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基于51單片機(jī)的智能循跡避障遙控小車

2019-07-08 02:59謝菁
衛(wèi)星電視與寬帶多媒體 2019年4期
關(guān)鍵詞:循跡遙控紅外

謝菁

【摘要】隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展,智能化小車逐漸被應(yīng)用到更多領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)的智能小車采用STC12C5A60S2單片機(jī)為主控芯片,以Keil μVision4軟件為開發(fā)平臺,經(jīng)過軟、硬件綜合設(shè)計(jì),小車可以實(shí)現(xiàn)紅外遙控、紅外循跡和超聲波避障等功能。

【關(guān)鍵詞】STC12C5A60S2單片機(jī);紅外遙控;直流電機(jī);Keil μVision4

引言

目前,智能車發(fā)展速度迅猛,是融合了計(jì)算機(jī)、造型技術(shù)、傳感技術(shù)、電子、機(jī)械、控制、人工智能等多個(gè)學(xué)科交叉的科技創(chuàng)新技術(shù),在各個(gè)領(lǐng)域扮演著重要角色。同時(shí),在國家級、省級電子設(shè)計(jì)競賽以及其它創(chuàng)新設(shè)計(jì)競賽中幾乎每次都能找到智能車類型題目的蹤影,并且全國各類高校對該方向的題目研究也非常重視。因此,具有廣闊的應(yīng)用前景和較大的研究意義。在實(shí)踐過程中,熟悉以單片機(jī)為核心控制芯片,采用智能控制算法實(shí)現(xiàn)小車的遙控、循跡和避障等功能。

一、總體方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采取的主控芯片是宏晶科技公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)。硬件電路主要由五部分組成,分別為:單片機(jī)主控模塊,電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、紅外遙控模塊、循跡檢測模塊和超聲波避障模塊。如圖1所示。

通過紅外遙控系統(tǒng)的編/解碼專用集成電路芯片來進(jìn)行遙控操作;利用紅外收發(fā)管,根據(jù)紅外信號對不同顏色產(chǎn)生不同反射系數(shù)的原理,根據(jù)接收管輸出電壓的變化,單片機(jī)驅(qū)動直流電機(jī)來確定小車行走方向,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)循跡功能;利用超聲波測量小車與障礙物之間的距離,再通過舵機(jī)控制超聲波模塊對不同方向的障礙物進(jìn)行探測,將測試數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī),單片機(jī)就可以根據(jù)傳感器發(fā)來的信號發(fā)出命令讓小車開始改變原始的方向,從而實(shí)現(xiàn)避障功能。

二、系統(tǒng)硬件部分

(1)單片機(jī)控制模塊

由STC12C5A60S2單片機(jī)構(gòu)成的最小應(yīng)用系統(tǒng)如圖2所示,主要由電源電路、復(fù)位電路、振蕩電路和單片機(jī)4個(gè)部分組成。

(2)電源模塊

本設(shè)計(jì)中我們將單片機(jī)及其外圍電路和直流電機(jī)分開供電,使兩者互相不影響,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供電。采用5V蓄電池直接給單片機(jī)及其外圍邏輯電路供電,用2節(jié)4.2V鋰電池串聯(lián)的方式給直流電機(jī)供電。蓄電池具有較長的續(xù)航能力以及電壓輸出的值基本不怎么變化,外圍邏輯電路穩(wěn)定運(yùn)行,2節(jié)鋰電池電量較足,大大增強(qiáng)小車?yán)m(xù)航能力并且也可重復(fù)利用。

(3)電機(jī)驅(qū)動模塊

為提高小車運(yùn)行的穩(wěn)定性,本設(shè)計(jì)為四驅(qū)智能小車,采用集成雙H橋集成電機(jī)驅(qū)動芯片L298N來驅(qū)動直流電機(jī)。L298是全橋驅(qū)動芯片,具備高電壓、大電流的特點(diǎn),內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。一個(gè)L298芯片可以兩個(gè)直流電機(jī)。L298N功率部分的供電電壓在2.5~48V,一般情況需要大于6V才能正常工作,邏輯部分需要5V電壓供電,可以接受TTL電平,輸出電流可達(dá)2.5 A,可驅(qū)動電感性負(fù)載。左側(cè)電路原理圖如圖3所示,右側(cè)與之相同。

(4)紅外遙控模塊

紅外遙控系統(tǒng)主要由發(fā)射和接收兩部分構(gòu)成,應(yīng)用編碼/解碼專用集成電路芯片來進(jìn)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。本設(shè)計(jì)采用的是車載MP3遙控器HS-021和1838紅外接收頭組成紅外遙控模塊對小車進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)中考慮到一個(gè)1838紅外接收器接受角度范圍有限只有+/-35°在某些角度上存在明顯的檢測盲區(qū)。故選用四個(gè)1838接收器結(jié)合構(gòu)成一個(gè)全方位紅外接收器。

