基本信息
- 项目名称：
- 多功能智能小车
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 所设计的多功能智能小车是采用普通的小车底盘、红外光电传感器、超声波传感器、红外解码器、液晶显示器、步进电机以及直流电机相结合，以AT89C52单片机作为主控的智能小车。小车主控系统中所采用的AT89C52单片机是8位单片机中的经典产品，具有结构简单、技术成熟、应用广泛以及片内ROM比较大等特点。
- 详细介绍：
- 红外寻迹模块 超声波导航模块 红外遥控模块 驱动模块 显示模块 电源模块 （二）、系统主要硬件电路设计 智能小车实物图，如图1所示。 图1 智能小车实物图 2.1智能小车系统结构框图，如图2。 图2智能小车系统结构框图 2.2主控模块 单片机芯片的选择方案和论证： 方案一:采用AT89S51芯片作为硬件核心，内部具有4KB ROM 存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术，所以在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。 方案二:采用STC89C52芯片,STC89C52是一种低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，具有8K的可编程Flash存储器。同样具有AT89S51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。 通过以上对比，采用STC89C52作为主控制系统核心。单片机最小系统电路原理图如图3所示。 图 3 单片机最小系统电路原理图 2.3寻迹模块 智能小车寻迹控制示意图如图4所示，机器人采用前轮驱动后轮从动的三轮行走方式。车体前部两轮均为主动轮，由两个直流减速电机驱动，利用PWM来控制电机的转速，从而控制智能小车的运动方向；后轮为从动万向轮，仅起着平衡车体的作用。小车底盘前部下方以车体中心线为轴线对称放置着3个自制的红外光电传感器，作为机器人的寻迹传感器。 图4 智能小车寻迹的场地中除了所要寻迹的黑线，其他区域均为白色。当红外光电传感器在黑线正上方时光线被吸收，光线无返回，些时该传感器输出“1”；当红外光电传感器在白色区域上方时光线被返回，些时该传感器输出“0”，所以通过三个传感器输出的值的不同组合来控制小车的转向。 理论上3个传感器输出的组合状态会有8种，真值表如表1。每一种组合状态都对应着一种机器人下一步的行走动作，共有前进、左转、快速左转、右转、快速右转、原地旋转、停止7种动作。 智能小车寻迹功能表 传感器 小车运动 状态 直流电机转速 左 中 右 左 右 0 1 0 前进 1.0 1.0 0 0 1 右转 1.0 0.6 0 0 0 快速右转 1.0 0.2 1 0 0 左转 0.6 1.0 0 0 0 快速左转 0.2 1.0 0 1 1 右转90度 1.0 -1.0 1 1 0 左转90度 -1.0 1.0 1 0 1 / / / 注：“+”指车轮向前运动，“-”表示车轮向后运动，“/”表示此种情况在实际情况中不会出现，“1．0”、“0．6”、“0.2”指的是控制相应电机转速的PWM波的占空比，可根据实际需要在程序中修改。 当左中右三个传感器都输出“0”时，此时小车的运动状态与前一运动状态有关。 表1 传感器输出组合状态真值表 经过实测，本智能小车可寻迹直线、小弯道、大弯道以及直角弯道。当智能小车对黑线的偏离量比较小时，小车运动状态使用表1中的“右转/左转”，即两个车轮一个向前缓慢转动，一个向前全速转动。当智能小车对黑线的偏离量比较大时，小车运动状态使用表1中的“快速右转/快速左转”，即两个驱动轮一个向前非常缓慢转动，一个向前全速运动，这样能迅速实现大角度转弯。当遇到直角弯道时，两个车轮一个全速向前转动，一个全速向后转动。 驱动电路原理图如图5所示。 图5 驱动电路原理图 2.4超声波导航模块 作为寻迹机器人的“眼睛”，选择合适的传感器是关键。 方案一、红外光电传感器。红外光电传感器由1个红外发射管和1个光敏二极管组成。工作时，红外发射管发射的红外光被被测表面反射回来，光敏二极管接收被反射光。由于被测表面的材质不同，反射率也不一样。当被测表面为白色时，反射光较强，光敏二极管将导通；反之，被测表面为黑色时，光敏二极管将截止。不足之处是容易受外界环境光照、被测物体的反光程度等因素干扰，只能感应是否有障碍物，不能测得小车离障碍物的距离，并且感应距离比较短。优势是体积小、价格低、数据处理简单。 方案二、超声波传感器。超声波传感器包括超声波发射装置和接收装置两部分。常用的超声波传感器有压电式超声波传感器和磁致式超声波传感器两种。本智能小车采用压电式超声波传感器，它主要由发射探头和接收探头两部分组成，它们都是利用压材料的压电效应进行工作的。超声波传感器通过若干外围电路与单片机联接。超声波沿路模块可提供2cm到400cm的非接触式距离感应功能，通过温度补偿测距精度可过3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。如图6所示，VCC接5V电源，GND接地，TRIG为触发控制信号输入端，ECHO为回响信号输出端。