红外避障机器人毕业设计(硬件).doc

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1、摘要 随着红外物理与技术的不断发展, 红外探测技术已被广泛地应用于军事、煤矿的安全生产等各个领域。红外接收光学系统的作用是把目标或目标区域的红外辐射聚焦在探测器上, 其结构类似于通常的接收光学系统, 但由于工作在红外波段, 其光学材料和镀膜必须和其工作波长相适应。针对题目的要求，我们设计了一款简易的红外避障小车。该电路设计主要有以下四个模块：传感器模块（红外发射和接收器），控制模块（AT89S52），执行模块（伺服电机），电源模块。传感器模块主要通过对左、右红外传感器的信号分别进行采集，传送给控制模块。控制模块对采集来的信号进行处理，做出比较后把控制信号传送给执行模块。 配合正确的软件设计，小

2、车能够在设计的赛道中准确快速地完成行走任务。关键词： 红外； 避障； 传感器AbstractAll bodies has its own infrared radiation characteristics. For studying the various objects of infrared radiation, people use idealabsolute blackbody radiation body (hereinafter referred to as in bold) the benchmark. Can absorb all the incident radiation

3、 and not the reflection of the object is called in bold. Good absorber must have also been good radiation body, so the blackbody radiation efficiency is highest, the radiation rate than a 1. Any real objects of radiation emission quantity and the same temperature blackbody emission of quantity of la

4、unch than, called the object than radiation rate, its value is always less than 1. The object than radiation rate, and the material object types, characteristics, temperature, surface other factors, such as the wavelength.According to the topic request, we design a simple infrared obstacle avoidance

5、 of the car. The circuit design basically has the following four modules: sensor module (infrared transmitter and receiver), control module (AT89S52 devices), executive module (servo motor), power supply module. Sensor module mainly through to the left and right of the infrared sensor signal, respec

6、tively the collection, transfer to the control module. Control module to the acquisition of signal processing, make more the control after signals to execute module. The software design includes basic car to walk, walk, the combination of infrared obstacle avoidance program design, such as walking s

7、trategy improvement, through to the infrared signal processing to achieve the best car walk path.Cooperate with the right software design, the car can in the design of the track accurately and rapidly finish walking task.Keywords: infrared; Obstacle avoidance; sensor目 录第一章 绪 论11.1 红外线研究背景1第二章 红外避障机器

8、人的设计方案32.1 主要设计任务32.2 任务分析与方案设计32.2.1 任务分析32.2.2 方案设计3第三章 硬件电路设计53.1红外传感器电路设计53.1.1红外发射二极管的选择53.1.2红外接收器的选择73.2 控制电路设计103.3 人机接口单元113.3.1 LCD1602显示113.3.2串口电路设计123.4 执行电路设计133.4.1 伺服电机133.4.2 伺服电机的信号控制143.5 电源电路设计143.6赛道设计15第四章 软件设计164.1机器人基本行走命令164.1.1基本巡航动作164.1.2匀加速/减速运动174.2 红外探测194.2.1测试红外发射探测器

9、194.2.2红外发射程序204.3关于行走赛道的硬件调试与改进22第五章 结束语235.1 结论和展望23致 谢24 第一章 绪 论1.1 红外线研究背景在科学探索和紧急抢险中经常会遇到对与一些危险或人类不能直接到达的地域的探测，这些就需要用机器人来完成。而在机器人在复杂地形中行进时自动避障是一项必不可少也是最基本的功能。因此，自动避障系统的研发就应运而生。我们的自动避障小车就是基于这一系统开发而成的。随着生产自动化的发展需要，机器人的智能化与集成度越来越高，已经越来越广泛的应用到生产生活中。伴随的科技水平的提高，机器人的能够使用的传感器种类也越来越多，其中红外线传感器已经成为机器人自动行走