(5)循跡檢測模塊

本次采用的紅外收發(fā)管,利用比較芯片LM339根據(jù)四路接收管的電壓和四路滑動變阻器輸出的參考電壓分別進(jìn)行比較后輸出相應(yīng)電平。當(dāng)小車進(jìn)入循跡模式后,單片機(jī)開始不停掃描I/O口,利用紅外信號對白色地板和黑線不同的反射系數(shù),一旦檢測到某個(gè)I/O口有有效信號,單片機(jī)對紅外傳感器檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)入判斷程序進(jìn)行處理,進(jìn)而控制小車的走向,最終完成循跡功能。

(6)超聲波避障模塊

本次設(shè)計(jì)選用HC-SR04超聲波模塊,由超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路組成。HC-SR04超聲波模塊能提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能,測距精度可高達(dá)3mm,盲區(qū)2cm左右。利用單片機(jī)給控制口(Trig)發(fā)一個(gè)10μs以上的高電平觸發(fā)超聲波模塊自動發(fā)送8個(gè)40khz 的方波。在40khz發(fā)出后,接收口(Echo)自動輸出高電平的回響信號。當(dāng)單片機(jī)檢測到接收口高電平的時(shí)候定時(shí)器開始計(jì)時(shí),超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物后返回。接收口檢測到回波信號時(shí)停止輸出回響信號,該端口變?yōu)榈碗娖胶髥纹瑱C(jī)就立即停止計(jì)時(shí)。讀取定時(shí)器的值就是一次測距的時(shí)間,根據(jù)超聲波運(yùn)動的時(shí)間t和速度v就可以算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S,即:S=vt/2,如此不斷的周期測,就可以移動測量距離,將測試數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī),單片機(jī)就可以根據(jù)傳感器發(fā)來的信號發(fā)出命令讓小車開始改變原始的方向,從而實(shí)現(xiàn)避障功能。

三、系統(tǒng)軟件部分

對于單片機(jī)控制系統(tǒng)來說,不僅僅需要系統(tǒng)硬件方面的設(shè)計(jì),同時(shí)與需要軟件設(shè)計(jì)來支撐。因此,智能小車不同功能的實(shí)現(xiàn)也需要相應(yīng)程序設(shè)計(jì)來完成。因此,在設(shè)計(jì)過程中軟件設(shè)計(jì)同樣有重要的地位。本設(shè)計(jì)軟件部分是以Keil μVision4為平臺開發(fā)完成的,該軟件是美國Keil Software公司出品的,兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上,相比與匯編語言具有明顯的優(yōu)勢,故易學(xué)易用,在國內(nèi)外得到廣泛使用。

本設(shè)計(jì)在軟件編程方面,沒有采用傳統(tǒng)的整體代碼編寫,而是將整體分割成n個(gè)不同的部分,每一個(gè)部分都可以被稱作是一個(gè)模塊。其實(shí)這些所謂的模塊都只是單獨(dú)的程序代碼,它們都對應(yīng)著相關(guān)的功能,為每個(gè)功能程序的實(shí)現(xiàn)模塊,這樣的設(shè)計(jì)方法可以稱之為模塊化程序設(shè)計(jì)。

該設(shè)計(jì)法有以下的一些優(yōu)點(diǎn):

(1)每個(gè)模塊都很容易去編寫,并且單獨(dú)的去調(diào)試更為方便;

(2)這些模塊單獨(dú)實(shí)現(xiàn)自己的功能,不會互相影響和沖突;

(3)模塊的程序代碼更易被調(diào)用,可以隨時(shí)利用現(xiàn)有的程序。

軟件部分主要由主程序、紅外遙控子程序、循跡子程序、超聲波避障子程序等構(gòu)成。主程序流程圖如圖4所示。

系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心器件,在Keil μVision4軟件平臺上進(jìn)行C語言編程,利用燒錄軟件將生成的.hex文件下載到單片機(jī),定時(shí)器作為系統(tǒng)的時(shí)鐘單元,根據(jù)系統(tǒng)主程序執(zhí)行順序,分別設(shè)定紅外遙控、紅外循跡和超聲波避障三個(gè)模塊的任務(wù)時(shí)間,在不同任務(wù)中主程序分別調(diào)用各個(gè)子程序函數(shù)從而實(shí)現(xiàn)具體功能。

四、結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的智能小車系統(tǒng)可以用遙控來控制小車的啟停、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、倒退,小車能自動沿著黑線行駛,遇到障礙時(shí)能夠自動躲避障礙,基本上實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能,達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn):

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