基本工作原理：采用I/O口TRIG触发测距，到少给10us高电平信号；模块将自动发送8个80KHZ的方波，并自动检测是否有信号返回；如果有信号返回通过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，测距距离＝（高电平时间×声速）/2。 通过以上比较，选用超声波传感器作为测距传感器。 图6 2.5红外遥控模块 家中许多的电器产品都有遥控的功能，例如电视机、录像机、VCD、空调等家电产品，它们都是以红外遥控的方式进行遥控。 2.5.1红外遥控的发射/接收与解码 红外遥控系统由发射和接收两大部分组成，应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作。发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。 红外发射器采用普通的车载MP3遥控器，其优点是体积小，便于携带。 红外接收器采用常用的一体化红外接收头，如图7所示。内部电路包括红外监测二极管，放大器，限副器，带通滤波器，积分电路，比较器等。红外监测二极管监测到红外信号，然后把信号送到放大器和限幅器，限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平，而不论红外发射器和接收器的距离远近。交流信号进入带通滤波器，带通滤波器可以通过30khz到60khz的负载波，通过解调电路和积分电路进入比较器，比较器输出高低电平，还原出发射端的信号波形。 图7 红外接收头 2.52遥控码特征 采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”，其波形如图8所示。 图8 遥控信号波形 上述“0”和“1”组成的32位二进制码经38kHz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射。 遥控编码是连续的32位二进制码组，其中前16位为用户识别码，能区别不同的电器设备，防止不同机种遥控码互相干扰。后16位为8位操作码（功能码）及其反码。 遥控器在按键按下后，周期性地发出同一种32位二进制码，周期约为108ms。一组码本身的持续时间随它包含的二进制“0”和“1”的个数不同而不同，大约在45～63ms之间。 红外解码程序主要工作为等待红外线信号出现，并跳过引导信号，开始收集连续32位的表面数据，存入内存的连续空间。位信号解码的原则是：以判断各个位的波宽信号来决定高低信号。位解码原理如下： 解码为“0”：低电平的宽度0.56ms+高电平的宽度0.56ms。 解码为“1”：低电平的宽度1.68ms+高电平的宽度0.56ms。 2.6驱动模块 驱动模块的主要功能就是执行智能小车主控模块向其发出的运动控制命令。 2.6.1电机驱动芯片的选择 此模块的主要作用的驱动直流电机，让直流电机带动车轮，从而达到小车行进的目地。由于小车重量比较大，所以需要给直流电机较大的驱动电流。在此选用较常用的直流电机驱动芯片L298N。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的I/O口提供信号，而且带有使能端，方便PWM调速，电路简单，性能稳定，使用比较方便。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机。恰好符合本智能小车两个直流电机的驱动要求。 驱动模块的电路图如图9。 图9 驱动模块电路 2.6.2电机转速的调节 如图9，ENA、ENB分别为两个电机的使能端，在使能端输入PWM信号，改变波形的占空比即可改变电机的转动速度。 2.7显示模块 方案1：采用数码管显示 数码管完全可用来显示数字，且数码管亮度大，夜间观测比较方便，所以数码管在一般场合是首选，但是数码管只能显示数字，发挥的空间比较窄。所以不采用此方案。 方案2：采用LCD1602液晶显示 用LCD1602显示器件，可以显示小车行驶的方向，障碍物的距离等，显示功能强大，提供的信息非常直观，故采用此方案。 2.8电源模块 本系统需要5V、9V两种电压。其中电机驱动芯片L298N同时需要9V与5V两种电压，其它模块5V电压值即可。如果用同一电源给整个系统供电，电机运行后会对整个系统的电流有较大影响，系统的抗干扰性能将大大降低。为加强系统的抗干扰性，主控模块与其它模块分别用不同的电源供电。方案如下： 2.8.1主控模块供电方案 单片机所需电压为5V，可利用4节电池串联并通过LM7805降压至5V。 2.8.2其它模块供电方案 采用12V可充电蓄电池，经LM7809、LM7805稳压后，分别给驱动模块、导航模块、寻迹模块以及红外遥控模块供电。 智能小车软件系统 二、软件系统的设计 2.1功能的使用 小车功能强大而使用操作简单。只需对小车进行简单的设置即可对小车的各种功能进行使用，小车的各种功能在遥控器上都有相应的按键与之相对应，欲使用某功能，只需按下遥控器上的相应按键即可。避免了使用小车的不同功能需下载不同程序的麻烦。