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[导读] 0 引言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、探索等领域。近年来机器人的智能水平不断提高,并迅速改变着人们的生活方式。人们在不断探索、改造、认识自然的过程中

 0 引言

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、探索等领域。近年来机器人的智能水平不断提高,并迅速改变着人们的生活方式。人们在不断探索、改造、认识自然的过程中,制造能代替人劳动的机器人,一直是人类的梦想。智能小车,也就是轮式机器人,最适合在那些人类无法工作的环境中工作,该技术可应用于无人驾驶机动车、无人生产线、仓库等领域。小车也可以作为玩具的发展对象,为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补,实现经济收益,形成商业价值。

本设计完成以由单片机最小系统、红外遥控、智能寻迹、自动避障以及液晶显示组成的硬件模块,结合软件设计组成多功能智能小车,共同实现小车的前进、倒退、转向行驶,根据地面黑线智能寻迹,检测障碍物后转向等功能,实现智能控制。

1 智能小车硬件系统设计

小车的硬件系统主要由控制系统、驱动系统、遥控系统、寻迹系统、避障系统、显示系统和供电系统组成。

1.1 控制系统

选用具有内部看门狗的宏晶系列STC89C52RC单片机作为核心控制器件,最小系统包括单片机、MAX232串口通信电路、复位电路、上拉电阻和晶振电路(晶振为12MHz)。

1.2 驱动系统

本小车采用四轮驱动,驱动电机的控制由L298N来实现。L298N内部包含4通道逻辑驱动电路,可驱动46V、2A以下的2个电机。由L298N构成的PWM功率放大器的工作形式为单极可逆模式,2个H桥的下侧桥晶体管发射极连在一起。根据L298N的输入输出关系,使控制端ENA接高电平时,通过PWM信号输入端IN1和IN2可以控制电动机的正反转(输入端IN1为PWM信号,输入端IN2为低电平,电动机正转;输入端IN2为PWM信号,输入端IN1为低电平,电动机反转);当控制端ENA为低电平时,驱动桥路上的4个晶体管全部截止,使正在运行的电动机电枢电流反向,电动机停止。

电动机的转速由单片机调节PWM信号的占空比来实现。PWM即脉冲宽度调制,它是指将输出信号的基本周期固定,通过调整基本周期内工作周期的大小来控制输出功率的方法。占空比是指高电平持续时间在一个周期时间内的百分比。控制电机的转速时,占空比越大,速度越快,如果全为高电平,占空比为100%,速度达到最快。

