基本信息
- 項目名稱：
- 多功能智能小車
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 所設(shè)計的多功能智能小車是采用普通的小車底盤、紅外光電傳感器、超聲波傳感器、紅外解碼器、液晶顯示器、步進電機以及直流電機相結(jié)合，以AT89C52單片機作為主控的智能小車。小車主控系統(tǒng)中所采用的AT89C52單片機是8位單片機中的經(jīng)典產(chǎn)品，具有結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛以及片內(nèi)ROM比較大等特點。
- 詳細介紹：
- 紅外尋跡模塊 超聲波導(dǎo)航模塊 紅外遙控模塊 驅(qū)動模塊 顯示模塊 電源模塊 （二）、系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計 智能小車實物圖，如圖1所示。 圖1 智能小車實物圖 2.1智能小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2。 圖2智能小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 2.2主控模塊 單片機芯片的選擇方案和論證： 方案一:采用AT89S51芯片作為硬件核心，內(nèi)部具有4KB ROM 存儲空間,能于3V的超低壓工作,而且與MCS-51系列單片機完全兼容,但是運用于電路設(shè)計中時由于不具備ISP在線編程技術(shù)，所以在對電路進行調(diào)試時，由于程序的錯誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r，對芯片的多次拔插會對芯片造成一定的損壞。 方案二:采用STC89C52芯片,STC89C52是一種低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，具有8K的可編程Flash存儲器。同樣具有AT89S51的功能，且具有在線編程可擦除技術(shù)，當(dāng)對電路進行調(diào)試時，由于程序的錯誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r，不需要對芯片多次拔插，所以不會對芯片造成損壞。 通過以上對比，采用STC89C52作為主控制系統(tǒng)核心。單片機最小系統(tǒng)電路原理圖如圖3所示。 圖 3 單片機最小系統(tǒng)電路原理圖 2.3尋跡模塊 智能小車尋跡控制示意圖如圖4所示，機器人采用前輪驅(qū)動后輪從動的三輪行走方式。車體前部兩輪均為主動輪，由兩個直流減速電機驅(qū)動，利用PWM來控制電機的轉(zhuǎn)速，從而控制智能小車的運動方向；后輪為從動萬向輪，僅起著平衡車體的作用。小車底盤前部下方以車體中心線為軸線對稱放置著3個自制的紅外光電傳感器，作為機器人的尋跡傳感器。 圖4 智能小車尋跡的場地中除了所要尋跡的黑線，其他區(qū)域均為白色。當(dāng)紅外光電傳感器在黑線正上方時光線被吸收，光線無返回，些時該傳感器輸出“1”；當(dāng)紅外光電傳感器在白色區(qū)域上方時光線被返回，些時該傳感器輸出“0”，所以通過三個傳感器輸出的值的不同組合來控制小車的轉(zhuǎn)向。 理論上3個傳感器輸出的組合狀態(tài)會有8種，真值表如表1。每一種組合狀態(tài)都對應(yīng)著一種機器人下一步的行走動作，共有前進、左轉(zhuǎn)、快速左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、快速右轉(zhuǎn)、原地旋轉(zhuǎn)、停止7種動作。 