10、和驾驶的重要部件。此系统是基于红外传感器的系统，即运用红外传感器实现对前方障碍物的检测。红外传感器的典型应用领域为自主式智能导航系统，机器人要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，对障碍物的感知相当于给机器人一个视觉功能。在现在生活中，例如在一些火宅或者一些自然灾害的现场，经常需要进入到对一些危险或人类不能直接到达的地方进行观察，采集数据，这些就需要用机器人来完成。而在机器人在上述等环境中行进时自动避障是一项必不可少也是最基本的功能。因此，自动避障系统的研发就应运而生。自动避障小车可以作为困难环境检测机器人和紧急抢险机器人的运动系统，让机器人在行进中自动避过障碍物，帮助人们完成相应的任务1。随着

11、科技的发展，对于未知空间和人类所不能直接到达的地域的探索逐步成为热门，这就使机器人的自动避障有了重大的意义。我们的自动避障小车就是自动避障机 器人中的一类。自动避障小车可以作为地域探索机器人和紧急抢险机器人的运动系 统，让机器人在行进中自动避过障碍物。红外传感器的典型应用领域为自主式智能导航系统，机器人要实现自动避障功能 就必须要感知障碍物，对障碍物的感知相当于给机器人一个视觉功能。基于红外的自动避障小车可以作为困难环境检测机器人或者紧急抢险机器人的运动系统，让机器人在行进中自动避过障碍物，完成指定的任务2。1.2 红外避障的研究意义红外技术在军事应用的牵引和推动下，得到快速发展。红外系统有如

12、下4方面优点：1.环境适应性好，在夜间和恶劣气象条件下的工作能力优于可见光；2.被动式工作，隐蔽性好，不易被干扰；3.靠目标和背景之间各部分的温度和发射率形成的红外辐射差进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；4.红外系统的体积小、质量轻、功耗低。近年来，红外技术在军事领域和民用工程中都得到了广泛应用。在民用工程领域大体分为：(1) 在气象预报、地貌学、环境监测、遥感资源调查等领域的应用；(2) 在地下矿井测温和测气中的应用；(3) 红外热像仪在电力、消防、石化以及医疗和森林火灾预报中的应用。另外，35 m 波段热像仪除具有全天候工作能力外，还具有透过雾、雨、雪进行观察的能力3。1.3红外

13、避障的发展目前循迹机器人在多种行为冲突问题解决上尚存缺陷，且不能准确识别U形等复杂障碍，没有最优避障路径。而我们以AT89S52单片机作为机器人小车的MCU,使用红外和超声波传感器采集周围环境信息，综合优先级裁决方法和模糊行为融合法选取机器人的控制行为，较好地解决循迹过程中存在的各种行为以及行为冲突问题, 运用均值滤波法，更准确地检测到障碍物、轨迹和标识等信息，在以最优路径避开U形等复杂障碍的同时保证了循迹的快速性和准确性，能够满足普通工业生产对自动化物流的需求。本智能循迹机器人设计用于重复装卸搬运。在物流系统、自动化仓库中装卸搬运的频率极高,消耗的费用占总费用的比例较大，国内外一直在寻求智能

14、化的搬运技术和设备以降低搬运成本和改善物料搬运的效率,以节省劳动力，因此以该智能小车为模型的搬运设备将在很大程度上满足企业生产对自动化物流的需求4。第二章 红外避障机器人的设计方案2.1 主要设计任务 本系统要求自行设计制作一个智能小车，该小车在前进的过程中能够检测到前方障碍并自动避开，达到避障的效果。我的设计思想是采用单片机AT89S52 为控制核心，利用位置传感器检测道路上的障碍，通过采集数据并处理后由单片机进行转向和行动控制，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车。 设计主要内容：机器人电路设计 机器人模型制作 C语言软件编程 机器人赛道设计 2.2 任务分析与方案设计2.2

