智能循线避障小车设计报告
设计者：张源 杨文龙 张炜
2009年5月23日
指导教师：王建校 金印彬
智能循线避障小车
智能循线避障小车
摘要：
本文阐述了智能循线避障小车从机械结构设计到电路设计直至程序设计的整个过程， 课题涉及传感器电路设计、直流减速电动机的控制（PWM）以及ARM7芯片的程序设计。循线避障小车可以实现循线和避障双重功能，通过反射式红外光电传感器，可以实现对于地面上颜色反差较大的线条的循行。同时也能够通过光电传感器的作用，避开前进方向上的障碍物。实验结果表明，智能循线避障小车能够实现沿着地面上的黑线循进，判断障碍物设置情形从而实现大角度转弯。
关键字：循线、避障、红外探测、PWM调速
1 前言
1.1 课题描述
循线避障机器人能够沿着地面上的黑线循进，判断并实现大角度转弯。同时可以通过红外传感器探测行进及左右方向上的障碍物，并相应的在绕过障碍物后回到黑线上继续循进。同时，通过对障碍物信息进行编码能够实现绕过较为复杂的障碍物。
为了将循线避障小车做成一个机器人实验平台方便以后使用或改进，课题设计的过程始终坚持模块化的原则——电路尽量做到模块化分组，模块与模块之间通过接插线联系
1.2 课题任务
1）选择合适的机械材料，设计出合理的车身结构；
2） 设计出实现循线和避障功能的电路并分不同模块进行调试； 3）编写程序并分步调试，实现预定功能要求。
1.3 具体要求
1） 设计合理的机械结构，在保证稳定牢固的前提下，尽量做到车身轻巧美观；
2） 通过采用电压比较器，实现7路传感器的正常工作，达到可以控制循线宽度和避
障的距离目的；
3） 使用直流电机控制芯片，采用PWM调速方式实现直流减速电机的正转、反转、
加速和减速功能；
4） 对行进轨迹和障碍物信息进行编码，利用ARM7芯片编程实现小车的循线避障功
能；
5） 采用模块化的原则，分层搭建电路板并通过接插线予以连接。
2 方案设计与论证
由上述设计要求可知，本课程设计核心的问题有两个：车身机械结构设计和系统电路原理设计，下面将从这两方面予以展开。
2.1 机械结构设计
在车身结构设计中，保证其机械强度至关重要，同时应当尽量减少车身自重，以便实现快速控制的目的。与此同时，车身结构美观也是一个重要的设计要素。 ? 方案一：从市场上直接购买成片的玩具小车，在其底板基础上安装电路板和传感器，实
现四轮驱动。 ? 方案二：自制底板，根据需要选择合适的尺寸，采用前轮驱动，加装万向轮，从而实现
循线和避障的功能。
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智能循线避障小车
实际设计中发现由于电路板大小限制导致方案1实施困难，同时，四轮驱动使得控制环节复杂。综合考虑，最后确定采用方案2。
2.2 电路系统设计
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设计任务表明，电路系统主要包括三部分：传感器电路、电机驱动电路和芯片控制电路。 控制系统——由微处理器构成，是小车的核心，负责处理传感器传递过来的场地信息，同时作出相应判断，然后向电机控制电路发出控制指令。 执行系统——接受处理器发送过来的指令，驱动车身前进、后退以及其他相应的姿态调整。
场地信息监测——主要是检测地面上的黑线以及障碍物的位置，将获得的信息传递给处理器。主要包括黑线检测和障碍物检测。
电源——为以上各个系统提供安全的工作电压。 以下是循线避障小车系统的结构简图：
图1 循线避障小车系统的结构简图
2.2.1 电路系统设计方案选择 2.2.1.1传感器选择
传感器可以分成两部分：黑线检测传感器和障碍物检测传感器。考虑到电路的实现难易程度，现将基本电路选择表述如下：
首先，对于黑线检测传感器，考虑到红外光会被暗物体吸收的特性，可以采用ST168单束反射式光电传感器，实现发射接收一体化。
电路图：
TCRT5000障碍物A
KECAKEC
图2 st168单束反射式光电传感器
