简易智能电动车的设计与实现毕业设计.pdf
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1、 目 录 第一部分 设计任务与调研.2 第二部分 设计说明.4 第三部分 设计成果.18 第五部分 致谢.22 第六部分 参考文献.23 第一部分 设计任务与调研 1研究背景 自第一台工业机器人诞生以来,机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防、探索等领域。近年来机器人的智能水平不断提高,并迅速改变着人们的生活方式。人们在不断探索、改造、认识自然的过程中,试图制造能代替人劳动的机器人,并且取得了一定的成果。机器人是一种自动化的机器,所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力,如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力,是一种具有高度灵活性的自动化机器”。在研究和开发未知及不
2、确定环境下作业的机器人的过程中,人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深,机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点,人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器,如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等,智能小车则可作为机器人的代表。智能小车,也称轮式机器人,是移动机器人中的一种。集合了传感器技术,和自动控制技术。智能小车就是通过传感采集信号,将采集到的信号进行整理,传输给单片机,通过单片机编程控制小车做出智能反应。2
3、研究意义 智能小车,也就是轮式机器人,最适合在那些人类无法工作的环境中工作,该技术可应用于无人驾驶机动车,无人生产线,仓库,服务机器人等领域。以下列举了机器人的一些应用,所有这些用途正逐步渗入到工业和社会的各个层面。在产品检测方面,对零部件、线路板及其它类似产品的检测是机器人比较常见的应用。一般来说,监测系统中还集成有其它一些设备,他们是视觉系统、X射线装置、超声波探测仪或其它类似仪器。在瓦斯、地压检测方面,瓦斯和冲击地压是井下作业中的两个不安全的自然因素,一旦发生突然事故,是相当危险和严重的。但瓦斯和冲击地压在形成突发事故前,都会表现出种种迹象,如岩石破裂等。采用带有专用新型传感器的移动是机
4、器人连续监视采矿状态,以便及早发现事故突发的先兆,采取相应的预防措 施。在智能轮椅领域,随着社会的发展和人类文明程度的提高,人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新科技技术来改善他们的生活质量和生活自由度。智能轮椅主要有口令识别与语音合成、机器人自动定位、动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制功能。用于帮助残障人行走。在危险环境下,机器人非常适合在危险的环境中使用。在这些险恶的环境下工作,人类必须采取严密的保护措施。而机器人可以进入或穿过这些危险区域进行维护和探测工作,而且不需要得到像对待人一样的保护。在智能车辆领域,智能小车自动行驶功能的研究将有助于智能车辆的研究。特别能够对人类的
5、汽车交通带来巨大的影响,在改进道路交通安全方面提供了新的解决途径。汽车交通是世界上交通事故发生最多的交通工具,而对于避障智能小车而言,小车在遇到人或者其他障碍物时,可发出声光警告提前预警,提醒司机,从而减少交通事故的发生。因此研究智能小车有利于减少交通事故的发生。对于探索型智能小车而言,它可以代替人们在恶劣的环境下执行任务。智能小车在探索未知的事物,特别是对于探索太空其他星球而言,智能小车具备有人类不具备的优势:智能小车适应环境能能力非常强,可以在恶劣的环境下工作,如在无氧,高温,低温,高压,强辐射等恶劣的环境下。这是人类无法适从的。所以研究智能小车是很有必要的。当然要使智能小车更完美就需要人
6、类制造更先进传感器,制造出更先进的处理器,编写更合理的程序,这对我们来说是一个挑战。3本次设计任务与要求 本设计为简易智能电动车,包括单片机最小系统、红外避障模块、红外循迹模块、寻光模块、电机驱动模块、电源模块,声光报警模块。小车能根据传感器采集到的信号经单片机编程处理后,从而实现对小车的智能控制。具体设计要求如下:(1)能自动避开障碍物,同时能发出声光警报。(2)能自动寻黑线。(3)能够自动寻找光源。(4)结合作品实现总体方案的设计与论证。第二部分 设计说明 1.简易智能电动车分析 本设计中的简易智能电动车是以单片机 AT89S52 为核心,以两个直流电机作为小车动力(电机的驱动采用 L29
