自动循迹避障小车

单片机课程设计

自

动

循

迹

避

障

小

车

自动循迹避障小车

【摘要】

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： AT89C52、循迹、避障、1602LCD

目录

1 绪论................................................. ４

1.1硬件设计主要要求................................. ４

2 系统方案论证与设计.................................... ５

2.1系统方案论证与设计............................... ５

2.1.1 控制器模块论证与选择......................... ５

2.1.2 电机驱动模块论证与选择....................... ８

2.2电源模块论证与选择............................... ９

2.3循迹模块论证与选择............................. １４

2.4 避障模块论证与选择............... 错误！未定义书签。

2.5 显示模块论证与选择............... 错误！未定义书签。

3 系统硬件电路设计 ..................... 错误！未定义书签。

3.1 单片机电路设计................... 错误！未定义书签。

3.2 电机驱动模块设计................. 错误！未定义书签。

3.3 超声波检测处理模块............... 错误！未定义书签。

3.4 液晶显示借口设计................. 错误！未定义书签。

3.5 串口模块设计................................... .1 2

4 硬件及功能调试...................................... 1 2 4.1 硬件电路测试.....................................1 3 4.2 功能模块测试及功能实现........................... 1 4 附录：总体原理图 ..................................... １７

结束语............................................... １６

1 绪论

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。智能小车正是模仿机器人的一种尝试。它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。

1.1硬件设计主要要求

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.循迹模块接口设计。

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 系统方案论证与分析

2.1系统方案论证与设计

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。

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

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。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。

方案二：采用AT89S52单片机作为主控制器。AT89S52是一个超低功耗，和标准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。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。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。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。

步进电机能进行精确的位置控制，但驱动电路麻烦，鉴于本设计中小车的位置控制不要求十分精确，直流电机即可满足小车要求的精度。且直流电机易于控制，驱动电路十分简单。

故选择直流电机用于小车驱动，采用市面易购的电机驱动芯片L298N驱动电机。该芯片是利用TTL电平进行控制，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正转、反转和停止操作；利用可调占空比的PWM波输入驱动芯片使能端，就可以实现PWM调速目的。

2.2 电源模块论证与选择

由于本系统需要给小车系统供电，考虑如下几种方案:

方案一：采用9V电池组。电池组具有较强的电流驱动能力及稳定的电压输出性能，经测试在用此种供电方式下，单片机和传感器工作稳定，直流电机工作良好，且电池体积较小、可以充电、能够重复利用等，能够满足系统的要求。

方案二：采用12V蓄电池。由于蓄电池的体积过于庞大，我们的车体在设计

时空间有限，在小型电动车上使用极为不方便，因此我们放弃此方案。

综上所述，选择方案一作为本系统供电方式。

2.3 循迹模块论证与选择

循迹检测常用到传感器。根据小车功能的要求有两种方案，一种是使用红外光电传感器，另一种是使用CCD传感器。两种方案的主要区别是使用的传感器不同。

CCD传感器灵敏度高，能够做到对图像的识别，但是控制电路复杂、成本高。红外光电传感器结构简单，对特定颜色的识别灵敏度差异大，可以实现对特定颜色的轨道路线识别。这里我们选用RPR359F型光电对管完成系统循迹。RPR359F 是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。

RPR359F特点：塑料透镜可以提高灵敏度。内置可见光过滤器能减小离散光的影响。体积小，结构紧凑。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。

2.4 避障模块论证与选择

方案一：采用一只光电开关置于小车中央。其安装简易，也可以检测到障碍物的存在，但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，但是本课题要求在寻迹的路线上避障，也就是说障碍物可能在寻迹的路线上，而其他方向无障碍物这样只要把避障后的舵机的方向规定就可以了，然后启动延时也能越过障碍。这种方案也是可以的。

方案二：利用超声波传感器。超声波传感器是靠发射某种频率的声波信号，利用物体界面上超声反射、散射检测物体的存在与否。超声波在空气中传播时如果遇到其它媒介，则因两种媒质的声阻抗不同而产生反射。因此，向空气中的被测物体发射超声波，检测反射波并进行分析，从而获得障碍物的信息。超声波传感器由于信息处理简单、快速并且价格低，被广泛用在机器人测距、定位及环境建模等任务中。

