基于CMOS图像传感器的视觉导航智能小车设计.docx

基于CMOS图像传感器的视觉导航小车设计摘要89C51单片机是一款八位单片机，他的易用性和多功能性受到了广大使用者 的好评这里介绍的是如何用89C51单片机来实现兰州理工大学的毕业设计， 该设计是结合科研项目而确定的设计类课题本系统以设计题目的要求为目的， 采用89C51单片机为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制电 动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程 和速度，自动寻迹和寻光功能整个系统的电路结构简单，可靠性能高实验测 试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析采用的技术主要有：(1) 通过编程来控制小车的速度；(2) 传感器的有效应用；(3) CMOS图像传感器关键词：80C51单片机、光电检测器、PWM调速、电动小车An intelligence electricity motive small carbased on CMOS image sensrAbstract89C51 is a 8 bit single chip computer. Its easily using and multi-function suffer large users. This article introduces the LUT graduation design with the 89C51 single chip computer. This design combines with scientific research object. This system regards the request of the topic, adopting 89C51 for controlling core, super sonic sensor for test the hinder. It can run in a high and a low speed or stop automatically. It also can record the time, distance and the speed or searching light and mark automatically the electric circuit construction of whole system is simple, the function is dependable. Experiment test result satisfy the request, this text emphasizes introduced the hardware system designs and the result analyze.The adoption of technique as:(1) Reduce the speed by program the engine；(2) Efficient application of the sensor;(3) CMOS image sensor.Keywords: 89C51 MCU, light electricity detector, PWM speed adjusting, Electricity motive small car目录一、 系统设计要求 -1 -1.1 任务 -1 -1.2设计相关要求 -1 -1.2. 1基本要求 -1 -1.2.2主要技术指标 -1 -二、 系统方案论证与选择 -1 -2. 1系统基本方案 -2 -2. 2系统各模块的最终方案 -7 -三、 系统的硬件设计与实现 -8 -3.1系统硬件的基本组成部分 -8 -3. 2主要单元电路的设计 -9 -3.2. 1电源电路 -9 -3.2.2控制电路 -10 -3.2.3循迹探测电路 -13 -3.2.4边缘检测电路 -17 -3.2.5电机驱动电路 -19 -3. 2. 6 PWM 调速 -20 -3. 2. 7舵机控制电路 错误！未定义书签。

四、 系统软件设计 -22 -4. 1系统总流程图 -23 -4. 2程序初始化流程图 -23 -4. 3 0V7620工作流程图 -24 -五、 参考文献 -27 -5. 1测试仪器 -27 -5. 2扌旨标测试 -28 -5. 2. 1测试方法 错误！未定义书签5. 2. 2测试数据及测试结果分析 错误！未定义书签5. 2. 3系统任务完成情况 错误！未定义书签六、 总结 -29 -参考文献 错误！未定义书签附录 -35 -一、 系统设计要求视觉导航技术作为移动机器人领域中一项关键技术，近年来已经被越来越多 的学者所重视，并进行深度的研究目前视觉导航技术已经成为移动机器导航方 法的主流趋势，并且在交通、医学、娱乐、物流等领域得到广泛的应用目前多 数机器人视觉系统采用的是CCD摄像机，此类视觉体系中必须配置专用视频采集 卡才能获得数字图像信息而近年来发展起来的CMOS图像传感器，由于其采用 T CMOS工艺制造，因而可以将A/D等器件集进去，使得图像传感器的集成度大 大提高，进行数字通讯的方式更为简便，硬件的搭建更为简单因此将CMOS图 像传感器应用到移动机器人领域是一个个发展的趋势。

O1.1任务本设计主要通过CMOS图像传感器获得路面引导线图像信息，利用高速单 片机进行图像降噪处理以及路径识别实时调整小车姿态及速度，达到巡线行驶 的目的1.2设计相关要求1.2. 1基本要求(1) 利用CMOS图像传感器进行路径识别；(2) 可识别启动标识线及停止标识线；(3) 可驱动直流电机带动车轮，并有测速功能；(4) 电池电压检测，低压提示；(5) 电机堵转过流保护1.2.2主要技术指标(1) 小车驱动电源7.2v；(2) 最高行驶速度10m/s；(3) 续航行驶距离200mo二、 系统方案论证与选择根据题目要求，系统可以划分为电源部分、信号检测部分、控制部分和无线 通信部分其中信号检测部分包括：循迹探测模块、测距模块控制部分包括：电机驱动模块、单片机模块 模块框图如图1所示2.1系统基本方案为实现各模块的功能，分别作了几种不同的设计方案并进行了论证1. 电源模块论证与选择方案一：系统由7.2V / 2000mAh的锂蓄电池组直接供电鉴于单片机系统 的核心作用，主控制器模块采用单独的稳压电路进行供电；为提高舵机响应速度, 将电源正极串接一个二极管后直接加在舵机上；电机驱动芯片直接由电源供电。