7、8 集成 H 桥芯片),用三对反射式红外传感器作为小车的“眼睛”来避障,用五对 TCRT5000(反射式一体化光电探测器)来循迹,用光敏电阻的光敏特性来寻光,用高亮度发光二极管和和蜂鸣器发出声光警报。通过控制两个电机的转速及正反转来实现小车的:前进,后退,左前转,右前转,左后退,右后退,减速,停止。而实现小车的循迹、避障、寻光则是通过传感器采集信号后经 LM324 放大处理后传输到单片机,通过编程处理采集到的信号来控制小车做出智能反应,达到智能电动车的设计要 2.方案设计与选择 根据设计要求在现有小车空架上加载避障模块,寻光模块,循迹模块,单片机模块,电机驱动模块,电源模块,声光报警模块。通过
8、传感器采集数据,并将数据传输到单片机中进行处理,通过编程控制小车做出智能反应。2.1 主控系统 方案 1:采用可编程逻辑器件 CPLD 作为控制器。CPLD 可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO 资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式,提高了系统的处理速度,适合为大规模控制系统的控制核心。但本设计不需要复杂的逻辑功能,对数据的处理速度要求也不是非常高。且从使用及经济角度考虑我放弃了此方案。方案 2:采用 Atmel 公司的 AT89S52 单片机作为主控制器。AT89S52 是一个低功耗,高性能的 51 内核的 CMOS 8 位单片机,片内含含 8K
9、空间的 Flash 只读存储器,具有 256bytes 的随机存取数据存储器(RAM),32 个 IO 口,2 个16 位可编程定时计数器。且该系列的单片机可以不用烧写器而直接用串口或并口就可以向单片机中下载程序。利于编程调试,且价格便宜。从方便与实用的角度考虑,我选择此方案。2.2 电源模块 方案 1:采用 12V 蓄电池为系统供电,蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出。但是蓄电池的体积过于庞大,小型电动车上使用极为不方便。因此放弃此方案。方案 2:采用两节 3.7V 可充电式锂电池串联,经过 7805 稳压电路得到 5V电压,为单片机机和各模块供电。此电池的优点是体积小、重量轻,
10、电流稳定,能够满足本次设计的要求。为了防止干扰,使电路更加稳定,此电路中采用两个7805 稳压模块分别为单片机及传感器模块和电机供电。因此我选择此方案。2.3 电机驱动模块 方案 1:采用继电器对电机得开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调,此方案优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢、易损坏、寿命较短,可靠性不高。放弃此方案。方案 2:采用专用芯片 L298 作为电机驱动芯片。L298 是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片,一片 L298 可以控制两个直流电机,而且还带有控制使能端,能够控制电机的转向和速度,用该芯片作为小车的电机驱动能够很好的控制小车,操作方便,稳定性好,性
11、能优良。因此我选择此方案。2.4 电机选择 方案 1:采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位,可以实现小车前进路程和未知的精确定位。虽然采用步进电机有诸多有点,但步进电机的输出力矩较低,随转速的升高而下降,且在较高转速时会急剧下降,其转速较低,不适用于对小车有一定速度要求的系统。经考虑比较后,我放弃此方案。方案 2:采用小型直流减速电机。直流减速电机转动力矩大,转动速度较快,体积小,重量轻,装配简单,使用方便,满足此次设计要求。因此我选择此方案。2.5 避障模块 方案 1:用超声波传感器进行避障。超声波传感器的原理是:超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后,遇到障碍物便反
12、射回来,再被超声波传感器接收。然后将这信号放大后送入单片机。超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。但是超声波传感器需要 40KHz 方波信号来工作,因此超声波传感器对工作频率要求 较高,偏差在 1%内,所以用模拟电路来做方波发生器比较难以实现。而用单片机来做方波发生器未免有些浪费。因此放弃此方案。方案 2:采用 3 对红外对管来避障,这是现在比较常用的避障方式。它是由发射管发射红外线,接收管接收红外线,来判断是否遇到障碍物。且接收管只对红外线有反应,一般可见光不能对其产生干扰,但自然光能对其产生一定干扰,但是在本次设计可承受的范围内,且红外对管价格便宜,与 LM324 构成的避障电路简单。所以
13、我选择此方案。2.6 循迹模块 方案 1:采用发光二极管和光敏二极管构成检测电路,此方案的缺点在于其他环境的光源对光敏二极管的工作产生很大的干扰,一旦外界光强改变,很可能造成误判和漏判,采用超高亮发光管可以在一定程度上提高抗干扰能力,但这又增加了额外的功耗。此方案检测系统不稳定,所以放弃此方案。方案 2:用 TCRT5000 型光电对管进行循迹。TCRT5000 是一种一体化反射型光电探测器,其发射器是一个砷化镓红外发光二极管,而接收器是一个高灵敏度,硅平面光电三极管。TCRT5000 采用 DIP4 封装,其具有如下特点:塑料透镜可以提高灵敏度,内置可见光过滤器能减小离散光的影响,体积小,结
