红外避障小车课程设计报告.doc

前 言
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随着生产自动化的发展需要，机器人已经越来越广泛地应用到生产自动化上，随着科学技术的发展，机器人的传感器种类也越来越多，其中红外传感器已经成为自动行走和驾驶的重要部件。
红外的典型应用领域为自主式智能导航系统，机器人要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，感知障碍物相称给机器人一个视觉功能。智能避障是基于红外传感系统，采用红外传感器实现前方障碍物检测，并判断障碍物远近。
由于时间和水平有限，我们暂选最基本的避障功能作为本次设计的目的。
本设计通过小车这个载体再结合由AT89S51为核心的控制板可以达成其基本功能，再辅加由漫反射式光电开关组成的避障电路、555组成的转速控制电路、电源电路、差分驱动电路就可以完善整个设计。

目录
前言 ------------------------------------------------------------------------------1
目录 -------------------------------------------------------------------------2
摘要 ------------------------------------------------------------------------------3
功能概述 ------------------------------------------------------------------------3
硬件设计 ------------------------------------------------------------------------3
避障电路 --------------------------------4
单片机电路 ---------------------------------------------------------------------7
电机转速控制电路 ------------------------------------------------------------7
电源电路 ------------------------------------------------------------------------8
电机驱动电路 --------------------9
主程序设计 --------------------------------------------------------------------12
小结 -----------------------------------------------------------------------------23
参考文献 -----------------------------------------------------------------------23

1.【摘 要】: 本文提出一种智能避障小车的设计方法，运用红外技术检测障碍物信息，采用AT89S51单片机进行实时控制，实现智能避障，智能小车采用后轮驱动，两轮各用一个直流电机控制，避障用的传感器采用红外漫反射式传感器。
【关键词】: 避障 光电开关 差分控制 LCD

2. 功能概述
智能小车采用前轮驱动，前轮左右两边各用一个电机驱动，分别控制两个轮子的转动从而达成转向的目的，后轮是万向轮，起支撑的作用。将三个红外线光电传感器分别装在车体的左中右，当车的左边的传感器检测到障碍物时，主控芯片控制右轮电机停止左轮转动，车向右方转向，当车的右边传感器检测到障碍物时，主控芯片控制左轮电机停止转动，车向左方转向，当前面有障碍物时规定车右转。于此同时测定速度并显示，在避障小车前进的同时从LCD点阵液晶显示器上显示小车当时速度。在小车左转或右转时在显示器上显示出左或右。

3．硬件设计
如下图所示，是本次设计智能小车的电路框图。以AT89S51为电路的中央解决器，来解决传感器采集来的数据，解决完毕之后以便去控制电机驱动电路来驱动电机。电源部分是为整个电路模块提供电源，以便能正常工作。

4. 避障电路
（1） 障碍物探测方案的选择 
方案一：脉冲调制的反射式红外线发射接受器。由于采用该有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；此外红外线接受官的最大工作电流取决于平均电流。假如采用占空比小的调制信号，再品均电流不变的情况下，顺势电流很大（50—100mA），则大大提高了信噪比。并且其反映灵敏，外围电路也很简朴。它的优点是消除了外界光线的干扰提高了灵敏度。
方案二：采用超声波传感器，假如传感器接受到反射的超声波，则告知单片机前方有障碍物，如则告知单片机可以向前行驶。市场上很多红外光电探头也都是基于这个原理。这样不仅能准确完毕测量，并且能避免电路的复杂性
  由以上两种方案比较可知。方案二要比方案一优势大，市场上很多红外观点探头也都基于这个原理。其电路简朴，工作可靠，性能比较稳定。从而避免了电路的复杂性，因此我先用方案二作为小车的监测系统。
避障电路采用漫反射式光电开关进行避障。光电开关是集发射头和接受头于一体的检测开关，其工作原理是根据发射头发出的光束，被障碍物反射，接受头据此做出判断是否有障碍物。当有光线反射回来时，输出低电平；当没有光线反射回来时，输出高电平。单片机根据接受头电平的高低做出相应控制，避免小车碰到障碍物，由于接受管输出TTL电平，有助于单片机对信号的解决。
光电开关工作原理：
光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。
    光电开关在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接受器和检 测电路。

避障电路如下：

避障电路功能表：
传感器
避障电路输出（上升沿动作）
待执行命令
左
中
右
左转信号(P2.1)
右转信号（P2.0）
0
0
0

√
右转
0
0
1

√
右转
0
1
0

√
右转
0
1
1

√
右转
1
0
0
√

左转
1
0
1

√
右转
1
1
0
√

左转
1
1
1

前进
注解（“0”表达有障碍物； “1”表达无障碍物）
4. 单片机电路
本设计的主控芯片选择AT89S51，负责检测传感器的状态并向电机驱动电路发出动作命令。复位电路采用手动复位。
单片机电路如下：

