较便宜故采用方案二。 红外线发射接受电路原理图如图2所示。 采用红外线避障方法利用一管发射另一管接收接收管对外界红外线的接收强弱来判断障碍物的远近由于红外线受外界可见光的影响较大因此用250Hz的信号对38KHz的载波进行调制这样减少外界的一些干扰。 接收管输出TTL电平有利于单片机对信号的处理。采用红外线发射与接收原理。利用单片机产生38KHz信号对红外线发射管进行调制发射发射距离远近由RW调节本设计调节为10CM左右。发射出去的红外线遇到避障物的时候反射回来红外线接收管对反射回来信号进行解调输出TTL电平。利用单片机的中断系统在遇障碍物时控制电机并使小车转弯。由于只采用了一组红外线收发对管在避障转弯方向上程序采用遇障碍物往左拐方式。如果要求小车正确判断左转还是右转需在小车侧边加多一组对管。外界对红外信号的干扰比较小性价比高。调试时主要是调制发射频率为接收头能接收的频率采用单片机程序解决。发射信号强弱的调节由可调精密电阻调节。 2检测铁片方案选择 方案一采用电涡流原理自制的传感器取才方便但难以调试输出信号也不可*成功率比较低难以准确输出传感信息。 方案二采用市面易购的电感式接近开关本系统采用市面比较通用LJ18A3-8-Z/BX来完成铁片检测的任务。虽然电感式接近开关占的体积大对本是可以接受且输出信号较可*稳定性好受外界的干扰小故采用方案二。 检测铁片电路原理图如图3所示。 3)声音提示 方案一采用单片机产生不同的频率信号来完成声音提示此方案能完成声音提示功能给人以提示的可懂性比较差但在一定程度上能满足要求而且易于实现成本也不高我们出自经费方面考虑采用方案一。 方案二采用DS1420可分段录放音模块能够给人以直观的提示但DS1420录放音模块价格比较高也可以采用此方案来处理但方案二性价比不如方案一。 4)黑带检测方案选择 方案一采用发光二极管发光用光敏二极管接收。由于光敏二极管受可见光的影响较大稳定性差。 方案二利用红外线发射管发射红外线红外线二极管进行接收。采用红外线发射外面可见光对接收信号的影响较小再用射极输出器对信号进行隔离。本方案也易于实现比较可*因此采用方案二。黑带检测电路图如图4所示。 输出信号进入74LS02。稳定性能得到提升。当小车低部的某边红外线收发对管遇到黑带时输入电平为高电平反之为低电平。结合中断查询方式通过程序控制小车往哪个方向行走。电路中的可调电阻可调节灵敏度以满足小车在不同光度的环境光中能够寻迹。由于接收对管装在车底发射距离的远近较难控制调节可调电阻发现灵敏度总是不尽人意最后采用在对管上套一塑料管屏蔽外界光的影响灵敏度大幅提升。再是转弯的时间延迟短长控制。 3)计量路程方案 方案一利用红外线对射方式在小车的车轮开一些透光孔来计量车轮转过圈数从而间接地测量路程。 方案二利用霍尔元件来对转过的车轮圈数来计程在车轮子上装小磁片霍尔元件近磁片一次计程为车轮周长。此方案传感的信号强 电路简单但精度不高。 如果想达到一定的计量精度用霍尔传感元件比较难以实现因为在车轮上装一定量的小磁片会相互影响而利用红外线对射方式不会影响各自的脉冲可达到厘米的精度因此采用方案一来实现。计量路程示意图见图5。 通过计算车轮的转数间接测量距离利用了霍尔元件感应磁块产生脉冲的原理再对脉冲进行计数。另可采用红外线原理提高记程精度其方法为在车轮均匀打上透光小孔当车轮转动时红外光透射过去不断地输出脉冲通过单片机对脉冲计数再经过一个数据的处理过程这样就可把小车走过的距离计算出来小孔越多计数越精密。 3)智能车驱动电路 方案一采用分立元件组成的平衡式驱动电路这种电路可以由单片机直接对其进行作但由于分立元件占用的空间比较大还要配上两个继电器考虑到小车的空间问题此方案不够理想。 方案二因为小车电机装有减速齿轮组考虑不需调速功能采用市面易购的电机驱动芯片L293D该芯片是利用TTL电平进行控制对电机的作方便通过改变芯片控制端的输入电平即可以对电机进行正反转作很方便单片机的作亦能满足直流减速电机的要求。智能车驱动电路实现如图6所示。 小车电机为直流减速电机带有齿轮组考虑不需调速功能采用电机驱动芯片L293D。L293D是著名的SGS公司的产品。为单块集成电路高电压高电流四通道驱动设计用来接收DTL或者TTL逻辑电平驱动感性负载(比如继电器直流和步进马达)和开关电源晶体管。内部包含4通道逻辑驱动电路。