智能寻光避障小车设计论文--大学毕业设计论文.doc

2015年吉林化工学院电子设计竞赛

智能寻光避障小车

参赛队员：刘立民 李宏达 张阵雨
指导教师： 于 军

吉林化工学院
Jilin Institute of Chemical Technology

摘要
本作品智能寻光避障小车实现了可以从发车区出发，并自动进入光源区寻找光源，在寻找光源前进的过程中可以自动避开障碍物的干扰，找到光源并可以自动启动制动装置停车；停车后还可以自动开启车前闪烁灯光，并根据灯光的闪烁频率，开启同频智能报警。在智能寻光、避障的过程中利用了安装在车前角的光电开关的检测，使小车可以成功的避开前进过程中遇到的障碍物；利用了安装在车上部的光敏二极管的检测，保证了小车的前进方向。

关键词： 寻找光源 避开障碍

摘要 I
2.3各模块方案的选择 4
2.3.1电机驱动模块 4
2.3.2障碍检测模块 5
2.3.3光源检测模块 5
第3章 系统的软件设计 6
3.1主程序流程图 6
第4章 测第1章 方案选择与论证 1
1.1车体设计与论证 1
1.2系统控制基本方案 1
1.3各模块方案的选择 2
1.3.1电机与驱动模块的选择 2
1.3.2障碍检测 2
1.3.3光源检测 3
第2章 系统的硬件设计 4
2.1系统硬件的基本组成部分 4
2.2控制器部分 4
试结果与总结 7
4.1测试方法 7
4.2测试仪器 7
4.3 测试结果 7
4.4整车测试 8
4.5总结 8

I

第1章 方案选择与论证
1.1车体设计与论证

方案一：
选择市场现成的玩具车改装，那种玩具车车体设计合理，各个部分的安装都坚实可靠，但是，缺点是该玩具车的车体车型都是固定的，要加上自定义的装置，限制较大。
方案二：
选择自己制作的小车，虽然自己做的小车功能实现上没有市场上的玩具车那样好，但是自己制作的的小车的车型可以自己设定，这样可以配合硬件的部分合理的装配。
综合考虑，选择方案二比较好。
1.2系统控制基本方案
整体设计框图

电机驱动

控
制
器

STC89C52

障碍检测
光源检测

寻光

本系统采用 ASTC89C52 作为系统控制器，它运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、成本低、体积小、技术成熟、引脚较少，实物硬件布线较简单，因此，控制其他模块时操作简单，编程也相对简单。

1.3各模块方案的选择
1.3.1电机与驱动模块的选择
方案一：采用减速小型直流电机。减速直流电机控制精度很低，虽不能准确控制电机转速，但可控制电机正转、反转、不转等动作，速度均匀性好。这已足够我们控制小车前进、拐弯、后退等简单工作，且控制简单，电源要求低，易于实现。
方案二：采用专用步进电机驱动器及与其配套的步进电机。步进电机是数字控制电机，用这种方案的控制精度（可控制角度）、效率和可靠性都很高，但价格过高、重量大、占用口资源多且控制复杂对电源要求也高，故被我们排除了。
通过以上对比，我们选择使用普通直流电机。
驱动部分，采用专用芯片 L293D 作为电动车驱动芯片。L293D 是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片 L293D 可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电动车驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。
1.3.2障碍检测
方案一：光电开关的检测距离长与接近开关等比较，光电开关的检测距离非常长，且是无接触式的，所以不会损伤检测物体，也不受检测物体的影响。
并且采用对检测对象的表面进行反射及光透过方式，不像接近开关只能对金属，还能对玻璃、塑料、木制物体、液体等各种物质进行检测。与接近开关同样，由于无机械运动，所以能对高速运动的物体进行检测。镜头免受污染后，光会散射或被遮光，所以在有活水蒸汽、尘土等较多的环境下使用的场合，需施加适当的保护装置。几乎不受一般照明光的影响，但像太阳光那样的强光直接照射受光体时，会造成误动作或损坏。
方案二：超声波模块采用现成的ＨＣ－ＳＲ０４超声波模块，该模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。 基本工作原理：采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号;模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，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。
比较之下，我们采用方案一。

