简易智能避障小车设计说明书

课程设计说明书 课 程 名 称:机电一体化综合课程设计 课 程 代 码: 学院(直属系): 学院(直属系): 学 生 姓 名: 学 成 号: 绩 : 张恕远 、 龙 宇 8245270 后备军官学院 罗 德 成 312007********* 年级/专业/ 测控技术与仪器/ 年级/专业/班:07 级/测控技术与仪器/国防 1 班 任 课 教 师 : 时 间: 实验中心名称: 实验中心名称: 国防生创新实验室 2011 年 4 月 7 日 西华大学课程设计说明书 简易智能避障小车设计 摘 要：本文对简易智能避障小车的设计过程进行了全面描述,包括主体设计 方案、各模块的硬件电路设计描述以及单片机控制程序的编写。以单片机 STC89C52 为主核心控制模块，根据红外感测模块传输的前方路面信息控制电机工 作状态进而达到控制小车行驶走向的目的，涉及硬件和软件方面的设计开发。系统 要能够做到准确及时监测前方路面信息并传输给主控模块，做到根据前方路面信息 及时调整小车的走向，达到躲避障碍物的智能行驶。 关键词： 关键词：小车，避障，单片机，红外发射接收，L293D I 西华大学课程设计说明书 目 录 前言................................................................... ................................................................ 1 前言................................................................... 1 1.1 设计背景 ........................................................... 1 1.2 设计目标 ........................................................... 1 1.3 实施计划 ........................................................... 1 ........................................................... 2 总体方案设计 ........................................................... 2 2.1 系统原理组成框图 ................................................... 2 ........................................................... 3 单元模块设计 ........................................................... 3 3.1 各单元模块硬件电路介绍 ............................................. 3 3.1.1 主控模块电路 ................................................. 3 3.1.2 红外避障模块 ................................................. 5 3.1.3 电机驱动模块 ................................................. 7 3.1.4 USB 下载模块 ................................................. 8 3.2 主控制程序设计 ..................................................... 8 3.2.1 设计思路 ..................................................... 8 3.2.2 源程序 ....................................................... 9 .............................................................. 4 系统调试 .............................................................. 10 4.1 调试过程 .......................................................... 10 4.2 调试中遇到的问题 .................................................. 10 ....... ................................................. 5 系统功能和结论 ........................................................ 11 ............................................................ 