其额定工作电流为1A最大可达1.5AVss电压最小4.5V最大可达36VVs电压最大值也是36V经过实验Vs电压应该比Vss电压高否则有时会出现失控现象。表1是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系。 L293D可直接的对电机进行控制无须隔离电路。通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平即可以对电机进行正反转停止的作非常方便亦能满足直流减速电机的大电流要求。调试时在依照上表用程序输入对应的码值能够实现对应的动作调试通过。寻找光源功能 方案一在小车前面装上几个光电开关通过不同方向射来的光使光电开关工作从而对小车行驶方向进行控制根据光电开关特性只有当光达到一定强度时才能够导通因此带有一定的局限性。 方案二在小车前面装上参数一致的光敏二极管或者光敏电阻再通过A/D转换电路转换成数字量送入单片机单片机再对读入的几路数据进行存储、比较然后发出命令对外围进*作。对方案一、二进行比较方案二硬件稍为复杂但能够对不同强度的光进行采集以及比较*作灵活所以采用方案二。 寻找光源电路图如图7所示。 3)显示部分 方案一采用LCD显示用单片机可实现显示数据但显示亮度和字体大小在演示时不尽人意价格也比较昂贵。 方案二采用LED七段数码管采用经典电路译码和驱动电路结构简单并且可以实现单片机I/O口的并用显示效果直观明亮调试容易。故采用LED数码管显示。 4)显示电路如图8所示。
系统原理及理论分析
单片机最小系统组成 单片机系统是整个智能系统的核心部分它对各路传感信号的采集、处理、分析及对各部分整体调整。主要是组成是单片机AT89S52、模数转换芯片ADC0809、小车驱动系统芯片L293D、数码管显示的译码芯片74LS47、74LS138及各路的传感器件。 2)避障原理 采用红外线避障方法利用一管发射另一管接收接收管对外界红外线的接收强弱来判断障碍物的远近由于红外线受外界可见光的影响较大因此用250Hz的信号对38KHz的载波进行调制这样减少外界的一些干扰。 接收管输出TTL电平有利于单片机对信号的处理。 3)计程原理 通过计算车轮的转数间接测量距离在车轮均匀打上透光小孔当车轮转动时红外光透射过去不断地输出脉冲通过单片机对脉冲计数再经过一个数据的处理过程这样就可把小车走过的距离计算出来。 4)黑带检测原理 利用光的反射原理当光线照射在白纸上反射量比较大反之照在黑色物体上由于黑色对光的吸收反射回去的量比较少这样就可以判断黑带轨道的走向。由于各路传感器会对单片机产生一定的干扰使信号发生错误。因此采用一级射极输出方式对信号进行隔离这样系统对信号的判断就比较准确。
系统程序设计 用单片机定时器T0产生38KHz的方波再用定时器T1产生250Hz的方波对38KHz方波进行调制。为了提高小车反应灵敏度对红外线接收信号及黑带检测信号都采用中断法来处理。用定时方法对铁片检测、计量路程、倒车、拐弯及数码管动态扫描进行处理。 主程序流程图见图9各子程序图见图10、图11、图12。 6调试及性能分析 整机焊接完毕首先对硬件进行检查联线有无错误再逐步对各模块进行调试。首先写入电机控制小程序控制其正反转停机均正常。加入避障子程序小车运转正常调整灵敏度达最佳效果。加入显示时间子程序显示正常。铁片检测依*接近开关对检测信号进行处理并实时显示和发出声光信息无异常状况。路程显示部分是对霍尔管脉冲进行计数为了尽量达到精确车轮加装小磁片。接着对黑带检测模块调试发现有时小车会跑出黑带经判断是因为红外线收发对管灵敏度不高调整灵敏度后仍然达不到满意效果疑是受环境光影响利用塑料套包围红外线收发后问题解决。趋光电路主要由三个光敏电阻构成调整三个光敏电阻的角度同时测试软件以最佳效果完成趋光功能。 整机综合调试上电后对系统进行初始化接着控制电机使小车向前行驶突然发现系统即刻进入外部中断1重复多次测试结果都是自动进入该中断。推断是由刚上电时电机起动所引起为了避免上电瞬间的影响在启动小车后延时几毫秒再开外部中断结果问题解决。允许的话应采用双电源供电即电机和电路应分开供电L293D与单片机之间采用隔离信号控制。这样就不会出现小车启动时程序出错和数码管显示闪动的问题。在计程精度上可用红外线原理获得较高精度。 7结论 通过各种方案的讨论及尝试再经过多次的整体软硬件结合调试不断地对系统进行优化智能小车能够完成各项功能到达车库。