1.3.3光源检测
光源探测模块是本设计中比较重要的一部分，因为要实现智能小车前进，必须先找到光源，这样才能决定小车的前进路线。该模块若处理不当直接会导致整个设计的失败，找不到光源就无法完成任务。
方案一：光敏二极管
也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。
方案二：光敏电阻
光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。但其过于灵敏，不易控制。
比较之下，我们采用方案一。

第2章 系统的硬件设计
2.1系统硬件的基本组成部分
1、单片机最小系统板
2、电机驱动
3、障碍检测模块
4、光源检测模块
2.2控制器部分
系统的核心部分是STC89C52单片机，作为核心控制部分，该单片机的IO已经足够了，并且由于其功耗低、成本低、体积小、技术成熟、引脚较少，实物硬件布线较简单。
2.3各模块方案的选择
2.3.1电机驱动模块

考虑到小车必须能够前进、倒退、停止，并能灵活转向，在左右两轮各装一个电机分别进行驱动。当左轮 电机转速高于右轮电机转速时小车向右转，反之则向左转。为了能控制车轮的转速，可以采取PWM调速法， 在单片机中编程改变输出方波的占空比就可以改变加到电机上的平均电压，从而可以改变电机的转速。左右轮两个电机转速的 配合就可以实现小车的前进、倒退、转弯等功能。
2.3.2障碍检测模块
在障碍检测部分，采用了PMM18-A301NA光电开关来检测障碍，这是一种集发射与接收于一体的光电传感器，主要用于障碍物的检测。对障碍物的感应距离可以根据要求通过后部的旋钮进行调节。这样的障碍检测系统保证的对障碍的准确检测。

2.3.3光源检测模块
利用光敏二极管工作时加有反向电压，没有光照时，其反向电阻很大，只有很微弱的反向饱和电流。当有光照时，就会产生很大的反向电流，光照越强，该亮电流就越大。

第3章 系统的软件设计
3.1主程序流程图
系统的软件流程图如下所示：

避障子程序流程图：

- 7 -

第4章 测试结果与总结
4.1测试方法
完全按照要求模拟试验环境，在地板上设置测试场地（2m×2m），光源在离小车大约1.5m的固定位置摆放，小车前进方向上随机放置三个障碍物。
4.2测试仪器
万用表、白炽灯、螺丝刀等 。
4.3 测试结果
1、寻光检测部分测试
调节光敏二极管即可设定检测光源的方位

光敏二极管位置
光源与光敏二极管的距离
(m)
小车行走方向
中
1
直走
左
2
左转
右
3
右转

2 、红外避障检测
红外避障传感器检测障碍物设定距离为8cm。
红外检测障碍则尽量灵敏。
3、测试中追光避障情况

次数
小车离光源的距离
（m）
追光避障是否成功
1
2
是
2
3
是
即在有障碍有避障，然后寻光，最后在光强一定值时停车。
4、光强检测
光敏电阻与光源之间的距离设定为20cm。当小车停止时，距光源20cm。
4.4整车测试
智能寻光避障小车在调试过程中符合题意要求，并能完成基本部分和发挥部分。避障，寻光虽然有时有点小失误，但总的成功率很高。

4.5总结
在制作智能寻光避障小车的过程中，小车以AT89S52最小系统为控制中心，加上电源、电机驱动，障碍检测模块、光电检测模块、电机驱动模块。经过反复的调试，实现软件与硬件的融合，使智能寻光避障小车能够成功地实现避开障碍物、寻找光源并前进。在这几天中我们不断对硬件和软件的调试，比如硬件的光电检测的测试，避障的距离设定，光源的定位等，软件中转弯的考虑，寻光的方案等.。最终的结果还是很好的。