15、.1 任务分析 这次设计利用AT89S52充分发挥其使用方便、功能强大的优点，通过采集数据并处理后由单片机进行转向和行动控制，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，同时还能与用户交换信息。以下就是机器人实现的5个基本智能任务： (1)安装红外传感器； (2)以探测周边环境； (3)基于红外传感器信息做出决策； (4)控制机器人运动（通过操作带动轮子旋转的电机）； (5)与用户交换信息。2.2.2 方案设计 本次设计分为传感器模块、控制模块、执行器模块、电源模块四个硬件模块。执行模块则是来实现行走效果，传感器模块主要负责信息采集，控制模块主要负责信息处理，而电源模块将给前三部分提供

16、电力动能。 图2.1 系统结构框图第三章 硬件电路设计本次设计的硬件电路设计主要包括控制器电路设计、红外传感器电路设计、机器人结构设计、电源设计等几部分：。3.1红外传感器电路设计3.1.1红外发射二极管的选择红外发射二极管分为很多种。红外发射二极管一般按峰值波长（p）主要为：850nm、870nm、880nm、940nm、980nm，现在市场上使用较多为850nm和940nm两种。本次设计所使用的是峰值波长为940nm的红外发射二极管。940nm红外发射二极管优点：光强度高，响应速度快，可用脉冲驱动，无色透明环氧树脂。其主要应用领域： 红外遥控系统，红外探测系统，红外幕墙保安系统，磁带、光盘

17、监测器，光电开关/光传感器，主动红外夜视仪，电脑、手机等便携设备的红外数据传输系统。表3.1 红外发射二极管极限参数 参数名称符号额定值单位 正向电流IFM3060mA正向脉冲电流（1）IFPM0.31A 反向电压VR5V耗散功率PM90mW工作温度范围Top-25+80贮存温度范围Tst-40+100焊接温度（2）Tst260注（1）： f=1KHz,tp/T1% 注（2）： t3s,离器件本体4mm以上 表3.2 红外发射二极管的光电参数(TA=25) 参数符号测试条件规范值单位正向电压VFIF50mA1.5V 反向电流IRVR5V10 A法向辐射强度IEIF50mA2mW/sr峰值发射波

18、长pIF50mA850940nm光谱半宽度 IF50mA50nm 辐射度角21/2IF50mA16deg图3.1 相对光谱灵敏度与波长的关系在使用红外发射二极管时，发射管的辐射强度(Power)与输入电流(If)成正比。辐射强度：Power(单位:W,W/sr,W/cm2)用以表示红外线发光二极管(IR)其辐射红外线能量之大小。发射距离与辐射强度(Power) 成正比。W/sr：表示红外线辐射强度的单位，为IR发射红外线光之单位立体角(sr)所辐射出的光功率的大小。W/cm2：表示照度的单位，为sensor单位面积(cm2)所接收IR发射之辐射功率的大小。半功率角：2 指红外线二极管其上下或左

19、右两边所辐射出之红外线强度为该组件最大辐射强度的50%时，其上下或左右两边所夹的角度称为半功率角。 图3.2 30度半功率角辐射强度示意图3.1.2红外接收器的选择本次设计选用HS38B，该器件特性：低功耗、高灵敏度、优良的抗干扰能力。一般用于家用电器、玩具等遥控接收。图3.3 红外接收器电路原理框图图3.4 HS38B内部结构图3.5 测试红外接收器的时序图在使用说明书上我们找到了生产厂商提供的最佳使用条件：图3.6 HS38B最佳使用条件本次设计所提供VCC为5V，输入频率为38.0kHz，工作温度为室温。 图3.7 红外发射与接收器 红外线二极管发射红外光线，如果机器人前面有障碍物，红外

20、线从物体反射回来，相当于机器人眼睛的红外检测（接收）器，检测到反射回的红外光线，并发出信号来表明检测到从物体反射回红外线。机器人的大脑单片机A89S52基于这个传感器的输入控制伺服电机。 红外线（IR）接收（检测）器有内置的光滤波器，除了需要检测的940nm波长的红外线外，他几乎不允许其他光通过。红外检测器还有一个电子滤波器，它只允许大约38.0KHz的电信号通过。换句话说，检测器只寻找每秒闪烁38000次的红外光。这就防止了普通光源像太阳光和室内光对IR的干涉。太阳光是直流干涉（0KHz）源，而室内光依赖于所在区域的主电源，闪烁频率接近100Hz或120Hz。由于120Hz在电子滤波器的38

