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文檔簡介
1、簡易避障小車設(shè)計設(shè)計背景隨著汽車的自動化、智能化程度的提高,新一代智能汽 車的研發(fā)在國內(nèi)外受到越來越多的重視。目前,國內(nèi)比較先 進的智能車通過觀測前方的路況,將路面的信息輸入到車內(nèi) 的電腦中,通過計算機控制方向盤的運動,實現(xiàn)自動避障1。 智能車輛的速度,關(guān)鍵在于它的控制技術(shù),這就涉及到它的 避障算法。一個好的控制算法如同一個有經(jīng)驗的司機,控制 汽車運行2。自第一臺工業(yè)機器人誕生以來,智能小車的發(fā) 展已經(jīng)遍及機械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領(lǐng)域。 近年來智能小車的智能水平不斷提高,并且迅速地改變著人 們的生活方式。人們在不斷探討、改造、認識自然的過程中, 制造能替代人勞動的機器一直是人類的夢
2、想。借此在上單片 機課的這次機會,我們?nèi)齻€共同想要自己研究制造一輛避障 小車??傮w概述2.1系統(tǒng)功能智能小車采用后輪驅(qū)動,后輪左右兩邊各用一個電機驅(qū) 動,分別控制兩個輪子的轉(zhuǎn)動從而達到轉(zhuǎn)向的目的,后輪是 萬向輪,起支撐的作用。將三個紅外線光電傳感器分別裝在 車體的左中右,當車的左邊的傳感器檢測到障礙物時,主控 芯片控制右輪電機反向轉(zhuǎn)動左輪電機正向轉(zhuǎn)動,車向右方轉(zhuǎn) 向,當車的右邊傳感器檢測到障礙物時,主控芯片控制左輪 電機反向轉(zhuǎn)動,右輪電機正向轉(zhuǎn)動,車向左方轉(zhuǎn)向,當前面 有障礙物時規(guī)定車向右轉(zhuǎn)。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能避障小車的結(jié)構(gòu)2.3系統(tǒng)原理本設(shè)計用單片機來處理傳感器采集來的數(shù)據(jù),通過光電 開光傳
3、感器判斷小車前面的障礙物接受信號,處理完畢之后 以便去控制電機驅(qū)動電路來驅(qū)動電機。電源部分為整個電路 模塊提供電源,以便能正常工作。2.4控制框圖電池(9v)2.5系統(tǒng)模塊2.5.1障礙物探測模塊使用三只E3F-DS30C4光電開關(guān),分別探測正前方,前 右側(cè),前左側(cè)障礙物信息,在特殊地形(如障礙物密集地形) 可將正前方的光電開關(guān)移置后方進行探測。E3F-DS30C4光電 開關(guān)平均有效探測距離0-30cm可調(diào),且抗外界背景光干擾 能力強,可在日光下正常工作(理論上應(yīng)避免日光和強光源 的直接照射)。小車換檔調(diào)速后的最大制動距離不超過30cm, 一般在10-20cm左右。2.5.2電機驅(qū)動模塊使用全
4、橋驅(qū)動芯片L298N芯片驅(qū)動電機,L298N是一個具 有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片,輸出電壓最高可達50V, 可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓;可以直接用單片機的IO 口提供信號,而且?guī)в惺鼓芏耍奖鉖WM調(diào)速,電路簡單, 性能穩(wěn)定,使用比較方便。L298N芯片可以驅(qū)動兩個二相電 機,也可以驅(qū)動一個四相電機,正好符合小車兩個二相電機 的驅(qū)動要求。2.5.3電源模塊采用6V干電池通過7805轉(zhuǎn)換為5V電壓向單片機和光 電開光供電,在穩(wěn)壓方面,起始時考慮使用7805芯片對6V 的電池電壓進行降壓穩(wěn)壓。故使用干電池對系統(tǒng)供電,小車模型作為小車底座,采 用單片機作為主控芯片,采用E3F-DS30C4光電
5、開關(guān)進行障 礙物探測,使用L298N驅(qū)動直流電機。硬件電路本次設(shè)計是以單片機來控制小車實現(xiàn)啟停和檢測前面 的障礙物并且能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的避障。本系統(tǒng)硬件由單片機系 統(tǒng)控制電路、障礙檢測電路、電機驅(qū)動電路和顯示電路模塊。 本設(shè)計通過小車這個載體再結(jié)合由單片機為核心的控制板 可以達到其基本功能,能夠利用紅外線光電傳感器感應(yīng)到前 面的障礙物,再通過控制電路使小車可以進行向右向左轉(zhuǎn) 彎,再輔加由紅外線光電傳感器組成的避障電路、電源電路、 差分驅(qū)動電路就可以完善整個設(shè)計。利用紅外技術(shù)檢測障礙 物信息,采用單片機進行實時控制,實現(xiàn)智能避障,智能小 車采用后輪驅(qū)動,兩輪各用一個直流電機控制,避障用的傳 感器采用
6、光電開光傳感器。時鐘電路復(fù)位電路避障P電路XTAL1PO.u/ADOP0.-1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD時鐘電路復(fù)位電路避障P電路XTAL1PO.u/ADOP0.-1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/ADP0.5/AD5PO.ti/ADtRSTP0.7/AD7P2E愍P2.H越P2.2/A1CFSEMP2.3/A11ALEP2.4/A12EAP2.5/A13P2.6/A1-P2.7/A15F1.0F3.0/RXDP-1.1P-1.2P3.2州也F1.3F*P3.3/1 NT-1P3.4.-T0P-1.5P-1.6P3.6.WF:P