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功能：通过红外光的发射和接受，实现电路的导通和关断。
原理：由高功率发射管发射红外光，当遇到障碍物后被反射回来，被高灵敏度的光电管接受，传感器电路导通；当未到障碍物时，传感器电路关断。
其次，对于障碍物检测传感器，小组成员在设计起初提出以下两种传感器电路，先分别予以解释。 ? 方案一：发射和接受固定频率的红外光
1）发射电路：
Input:?9v~+15v19K8K876438kHZNE5553210215101
图3 红外光发射电路
功能：发射38KHz的红外光
原理： 由于红外发射/接收电路时用来探测前进方向上的障碍物，但是由于外界光线的干扰，所以所发射红外光线经过38KHZ调制（接收电路所采用的芯片HS0038接收38KHZ的信号）。采用555搭建谐振电路，产生38KHZ，占空比为50%的方波
2）红外接收电路：红外接收电路以HS0038芯片为核心。 电路图：
+5v10K3HS0038821
图3 红外光接受电路
功能：探测经障碍物反射回来的38KHZ调制光线
原理：HS0038B是常见的红外接收芯片。当接收到38KHZ的红外光线是，其输出端1输出低电平。电路中，3和1之间的电容（104），是用于隔离高频干扰的
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方案二：采用集成的红外光电对管
采用TCRT5000单束反射式光电传感器，实现发射接收一体化。 电路图：
图4 TCRT5000单束反射式光电传感器
功能：通过红外光的发射和接受，实现电路的导通和关断。
原理：由高功率发射管发射红外光，当遇到障碍物后被反射回来，被高灵敏度的光电管接受，传感器电路导通；当未到障碍物时，传感器电路关断。
通过以上分析，可以发现，方案一优势在于其探测精度较高，但结构较为复杂；方案二，结构简单、电路实现方便。因而，在误差允许范围内，本设计中采用方案二。 2.2.1.2电机及其驱动芯片选择
考虑到本设计中，所涉及的负载较少，可以直接使用小型电机驱动，故可以采用以下两种设置： ? 方案一：采用步进电动机，通过调整所发脉冲个数N，达到控制目的。 ? 方案二：采用直流减速电动机，通过L293D电机驱动芯片，利用PWM控制方式，实
现电机的正转、反转、加速和减速。 功能：L293D电机驱动芯片可以提供较大的电流，单个芯片同时带动两个电机。 原理：通过L293D调节PWM波的占空比，达到控制电机转速目的。 比较以上两种方案，可以发现采用步进电动机可以达到较高的精度，但较之常规直流减速电机，前者费用较高。同时，考虑到本设计中车速较慢，一般直流电机可以达到遇到要求，故最终采用方案二。
2.2.1.3 处理器选择
在处理器的选择上，我们开始考虑使用单片机，后来在查阅了很多资料后，我们发现用ARM7可以更好的实现控制，也把它作为我们最终的选择，下面来比较一下这两种方案： ? 方案一：单片机AT89C51,这个我们在试验中多次用到，所以对它的原理和使用较为熟
悉，所以我们最初考虑使用它，但在调试工程中发现，采用单片机控制的精度不高，容易出现误判。 ? 方案二：ARM7，与AT89C51相比较，它在控制上有较高的精度。
考虑以上原因，最终确定采用方案二。
2.2.1.4 电源选择
考虑到电源同时给要给系统和电机供电，且要在实验室方便的实现，我们提出了以下两
种方案： ? 方案一：采用稳压电源，电压调节会有较大的空间，但是需要加7805稳压芯片，以构
成一个稳压电源电路，实现起来较为复杂。 ? 方案二：采用USB接口，实现起来很方便，且我们所用的处理器ARM7在5V左右比
较安全，所提供的电压也是比较稳定的。
比较以上两种方案，我们最终选择了方案二，这样更加简洁方便，而且功能同样可以很好的实现。
2.2.2 电路系统总体设计方案
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