21、.0KHz通带频率之外，他完全被IR探测器忽略。这里使用三极管9013的原因是9013的基区做得很薄，当按图3.2连接时，发射结正偏，集电结反偏，发射区向基区注入电子，这时由于集电结反偏，对基区的电子有很强的吸引力，所以由发射区注入基区的电子大部分进入集电区，于是集电极的电流增大。由于C51的I/O驱动能力较弱，加入三极管使其工作在开关状态，用小电流来控制大电流。当P1_3(P3_6)置高电平时，从集电区经基区到发射区电路导通，加载在IR LED上的电压为VCC（5V），IR LED向外发射红外线；当P1_3(P3_6)置低电平时，电路又断开，IR LED停止发射。本次设计提供了5V稳定直流电

22、压，给IR LED串联一个470的电阻帮助限流。当三极管导通时，流过IR LED的电流在10mA左右，使IR LED能正常工作。 图3.8 红外发射与接收器电路图3.2 控制电路设计 控制电路主要由AT89S52单片机构成。AT89S52单片机是一个高性能、低功耗的8位单片机，内含8K字节ISP（系统在线编程）可反复擦写1000次的Flash只读程序储存器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS51指令系统及其引脚结构。在实际工程应用中，功能强大的AT89S52已成为许多高性价比嵌入式控制应用系统的解决方案。 图3.9 AT89S52原理图 图3.10 RET复位

23、原理图3.3 人机接口单元 随着科技的发展，人机之间基于自然语言的智能化沟通将成为必然，由于人与人和人与机器的沟通方式没有差别，机器能够随时随地介入人的工作、生活中，帮助人们自动记录、整理资料。本部分主要包括一个LCD液晶显示屏以及串口电路。液晶屏主要用于显示移动方向，以及距离的远近。3.3.1 LCD1602显示 图3.11 LCD1602电路原理图3.3.2串口电路设计 本次设计使用的芯片为MAX232，其主要特点：1、符合所有的RS-232C技术标准；2、只需要单一的+5V电源供电；3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-；4、功耗低，典型供电电

24、流5mA ；5、内部集成2个RS-232C驱动器；6、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。 图3.12 串口连接图3.4 执行电路设计 3.4.1 伺服电机电动机的作用是将电能转换为机械能， 电动机分为交流电动机和直流电动机 两大类， 所以我们在避障小车的电机选择上就有步进电机和直流电机两种选择方式。我们选择的是直流伺服电机（servo motor ），伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件

25、，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。本次设计使用的直流伺服电机。直流有刷伺服电机特点： 1.体积小、动作快反应快、过载能力大、调速范围宽 2.低速力矩大, 波动小，运行平稳 3.低噪音,高效率 4.后端编码器反馈（选配）构成直流伺服等优点 5.变压范围大，频率可调3.4.2 伺服电机的信号控制 电机转速为零的控制信号时序图 1.3ms的控制脉冲序列使电机顺时针全速旋转 1.7ms的控制脉冲序列使电机顺时针全速旋转3.5 电源电路设计 本次设计中使用的传感器模块、控制模块、执行器模块都使用的5V直流电源，而我们所使用的电池供电

26、为1.5V、3.0V、4.5V、6.0V，本次使用的为4节5号电池供电，所提供直流电源为6V，所以需要经过电源电路的变压后才能给各模块提供电源。本次设计中使用的传感器模块、控制模块、执行器模块都使用的5V直流电源。我们使用LM2940的原因是LM2940具有纹波小、电路结构简单的优点，但是效率较低，功耗大。对于单片机，需要提供稳定的 5V 电源，由于 LM2940 的稳压的线性度非常好，所以选用 LM2940-5 单独对其进行供电。LM2940也被成为“1A低漏失稳压器”，LM2940的正电压调节器具有源输出电流1A能力和典型的0.5V 漏失的电压，在整个温度范围最大不超过电压为1V。 图3.