7、-1.7RSJ/RD&856293+stcS9.o519&O I1-1OJo3*-THr rJ-JL. L.3Ziz.*-L- r jiQ._n_i坤-TOH HI I-TE.4 -I1 JT4驅(qū)動電路/電路框圖3.1硬件的最小系統(tǒng)設(shè)計模塊單片機在系統(tǒng)中起到控制中心的作用,負責檢測傳感器 的狀態(tài)并向電機驅(qū)動電路發(fā)出動作命令。采用手動復(fù)位。用 單片機構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時,只要將單片機接上時鐘電路和 復(fù)位電路即可。由于集成度的限制,最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作 一些小型的控制單元。單片機的P1 口通用口用來接收紅外傳感器的信號,P1.0 到P1.3口分別來接收三個光電開關(guān)的輸入信號,P2通用口用 來驅(qū)動電機
8、,P2.0到P2.6用來控制L298N的輸入口。最小系統(tǒng)電路圖如圖:TextText4321CON410UF。 0SW11K1410K15112M17192020P20 PP1.0VCCP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3P1.5TextText4321CON410UF。 0SW11K1410K15112M17192020P20 PP1.0VCCP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3P1.5P0.4P1.6P0.5P1.7P0.6RSTP0.7P3.0EAP3.1ALEP3.2PSENP3.3P2.7P3.4P2.6P3.5P2.5P3.6
9、P2.4P3.7P2.3XTAL2P2.2XTAL1P2.1GNDP2.0123456789121340驅(qū)J236J5J4333231J0竺迎27最小系統(tǒng)電路圖3.1.1時鐘電路單片機雖然有內(nèi)部振蕩電路,但要形成時鐘,必須外 部附加電路。單片機產(chǎn)生時鐘有兩種方法。內(nèi)部時鐘方式 和外部時鐘方式。本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式,利用芯片內(nèi)部的振蕩電 路,在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件,內(nèi)部的振蕩 電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設(shè)計采用最常用的內(nèi)部時鐘方 式,用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可 在1.2MHZ到12MHZ之間選擇。電容值無嚴格要求,但電 容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振
10、蕩電路起振速 度有少許影響,CX1、CX2可在20PF到100PF之間取值, 但在60PF到70PF時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。所以本 設(shè)計中,振蕩晶體選擇12MHZ,電容選擇20PF。時鐘電路圖如圖所示:TeXtexx Text時鐘電路3.1.2復(fù)位電路infineonXC2000的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。 復(fù)位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器來抑制噪聲。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。 上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只 要Vcc的上升時間不超過1ms,就可以自動實現(xiàn)自動上電復(fù) 位。時鐘頻率用11.0592MHZ時C取10pF,R取1K。除了上電復(fù)位
11、外,有時還需要按鍵手動復(fù)位。本設(shè)計就 是用的按鍵手動復(fù)位。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式 兩種。其中電平復(fù)位是通過RST端經(jīng)電阻與電源V cc接通而 實現(xiàn)的。復(fù)位電路圖如圖所示:TextTextSW1復(fù)位電路3.2避障電路避障電路采用漫反射式光電開關(guān)進行避障。光電開關(guān)是 集發(fā)射頭和接收頭于一體的檢測開關(guān),其工作原理是根據(jù)發(fā) 射頭發(fā)出的光束,被障礙物反射,接收頭據(jù)此做出判斷是否 有障礙物。單片機根據(jù)接收頭電平的高低做出相應(yīng)控制,避 免小車碰到障礙物,由于接收管輸出TTL電平,有利于單片 機對信號的處理。小車避障的原理:小車車頭處裝有三個光電開關(guān),中間 一個光電開關(guān)對向正前方,兩側(cè)的光電開關(guān)向兩