6 与体会 ............................................................ 13 致谢.................................................................. ................................................................ 7 致谢.................................................................. 14 .............................................................. 8 参考文献 .............................................................. 15 II 西华大学课程设计说明书 1 前言 设计背景 1.1 设计背景 在科学探索及紧急抢险中经常要对一些危险或人类不能直接到达的地域进行探 测，这就需要用机器人来完成。而机器人在复杂地形行进时自动避障是一项必不可少 也是最基本的功能。因此，自动避障系统的研发就应运而生。 自动避障小车就是基于这一系统开发而成的。随着科技的发展，对于未知空间和 人类所不能直接到达的地域的探索逐步成为热门，这就使机器人自动避障功能的研发 有了重大意义。 自动避障小车就是自动避障机器人中的一类。自动避障小车可以作为地域探索机 器人和紧急抢险机器人的运动系统，让机器人在行进中自动避过障碍物。 设计目标 1.2 设计目标 本设计是对以单片机 STC89C52 为核心的系统根据感测模块传输的前方路面信息控 制小车行驶走向的软、硬件设计开发。系统要能够做到准确及时监测前方路面信息并 传输给主控模块，做到根据前方路面信息及时调整小车的走向，做到显示小车的走向 和小车已经行驶过的路程。 1.3 实施计划 基于目前已经学习的专业知识和具备的软、硬件条件，我决定从以下四个方面实 现对自动避障小车的设计: (1)红外避障模块实时监测路面情况并及时传输给单片机； (2)单片机主控核心模块根据感测模块给予的信息控制小车两电机转动； (3)电机驱动模块驱动两电机转动，实现转向与行走； （4）液晶显示模块显示走向和已行驶过的路程。 第 1 页 西华大学课程设计说明书 总体方案设计 2 总体方案设计 2.1 系统原理组成框图 图 2.1 系统原理组成框图 系统主要原理是：通过红外避障模块（即感测模块）实时监测路面情况并及时传输 给单片机。由单片机主控核心模块根据感测模块给予的信息控制小车两电机转动工作 状态。电机驱动模块驱动两电机转动，实现前进与停止。而液晶显示模块显示走向和 已行驶过的路程。 第 2 页 西华大学课程设计说明书 单元模块设计 3 单元模块设计 单元模块硬件电路 硬件电路介绍 3.1 各单元模块硬件电路介绍 本系 系统主要分为四个单元模块，它们分别是单片机主控核心模块、红外避障模 块、电机驱动模块、USB 下载模块。 各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。 主控模块电路 3.1.1 主控模块电路 主控模块电路图如图 3.1 所示，下面对其做简要介绍。 （a）模块功能简介 该模块主要用于智能小车的控制和电机的驱动。主控芯片采用高校中教材所讲的 51 系列单片机 （89C52） 。驱动芯片采用外围最简洁的 L293D 芯片。可以插 1602 液晶显 示当前智能车的一些运行信息。 (b)模块原理 模块原理如图一所示。主要由 89C52 最小系统加外接插件和一些输入输出指示组 成。输入部分主要是四位的拨码开盖开关，输出部分为四个发光二极管和 1602 液晶。 为了为外接传感器和驱动芯片提供电源，在电路中加入了扩展电源的插针。 (c)模块焊接 可以对照原理图上的标号在 PCB 中的位置进行焊接，也可以对照已经焊接好的主控 板进行焊接。 (d)模块使用注意事项 此模块在使用中要使用四个发光二极管作为一些指示时必须把二极管的排阻的 VCC 端与旁边扩展的电源 VCC 焊接在一起。 注意到电机驱动 293D 的供电是和单片机供电隔离开的，并在板上引出了俩个接 口。目的是防止 293D 工作时对板上传感器的影响。建议使用分开供电。 在板上有块空区域可以自己添加一些元件如电容、电感等来达到稳定电压的作 用。 第 3 页 西华大学课程设计说明书 第 4 页 西华大学课程设计说明书 图 3.1 主控模块电路 (e)STC89C52 单片机性能优点 课堂上我们学习的是 8051 单片机，但实际应用中现在我们是不会再用 8051 单片机 了。学习 8051 单片机是学习一种方法，学习单片机的基本结构、指令。 现在单片机种类繁多，各有各的优点，结合具体情况恰当选择单片机型号也是非 常重要的，在此系统中采用 STC89C52 为主控模块芯片，选此芯片的理由是： 1.与 MCS-51 单片机完全兼容：指令兼容，引脚兼容； 2.高保密性：无法读出，因此无法解密； 3.超强抗干扰能力：电源、I/O 接口、时钟均有抗干扰措施； 4.