目的： 本毕业设计是红外蔽障小车的设计，通过设计使学生系统的熟悉和掌握单片机控制系统设计方面的内容体系、开发流程和程序设计，培养学生具有综合运用所学的理论知识去开拓创新及解决实际问题的能力。培养学生掌握设计题的思想和方法，树立严肃认真的工作作风、培养学生调查研究、查阅技术文献、资料、手册以及编写技术文献的能力。同时是为了掌握电路设计的方法和技巧。如何将学习到的理论知识运用到实际当中去，怎样能够活学活用，深入的了解电子元器件的使用方法，了解各种元器件的基本用途和方法，能够灵活敏捷的判断电路中出现的故障，学会独立设计电路，积累更多的设计经验，加强焊接能力和技巧，完成基本的要求。并能完美的完成这次实训。 目录 一、任务书...............................P1 二、引言..............................P2 二、要求与发挥...........................P4 三、设计摘要.............................P6 四、模块方案比较.......................P7 1.避障模块 2.驱动模块
3.控制模块 五、程序设计.........................P9 1.程序流程图 2.程序编写 六、工作原理.........................P13 七、结论............................P13 八、参考文献........................P14 九、毕业设计（论文）成绩评定表.....P15 任务： 利用单片机、红外实现避障，要求具有下述功能： 1.小车前进可以避开（前、左、右）20cm的障碍物； 2.实现下车前进时，不碰障碍物； 3.具有声音播报功能。 引言 随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成程度越来越高，单片机已可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器、A/D转换器、D/A转换器等多种电路，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统。这种技术促使机器人技术也有了突飞猛进的发展，目前人
一、实验原理： 避障传感器基本原理,和循迹传感器工作原理基本相同,利用物体地反射性质.在一定范围内,如果没有障碍物,发射出去地红外线,因为传播距离越远而逐渐减弱,最后消失.如果有障碍物,红外线遇到障碍物,被反射到达传感器接收头.传感器检测到这一信号,就可以确认正前方有障碍物,并送给单片机,单片机进行一系列地处理分析,协调小车两轮工作,完成一个漂亮地躲避障碍物动作,传感器原理图如图6. 图6 红外避障传感器原理图 1、把红外避障传感器固定在小车地正前方,接好线.注意：红外传感器地避障距离也是可调,调节滑动变阻器可以调节避障距离. 2、编制程序,实现小车检测到前方有障碍物时,向左转弯,再检测,没有障碍物,继续前进,有障碍物,继续左转弯.
图7 避障传感器与单片机连接图 四、红外避障传感器电路分析： 电路中HEF4011BT是一个4通道2输入与非门.455是晶振,它产生38k地方波,HEF4024BT是7位二进制计数器,38k地方波作为计数器HEF4024BT地时钟输入.HEF4024BT地O2与O3接与非门加一个非门去控制HEF4024BT地复位端.也就是说当HEF4024BT计数到第四位与第三位同时为1时,HEF4024BT就会被清零.同时当HEF4024BT地O3为1时,HEF4011BT地O4为低电平,触发红外发光二极管发送信号.当HEF4024BT地O3为0时,HEF4011BT地O4为高电平,关闭发光二极管,这段时间为4个方波周期.也就实现了38k载波调制地红外.接收头是红外线一体化接收头是集红外接收、放大、滤波和比较器输出地模块.当收到信号时,OUT端输出低电平,LEDR被点亮,指示收到信号,前方有障碍物.没有收到信号,OUT端输出反之. 五、实验源程序： #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define MOTOR_C P0 //P0口作为电机地控制口. #define SIGNAL P1 //P2口地低两位为循迹传感器输入口. #define SHELVES 25 //速度总档数. #define BACK 0xA5 //后退 #define FORWARD 0xC6 //前进 sbit PWM_R = P0^7; //右电机PWM输入口 sbit PWM_L = P0^2; //左电机PWM输入口 void timer_init( void ); //定时器初始化函数.