14、构紧凑。因此 TCRT5000 与 LM324 构成的循迹检测模块抗干扰能力强,系统更稳定,且TCRT5000 与 LM324 价格便宜。所以我选择此方案。2.7 寻光模块 方案 1:采用光敏二极管的感光特性实现对光源的检测,二极管响应快,制作环保,但一般灵敏度比光敏电阻低,稳定性差。所以我放弃此方案。方案 2:利用光敏电阻的高灵敏感光特性,且在高温、多湿的恶劣环境下,仍能保持其高度的稳定性和可靠性;在暗黑环境里,它的电阻值很高,当受到光照时,其电阻率变小,电阻变小。利用光敏电阻构成的寻光电路更稳定,且光敏电阻价格便宜。所以我选择此方案。2.8 声光报警系统 方案 1:利用普通发光二极管,和无
15、源蜂鸣器做声光报警系统,价格便宜,但普通发光二极管,亮度不够,不利于警报,而无源蜂鸣器内部不带震荡源,所 以直流信号无法令其鸣叫,必须用 2K-5KHZ 的方波去驱动它。操作比较麻烦,所以放弃此方案。方案 2:采用高亮度发光二极管与有源蜂鸣器做声光报警系统,强光报警明显,而有源蜂鸣器内部带震荡源,所以只要一通电就会鸣叫,操作方便。所以我选择此方案。3 硬件设计 3.1 总体设计 智能电动车采用前轮驱动,前轮左右两边各用一个电机驱动,调制前面两个轮子的转速及正反转达到控制小车转向的目的,后轮是万向轮,起支撑作用。单片机接收各个传感器采集回来的数据,通过编程处理,而使小车做出智能反应。各模块布局如
16、图 3.1 所示。图 3.1 小车总体图 3.2 电源模块 采用两节 3.7V 的可充锂电池串联,由 7805 三端稳压集成块稳压得到+5V 电源,由 LED 灯指示是否得到电源输出。为使系统更加稳定,制作了两个稳压模块,单片机单独供电。其中 7805 为三端稳压集成块,有三条引脚,分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管,TO-220 的标准封装。7805三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及 调整管的保护电路,使用起来可靠、方便,而且价格便宜。因此电子制作中经常采用。电源模块电路如图 3.2 所示。Vin1GND2Vout3U17805C4
17、104C5104R71KD2LED212345678910JP14OUTVin1GND2Vout3U27805C6104C7104R81KD3LED31 2JP15POWER12345678910JP167.5VVZGNDVVYVCC213564S2KG5213564S3KG5213564S4KG51234567891011121314JP137X21JP17HEADER 11JP18HEADER 111 图 3.2 电源模块 3.3 单片机最小系统 单片机最小系统由单片机,时钟电路,复位电路,电源构成。是智能小车的大脑。小车的智能反应,由其指挥。本电路单片机为 AT89S52,晶振频率为11
18、.0592MHZ。最小系统电路如图 3.3 所示。3.3.1 单片机电源 单片机电源供给非常重要,电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。51 单片机容易受到干扰而出现程序混乱现象,克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块,本设计中单片机单独供给电源。R2A103JR3A103JR1A103JR4A103JVCCVCCVCCVCCC130PFC230PFY211.0592MHZS1SW-PBC310UFR510KVCCVCCP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27P10P11P12P13P14P1
19、5P16P17P30P31P32P33P34P35P36P37RST12JP9POWERVCCP1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0(RXD)10P3.1(TXD)11P3.2(INTT0)12P3.3(INTT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P3.6(WR)16P3.7(RD)17XTAL218XTAL119GND20P2.021P2.122P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P2.223P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336
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