智能小車尋跡功能表 傳感器 小車運動 狀態(tài) 直流電機轉(zhuǎn)速 左 中 右 左 右 0 1 0 前進 1.0 1.0 0 0 1 右轉(zhuǎn) 1.0 0.6 0 0 0 快速右轉(zhuǎn) 1.0 0.2 1 0 0 左轉(zhuǎn) 0.6 1.0 0 0 0 快速左轉(zhuǎn) 0.2 1.0 0 1 1 右轉(zhuǎn)90度 1.0 -1.0 1 1 0 左轉(zhuǎn)90度 -1.0 1.0 1 0 1 / / / 注：“+”指車輪向前運動，“-”表示車輪向后運動，“/”表示此種情況在實際情況中不會出現(xiàn)，“1．0”、“0．6”、“0.2”指的是控制相應(yīng)電機轉(zhuǎn)速的PWM波的占空比，可根據(jù)實際需要在程序中修改。 當(dāng)左中右三個傳感器都輸出“0”時，此時小車的運動狀態(tài)與前一運動狀態(tài)有關(guān)。 表1 傳感器輸出組合狀態(tài)真值表 經(jīng)過實測，本智能小車可尋跡直線、小彎道、大彎道以及直角彎道。當(dāng)智能小車對黑線的偏離量比較小時，小車運動狀態(tài)使用表1中的“右轉(zhuǎn)/左轉(zhuǎn)”，即兩個車輪一個向前緩慢轉(zhuǎn)動，一個向前全速轉(zhuǎn)動。當(dāng)智能小車對黑線的偏離量比較大時，小車運動狀態(tài)使用表1中的“快速右轉(zhuǎn)/快速左轉(zhuǎn)”，即兩個驅(qū)動輪一個向前非常緩慢轉(zhuǎn)動，一個向前全速運動，這樣能迅速實現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)彎。當(dāng)遇到直角彎道時，兩個車輪一個全速向前轉(zhuǎn)動，一個全速向后轉(zhuǎn)動。 驅(qū)動電路原理圖如圖5所示。 圖5 驅(qū)動電路原理圖 2.4超聲波導(dǎo)航模塊 作為尋跡機器人的“眼睛”，選擇合適的傳感器是關(guān)鍵。 方案一、紅外光電傳感器。紅外光電傳感器由1個紅外發(fā)射管和1個光敏二極管組成。工作時，紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外光被被測表面反射回來，光敏二極管接收被反射光。由于被測表面的材質(zhì)不同，反射率也不一樣。當(dāng)被測表面為白色時，反射光較強，光敏二極管將導(dǎo)通；反之，被測表面為黑色時，光敏二極管將截止。不足之處是容易受外界環(huán)境光照、被測物體的反光程度等因素干擾，只能感應(yīng)是否有障礙物，不能測得小車離障礙物的距離，并且感應(yīng)距離比較短。優(yōu)勢是體積小、價格低、數(shù)據(jù)處理簡單。 方案二、超聲波傳感器。超聲波傳感器包括超聲波發(fā)射裝置和接收裝置兩部分。常用的超聲波傳感器有壓電式超聲波傳感器和磁致式超聲波傳感器兩種。本智能小車采用壓電式超聲波傳感器，它主要由發(fā)射探頭和接收探頭兩部分組成，它們都是利用壓材料的壓電效應(yīng)進行工作的。超聲波傳感器通過若干外圍電路與單片機聯(lián)接。超聲波沿路模塊可提供2cm到400cm的非接觸式距離感應(yīng)功能，通過溫度補償測距精度可過3mm。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。如圖6所示，VCC接5V電源，GND接地，TRIG為觸發(fā)控制信號輸入端，ECHO為回響信號輸出端?；竟ぷ髟恚翰捎肐/O口TRIG觸發(fā)測距，到少給10us高電平信號；模塊將自動發(fā)送8個80KHZ的方波，并自動檢測是否有信號返回；如果有信號返回通過ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，測距距離＝（高電平時間×聲速）/2。 通過以上比較，選用超聲波傳感器作為測距傳感器。 圖6 2.5紅外遙控模塊 家中許多的電器產(chǎn)品都有遙控的功能，例如電視機、錄像機、VCD、空調(diào)等家電產(chǎn)品，它們都是以紅外遙控的方式進行遙控。 2.5.1紅外遙控的發(fā)射/接收與解碼 紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大部分組成，應(yīng)用編/解碼專用集成電路芯片來進行控制操作。