12、邊各分開30 度。小車在行進過程中由光電開關(guān)向前方發(fā)射出紅外線,當 紅外線遇到障礙物時發(fā)生漫反射,反射光被光電開關(guān)接收。 小車根據(jù)三個光電開關(guān)接受信號的情況來判斷相應(yīng)的動作。 光電開關(guān)的平均探測距離為30cm。光電開關(guān)工作原理:光電開關(guān)是通過把光強度的變化轉(zhuǎn) 換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的。光電開關(guān)在一般情況下, 有三部分構(gòu)成,它們分為:發(fā)送器、接收器和檢測電路。避障功能表見表1-1 :傳感器避障電路輸出(上升沿動作)待執(zhí)行命令右中左左轉(zhuǎn)信號(P3.1 )右轉(zhuǎn)信號(P3.0 )000V左轉(zhuǎn)001V左轉(zhuǎn)010V不存在011V左轉(zhuǎn)100V右轉(zhuǎn)101V左轉(zhuǎn)110V右轉(zhuǎn)111刖進注(“0”表示有障礙物;
13、“1”表示無障礙物)3.3電源模塊設(shè)計電源模塊的作用把6V鋅錳干電池通過7805轉(zhuǎn)換為5V , 供單片機和光電開關(guān)使用。電池對驅(qū)動電機供電。本系統(tǒng)所有芯片都需要+5V的工作電壓,而干電池只能 提供的電壓為1 .5V的倍數(shù)的電壓,并且隨著使用時間的延 長,其電壓會逐漸下降,則需要LM7805穩(wěn)壓芯片。L7805 能提供300至500mA的電流,足以滿足芯片供電的要求。雖然微處理器和微控制器不需要支持電路,功耗也很低,但 必須要加以考慮??梢詽M足需要。電源模塊電路圖如圖2-5 :TextTextL7805CVTextVinDNG+5VVout圖TextVinDNG+5VVout圖2-5電源模塊電路
14、圖Text3.3電機驅(qū)動模塊設(shè)計電機驅(qū)動模塊主要功能是將主控芯片發(fā)出的信號通過 L298N電機控制芯片轉(zhuǎn)化為小車實際的動作。L298N芯片有 兩個電源引腳VDD引腳和VCC引腳。VDD引腳接+9V電 源用來給電機供電,VCC引腳接+5V電源用來給芯片供電, 并作為邏輯高電平標準L298N芯片通過一個有四個IN4148 二極管組成的保護電路與電機相連,保護電路主要是用來在 電機開啟和關(guān)閉時防止被反向擊穿。由于一直讓轉(zhuǎn)向電機以最大功率使能從而獲得最大的 扭矩,保證小車轉(zhuǎn)向成功,而不需要控制轉(zhuǎn)向電機的輸出功 率,所以ENA引腳(即轉(zhuǎn)向電機使能引腳)直接接+5 V,即讓轉(zhuǎn)向電機一直使能。對于后置的驅(qū)動
15、電機,不僅要控制 其實現(xiàn)前進、后退和停止,還要能夠控制其轉(zhuǎn)速以解決由于 電量不足而產(chǎn)生的小車變慢的問題15。所以,將L298N芯 片的ENB引腳與STC89C51的P2.1用來實現(xiàn)PWM調(diào)速。L298N芯片的IN1和IN2引腳分別和STC89C51的 P2.4和P2.5引腳連接用來接收主控芯片輸出的轉(zhuǎn)向電機的 動作指令,并通過OUT1和OUT2來控制轉(zhuǎn)向電機的正轉(zhuǎn)與 反轉(zhuǎn),最終功能的實現(xiàn)表現(xiàn)在小車的左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)。L298N芯 片的IN3和IN4引腳分別與STC89C51的P2.2和P2.0引 腳連接用來接收主控芯片輸出的驅(qū)動電機的動作指令,并通 過OUT3和OUT4來控制驅(qū)動電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn),最
16、終功能 的實現(xiàn)表現(xiàn)在小車的前進、后退、停止。采用與門對兩電機進行選擇控制,從而實現(xiàn)前進、左轉(zhuǎn)、 右轉(zhuǎn)。驅(qū)動電路原路框圖如圖2-6 :圖2-6驅(qū)動電路原理圖驅(qū)動電路圖如圖2-7 :圖2-7電機驅(qū)動模塊電路圖可參考下圖表:電機旋轉(zhuǎn)方式控制端IN1控制端IN2控制端IN3控制端IN4輸入PWM信號改變脈寬可調(diào)速調(diào)速端A調(diào)速端BM1正轉(zhuǎn)高低/高/反轉(zhuǎn)低高/高/停止低低/高/M2正轉(zhuǎn)/高低/高反轉(zhuǎn)/低高/高停止低低/高3.4單片機控制電路模塊4軟件設(shè)計在進行微機控制系統(tǒng)設(shè)計時,除了系統(tǒng)硬件設(shè)計外,如 何根據(jù)每個功能需要設(shè)計應(yīng)用程序。因此,軟件設(shè)計在微機 控制系統(tǒng)設(shè)計中占很重要的地位。對于本系統(tǒng),軟件也顯得 比較重要。軟件和硬件的結(jié)合,使系統(tǒng)達到更好的效果。程 序使用C語言來編寫,編譯軟件使用keilC5
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