0 引言  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、探索等领域。近年来机器人的智能水平不断提高,并迅速改变着人们的生活方式。人们在不断探索、改造、认识自然的过程中,制造能代替人劳动的机器人,一直是人类的梦想。智能小车,也就是轮式机器人,最适合在那些人类无法工作的环境中工作,该技术可应用于无人驾驶机动车、无人生产线、仓库等领域。小车也可以作为玩具的发展对象,为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补,实现经济收益,形成商业价值。  本设计完成以由单片机最小系统、红外遥控、智能寻迹、自动避障以及液晶显示组成的硬件模块,结合软件设计组成多功能智能小车,共同实现小车的前进、倒退、转向行驶,根据地面黑线智能寻迹,检测障碍物后转向等功能,实现智能控制。  1 智能小车硬件系统设计  小车的硬件系统主要由控制系统、驱动系统、遥控系统、寻迹系统、避障系统、显示系统和供电系统组成。  1.1 控制系统  选用具有内部看门狗的宏晶系列STC89C52RC单片机作为核心控制器件,最小系统包括单片机、MAX232串口通信电路、复位电路、上拉电阻和晶振电路(晶振为12MHz)。  1.2 驱动系统  本小车采用四轮驱动,驱动电机的控制由L298N来实现。L298N内部包含4通道逻辑驱动电路,可驱动46V、2A以下的2个电机。由L298N构成的PWM功率放大器的工作形式为单极可逆模式,2个H桥的下侧桥晶体管发射极连在一起。根据L298N的输入输出关系,使控制端ENA接高电平时,通过PWM信号输入端IN1和IN2可以控制电动机的正反转(输入端IN1为PWM信号,输入端IN2为低电平,电动机正转;输入端IN2为PWM信号,输入端IN1为低电平,电动机反转);当控制端ENA为低电平时,驱动桥路上的4个晶体管全部截止,使正在运行的电动机电枢电流反向,电动机停止。  电动机的转速由单片机调节PWM信号的占空比来实现。PWM即脉冲宽度调制,它是指将输出信号的基本周期固定,通过调整基本周期内工作周期的大小来控制输出功率的方法。占空比是指高电平持续时间在一个周期时间内的百分比。控制电机的转速时,占空比越大,速度越快,如果全为高电平,占空比为100%,速度达到最快。   1.3 遥控系统  红外遥控系统主要由遥控发射器、红外接收器两部分组成。红外遥控器产生遥控编码脉冲,驱动红外发射管输出红外遥控信号,遥控接收器接收发射器发出的红外信号,并完成对信号的放大、检波、整形、解调出遥控编码脉冲,输入到单片机,完成对遥控指令解码,并执行相应的遥控功能。如图3,接收器选用VS1838B,out是解调信号输出端,直接与单片机相连。利用红外遥控可代替手动开关控制小车的启动、停止、左转、右转、前进、后退等功能。  1.4 寻迹系统  在智能车系统中,红外发射管发射红外线,当红外线照射到白色地面时会有较大的反射,红外接收管接收到反射回的红外线强度就较大;如果红外线照射到黑色标志线,黑色标志线会吸收大部分红外光,红外接收管接收到的红外线强度就很弱。这样,利用红外光电传感器检测智能车行驶道路上的黑色标志线,就可以实现智能车的智能寻迹。本智能小车探测的传感器选用TCRT5000反射红外传感器,该传感器封装形状规则,便于安装。如图4,在使用约40mA的发射电流,没有强烈日光干扰(在有日光灯的房间里)探测距离能达8cm,完全能满足探测距离要求。这是一种自带发光二极管和光敏三极管的器件,当检测到黑线时,由于反射率不高,三极管截止而输出高电平。当检测到白色地面时,由于反射率较高,三极管饱和而输出低电平,从而实现了黑线的检测。   1.5 避障系统  本设计采用超声波测距。超声波频率高、波长短、定向性好、能量集中,适合于距离测量,且不易受光线干扰,提高了系统的可靠性,另外,还可以对障碍物的位置进行定位。通过超声波发射装置发出超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在传播途中碰到障碍物就立即返回,超声波接收器收到反射波立即停止计时,根据时间差就可以知道距离了,这就是时间测距法(超声波在空气中的传播速度为340m/s根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离s,即:s=340t/2)。超声波传感器为非接触式传感器,HC-SR04传感器测量距离为2~400cm,测量精度为3mm。避障系统包括:超声波发射器、接收器与控制电路。  1.6 显示系统  本设计采用1602液晶显示,也叫1602字符型液晶,它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块,它有若干个5×7或者5×11等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符。它具有功耗低、寿命长、显示内容多的特点,可以直接接单片机数据端使用。  1.7 小车供电系统  小车供电系统有两路:一路是VSS直流减速电机供电电源,由两块3.7V电压1200mAh容量的手机锂电池串联而成,电压在7.4V左右;另一路是VCC电路板供电电源,由VSS电源经稳压芯片7805输出5V的电压,为传感器和控制板供电。  2 智能小车软件系统设计  设计中的应用软件包括:硬件电路设计软件、程序设计软件和服务软件。  本设计使用Protel 99SE软件,绘制原理图,并生成PCB电路板,完成硬件电路软件设计;采用混合编程的方法,即高级语言C编写主程序,用汇编编写硬件有关的程序,编写源程序,并生成hex格式文件,完成程序软件设计,程序流程图如图6所示;还使用了STC-ISP-V4.83程序烧录软件和USB转串口驱动软件等服务软件。   3 结论  智能小车,行驶的不是凝固的轨迹,而是践行着流动的思想。所谓智能就是将思想赋予机器,使之完成既定的任务。本次设计智能小车实现了如下功能:智能小车按下电源开关,1602液晶显示“zhineng che”并停在原地,然后可以在遥控的控制下进行前进、后退、左转、右转、刹停等运转,并且可以进行寻迹模式和避障模式的切换。寻迹模式下小车可以在做好的跑道上,沿红外线传感器感应到1.5cm宽的黑色引导线,沿线前进并转弯,并在终点线停止前进。在避障模式下小车可以经过超声波传感器测量出障碍物距离,并在10cm处做出反应,左转躲避障碍物。