红外避障传感器介绍（反射型）日期:2006-5-16 14:05:14 来源: 点击: 1572 添加到收藏夹 实图： 技术指标： 主体外形尺寸：23×15.3×15.1mm(长×宽×高) 重量：7g 额定电压：直流电源5.0V 检测范围（反射面为白色木板）：1~ 40cm（挡板为白色时检测距离在40cm时达到临界点，超过此数值后检测效果变差） 调节方式：多圈电阻式调节，逆时针方向旋转功率变小，顺时针方向旋转功率变大 返回值：有信号（高电平）返回值为“1”，无信号（低电平）返回值为“0” 状态指示方式：检测到信号指示灯亮红灯，无信号不亮 安装方式：单颗?3螺丝安装
线长：17.4cm±0.2cm（有效距离） 连接方式：单条3芯排线，2510型3脚插头 有效角度：30 左右 原理与功能 红外避障传感器（以下简称红外）。红外具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射一定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外信号反射回来被接收管接 应用介绍： 红外是通过发射端发射红外信号，接收端接收由障碍物反射回来的红外信号，来判断是否有障碍物。
项目应用 红外避障传感器在很多项目中都有使用。 在初中灭火、高中搜救项目中，机器人可以通过红外避障传感器走迷宫； 在轨迹项目中，机器人可以通过黑、白色对红外线的反射和吸收值不同而用红外避障传感器来识别黑色的轨迹线。 注意事项： 1、红外是数字传感器，红外接收管只有在接收到一定强度的红外信号时才会有数值的变化。障碍物（反射面）太小时，红外会检测不到；障碍物（反射面）颜色为黑色或深色时，会被吸收大部分的红外信号，而只反射回一小部分，导致红外接收管接收到的红外信号强度不够，不足以产生有障碍物（反射面）的信号。 2、红外在暖光源的照射下（如白炽灯、太阳光）检测受到很大影响，它会受到所有相近红外信号的干扰，白炽灯和太阳光中含有红外信号成分较多，对红外的影响也较大。红外相互之间也存在干扰，因而在使用时需要注意。 3、红外采用的是发射、接收原理，不同反射面对红外信号的吸收与散射，将影响其检测范围，根据测试红色的反射面效果最佳，白色其次，黑色最差；同时反射面的粗糙度和平整度也会影响检测的效果。
开放性实验报告 ——避障机器人设计 系别：智能科学与技术 姓名：唐继鹏 姚武浩 姜飞鹏 郑光旭 指导老师：袁立行、王曙光、亢红波时间：2011.9.16——2012.4.28
目录 1 系统功能介绍 (1) 2 设计任务与要求 (1) 3 系统硬件设计 (1) 3.1系统总体设计框图 (1) 3.2寻线模块(ST188) (2) 3.3电机控制模块 (3) 3.4单片机最小模块 (4) 3.5数码管显示模块 (6) 4 系统软件实现 (7) 4.1 设计思路 (7) 4.2 软件程序流程图 (8) 4.3程序代码见附录Ⅰ (8) 5 调试结果 (8) 6 实验总结 (9) 附录Ι (10) 附录Ⅱ (18) 附录Ⅲ (19)
1 系统功能介绍 本设计以单片机作为控制核心，电路分为最小系统模块，黑线检测模块，电机驱动模块，数码管显示模块。黑线检测模块采用反射式关电传感器st188，并且接相应的三级管来规划传感器的输出，当输出高电平为正常情况。电机为伺服电机，给定脉宽为1.5ms的信号电机保持不动，给定脉宽为1.7ms的信号电机正向转到给定脉宽为1.3ms的信号电机逆向转到。数码管动态显示机器人行进过程所用的时间。 2 设计任务与要求 ◆熟悉51系列单片机的原理及应用。 ◆掌握ST188设计电路和传感器的使用。 ◆掌握直流电机的驱动方法。 ◆掌握动态数码管显示的方法。 ◆设计机器人的硬件电路及软件程序。 ◆制作机器人的硬件电路，并调试软件，最后实现机器人的自动测量黑线。 3 系统硬件设计 3.1系统总体设计框图 该系统中51单片机作为主微控芯片，其外多个I/O口作为通用I/O口接受传感器的信号并输出相应的控制信号。 系统硬件总体设计框图如下图3.1-1所示。
STEAM课例《避障机器人》教学反思 从兴趣入手，充分调动学生学习的主动性和积极性，在课堂学习中，学生的注意力高度集中，思维异常活跃，求知欲异常强烈，创造思维活动得以启动运行。《避障机器人》是让学生通过学习，能够正确地编写“机器人避障”的程序，能够为机器人设置障碍物环境，让机器人顺利地在此环境自由地行走。为了让学生对机器人编程学习有一个好的开始，花了不少心思对本课内容进行了阅读、理解、推敲，最后从以下几方面着手进行教学设计： 一、趣味导入，动静结合，激发学生的直接学习兴趣。 通过观察体验机器人避障功能，学生开始对“超声波传感器”（在学习之前学生还不知道这个部件就是红外）产生了求知欲，它到底能让机器人干什么？这个时候如果切入到机器人的学习，恐怕学生会大失所望。于是我用心地拍了一段视频，学生在观看视频中进一步明白了机器人也要装眼睛才可以看见物体，从而自然地引出课题，也调动学生的学习情绪。 二、启发思维，张扬个性，提高学生的创新意识和创新能力。 机器人避障的流程图编写是本节课的重点。学生通过自主学习基本上可以完成框架的搭建，甚至有些学生还可以正确地设置条件判断、电机的参数，但是我们要求学生学习程序编写真正目的不仅是会搭框架，还要理解每个模块的作用，整个流程图的设计思路，也就是