5. 电机转速控制电路
由555时基电路构成多谐振荡器提供一个 PWM信号，通过控制该信号的占空比来实现电机调速。
阻容元件的取值初步定为图中所示。

多谐振荡器如下：
其中占空比：
q=(R1+Rx1)/(R1+R2+Rx)
周期：T=(R1+R2+Rx)Cln2

6. 电源电路
本系统所有芯片都需要+5V的工作电压，而干电池只能提供的电压为1．5V的倍数的电压，并且随着使用时间的延长，其电压会逐渐下降，则需要LM7805稳压芯片。L7805能提供300至500mA的电流，足以满足芯片供电的规定。虽然微解决器和微控制器不需要支持电路，功耗也很低，但必须要加以考虑。

电源电路拟定为：
7.电机驱动电路
  市场上用很多种类的小电压直流电动机，很方便的选择到。重要有普通电动机、和步进电动机。
    方案一：采用步进电机，步进电动机的一个显著的特点就是具有快速启动和停止能力，可以达成我们所规定的标准。假如负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就可以立即是步进电机启动或反转。其转换灵敏度比较高。正转、反转控制灵活。但是步进电机的价格比较昂贵，对于我们的现状相差太远。
    方案二：采用普通的直流电机。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便。调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转。能满足各种不容的特殊运营规定。
由于普通直流电机价格适宜，更易于购买，并且电路相对简朴，因此采用直流电机作为动力源

本设计采用差分放大驱动使电机正反转从而做到前进，左转右转。采用四个大功率晶体管组成H桥式电路，四个大功率晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制使之工作在开关状态，进而控制电机的运营。该控制电路由于四个大功率晶体管只工作在饱和与截止状态下，效率非常高，并且大功率晶体管开关的速度不久，稳定性也极强，是一种广泛采用的电路。
采用与门对两电机进行选择控制，从而实现前进、左转、右转。
驱动电路原路框图如下：

电路图如下：

注释：将圆盘12等分 半径2CM，周长4*pi .用程序设定1S内采集到的脉冲数可以转化为速度。
单位时间内前进距离 为S ,则：速度V大小为S 。

驱动状态表：
注解：（“0”代表低电平 “1”代表高电平）

电机驱动电路功能表

输入
小车状态
P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
1
1
1
1
1
0
前进
1
1
1
1
0
0
停止
1
0
0
0
1
1
左转
0
1
0
0
1
1
右转

8.　主程序流程图

源程序：
RS BIT P2.2
RW BIT P2.3
E BIT P2.4

ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 0030H
MAIN: MOV P2,#0FFH
MOV P1,#1FH ;前进
MOV TMOD,#10H
MOV R1,#0C8H
SETB TR1
TIME:MOV TH1,#0D8H
MOV TL1,#0F0H
JNB TF1,$
DJNZ R1,TIME
CLR TR1
MOV R7, #00H ;脉冲个数
MOV R1, #64H
MOV TMOD, #10H

SETB TR1
LOOP6: MOV TH1, #08H
MOV TL0, #0F0H
NEXT: MOV C, 0
JB TF1, LOOP7 ;判断TF1是否溢出
ORL C, P3.4

JNC LOOP6 ;判断C是否为1
INC R7 ;1S内出现的脉冲个数
JB TF1, LOOP7
SJMP NEXT
LOOP7: DJNZ R1, LOOP6
CLR TR1
CLR C
MOV A,R7 ;脉冲个数乘以2
ADDC A,R7
MOV R7,A
MOV A, #01H ;一个码格的弧长
MOV B, R7
MUL AB ;计算总弧长
DA A ;十进制调整
MOV R5, A

MOV A, B ;B的值给A
JNC LOOP8 ;判断十进制调整是CY有没有被置1
INC A
CLR C
LOOP8: DA A ;十进制调整
MOV R6, A
JNC LOOP9
INC 70H ;十进制调整假如CY被置1，70H赋值1
CLR C
LOOP9: MOV A, R6 ;解释R6，R5分别表达总长的高位和低位
ANL A, #0F0H ;取R6的高四位，赋给71H
SWAP A
MOV 71H, A
MOV A, R6
ANL A, #0FH ;取R6的低四位，赋给72H
MOV 72H, A
MOV A, R5
ANL A, #0F0H ;取R5的高四位，赋给73H
SWAP A
MOV 73H, A
MOV A, R5
ANL A, #0FH ;取R5的低四位，赋给74H
MOV 73H, A
/******显示前进******/
MOV SP, #50H
ACALL INIT
MOV A, 10000000B
ACALL WC51R
MOV A, "G"
ACALL WC51DDR
MOV A, "0"
ACALL WC51DDR
MOV A, " "
ACALL WC51DDR
MOV A, "A"
ACALL WC51DDR
MOV A, "H"
ACALL WC51DDR
MOV A, "E"
ACALL WC51DDR
MOV A, "A"
ACALL WC51DDR
MOV A, "D"
ACALL WC51DDR
MOV A, 11000101B
ACALL WC51R
MOV A, 70H
ACALL WC51DDR
MOV A, 71H
ACALL WC51DDR
MOV A, 72H
ACALL WC51DDR
MOV A, "."
ACALL WC51DDR
MOV A, 73H
ACALL WC51DDR
MOV A, 74H
ACALL WC51DDR

