1.   主題要研究?jī)?nèi)容....... 2

2.   工作原理及總體設(shè)計(jì)....... 2

2-1.工作原理... 2

3.   硬件設(shè)計(jì)....... 3

3-1.小車車體設(shè)計(jì)... 3

3-2.電源模塊... 4

3-3.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊... 4

3-4.檢測(cè)模塊... 5

3-5.最終方案... 6

4.   硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計(jì)....... 6

4-1.主控制模塊... 6

4-2.電源設(shè)計(jì)... 8

4-3.驅(qū)動(dòng)電路... 9

4-4.小車車體總體設(shè)計(jì)... 11

系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為核心控制單元，小車車體前方的紅外線傳感器檢測(cè)前方障礙物，用于判斷是否需要轉(zhuǎn)彎，防止小車碰到障礙物。

本設(shè)計(jì)題目為基于單片機(jī)的自動(dòng)避障小車設(shè)計(jì)，主要研究小車的避障功能，小車遇到障礙物時(shí)，當(dāng)距離障礙物大于25cm，PWM信號(hào)自增，驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速，小車加速前進(jìn)，當(dāng)小于15cm時(shí)，PWM信號(hào)自減，驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速，小車減速前進(jìn)，并且小車采取相應(yīng)的避障措施。這里探測(cè)裝置必不可少，因?yàn)榧t外在距離檢測(cè)方面的準(zhǔn)確定位。所以采用紅外線傳感器作為探測(cè)裝置。運(yùn)用單片機(jī)搭建控制電路，把紅外信號(hào)接到單片機(jī)上，通過(guò)單片機(jī)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)和處理，控制外圍電路使小車轉(zhuǎn)向，來(lái)避開(kāi)障礙物。通過(guò)H橋驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和前進(jìn)。

在這里我們采用STC89C52作為控制電路，把兩個(gè)紅外信號(hào)接到單片機(jī)上，通過(guò)單片機(jī)對(duì)信號(hào)的接收和處理，控制外圍電路使小車轉(zhuǎn)向，來(lái)避開(kāi)障礙物。通過(guò)H橋驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和前進(jìn)。通過(guò)為微控制芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足小車的運(yùn)行和避障的需求。也可以通過(guò)編寫(xiě)不同的程序，增加模塊來(lái)增加小車的功能。

本小車使用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，它通過(guò)紅外線傳感器獲知前方的障礙物情況，若不存在障礙物，小車直線前進(jìn)；若左前方發(fā)現(xiàn)障礙物，左前放的紅外傳感器將信號(hào)傳給單片機(jī)，單片機(jī)作出處理后控制小車向右轉(zhuǎn)彎以躲開(kāi)障礙物；若右前方發(fā)現(xiàn)障礙物，右前放的紅外傳感器將信號(hào)傳給單片機(jī)，單片機(jī)作出處理后控制小車向左轉(zhuǎn)彎以躲開(kāi)障礙物；若正前方發(fā)現(xiàn)障礙物，則兩個(gè)紅外傳感器將信號(hào)傳給單片機(jī)，單片機(jī)作出處理后控制小車倒車至合適距離后，通過(guò)傳感器傳來(lái)的信號(hào)決定轉(zhuǎn)彎方向，以躲開(kāi)障礙物。

2-1.總體設(shè)計(jì)

通過(guò)學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)資料可了解到，紅外檢測(cè)模塊是系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，紅外檢測(cè)方案的好壞直接關(guān)系到整體性能的優(yōu)劣，因此確定紅外檢測(cè)方案是總體方案的關(guān)鍵。

檢測(cè)使用的紅外傳感器是專業(yè)的紅外避障傳感器，當(dāng)有障礙物時(shí)，它能夠反映出電平高低的變化，而且更加廉價(jià)易得，適合簡(jiǎn)單的避障。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方框圖如圖所示。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，系統(tǒng)包括以下模塊：STC89C52主控模塊、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、紅外檢測(cè)模塊等。

各模塊作用如下：

1.     STC89C52主控模塊，作為整個(gè)智能小車的“大腦”，將根據(jù)傳感器的信號(hào)，控制算法做出控制決策，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)等完成對(duì)智能小車的控制。

2.     電源模塊，為整個(gè)系統(tǒng)提供合適而又穩(wěn)定的電源。

3.     紅外檢測(cè)模塊，檢測(cè)障礙信號(hào)，為單片機(jī)提供前方道路信息。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)完成智能車的加減速和轉(zhuǎn)向控制。