超声波检测距离远，不易受外界环境干扰，由于小车需要在行驶过程中检测障碍物，颠簸，光照方面可能会对检测产生影响。所以需要选择稳定性较好的，故本设计选择超声波检测。

2.5 显示模块论证与选择

方案一：采用LED数码管显示。LED显示具有硬件电路结构简单、调试方便、软件实现相对容易等优点，但是由于我们计划要显示小车运行时间、里程、行驶速度，LED数码管无法显示如此丰富的内容，因此我们放弃此方案。

方案二：采用LCD 1602A液晶显示。LCD液晶因具有功耗低、显示内容丰富、清晰，显示信息量大，显示速度较快，界面友好等特点而得到了广泛的应用，因此我们选择此方案。

通过以上方案论述我们选择方案二。

3 系统硬件电路设计

3.1 单片机的电路设计

单片机是控制单元的核心，起着控制小车所有运行状态的作用。主要作用在于：接收传感器的输入信号，计算、处理接收到各种传感器信号并输出控制信号。因此，控制器电路设计的关键在于各种接口电路的设计，包括：系统电源设计、寻迹模块接口设计、超声波换能器接口设计、转速检测接口设计、1602液晶接口设计、直流电机驱动电路设计。

AT89S52芯片介绍：

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可编程Flash 存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8位微控制器8K字节在系统可编程。其引脚图如下所示：

图3.1.1 单片机引脚图

3.2电机驱动模块设计

本设计采用高电压，大电流的L298N全桥驱动芯片，其外围电路设计如图3.2.1所示，它响应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机。两个电机的四个正方向信号和两个PWM信号经L298N后能够很好的控制电机的正反转和较大范围的控制电机电压。

图3.2.1 电机驱动电路

3.3 超声波检测处理模块

本模块性能稳定，测度距离精确。能和国外的SRF05,SRF02等超声波测距模块相媲美。模块高精度，盲区（2cm）超近,稳定的测距是此产品成功走向市场的有力根据！

主要技术参数：

1：使用电压：DC5V 2：静态电流：小于2mA

3：电平输出：高5V 4：电平输出：底0V

5：感应角度：不大于15度 6：探测距离：2cm-450cm

7:高精度可达0.2cm

接线方式，VCC、trig（控制端）、 echo（接收端）、GND

模块工作原理：

(1)采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号;

(2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；

(3)有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是

超声波从发射到返回的时间．测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2; 本模块可提供全套测距程序：C51，PIC18F877,超声波LCD1602显示，超声波LCD12864显示，数码管显示，串口显示等，测距参考程序。

图3.3.1 超声波实物图

图3.3.2 超声波原理图

3.4 液晶显示借口设计

1602A液晶是常见的16*2行、5*7点阵，8位数据接口人机交互模块器件；广泛应用于智能仪表、通信、办公自动化设备中，其字符发生器ROM 中自带数字和英文字母及一些特殊符号的字符库。若想显示汉字，则可以根据需要自己建立部分欲显示的汉字字库。此外1602A液晶还提供了在片内CGRAM 的00H-3FH 共64个字节的空间，可以存放8个5*7点阵的自建字符库，其代码分别为00H-07H，然后在显示时只要用查表法调用汉字的相应代码即可。

图3.4.1 液晶显示电路

1602 液晶接口设计为一个间距为2.54mm的16脚单排插孔座。在其上插上1602A液晶即可使用。1602 液晶接口最下脚第1位接电位器一端。供用户手动调整液晶偏压。BLA ：背光源正极，接+5V；BLK：背光源负极，接地；RS接P1.3，决定传输类型是数据或命令，1表示数据，0表示命令；RW接P1.4，决定控制信号是读命令还是写命令，1表示读，0表示写；E接P1.2使能端，高电平有效;DB0~DB7数据端口，接P0.0~P0.7。

3.5 串口模块设计

RS232-TTL模块采用工业级MAX232（5V适用）/MAX3232（3-5V适用）/SP3232(3-5V适用)原装进口专业通讯芯片，易于使用，稳定可靠，适用于有串口的电脑。

模块特色：

1、LED接收发送指示通讯状态；

2、此模块需要外部提供电源，留出电源接入端口，方便从目标接入；

3、MAX232/MAX3232/SP3232可选，接受定制，以适应3.3V/5.0V两种主控器件；

4、直接同主控器件TTL串口连接，只需3根线（目标板单独供电时）；

5、支持Windos98/ME,2000,XP,Windos CE 3.0,https://www.360docs.net/doc/d76788747.html,,linux,和Mac OS;