高可靠性： 宽电压范围：不怕电源波动，5V 产品 3.4V～6V； 宽温度范围：－40℃～85℃； 5.低电磁辐射： 可禁止 ALE 输出，降低辐射； 可选 6 时钟/机器周期，降低晶振频率，降低辐射； 单片机时钟振荡器增益可设为 1/2； 6.超低功耗： 掉电模式典型功耗：≦1uA，可由外中断唤醒: 空闲模式典型功耗：2mA； 正常工作典型功耗：4 mA～7 mA； 7.可在线编程，节约投资； 8.强驱动能力，无论灌电流还是拉电流，均优于 MCS-51 单片机； 9.高速度，最高晶振达到 90MHZ; 10.内部资源更丰富，与 MCS-51 单片机相比增 加了： T2 定时/计数器； 内部数据存储器 RAM 增加了 1～8 倍； 自带 A/D 和 PWM； 有 P4 口； 3.1.2 红外避障模块 红外避障模块电路图如图 3.2 所示。 第 5 页 西华大学课程设计说明书 图 3.2 红外避障模块电路图 (a)模块功能简介 此模块用于探测模块前方的障碍物，探测障碍物的距离可以通过精密电位器调 节，探测距离最远可达一米。 (b)模块原理 如图 3.2 所示，此模块是由发射与接收部分组成。发射部分由 NE555 组成多谐振荡 器产生 38KHz 的红外光，发射频率可通过精密电位器调节，但中心频率一般在 38KHz。 接收部分是 38KHz 的一体化红外接收头，当接收到障碍物发射回来的红外光时在原理图 所示的第一引脚上返回低电平。 (c)模块焊接 焊接好的模块如图 3.3 所示。 图 3.3 焊接完成后的模块 在焊接过程中由于电阻电容封装大多是 0603 所以体积较小，因此焊接需要一定的 焊接技术基础。首先要注意每个电阻的阻值，其次最容易犯错的一点就是将 NE555 芯片 第 6 页 西华大学课程设计说明书 焊接反向弄反。最后还有一点就是发射管的正负端不能焊接反，以上事项在焊接中一 定要细心。 (d)模块使用注意事项 在使用过程中，电源中串入的干扰会影响模块功能的实现，特别是电机带给模块 的干扰，在调试车的过程中如发现在没障碍物时模块指示灯会闪亮，说明存在干扰。 在用电脑的 USB 的接口供电时也会产生干扰,建议用干电池供电。或者可以尝试在位驱 动芯片提供电源的 VCC 上串接一个电感可以减小干扰，或者自己查阅一些防干扰的措 施。在模块探测距离远近的调节时可以两个电位器配合调节。 3.1.3 电机驱动模块 为解决驱动能力和多台电动机驱动，同时兼顾元件数不能过多，近年来微型直流 电动机驱动多采用专用集成电路，其中使用 L293 驱动较为常见。L293 逻辑“0”输入 电压为 1.5V，可以免除 1.5V 以下的干扰，内置钳位二极管，支持高达 5KHz 的开关应 用，控制电源与驱动电源分开，51 单片机可直接驱动，能同时驱动二台微型直流电动 机。 本电路正反转和调速都非常方便，IN1、IN2 同电平，M1 停止，异电平两种组合对 应正反转，IN3、IN4 用于驱动 M2。调速控制既可以从电机电源 Vs 着手对二台微型直流 电动机同时处理，也能在 L293 使 E1、E2 直接调节高低电平的占空比对二台微型直流电 动机同时或分别解决。其原理图如图 3.4 所示： 第 7 页 西华大学课程设计说明书 图 3.4 电机驱动模块原理图 3.1.4 USB 下载模块 USB 下载器可以给单片机开发板供电可串口通信。具体连线是：单片机板的 VCC 和 下载器的 5V 相连；GND 和下载器的 GND（注意是靠近 5V 的 GND）相连；P3.0 和下载器 的 T 相连；P3.1 和下载器的 R 相连。如图 3.5 所示。 图 3.5 USB 下载模块 主控制程序设计 3.2 主控制程序设计 3.2.1 设计思路 我们的设计思路比较简单，通过红外检测信号触发单片机对电机进行控制，引导 小车完成避障功能。 具体来说，当小车行进过程中，如果遇到障碍，左红外检测头亮灯时，收到一个 低电平，左电机停止工作，右电机正常工作，小车左转避开障碍。 同理，右红外检测头亮灯时，收到一个低电平，右电机停止工作，左电机正常工 作，小车右转避开障碍。 第 8 页 西华大学课程设计说明书 基于此思路，我们编写了 C 语言源程序。 3.2.2 源程序 用 C 语言编写的程序如下： #include sbit P1_0 = 0x90; sbit P1_1 = 0x91; sbit P1_2 = 0x92; sbit P1_3 = 0x93; sbit P1_4 = 0x94; sbit P1_5 = 0x95; void main() { P1_0=1; P1_1=0; P1_2=1; P1_3=0; while(1) { if (P1_4==0) { P1_1=1; } else { P1_1=0; if(P1_5==0) { P1_3=1;} else { P1_3=0; } } } 第 9 页 西华大学课程设计说明书 } 4 系统调试 调试过程 4.1 调试过程 将编译好的程序下载进入单片机后，接通电源，观察小车是否按照预想的设计思 路工作，在调试过程中，发现问题，解决问题。 调试中遇到的问题 4.2 调试中遇到的问题 在调试过程中，我们也遇到了许多问题。归纳如下： 1.