發(fā)射部分包括鍵盤矩陣、編碼調(diào)制、LED紅外發(fā)送器；接收部分包括光、電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路。 紅外發(fā)射器采用普通的車載MP3遙控器，其優(yōu)點是體積小，便于攜帶。 紅外接收器采用常用的一體化紅外接收頭，如圖7所示。內(nèi)部電路包括紅外監(jiān)測二極管，放大器，限副器，帶通濾波器，積分電路，比較器等。紅外監(jiān)測二極管監(jiān)測到紅外信號，然后把信號送到放大器和限幅器，限幅器把脈沖幅度控制在一定的水平，而不論紅外發(fā)射器和接收器的距離遠近。交流信號進入帶通濾波器，帶通濾波器可以通過30khz到60khz的負載波，通過解調(diào)電路和積分電路進入比較器，比較器輸出高低電平，還原出發(fā)射端的信號波形。 圖7 紅外接收頭 2.52遙控碼特征 采用脈寬調(diào)制的串行碼，以脈寬為0.565ms、間隔0.56ms、周期為1.125ms的組合表示二進制的“0”；以脈寬為0.565ms、間隔1.685ms、周期為2.25ms的組合表示二進制的“1”，其波形如圖8所示。 圖8 遙控信號波形 上述“0”和“1”組成的32位二進制碼經(jīng)38kHz的載頻進行二次調(diào)制以提高發(fā)射效率，達到降低電源功耗的目的。然后再通過紅外發(fā)射二極管產(chǎn)生紅外線向空間發(fā)射。 遙控編碼是連續(xù)的32位二進制碼組，其中前16位為用戶識別碼，能區(qū)別不同的電器設(shè)備，防止不同機種遙控碼互相干擾。后16位為8位操作碼（功能碼）及其反碼。 遙控器在按鍵按下后，周期性地發(fā)出同一種32位二進制碼，周期約為108ms。一組碼本身的持續(xù)時間隨它包含的二進制“0”和“1”的個數(shù)不同而不同，大約在45～63ms之間。 紅外解碼程序主要工作為等待紅外線信號出現(xiàn)，并跳過引導(dǎo)信號，開始收集連續(xù)32位的表面數(shù)據(jù)，存入內(nèi)存的連續(xù)空間。位信號解碼的原則是：以判斷各個位的波寬信號來決定高低信號。位解碼原理如下： 解碼為“0”：低電平的寬度0.56ms+高電平的寬度0.56ms。 解碼為“1”：低電平的寬度1.68ms+高電平的寬度0.56ms。 2.6驅(qū)動模塊 驅(qū)動模塊的主要功能就是執(zhí)行智能小車主控模塊向其發(fā)出的運動控制命令。 2.6.1電機驅(qū)動芯片的選擇 此模塊的主要作用的驅(qū)動直流電機，讓直流電機帶動車輪，從而達到小車行進的目地。由于小車重量比較大，所以需要給直流電機較大的驅(qū)動電流。在此選用較常用的直流電機驅(qū)動芯片L298N。L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，輸出電壓最高可達50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的I/O口提供信號，而且?guī)в惺鼓芏?，方便PWM調(diào)速，電路簡單，性能穩(wěn)定，使用比較方便。L298N芯片可以驅(qū)動兩個二相電機，也可以驅(qū)動一個四相電機。恰好符合本智能小車兩個直流電機的驅(qū)動要求。 驅(qū)動模塊的電路圖如圖9。 圖9 驅(qū)動模塊電路 2.6.2電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié) 如圖9，ENA、ENB分別為兩個電機的使能端，在使能端輸入PWM信號，改變波形的占空比即可改變電機的轉(zhuǎn)動速度。 2.7顯示模塊 方案1：采用數(shù)碼管顯示 數(shù)碼管完全可用來顯示數(shù)字，且數(shù)碼管亮度大，夜間觀測比較方便，所以數(shù)碼管在一般場合是首選，但是數(shù)碼管只能顯示數(shù)字，發(fā)揮的空間比較窄。