MOV C,P2.0
JC LOOP1 ;判断P2.0
MOV P1,#0FH ;停车
LCALL LOOP2
MOV P1,#32H ;右转
LCALL RIGHT
LJMP LOOP4
LOOP1:MOV C,P2.1
JC NEXT1 ;判断P2.1
MOV P1,#0FH ;停车
LCALL LOOP2
MOV P1,#31H ;左转
LCALL LEFT
LJMP LOOP4
NEXT1:LJMP MAIN
/*****停车定期*****/
LOOP2:MOV TMOD,#10H
MOV R0,#64H
SETB TR1
LOOP3:MOV TH1,#0D8H
MOV TL1,#0F0H
JNB TF1,$
DJNZ R0,LOOP3
CLR TR1
RET
/*****转向定期*****/
LOOP4:MOV TMOD,#10H
MOV R1,#0C8H
SETB TR1
LOOP5:MOV TH1,#0D8H
MOV TL1,#0F0H
JNB TF1,$
DJNZ R1,LOOP5
CLR TR1
MOV P1,#1FH ;前进
LJMP MAIN
/*****显示左转*****/
LEFT: MOV SP, #50H
ACALL INIT
MOV A, 10000000B
ACALL WC51R
MOV A, "L"
ACALL WC51DDR
MOV A, "E"
ACALL WC51DDR
MOV A, "F"
ACALL WC51DDR
MOV A, "T"
ACALL WC51DDR
RET
/*****显示右转*****/
RIGHT: MOV SP, #50H
ACALL INIT
MOV A, 10000000B
ACALL WC51R
MOV A, "R"
ACALL WC51DDR
MOV A, "I"
ACALL WC51DDR
MOV A, "G"
ACALL WC51DDR
MOV A, "H"
ACALL WC51DDR
MOV A, "T"
ACALL WC51DDR
RET

/***********初始化子程序*********/
INIT: MOV A, #00000001H ;清屏
ACALL WC51R
MOV A, #00111000B ;使用8位数据
LCALL WC51R
MOV A, #00000110B ;字符不动，光标自动右移一格
LCALL WC51R

/*****检查忙子程序*****/
F_BUSY:PUSH ACC ;保护现场
PUSH DPH
PUSH DPL
PUSH PSW
WAIT: CLR RS
SETB RW
CLR E
SETB E
MOV A, P1
CLR E
JB ACC.7,WAIT ;忙，等待
POP PSW ;不忙，恢复现场
POP DPL
POP DPH
POP ACC
ACALL DELAY
RET
/*****写入命令子程序*****/
WC51R: ACALL F_BUSY
CLR E
CLR RS
CLR RW
SETB E
MOV P1, ACC
CLR E
ACALL DELAY
RET

/*****写入数据子程序*****/

WC51DDR:ACALL F_BUSY
CLR E
SETB RS
CLR RW
SETB E
MOV P1, ACC
CLR E
ACALL DELAY
RET

/*****延时子程序*****/

DELAY: MOV R6, #5
D1: MOV R7, #248
DJNZ R7, $
DJNZ R6, D1
RET
END

9.　小结
本文提出了一种经济实用的智能小车设计方法，给出了从硬件电路设计到软件设计的一系列环节。采用了直流电机作为执行元件，E3F系列光电开关作为检测元件，AT89S51单片机作为主控芯片，完毕了小车避障功能的实现。与此同时应用LCD显示状态，本设计不仅对于了解单片机的结构、电路设计及控制功能有一定的帮助，尚有益于诱发学习单片机的爱好。

参考文献
【1】 李朝青．单片微机原理及接口技术（第三版）。 [M]北京航空航天大学出版社
【2】 阎 石. 数字电子技术基础（清华大学电子学教研组编 第五版） 高等教育出版社
【3】 康华光. 电子技术基础（第五版） 高等教育出版社
【4】 《无线电》2023年第2期 宋泽清 关于灵活避障 快速循迹
【5】 杨加国 单片机原理与应用及C51程序设计 清华大学出版社