1.3 遥控系统

红外遥控系统主要由遥控发射器、红外接收器两部分组成。红外遥控器产生遥控编码脉冲,驱动红外发射管输出红外遥控信号,遥控接收器接收发射器发出的红外信号,并完成对信号的放大、检波、整形、解调出遥控编码脉冲,输入到单片机,完成对遥控指令解码,并执行相应的遥控功能。如图3,接收器选用VS1838B,out是解调信号输出端,直接与单片机相连。利用红外遥控可代替手动开关控制小车的启动、停止、左转、右转、前进、后退等功能。

1.4 寻迹系统

在智能车系统中,红外发射管发射红外线,当红外线照射到白色地面时会有较大的反射,红外接收管接收到反射回的红外线强度就较大;如果红外线照射到黑色标志线,黑色标志线会吸收大部分红外光,红外接收管接收到的红外线强度就很弱。这样,利用红外光电传感器检测智能车行驶道路上的黑色标志线,就可以实现智能车的智能寻迹。本智能小车探测的传感器选用TCRT5000反射红外传感器,该传感器封装形状规则,便于安装。如图4,在使用约40mA的发射电流,没有强烈日光干扰(在有日光灯的房间里)探测距离能达8cm,完全能满足探测距离要求。这是一种自带发光二极管和光敏三极管的器件,当检测到黑线时,由于反射率不高,三极管截止而输出高电平。当检测到白色地面时,由于反射率较高,三极管饱和而输出低电平,从而实现了黑线的检测。

基于STC89C52单片机的智能小车的设计

1.5 避障系统

本设计采用超声波测距。超声波频率高、波长短、定向性好、能量集中,适合于距离测量,且不易受光线干扰,提高了系统的可靠性,另外,还可以对障碍物的位置进行定位。通过超声波发射装置发出超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在传播途中碰到障碍物就立即返回,超声波接收器收到反射波立即停止计时,根据时间差就可以知道距离了,这就是时间测距法(超声波在空气中的传播速度为340m/s根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离s,即:s=340t/2)。超声波传感器为非接触式传感器,HC-SR04传感器测量距离为2~400cm,测量精度为3mm。避障系统包括:超声波发射器、接收器与控制电路。

1.6 显示系统

本设计采用1602液晶显示,也叫1602字符型液晶,它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块,它有若干个5×7或者5×11等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符。它具有功耗低、寿命长、显示内容多的特点,可以直接接单片机数据端使用。

1.7 小车供电系统

小车供电系统有两路:一路是VSS直流减速电机供电电源,由两块3.7V电压1200mAh容量的手机锂电池串联而成,电压在7.4V左右;另一路是VCC电路板供电电源,由VSS电源经稳压芯片7805输出5V的电压,为传感器和控制板供电。

2 智能小车软件系统设计

设计中的应用软件包括:硬件电路设计软件、程序设计软件和服务软件。

本设计使用Protel 99SE软件,绘制原理图,并生成PCB电路板,完成硬件电路软件设计;采用混合编程的方法,即高级语言C编写主程序,用汇编编写硬件有关的程序,编写源程序,并生成hex格式文件,完成程序软件设计,程序流程图如图6所示;还使用了STC-ISP-V4.83程序烧录软件和USB转串口驱动软件等服务软件。

基于STC89C52单片机的智能小车的设计

3 结论

智能小车,行驶的不是凝固的轨迹,而是践行着流动的思想。所谓智能就是将思想赋予机器,使之完成既定的任务。本次设计智能小车实现了如下功能:智能小车按下电源开关,1602液晶显示“zhineng che”并停在原地,然后可以在遥控的控制下进行前进、后退、左转、右转、刹停等运转,并且可以进行寻迹模式和避障模式的切换。寻迹模式下小车可以在做好的跑道上,沿红外线传感器感应到1.5cm宽的黑色引导线,沿线前进并转弯,并在终点线停止前进。在避障模式下小车可以经过超声波传感器测量出障碍物距离,并在10cm处做出反应,左转躲避障碍物。

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