小車的車體是整個(gè)智能小車的載體，在這個(gè)載體上，添加合適的控制單元以實(shí)現(xiàn)智能化，因此這個(gè)小車車體需要符合相關(guān)的設(shè)計(jì)要求。我們有以下兩種方案可以考慮：

方案1：

市場(chǎng)上存在很多不同型號(hào)的電動(dòng)玩具小車，這種小車都有完整的車體和車輪以及電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路。但是這種小車存在很多的缺點(diǎn)，由于是成品電動(dòng)玩具車，一般都是裝配緊湊，要想在其才車體上安裝用于檢測(cè)的傳感器十分困難。還有就是這種小車一般采用的都是前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動(dòng)的模式，不能方便迅速的進(jìn)行原地90度或180度旋轉(zhuǎn)。而且這種電動(dòng)玩具車多為直流電機(jī)，力矩小，負(fù)載性能差，且不易調(diào)速，因此我們放棄了此方案。

方案2：

買現(xiàn)成的車模。經(jīng)過(guò)反復(fù)考慮論證，我們制定了買左右兩輪分別驅(qū)動(dòng)，后萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)向的車模方案。即左右輪分別用兩個(gè)轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的直流減速電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，后裝一個(gè)萬(wàn)向輪。這樣，當(dāng)兩個(gè)直流電機(jī)轉(zhuǎn)向相反同時(shí)轉(zhuǎn)速相同時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松的實(shí)現(xiàn)小車坐標(biāo)不變的90度和180度的轉(zhuǎn)彎。

綜上考慮，本設(shè)計(jì)選擇方案2.

     本設(shè)計(jì)為避障小車的設(shè)計(jì)，由于小車需要獨(dú)立運(yùn)行進(jìn)行避障，因此系統(tǒng)采用電池供電，我們考慮了如下幾種方案為系統(tǒng)供電。   

方案1：

采用12V蓄電池為系統(tǒng)供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。但是蓄電池的體積過(guò)于龐大，在小型電動(dòng)車上使用極為不方便。因此我們放棄了此方案。   

方案2：

采用6節(jié)1.5 V干電池共9V做電源，經(jīng)過(guò)7805的電壓變換后為單片機(jī)，傳感器供電。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證小車工作時(shí)，單片機(jī)、傳感器的工作電壓穩(wěn)定能夠滿足系統(tǒng)的要求，而且電池更換方便。

綜上所述，本設(shè)計(jì)采用方案2。

    電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊是小車運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障的實(shí)現(xiàn)方法，因此合適的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊就顯得尤為重要。我們有以下幾種方案可以考慮。   

方案1：

    利用繼電器控制電機(jī)，通過(guò)繼電器的開(kāi)關(guān)來(lái)切換小車的速度，此方案電路簡(jiǎn)單，但是其有嚴(yán)重缺點(diǎn)，就是繼電器的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，不利于小車較為精準(zhǔn)的躲避障礙，且易損壞,壽命較短,可靠性不高。     

方案2：

    利用電阻或者電位器控制電機(jī)，電阻或電位器控制電機(jī)的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制電機(jī)速度的目的。但是，數(shù)字電阻元器件成本較高，且電機(jī)的電流較大，采用分壓的方法會(huì)降低效率，而且是指操作困難。   

方案3：

利用三極管控制電機(jī)，三極管控制電機(jī)的電路原理簡(jiǎn)單，而且加速性能強(qiáng)，利用功率三極管組成的H型橋式電路。如下圖所示：

H型橋式電路

用單片機(jī)控制功率三極管在占空比可調(diào)的狀態(tài)下工作，精準(zhǔn)的對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。H型橋式電路工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高，H型橋式電路保證了簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速大小和運(yùn)行方向的控制，由于電子三極管的開(kāi)關(guān)速度很快，其穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是被廣泛采用的 PWM調(diào)速技術(shù)。現(xiàn)市面上有很多此種芯片，我選用了L298N，L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，該驅(qū)動(dòng)芯片的工作頻率較高，而且一枚芯片可以控制兩個(gè)直流電機(jī)的運(yùn)行，還具有控制使能端。利用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能可靠?jī)?yōu)良。

    因此本設(shè)計(jì)選用方案3。

電機(jī)模塊

本系統(tǒng)為智能自動(dòng)巡航電動(dòng)車，對(duì)于電動(dòng)車來(lái)說(shuō)，其驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的選擇就顯得十分重要。我們綜合考慮了一下兩種方案。   