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 所设计的多功能智能小车是采用普通的小车底盘、红外光电传感器、超声波传感器、红外解码器、液晶显示器、步进电机以及直流电机相结合，以AT89C52单片机作为主控的智能小车。小车主控系统中所采用的AT89C52单片机是8位单片机中的经典产品，具有结构简单、技术成熟、应用广泛以及片内ROM比较大等特点。 小车主要包括以下七个模块：主控模块、红外寻迹模块、超声波导航模块、红外遥控模块、驱动模块、显示模块、电源模块。 STC89C52单片机 与MCS－51产品指令系统完全兼容；8K字节可重擦写Flash闪速存储器；128×8字节内部RAM；32个可编程I/O口线；2个16位定时/计数器；6个中断源；可编程串行UART通道；且具有在线编程可擦除技术。 红外寻迹模块 红外光电传感器 最大感应距离：3cm 超声波导航 模块 超声波传感器 感应距离：3cm~250cm 红外遥控模块 红外遥控器、红外接收管 有效距离：100cm 驱动模块 电机驱动芯片L298N、直流电机 L298N：可以驱动两个二相电机 直流电机：稳定可靠。 显示模块 LCD1602 显示转向信息情况及测距距离 电源模块 12V蓄电池、四节1.5V干电池 1.5V干电池：给主控模块供电 12V蓄电池：给其它各供电 多功能智能小车的创新点在于以下两个方面。
科学性、先进性
- 作品的科学性先进性：智能小车采用直流电机驱动，动力好，控制简单。超声波测距拥有温度补偿功能，大大提高了超声波测距的精确性及稳定性。超声波测距模块中加入步进电机来控制测距方向，克服了以往超声波测距及其避障只能是正前方的弊端，在小车前进行方向180度的范围内均可进行测距，并精确导航。红外遥控使小车近程遥控成为可能，硬件开销少、成本低。 超声波导航，“步进电机—超声波传感器”全方位导航与传统超声波测距及避障作比比较： 普通超声波测距一般装载在小车正前方，用于测距时只能测量正前方的物体离小车的距离。小车两侧的障碍物不能测量到，在进行避障智能力不是很强。在另一方面普通固定式超声波测距模块对周围环境的不确定性引起小车方向性不明确，在特殊情况下会引起小车与障碍物相碰撞。在超声波测距模块中加入步进电机，控制超声波测距的方向，通过对伺服电机的控制可对超声波实现前方180度的测距。小车前、左、右三个方向则不会产生一定的盲区。大大提高了小车避障的精确性。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 未定
作品可展示的形式
- 实物，现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该智能小车红外探测避障的基础上加入了超声波模块，并融入了红外遥控模块。不仅仅只是可遥控的，也是自主的。适应范围：大学电子信息类专业作为单片机的开发平台，培养中小学生的课外兴趣学习之用。起点相对于其它智能玩具较低，易于操作和学习，方便实用。 智能小车以其拥有独具特色的测距模块和极简的红外遥控及简单易用的外围电机设备。自主创新的技术水准。将小车与各功能探测模块有机结合在一起。实现各种不同的探测及传感功能。该智能小车在实现各功能模块的简单易学也会给消费者一个新的契机。拥有良好的市场前景和市场机遇。 项目研究展望：对智能寻迹小车的研究，加装GPS（全球卫星定位系统）或加装基于Internet的接口电路，智能寻迹小车将具有更广泛的应用前景和使用价值，这也是我们以后研究方向。 本智能小车不仅可以作为信息类专业学生做为单片机开发的良好平台，激发学习者的兴趣爱好，稳步提高学习者的水平。还可以做为玩具小车，既可以遥控又能自主导航，甚至语音控制的玩具小车定能得到广大儿童的喜爱。
同类课题研究水平概述
- 当前学界已经存在了在功能上较为完善的小车，不仅仅只是自主行走。而且还能进行相对于普通小车更加复杂的操作。控制芯片也不仅只是局限于5x系单片机，而是选择了功能更多的avr单片机或是dsp技术作为主控模块的主要控制器。大体实现的几方面的功能如下： 一、路面检测。主要可对地面上的情况进行相应的探测 ，比如地面存在金属片或其它同类型的东西。可实现的方案主要有采用热控测器对路面情况进行探测，利用所接受到的红外辐射后，会引起温度的变化，温度变化引起电信号输出，且输出的电信号与温度成比例，从而实现对路面情况的判断。还可采用光电探测器。红外光直接把物质外层的电子激发成功并激发。受环境影响较小。 也是现在最主流探测模块。 二、小车运行终点检测。采用计算路程的方法来控制，采用光敏电阻元件，设置终点光源。 三、智能测距及避障。主要采用超声波。运用超声波不容易衰减的特性，精确测量障碍物的距离，并在液晶显示模块上显示出距离。设定特定的距离范围可如同红外一样进行避障操作，更加精确。 四、智能温度测量。在小车搭载温度传感器。在较为恶劣的环境中可使用小车对环境温度采样并进行测量。 五、语音识别功能。运用语音控制模块对小车进行相关控制。小车走向时能有语音播放，这样就能更直观的知道小车接下来的走向了。 六、无线遥控。 七、测速、测量路面坡度。 八、用视频采集处理装置进行探测，使用CCD实时采集小车前进路线上的图像并进行实时传输及处理，这是最精确的障碍物信息采集方案，可以对障碍物进行精确定位和测距。