图3.5.1 串口模块实物图

图3.5.2 串口模块电路图

4.硬件及功能调试

4.1硬件电路测试

在焊接过程中要注意电烙铁不能长时间的接触焊接管脚，这个样子容易损坏焊盘和损坏器件。电烙头要保护好，不要出现黑色的氧化物，如果有就磨掉磨掉后马上粘松香补焊锡。焊接时将器件固定在电路板的焊接位置上，接着先将焊丝接触然后电烙头较快速的上锡。在焊接过程中要注意电容、二极管的极性，三极管的三个极要区分好，以免焊错，要仔细将元件焊接到对应位置。

在焊好板子以后，首先再次确认是否有短路，尤其是电源与地是否有短路情况存在。确定无误后，用万用表检测板子的电源是否正常，如果检测完外围的电源电路正常，则要测试单片机的供电电源是否是5V左右，如果过大，则可能烧坏单片机，而如果过小的话则可能导致其他的电路模块不能正常工作，其次就是好查看一下各个芯片是否安插正确，如果插反则可能导致电路不能正常工作，如将保护二极管接反的话，则会使电路无法导通，而如果是单片机放反，其将应为过度发热，而被烧坏。最后就是检查各个焊点，看有没有虚焊的，或者是有没有连线脱落的，因为碰触可能使一些拐角导线从板子上脱落。当所有的都检测正常后，加上供电电压，利用数字万用表测量电源变换电路的输出是否正常，电压值是否达到设计要求，然后再对电路的各个分模块进行调试。

4.2功能模块测试及功能实现

4.2.1电机驱动功能的实现

电机驱动功能主要是依靠电机驱动芯片L298N对小车前后两电机的运行状态进行控制。小车前电机B为转向电机，电机驱动芯片L298N的IN3与IN4端分别接单片机的P3.6，P3.7口，主要控制小车的左右转。小车后电机A为主驱电机，电机驱动芯片L298N的IN1与IN2端分别接单片机的P1.5，P3.4口，主要控制小车的前后走。电机A和电机B的正转和反转已经封装成各自对应的函数，在运用过程中直接调用即可。因此当寻迹信号或者避障信号送入单片机，经处理后可通过函数调用对P3和P1口的状态进行控制，从而达到控制小车运行状态的目的。

4.2.2寻迹功能的实现

寻迹功能主要是依靠装在车头的6对反射式红外光电传感器对寻迹线路进行检测，当寻迹检测模块检测到地面黑线时，将此时的检测结果传给单片机的P2.0～P2.5进行处理，再将处理后的单片机信号通过光耦隔离模块传送给电机驱动模块，通过电机驱动模块控制电机的运行状态，从而来实现小车的左右转，来达到寻迹的最终目的。

4.2.3避障功能的实现

避障功能主要依靠装在车身上的超声波模块对小车运行路线中是否遇到障碍物进行检测，当小车检测到障碍物时，将此时的检测结果经P3.2转给单片机进行处理，再将处理后的单片机信号通过耦隔离模块传送给电机驱动模块，通过电机驱动模块控制电机的运行状态，从而来实现小车的前后行进，来达到避障的最终目的。

4.2.4车速检测的实现

在小车行驶过程中车速检测主要依靠霍尔测速模块上的磁感应探头对车轮上的磁铁的检测产生脉冲个数，将结果经过P3.3送往单片机进行处理，通过软件编程算出当是的车速。在硬件搭接过程中注意A44E的磁输入和测速模块安装时与磁铁的距离。

结束语

整个系统的设计以单片机为核心，利用了多种传感器，将软件和硬件相结合。本系统能实现如下功能：

（1）自动沿预设轨道行驶小车在行驶过程中，能够自动检测预先设好的轨道，实现直道和弧形轨道的前进。若有偏离，能够自动纠正，返回到预设轨道上来。

（2）当小车探测到前进前方的障碍物时，可以自动报警调整，躲避障碍物，从无障碍区通过。小车通过障碍区后，能够自动循迹。

（3）自动检测停车线并自动停车。

从运行情况来看循迹的效果比较好，避障的效果不是很好，我认为是由于电源不能稳定而是的小车的速度不好控制，这也是我这次设计最大的误区，没有选取稳定的电源。我相信如果实验条件和时间的允许下我肯定能解决这一问题。

通过本次设计我掌握了很多以前不熟练的东西，认识了很多以前不熟悉得东西，使我在人生上又进了一步。也认识到很多的不足。

附录：总体原理图

实物图如下：