方案1：

    采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成。驅(qū)動(dòng)單元與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接耦合，也可理解成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)微機(jī)控制器的功率接口。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但用好步進(jìn)電機(jī)實(shí)非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。且步進(jìn)電機(jī)輸出力矩低，轉(zhuǎn)速升高力矩會(huì)下降，在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于有特定速度要求的系統(tǒng)。綜合比較考慮，我們放棄了此方案。     

方案2：

采用直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生大扭力。能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，因此本設(shè)計(jì)選擇此方案。

檢測(cè)模塊，是小車自動(dòng)避障的“眼睛”，它的存在至關(guān)重要，它為單片機(jī)提供障礙信號(hào)，為小車的運(yùn)行提供參考數(shù)據(jù)。檢測(cè)的方法很多，比如超聲波檢測(cè)、紅外線檢測(cè)等，綜合考慮，紅外線線檢測(cè)更加實(shí)用，因此我們采用紅外線檢測(cè)，市場(chǎng)上有現(xiàn)成的紅外E18-D50NK光電開(kāi)關(guān)，完全符合我們本次設(shè)計(jì)的要求，且使用簡(jiǎn)單，因此我們采用這種紅外避障傳感器作為檢測(cè)模塊。

經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，最終確定如下方案。

1、車模用兩驅(qū)車模。

2、采用STC89C52單片機(jī)作為主控制器。

用6節(jié)干電池供電。

4、用紅外E18-D50NK光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行避障巡航。

L298N作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。

主控制最小系統(tǒng)電路圖。如圖所示：

：

主控制最小系統(tǒng)電路圖

單片機(jī)的復(fù)位電路與振蕩電路設(shè)計(jì) ：

本系統(tǒng)采用STC系統(tǒng)列單片機(jī)，相比其他系列單片機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)。一般STC單片機(jī)資源比其他單片機(jī)要多，而且執(zhí)行速度快；STC系列單片機(jī)使用串口對(duì)單片機(jī)進(jìn)行燒寫(xiě)，下載程序較為方便；STC51單片機(jī)內(nèi)部集成了看門(mén)狗電路；且具有很強(qiáng)抗干擾能力。

    單片機(jī)的置位和復(fù)位，都是為了把電路初始化到一個(gè)確定的狀態(tài)，一般來(lái)說(shuō)，單片機(jī)復(fù)位電路作用是把一個(gè)例如狀態(tài)機(jī)初始化到空狀態(tài)，而在單片機(jī)內(nèi)部，復(fù)位的時(shí)候單片機(jī)是把一些寄存器以及存儲(chǔ)設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的一個(gè)值。      單片機(jī)復(fù)位電路原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳RST上外接電阻和電容，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上時(shí)復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時(shí)間必須大于單片機(jī)的兩個(gè)機(jī)器周期。具體數(shù)值可以由RC電路計(jì)算出時(shí)間常數(shù)。      

復(fù)位電路由上電復(fù)位和上電與按鍵均有效的復(fù)位兩種基本形式。  

上電復(fù)位要求接通電源后，單片機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。上電瞬間RST引腳獲得高電平，隨著電容器的充電，RST引腳的高電平將逐漸下降。RST引腳的高電平只要能保持足夠的時(shí)間（2個(gè)機(jī)器周期），單片機(jī)就可以進(jìn)行復(fù)位操作。

上電與按鍵均有效復(fù)位其原理和上電復(fù)位基本相同，另外在單片機(jī)運(yùn)行期間，還可以利用按鍵完成復(fù)位操作。

本系統(tǒng)采用上電與按鍵均有效的復(fù)位電路，如下圖所示：

復(fù)位電路圖

    單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快，單片機(jī)執(zhí)行的所有指令都要依賴于這種時(shí)鐘頻率。  

  一般工作條件下，普通晶振頻率絕對(duì)精度一般可達(dá)百萬(wàn)分之五十。高級(jí)晶振頻率的精度更高。壓控振蕩器（VCO）可以在外加電壓的作用下于一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。  

    單片機(jī)晶振是為了給系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。一般情況下一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，以便于各部分保持同步。在部分特殊情況下使用不同的晶振，但是要通過(guò)電子調(diào)整頻率的方法保持同步。  

    晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)，可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來(lái)提供。  

STC89C52使用11.0592MHz的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機(jī)內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個(gè)晶振和兩個(gè)容量在15pF至50pF之間的電容即可，如圖所示。