所以不采用此方案。 方案2：采用LCD1602液晶顯示 用LCD1602顯示器件，可以顯示小車行駛的方向，障礙物的距離等，顯示功能強大，提供的信息非常直觀，故采用此方案。 2.8電源模塊 本系統(tǒng)需要5V、9V兩種電壓。其中電機驅(qū)動芯片L298N同時需要9V與5V兩種電壓，其它模塊5V電壓值即可。如果用同一電源給整個系統(tǒng)供電，電機運行后會對整個系統(tǒng)的電流有較大影響，系統(tǒng)的抗干擾性能將大大降低。為加強系統(tǒng)的抗干擾性，主控模塊與其它模塊分別用不同的電源供電。方案如下： 2.8.1主控模塊供電方案 單片機所需電壓為5V，可利用4節(jié)電池串聯(lián)并通過LM7805降壓至5V。 2.8.2其它模塊供電方案 采用12V可充電蓄電池，經(jīng)LM7809、LM7805穩(wěn)壓后，分別給驅(qū)動模塊、導(dǎo)航模塊、尋跡模塊以及紅外遙控模塊供電。 智能小車軟件系統(tǒng) 二、軟件系統(tǒng)的設(shè)計 2.1功能的使用 小車功能強大而使用操作簡單。只需對小車進行簡單的設(shè)置即可對小車的各種功能進行使用，小車的各種功能在遙控器上都有相應(yīng)的按鍵與之相對應(yīng)，欲使用某功能，只需按下遙控器上的相應(yīng)按鍵即可。避免了使用小車的不同功能需下載不同程序的麻煩。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 所設(shè)計的多功能智能小車是采用普通的小車底盤、紅外光電傳感器、超聲波傳感器、紅外解碼器、液晶顯示器、步進電機以及直流電機相結(jié)合，以AT89C52單片機作為主控的智能小車。小車主控系統(tǒng)中所采用的AT89C52單片機是8位單片機中的經(jīng)典產(chǎn)品，具有結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛以及片內(nèi)ROM比較大等特點。 小車主要包括以下七個模塊：主控模塊、紅外尋跡模塊、超聲波導(dǎo)航模塊、紅外遙控模塊、驅(qū)動模塊、顯示模塊、電源模塊。 STC89C52單片機 與MCS－51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容；8K字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器；128×8字節(jié)內(nèi)部RAM；32個可編程I/O口線；2個16位定時/計數(shù)器；6個中斷源；可編程串行UART通道；且具有在線編程可擦除技術(shù)。 紅外尋跡模塊 紅外光電傳感器 最大感應(yīng)距離：3cm 超聲波導(dǎo)航 模塊 超聲波傳感器 感應(yīng)距離：3cm~250cm 紅外遙控模塊 紅外遙控器、紅外接收管 有效距離：100cm 驅(qū)動模塊 電機驅(qū)動芯片L298N、直流電機 L298N：可以驅(qū)動兩個二相電機 直流電機：穩(wěn)定可靠。 顯示模塊 LCD1602 顯示轉(zhuǎn)向信息情況及測距距離 電源模塊 12V蓄電池、四節(jié)1.5V干電池 1.5V干電池：給主控模塊供電 12V蓄電池：給其它各供電 多功能智能小車的創(chuàng)新點在于以下兩個方面。
科學(xué)性、先進性
- 作品的科學(xué)性先進性：智能小車采用直流電機驅(qū)動，動力好，控制簡單。超聲波測距擁有溫度補償功能，大大提高了超聲波測距的精確性及穩(wěn)定性。超聲波測距模塊中加入步進電機來控制測距方向，克服了以往超聲波測距及其避障只能是正前方的弊端，在小車前進行方向180度的范圍內(nèi)均可進行測距，并精確導(dǎo)航。紅外遙控使小車近程遙控成為可能，硬件開銷少、成本低。 超聲波導(dǎo)航，“步進電機—超聲波傳感器”全方位導(dǎo)航與傳統(tǒng)超聲波測距及避障作比比較： 普通超聲波測距一般裝載在小車正前方，用于測距時只能測量正前方的物體離小車的距離。