两轮平衡智能小车论文终稿.doc
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1、该生论文符合要求,同意参加本科学位论文答辩。 指导教师:声明本人郑重声明微型自动两轮小车论文(设计)系本人在xxx老师指导下独立完成,没有抄袭、剽窃他人成果,由此造成的一切后果由本人负责。 学生签名: 摘要本设计采用AT89C52单片机作为简易两轮智能小车的核心控制器件,以及其他相应功能模块实现智能小车的行走、成功避障及语音报警功能。小车避障模块由若干个红外对管组成,通过物体反射红外线的强度变化判断前方有无障碍物以达到避障的功能;电源部分采用多块充电电池供电,其中一路单独为单片机供电,另外一路为电机的驱动等模块供电;电机驱动模块选用LM298N作为电机的驱动芯片,采用PWM波,来控制电机的转速
2、;此外还有语音报警模块,采用ISD1820作为语音报警的主控芯片,实现自动控制行走、避障的及语音报警的功能。关键词:AT89C52;红外线避障;语音报警ABSTRACTThis design uses the simple AT89C52 single chip microcomputer as the core of the smart car devices. Obstacle avoidance module is composed of several infrared pipe, judging by reflecting infrared change in front of th
3、e presence of obstacles in order to achieve obstacle avoidance capabilities, lithium battery power supply module uses a two way power supply, so that we can use them all the way alone to microcontroller, sensors, such as power supply, also provides the voltage for the motor drive power supply. Motor
4、 drover module LM298N chosen as the motor driver chip, using PWM wave ,to control the motor speed, finally realizes the intelligent car walking and successful obstacle avoidance capabilities, voice alarm module adopts ISD1820 as the main chip of voice alarm, realize the obstacle avoidance of alarm f
5、unction.Key words: AT89C52;Infrared obstacle avoidance ;voice alarm目录1 绪论11.1 智能小车的意义和作用11.2 智能小车的现状22 方案设计与论证32.1 系统设计32.2 方案选取32.2.1 主控板模块42.2.2 电机驱动模块52.2.3 红外避障模块62.2.4 电源模块62.2.5 语音报警模块73硬件设计83.1总体设计83.2 单片机最小系统83.3 电源设计83.4 避障设计93.5 电机驱动设计93.6 语音报警设计104 软件设计124.1红外避障框图124.2主程序流程图135 系统调试145.1软
6、件调试145.2 硬件调试145.2.1 小车整体外观145.2.2 小车驱动及主控板155.2.3 小车避障电路155.2.4 小车报警电路166安装与测试176.1 PCB的设计制作与小车的安装及调试176.2小车调试运行情况17结束语18参考文献19致谢20附录21V1 绪论1.1 智能小车的意义和作用 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们的生活方式。人们在不断探讨、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。随着科学技术的发展,机器人的感觉传感器种类越来越多,其
7、中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统,对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达,而基于图像的理解技术还很落后,机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD(Charge-coupled Device, 电荷耦合元件),目前的CCD已能做到自动聚焦。但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势,因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。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
8、自动导引小车(AVGauto-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出判断和相应的执行动作。该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分:传感器检测部分、执行部分、CPU(Central Processing Unit,中央处理器)。机器人要实现自动避障功能,还可以扩展循迹等功能,感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线,选择正确的行进路线,并检测到障碍物自动躲避。基于上述要求,传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像,只要求粗略感知即可,所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考
9、虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。智能小车的执行部分,是由直流电机来充当的,主要控制小车的行进方向和速度。单片机驱动直流电机一般有两种方案:第一,勿需占用单片机资源,直接选择有PWM(Pulse Wavelength Modulation,脉波调制)功能的单片机,这样可以实现精确调速;第二,可以由软件模拟PWM输出调制,需要占用单片机资源,难以精确调速,但单片机型号的选择余地较大。考虑到实际情况,本文选择第二种方案。CPU使用STC89C52单片机,配合软件编程实现。1.2 智能小车的现状现智能小车发展很快,从智能玩具到其它各行业都有实质成果。其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、
10、自动避障等基本功能,配合高精度三轴加速度传感器与陀螺仪,可以实现小车自动定位和导航。在现代军事领域里搭载GPS全球定位系统的智能小车就是一个全天候作战平台。近几届举办的电子设计大赛智能小车也在向声控系统发展。比较出名的全国大学生飞思卡尔智能小车比赛更是走在前列。我此次的设计主要实现控制小车自动行走及避障这两个功能。2 方案设计与论证2.1 系统设计本设计采用ATMEL公司生产的AT89C52作为小车的主要控制芯片,通过搭建电机驱动模块、语音报警模块、避障模块来实现对小车的控制。AT89C52内含高性能、低功耗的8位微处理器、先进的RISC(reduced instruction set com