通过外围电路整定，电源被分配给各个模块使用LM2940进行稳压降压至5V, 给单片机等供电方案二：采用LM7805稳压电源当稳压管温度过高时，稳压性能将变差， 甚至损坏我们常用的7805稳压产生5V电压，但7805的一个明显缺点是当输 入电压大于12V时，发热会很厉害，最大的输入电压也智能到达15V左右，输 入输出压差不能太大，太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏综合以上，选择方案一，选用LM2940作为电源2. 控制器模块论证与选择方案一：选用PIC、或AVR、或智能车专用芯片等作为控制核心；这些 单片机资源丰富，可以实现复杂的逻辑功能，功能强大，完全可以实现对 小车的控制但对于本题目而言，其优势资源无法得以体现，且成本稍高方案二：采用STC公司的STC89C51作为系统控制器的CPU方案单片 机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算 法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点， 使其在各个领域应用广泛综上所述，采用方案二3. 循迹探测模块方案一：用光敏电阻组成光敏探测器光敏电阻的阻值可以跟随周围 环境光线的变化而变化比较器就可以输出高低电平。

单片机据此来判断 小车是否偏离轨道或是否到达转弯标志，并根据反馈来不同的电平信号， 发出相应的控制操作命令来控制小车当光线照射到白纸上面时，光线发射 强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱因此光敏电阻在木板轨迹 上方和黑色轨迹上方时，阻值会发生明显的变化将阻值的变化值经过 但是这种方案的缺点是受环境中光线的影响很大，且由于电压变化不是很 大，不能够稳定的工作方案二：采用光电传感器，即利用红外线遇到障碍物会反射回来红外 接收管可以接受到，在小车行驶过程中红外发射管不断发出红外线，当发 出的红外线射入黑线时，没有反射，红外输出低电平，若红外接收管没有 在黑线上方则可以接收到经轨道地板反射回的光线则输出高电平此光电 传感器调理电路简单，工作性能稳定是在黑暗或者是强光照射下，小车 系统均可以很稳定的工作，对环境的适应能力较强方案三：三只光电开关一只置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当 小车脱离轨道时，即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时，等待外面任 一只检测到黑线后，做出相应的转向调整，直到中间的光电开关重新检测 到黑线（即回到轨道）再恢复正向行驶综上所述，采用方案二4. 测距模块方案一：用超声波传感器。

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，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收 超声波测距原理是利用超声波从发射到接收过程中传播的时间来计算出传 播距离设1为测量距离，t为往返时间差，超声波的传播速度为C,则有 t=21 / c,而声波在空气中传输速率为c = c0Vl + r/273 (m/s)式中T为环境r 71+77273 温度；5为绝对温度时的速度，是常数从上述两式可以推出心 ~-——超声波测距方便，计算简单，易于做到实时控制，并且在测量精度方面达 到实用的要求方案二：用漫反射式光电开关光电开关的工作原理是根据光线发射 头发出的光束，被物体反射，其接收电路据此做出判断反应，物体对红外 光由同步回路选通而检测物体的有无当有光线反射回来时，输出低电平 当没有光线反射回来时，输出高电平考虑到本系统不但要检查黑线，还 要测距离故放弃此方案综上所述，选择方案一5. 电机模块方案一：采用直流减速电机直流减速电机转动力矩大，体积小，重 量轻，装配简单，使用方便，小车电机内部装有减速齿轮组，所以并不需 要考虑调速功能，很方便的就可以实现通过单片机对直流减速电机前进、 后退、停止等操作，方案二：采用步进电机作为该系统的驱动电机，由于其转动的角度可 以精确定位，可以实现小车前进距离和位置的精确定位。

虽然采用步进电 机有诸多优点，但步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在 较高的转速时会急剧下降，其转速较低时不适于小车等对速度有一定要求 的系统经综合比较分析我们决定放弃此方案综上所述，选择方案一6. 电机驱动模块方案一：MC33886的应用示意图如图2所示图中，V+是为直流电机供 电的电源IN1和IN2两个逻辑电平输入端分别控制输出端0UT1和0UT2o 当IN1输入高电平时.0UT1输出也为高电平——即通过H桥与V+导通；当 IN1输入低电平时，0UT1输出也为低电平——即通过H桥与GND导通IN2 和UT2的关系与此相同FS为故障信号开漏极输出，低电平有效当D1是 高电平或者D2是低电平时，同时禁用0UT1和0UT2的输出，使0UT1和0UT2 同时变为高阻态通过控制IN1和IN2的电平，即可控制电机正转、反转、 停转对IN1和IN2的电平信号进行脉宽调制，即可控制电机的转速方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对 小车的速度进行调整这个方案的优点是电路较为简单缺点是继。