27、13 电源电路原理图 3.6赛道设计以纸板箱为材料，设计一个红外避障赛道，包括直线赛道、弧形赛道以及S型赛道，小车理论行走路程为506cm。图3.14 赛道实际图第四章 软件设计 本次设计所给机器人编写的软件主要有基本行走指令、红外探测指令、测距指令等多种指令构成，通过对这些指令的调度，才能让机器人实现我们理想中的效果。4.1机器人基本行走命令4.1.1基本巡航动作 机器人向前走：P1_1=1; delay_nus(1300); P1_1=0; P1_0=1; delay_nus(1700); P1_0=0; delay_nms(20)； 机器人向后走：P1_1=1;delay_nus(170

28、0);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20)； 机器人原地左转：P1_1=1;delay_nus(1300);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20)； 机器人原地右转：P1_1=1;delay_nus(1300);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20)； 机器人静止不动：P1_1=1;delay_nus(1500);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1500);P1_0=0;delay_nms(2

29、0)；4.1.2匀加速/减速运动for循环语句能使机器人的速度由停止到全速。循环每重复执行一次，变量pulseCount就增加1：第一次循环时，变量pulseCount的值是10，此时发给P1_1、P1_0的脉冲的宽度分别为1.51ms、1.49ms；第二次循环时，变量pulseCount的值是11，此时发给P1_1、P1_0的脉冲的宽度分别为1.511ms、1.489ms。随着变量pulseCount值的增加，电机的速度也在逐渐增加。到执行第190次循环时，变量pulseCount的值是200，此时发给P1_1、P1_0的脉冲的宽度分别为1.7ms、1.3ms，电机全速运转。 匀加速前进：

30、for(pulseCount=10;pulseCount=0;pulseCount=pulseCount-1) P1_1=1;delay_nus(1500+pulseCount);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1500-pulseCount);P1_0=0;delay_nms(20); 我们对匀减速运动进行了实际行走距离的实验，在编写该程序时，我们加入了循环语句for(pulseCount=200;pulseCount=0;pulseCount=pulseCount-1)，当给予匀减速信号以后，小车开始慢慢减速直到停止，从开始匀减速到小车停止，小车总共行走58.2cm。然而这

31、距离并不是我们想要的，小车从检测到物体到停下的距离太长，所以要对距离进行调整。如果将pulseCount=pulseCount-1中的1改为5后，小车总共行走则变为11.5cm。此减速距离足够使小车检测到物体后，在未碰到物体前停下来。4.2 红外探测探测障碍物很重要的一点是在机器人撞到它之前给机器人留有绕开它的空间。如果前方有障碍物，机器人会使用脉冲命令避开，然后探测，如果物体还在，再使用另一个脉冲来避开它。机器人能持续使用电机驱动脉冲和探测，直到它绕开障碍物，然后它会继续发送向前行走的脉冲。4.2.1测试红外发射探测器 用P1_3发送持续1ms的38.0KHz的红外光，如果红外光被机器人路径

32、上的物体反射回来，红外检测器将给微控制器发送一个信号，让它知道已经检测到反射回的红外光。让每个IR LED探测器组工作的关键是发送1ms频率为38.0KHz的红外信号，然后立刻将IR探测器的输出储存到一个变量中。 for(counter=0;counter38;counter+) P1_3=1; delay_nus(13); P1_3=0; delay_nus(13); irDetectLeft=P1_2state(); 图4.2 测试IR有无信号 4.2.2红外发射程序 #define LeftIR P1_2 /左边红外接收连接到P1_2 #define RightIR P3_5 /右边红外