11、puter,精简指令集系统)结构、非易失性的程序和数据存储器、( 与IEEE 1149.1 标准兼容)及PWM等丰富的内部资源。通过软件与硬件设计对小车进行控制。并用LM298N作为电机的驱动芯片,驱动电机工作。小车上自带了两块3.7V的动力锂电池。用锂电池给单片机及电机驱动模块供电,而单片机部分和红外避障模块以及语音报警模块供电是通过稳压电路降压到5V。本系统所用的电池组电力比较充沛,一次充满后可以给整个系统提供很长时间的电力,避免了频繁的更换电池,提高了可靠性。2.2 方案选取根据设计要求,确定如下方案:在现有玩具车的基础上,加装一些模块,实现对电动小车的速度和方向的控制和自动行走。由单片
12、机根据所检测的各种信息实现对小车的智能控制。这种方案能实现对自动小车的运动状态进行实时控制,控制灵活、可靠,精度高,可满足对系统的各项要求。智能小车系统主要包括以下模块:电源模块、AT89C52单片机模块、电机驱动模块、红外避障模块和语音报警模块共由五部分组成。整体结构框图如图2.1所示。电源模块充电电池主控板AT89C52电机驱动模块 LM298N报警模块ISD1820避障模块红外对管 图2.1 智能小车系统功能模块框图2.2.1 主控板模块方案一: 选用一片CPLD(Complex Programmable Logic Device,复杂可编程逻辑器件)(如EPM7128LC84-15)作
13、为系统的核心部件,实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点,可利用VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,标准硬件描述语言)语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时,CPLD的处理速度非常快,而小车的行进速度不可能太高,那么对系统处理信息的要求也就不会太高,在这一点上,MCU(Micro Control Unit,微控制单元)就已经可以胜任了。若采用该方案,必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此,我们不采用该种方案,进而提出了第
14、二种设想。方案二: 利用cortex系统来控制小车,实现小车的自动行走及避障功能,由于cortex是arm板功能强大,操作起来比较难,而且价格比较贵,从实用性考虑我放弃了该组方案。方案三: 采用AVR系列单片机Atmega128,Atmega128内含高性能、低功耗的AVR 8 位微处理器、先进的RISC结构、非易失性的程序和数据存储器、JTAG接口(与IEEE 1149.1标准兼容)及PWM等丰富的内部资源。通过编写相应程序对小车进行控制。该系统功能、精度和质量都很高,且电路简单,故障率低,可靠性高,成本低廉。AVR单片机具有高速度、高保密性、低功耗等优点,其功能比较强大,但是本设计只为实现
15、智能小车的行走、避障及语音报警功能,用Atmega128作为智能小车的主控芯片可谓大材小用,因此我放弃了该组方案。方案四:采用C51单片机作为整个系统的核心,用其控制行进中的小车,以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统,其关键在于实现小车的自动控制,而在这一点上,单片机就显现出来它的优势控制简单、方便、快捷。这样一来,单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此,这种方案是一种较为理想的方案。针对本设计特点多开关量输入的复杂程序控制系统,需要擅长处理多开关量的标准单片机,而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机,D/A、A/D功能也不必
16、选用。根据这些分析,我选定了AT89C52单片机作为本设计的主控装置,51单片机具有功能强大的位操作指令,I/O口均可按位寻址,程序空间多达8K,对于本设计也绰绰有余,更可贵的是51单片机价格非常低廉。AT89C52见图3.1单片机系统版在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后,我们决定采用一片单片机,充分利用STC89C52单片机的资源。选择了方案四。2.2.2 电机驱动模块方案一: 采用电阻网络或者数字电位器调整电动机的分压,从而达到降速的目的。但是,电阻网络只能实现有级降速;而数字电阻的元器件价格昂贵。最重要的问题是,一般电动机的电阻很小,电流很大,分压不仅降低效率,而且难以实现。
17、方案二: 采用继电器对电动机的开/关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个电路的优点是比较简单,但是继电器的响应时间比较慢、机械结构易坏、寿命较短、可靠性不高。方案三:采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单,加速能力强,采用由达林顿管组成的 H型桥式电路(如图2.2)。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下,精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高,H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制,电子管的开关速度很快,稳定性也极强,是一种广泛采用的 PWM调速技术。现市面上有很多此种芯片,我选用了LM
18、298N。由于电力电子器件只工作在开关状态,主电路损耗较小,装置效率较高。根据以上综合比较,以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向,本设计采用了H型单极型可逆PWM变换器件LM298N进行电机调速,选择方案三。图2.2 H桥式电路2.2.3 红外避障模块方案一:利用白光发光二极管与光敏二极管构成检测电路。此方案电路简单,原器件价格低廉,但此方案的缺点在于其他环境的光源对光敏二极管的工作产生很大的干扰,一旦环境发生变化,很可能造成误判或漏判。如果采用超高亮发光管,可以降低干扰,但同时增加了功率损耗。方案二:采用一只红外对管置于小车中央。其安装简易,也可以检测到障碍物的存在,但难以确定
19、小车在水平方向上是否会与障碍物相撞,也不易让小车做出精确的转向反应。方案三:红外避障传感器,它是一种集发射与接收于一体的光电传感器。检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点。红外对管如图2.3所示。相比之下,未经调制的检测方案电路简单,对于小车的应用已经能够胜任,采取一些其他的防干扰手段即可,就能够达到很好的检测效果。综合考虑,选择方案三。图2.3 红外避障用对管2.2.4 电源模块方案一:所有模块采用单一12V电源。通过稳压集成块降压供电,电路结构简单,方便灵活,减小了车载质量和摩擦阻力。但是电机启动瞬间电流很大,而且PWM驱动
20、的电机电流波动较大,会造成电压不稳定、有毛刺干扰主控模块等部分造成性能劣化,而且78XX系列稳压块效率不高,损耗过多。不适用于要求电源稳定的CPU,严重时可能造成系统掉电。方案二:单片机必须与大电流器件分开供电,避免大电流器件对单片机造成干扰,采用两路供电,这样可以使用其中一路单独为单片机供电,另外一路提供电压为电机的驱动等模块供电。小车上采用了6节共8V的充电电池组,可以用来给单片机提供电力。本系统所用的电池组电力比较充沛,一次充满后可以给整个系统提供很长时间的电力,避免了频繁的更换电池,提高了可靠性。因此电源模块本设计采用方案二。2.2.5 语音报警模块方案一: ISD4003系列工作电压
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