振蕩電路

由于單片機(jī)P0口內(nèi)部不含上拉電阻，為高阻態(tài)，不能正常地輸出高/低電平，因而該組I/O口在使用時(shí)必須外接上拉電阻。

  電源部分的設(shè)計(jì)主要采用7805芯片，使用7805芯片搭建的電路的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、實(shí)用，7805三端穩(wěn)壓IC內(nèi)部電路具有過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)功能，這使它的性能很穩(wěn)定。能夠?qū)崿F(xiàn)1A以上的輸出電流。器件具有良好的溫度系數(shù)，因此產(chǎn)品的應(yīng)用范圍很廣泛，而且價(jià)格便宜。并且完全能夠滿足壁障小車單片機(jī)控制系統(tǒng)和L298N芯片的邏輯供電的供電需要。

7805芯片有3個(gè)引腳，分別為輸入IN端、輸出OUT端和接地GND端，通常情況下可以提供1.5A的電流，在散熱足夠的情況下可以提供大于1.5A的電流。7805芯片的輸入電壓可以為9V、12V、15V不等，輸出電壓穩(wěn)定在5V，正負(fù)誤差不超過(guò)0.2V。

基于這樣的情況再結(jié)合電機(jī)的工作電壓，選取了6節(jié)干電池9V作為7805的輸入電源，搭建的電源部分電路如下圖所示：

系統(tǒng)電源模塊電路圖

電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般采用H橋式驅(qū)動(dòng)電路，L298N內(nèi)部集成了H橋式驅(qū)動(dòng)電路，從而可以采用L298N電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過(guò)單片機(jī)給予L298N電路PWM信號(hào)來(lái)控制小車的速度，起停。其引腳圖如圖所示，驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖所示：

L298N芯片引腳圖

驅(qū)動(dòng)電路原理圖

E18-D50NK光電開(kāi)關(guān)避障模塊

本系統(tǒng)對(duì)障礙物的檢測(cè)采用E18-D50NK型號(hào)的紅外傳感器，E18-D50NK傳感器是一種紅外線反射式接近開(kāi)關(guān)傳感器，用于物體的反射式檢測(cè)，該傳感器具有體積小，功耗低，應(yīng)用方便，穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。輸出信號(hào)為數(shù)字量，不需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，可直接與單片機(jī)的I/O口相連，檢測(cè)到目標(biāo)時(shí)信號(hào)線輸出是低電平，正常狀態(tài)時(shí)為高電平，為能讓單片機(jī)正常檢測(cè)，在信號(hào)輸出端需外接一個(gè)1KΩ上拉電阻。檢測(cè)距離可達(dá)50cm，距離可通過(guò)可調(diào)電位器調(diào)節(jié)。

E18-D50NK光電開(kāi)關(guān)

光電開(kāi)關(guān)E18-D50NK的技術(shù)參數(shù):

1、 輸出電流 DC/SCR/繼電器 Control output：100mA/5V供電     

2、 消耗電流 DC<25mA     

3、 響應(yīng)時(shí)間 <2ms

4、 指向角：≤15°,有效距離3-50CM可調(diào)     

5、 檢測(cè)物體：透明或不透明體     

6、 工作環(huán)境溫度：-25℃~+55℃

7、 標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)物體：太陽(yáng)光10000LX以下 白熾燈3000LX以下     

8、 外殼材料：塑料 電氣特性：      U:5VDC      I:100mA      Sn:3-50CM 尺寸：

     直徑:17MM             傳感器長(zhǎng)度:45MM         引線長(zhǎng)度:45CM

光電開(kāi)關(guān)工作原理圖

E18-D50NK紅外光電開(kāi)關(guān)發(fā)射出紅外線，被物體阻斷或部分反射，E18-D50NK內(nèi)部紅外接收管接收到反射回來(lái)的紅外線，然后有一個(gè)由高到低的電壓變化，E18-D50NK內(nèi)部電壓比較器根據(jù)這個(gè)電壓的變化輸出數(shù)電信號(hào)給單機(jī)處理。當(dāng)有光線反射回來(lái)時(shí)E18-D50NK信號(hào)腳輸出低電平。

紅外光電傳感器安裝圖

本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)兩個(gè)減速電機(jī)，分別置于車體兩端控制左右車輪；后輪使用萬(wàn)向輪，維持車身平衡；E18-D50NK紅外光電開(kāi)關(guān)置于車體前方左右兩邊；電池盒置于主板下方。小車車體設(shè)計(jì)如圖所示：