33、接收连接到P3_5 #define LeftLaunch P1_3 /左边红外发射连接到P1_3 #define RightLaunch P3_6 /右边红外发射连接到P3_6 void IRLaunch(unsigned char IR) int counter; if(IR=L) for(counter=0;counter38;counter+) LeftLaunch=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); L

34、eftLaunch=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); if(IR=R) for(counter=0;counter38;counter+)/右边发射 RightLaunch=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); RightLau

35、nch=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); IRLaunch(R); /右边发射 irDetectRight = RightIR;/右边接收 IRLaunch(L); /左边发射 irDetectLeft = LeftIR;/左边接收 图4.3 红外行走流程图4.3关于行走赛道的硬件调试与改进发射距离与辐射强度(Power) 成正比。改变红外发射和接收器的发射角度。红外发射二极管的发射角度是有限的，为了使红外发

36、射二极管发射路径接近直线，我们在红外发射二极管上套上黑色绝缘管，使信号能更加准确。由于IR LED发射功率的原因，如果使用阻值为470的电阻，红外发射与接收器能检测到障碍物的距离很远。而在跑赛道时，我们要求小车的发射功率减小，使小车能够离赛道内壁比较合适的距离再检测出信号。辐射强度(Power)与输入电流(If)成正比。我们就改变小车的与LED串联的电阻阻值来改变IR LED的发射功率。经过多次测试与比较本次设计选择了阻值为10k的电阻。第五章 结束语5.1 结论和展望半年时间飞逝，通过本次毕业设计，使我了解了红外避障机器人的原理及应用；我们通过各种方案的讨论及尝试，再经过多次的整体软硬件结合

37、的调试，不断地对系统进行优化，机器人终于完成了各项功能。在安装红外装置后，我们又大量使用多种软件方法来改进机器人探测前方障碍物的精准度。通过调节红外的发射频率，采集多个数据实现机器人的准确行走功能。在硬件设计中，大量比较各种元器件的优缺点，如LM2940的使用。 在此也感谢指导老师对我的指导和关心。相信在以后的学习和实践中我会更加努力，使使红外避障机器人得到更充分的利用。谢谢！附录A元件列表DescriptionDesignatorFootprintLibRefQuantityPolarized Capacitor (Radial)C12CAPPR5-5x5Cap Pol11Polarized

38、 Capacitor (Radial)C13CAPPR5-5x5Cap Pol11CapacitorC14CC2012-0805Cap1CapacitorC15CC2012-0805Cap1CapacitorC16CC3216-1206Cap1CapacitorC21CC2012-0805Cap1CapacitorC22CC2012-0805Cap1CapacitorC23CC2012-0805Cap1CapacitorC25CC2012-0805Cap1CapacitorC27CC2012-0805Cap1Infrared LEDDS1RAD-0.1IR LED1Infrared LEDDS

39、2RAD-0.1IR LED1Receptacle Assembly, 9 Position J1DSUB1.385-2H9D Connector 91Header, 2-PinP1HDR1X2Header 21Header, 5-Pin, Dual rowP2HDR2X5Header 5X2H1NPN Bipolar TransistorQ1BCY-W3NPN1NPN Bipolar TransistorQ2BCY-W3NPN1Infrared Detect DeviceQ3BCY-W3/B.8IR DETECT1Infrared Detect DeviceQ4BCY-W3/B.8IR DE

40、TECT1ResistorR1AXIAL-0.4Res21ResistorR2AXIAL-0.4Res21ResistorR3AXIAL-0.4Res21ResistorR4AXIAL-0.4Res21ResistorR5CC2012-0805Res21ResistorR7CC2012-0805Res21Single-Pole,Single-Throw SwitchS3SPST-2SW-SPST1Double-Pole, Single-Throw SwitchS4DPST-4SW-DPST180C518-Bit Flash U144AAT89S5211A Low-Dropout RegulatorU3T03BLM2940CT-5.01+5VPoweredRS-232Driver/ReceiverU7PE16AMAX232CPE1Crystal OscillatorY1BCY-W2/D3.1XTAL1附录B附录C