小車兩側(cè)的障礙物不能測量到，在進行避障智能力不是很強。在另一方面普通固定式超聲波測距模塊對周圍環(huán)境的不確定性引起小車方向性不明確，在特殊情況下會引起小車與障礙物相碰撞。在超聲波測距模塊中加入步進電機，控制超聲波測距的方向，通過對伺服電機的控制可對超聲波實現(xiàn)前方180度的測距。小車前、左、右三個方向則不會產(chǎn)生一定的盲區(qū)。大大提高了小車避障的精確性。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 未定
作品可展示的形式
- 實物，現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 該智能小車紅外探測避障的基礎(chǔ)上加入了超聲波模塊，并融入了紅外遙控模塊。不僅僅只是可遙控的，也是自主的。適應(yīng)范圍：大學(xué)電子信息類專業(yè)作為單片機的開發(fā)平臺，培養(yǎng)中小學(xué)生的課外興趣學(xué)習(xí)之用。起點相對于其它智能玩具較低，易于操作和學(xué)習(xí)，方便實用。 智能小車以其擁有獨具特色的測距模塊和極簡的紅外遙控及簡單易用的外圍電機設(shè)備。自主創(chuàng)新的技術(shù)水準。將小車與各功能探測模塊有機結(jié)合在一起。實現(xiàn)各種不同的探測及傳感功能。該智能小車在實現(xiàn)各功能模塊的簡單易學(xué)也會給消費者一個新的契機。擁有良好的市場前景和市場機遇。 項目研究展望：對智能尋跡小車的研究，加裝GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）或加裝基于Internet的接口電路，智能尋跡小車將具有更廣泛的應(yīng)用前景和使用價值，這也是我們以后研究方向。 本智能小車不僅可以作為信息類專業(yè)學(xué)生做為單片機開發(fā)的良好平臺，激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣愛好，穩(wěn)步提高學(xué)習(xí)者的水平。還可以做為玩具小車，既可以遙控又能自主導(dǎo)航，甚至語音控制的玩具小車定能得到廣大兒童的喜愛。
同類課題研究水平概述
- 當(dāng)前學(xué)界已經(jīng)存在了在功能上較為完善的小車，不僅僅只是自主行走。而且還能進行相對于普通小車更加復(fù)雜的操作?？刂菩酒膊粌H只是局限于5x系單片機，而是選擇了功能更多的avr單片機或是dsp技術(shù)作為主控模塊的主要控制器。大體實現(xiàn)的幾方面的功能如下： 一、路面檢測。主要可對地面上的情況進行相應(yīng)的探測 ，比如地面存在金屬片或其它同類型的東西。可實現(xiàn)的方案主要有采用熱控測器對路面情況進行探測，利用所接受到的紅外輻射后，會引起溫度的變化，溫度變化引起電信號輸出，且輸出的電信號與溫度成比例，從而實現(xiàn)對路面情況的判斷。還可采用光電探測器。紅外光直接把物質(zhì)外層的電子激發(fā)成功并激發(fā)。受環(huán)境影響較小。 也是現(xiàn)在最主流探測模塊。 二、小車運行終點檢測。采用計算路程的方法來控制，采用光敏電阻元件，設(shè)置終點光源。 三、智能測距及避障。主要采用超聲波。運用超聲波不容易衰減的特性，精確測量障礙物的距離，并在液晶顯示模塊上顯示出距離。設(shè)定特定的距離范圍可如同紅外一樣進行避障操作，更加精確。 四、智能溫度測量。在小車搭載溫度傳感器。在較為惡劣的環(huán)境中可使用小車對環(huán)境溫度采樣并進行測量。 五、語音識別功能。運用語音控制模塊對小車進行相關(guān)控制。小車走向時能有語音播放，這樣就能更直觀的知道小車接下來的走向了。 六、無線遙控。 七、測速、測量路面坡度。 八、用視頻采集處理裝置進行探測，使用CCD實時采集小車前進路線上的圖像并進行實時傳輸及處理，這是最精確的障礙物信息采集方案，可以對障礙物進行精確定位和測距。