通过 USB 模块下载程序时，P3.0、P3.1 口的位置起初没有连接正确而导致程序 下载不成功。经过多次故障查找，正确连接之后，顺利向单片机内部烧写进程序。 2．主控模块的 VCC 与 VD 起初接反，导致不能正常供电，小车无法正常工作。 3. 电机的电源线接反，导致翻转，小车运行方向相反。 4. 采用的 4 节 1.5V 干电池供电，由于电路内部原因（降压电路工作不正常）电压 偏高，导致小车不能正常工作。但通过将电池盒内两个极短接从而用三节干电池提供 4.5V 电压后，便能够顺利实现小车的各项功能。 5.设计的时候还出现布局不合理的情况，导致尾部偏重，使小车没法正常快速的 移动，通过调整，小车的整体感变强了，比较美观大方。 6.还遇到 293D 芯片只能驱动一边轮子的情况，但通过故障排查，确定是芯片的问 题，调换一个便成功解决。 7.起初传感器只能一边工作，通过修改程序，逐步调试，顺利解决问题。 第 10 页 西华大学课程设计说明书 系统功能和结论 5 系统功能和结论 该系统的功能是实现小车的智能避障。 以单片机 STC89C52 为核心的主控系统根据感测模块（红外避障模块）传输的前方 路面信息控制小车行驶走向。系统能够做到准确及时监测前方路面信息并传输给主控 模块，并由单片机发出控制信号及时调整电机驱动模 L293D 改变电机的工作状态从而 达到控制小车运行方向的目的。 基于目前已经学习的专业知识和具备的软、硬件条件，我们自己动手装配小车的 各个组件，编写控制小车实现避障功能的 C 语言源程序，并利用 USB 下载模块烧写进单 片机内，在电源供电条件下，小车成功实现了避障功能，达到了预期的设计效果。图 5.1 为简易智能避障小车成品。 第 11 页 西华大学课程设计说明书 图 5.1 智能避障小车成品 第 12 页 西华大学课程设计说明书 6 总结与体会 通过本次机电一体化技术课程设计，我们不仅收获了亲手制作小车、编写源程序 控制小车完成避障功能之后的喜悦，也更进一步理解了机电一体化的含义。 从专业定义上来说，机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技 术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合， 并综合应用到实际中去的综合技术。 现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备。 而经历此次课程设计，我们由简易智能避障小车的功能设计切身感受到机械与电 子之间密不可分的联系。直白地说，机械离不开电子技术，电子技术也离不开机械。 电学专业要培养的是未来的电气工程师，需要具备很强的分析能力，创新能力以 及文字处理能力。这次机电一体化技术课程设计也让我收获颇丰。为了完成这次设 计，我们设计小组成员齐心协力，共同查阅了很多相关资料，也深切体会到了电子技 术发展的速度之快，以及机电一体化的巨大优越性和必要性，因此，在未来的学习和 工作中，我们也要更多地接触新的知识，不能停下学习的脚步。 作为空军国防生的我们更应该在头脑中建立起机电一体化的概念。 《2010 年中国国防白皮书》指出，“推进国防和军队现代化要着眼 2020 年基本实 现机械化并使信息化建设取得重大进展的目标，坚持以机械化为基础，以信息化为主 导，广泛运用信息技术成果，推进机械化信息化复合发展和有机融合。” 因此，完成这样的机电一体化技术课程设计有助于我们更好地明确自己电子专业 所学的知识是能够与机械技术相融合，发挥出更大的优越性的。 机电一体化技术课程设计是把理论运用于实践的过程。理论是死板的，人是灵活 的，能否处理好实际问题是对一个人能力的衡量和考验。在实践的过程中，我们不仅 提高了动手能力，也巩固了理论基础，培养了团队合作能力。 第 13 页 西华大学课程设计说明书 7 致谢 在龙宇老师和张恕远老师的悉心指导和耐心帮助下，我们完成了此次机电一体化 技术课程设计。在此，我们向两位老 老师

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关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf

达最诚挚的谢意。同时，也要向在设计过程 中给予我非常大帮助的李潇、刘聪同学表达最诚挚的感谢。设计过程中，他们的深入 浅出的讲解令我们受益良多，同时，给予了我们许多帮助和指正，使我们能够及时纠 正设计中存在的问题，并对机电一体化有了更为深入的认识和理解。同时，也对我们 团队的其他几位同学表达我最诚挚的感谢，团结的力量是无限大的，正因为大家的共 同努力，我们才能够完成好这次课程设计，我们感到由衷的自豪和高兴。 第 14 页 西华大学课程设计说明书 8 参考文献 [1] 姜培刚.机电一体化系统设计[M].北京：机械工业出版社，2004 [2] 谢自美.电子线路设计·实验·测试[M].武汉：华中科技大学出版社，2006 [3] 康华光等.电子技术基础（模拟部分）第五版[M].北京：高等教育出版社，2006 [4] 康华光等.电子技术基础（数字部分）第五版[M].北京：高等教育出版社，2006 [5] 崔葛瑾. 数字电路实验基础[M].上海：同济大学出版社，2007 第 15 页