常言道“知其然，还知其所以然”，从而让学生的思维在这个过程中得到训练。 三、循循善诱，言简意赅，让学生的兴趣在思考中升华。 机器人从无眼睛到装上了眼睛，从四处撞墙到巧妙地避开自由行走，贯穿整个课堂。本节课的教学引导没有过多的教师语言，只是在环节衍接处适当地以视频方式展示情境，通过设置问题启发学生观察思考体验，每一个问题都与下一个学习紧密相联，学生的兴趣从开始被吸引，到最后升华。 但是在下载到机器人的时候，机器人中的超声波传感器的两个探测头的距离和位置是很难把握的，有时上传程序的时候就会失败，这就需要我们在不断的实验中把握尺度，总结规律，也需要让学生不断的进行调试，让他们能自己总结出规律，加深记忆。
红外避障传感器测试结果 一、传感器原理 传感器主动发射红外线，根据反射光探测，类似雷达，如果探测到障碍，传感器的OUT 脚输出0，否则1。 二、测试目的 测试传感器的各项性能是否满项目的测量要求。此传感器在项目设计中是用于测量纸卷厚度的，当纸卷剩余不多的时候需要传感器预报，因此对精度要求小于2mm 。 三、测试内容及方法 1）传感器精度测试 测试中传感器测量距离保持不变，移动被测物体（障碍物），由近及远，直到传感器输出的电平发生变化（由0变到1），停止移动，测量此时被测物体与传感器的距离，重复多次；移动被测物体由远及近，直到传感器输出的电平发生变化（由1变到0），停止移动，测量此时被测物体与传感器的距离，重复多次。 2）回滞性测试 传感器距离设定不变，由于精度等原因，传感器测得的距离是在一定范围变化的，因此具有回滞特性。 表1是根据以上所述的测试方法测得的结果。图1是根据表1绘制的回滞特性曲线。 表1 测试结果 四、测试总结 从表1的数据可以看出，传感器在设定距离不变的情况下，由近及远的误差电平 图1 红外避障传感器的回滞曲线 mm
为3.28mm，由远及近的误差为4.18mm，在设定距离总的误差为6.06mm。因此不符合我们的要求。 同时在测试中发现，传感器在测定距离的电平是动态变化的。理想情况下，障碍物由近及远，传感器输出的电平应该是由0变到1，障碍物由远及近，传感器输出的电平由1变到0。但是在实际测试中，障碍物移动到传感器电平发生变化的距离后，电平还是在变化，而且不规律。波形如图2所示。这是不符合我们要求的。 图2 示波器测得的传感器电平变化 五、测试结论 传感器不符合项目要求。
光电传感器 一、反射式光电传感器简介 反射式光电传感器在机器人中有着广泛的应用。可以用来检测地面明暗和颜色的变化，也可以探测有无接近的物体。这种光电传感器的基本原理是，自带一个光源和一个光接收装置，光源发出的光经过待测物体的反射被光敏元件接收，再经过相关电路的处理得到所需要的信息。相应的，光谱范围，灵敏度，抗干扰能力，输出特性等都是反射式光电传感器的重要参数。 二、简单比较型光电传感器 在上左图中，JP1是光电管，接收光强在上面转换成电流，在R上成为电压信号，与RA1的标准值进行比较，从LM339输出逻辑电平给单片机。 R越大，光电流产生的电压变化越大，传感器也就越灵敏。但是若R过大，当光比较强的时候，R上的电压会达到VCC而不再变化，这就是所谓的饱和。在这种比较型的传感器电路中，饱和只会使强光与强光难以分辨，但仍可以区分强光和弱光，它并不是影响比较结果的重要因素。但在后面介绍的几种调制型传感器中，饱和是必须避免的，因为它会掩盖交流分量。高灵敏度和饱和是一对矛盾，在后面提到了一些相关的解决方案。 LM339是开路输出的，10K的电阻是为了使输出电压正确。如果后面是51之类开路输入的单片机，这个电阻可以省略。 假如把光敏管放在下边,电阻放在上边。这样当光线较暗时比较器输入电压接近VCC，超过比较器LM339能够正常工作的最高输入电压Vm,比较器不能正常工作（LM339的共模输入电压最低能低到0，但是最高达不到VCC），因此灵敏度做不高。为了使比较器正常工作，电阻值应使得光照时比较器输入电压Vi大幅下降，满足VCC-I*R 二．红外避障传感器避障传感器主要包括：超声波避障传感器，红外避障传感器，激光避障传感器等等。1.可以希望在相当短的时间内获得较多的红外传感器测量值以及测距范考虑到发射光线是光，30cm以内，所以我们选择红外避障传感器安装在机器人上。围较近，大致为 2.红外避障传感器的优点： 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；（）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（3 目标的能力优于可见光；）红外系统的体积小、质量轻、功耗低；（4 ）不受电磁波的干扰、非噪声源、可实现非接触性测量。（5 红外避障传感器的不足： 3. 周围的光线都能导方向、由于传感器测量光的差异，其受环境的影响非常大，物体的颜色、致较大的测量误差。工作原理： 4. ）红外避障传感器：（1接收管接收这发射管发射一定频率的红外信号，具有一对红外信号发射与接收二极管，红外信号反射回来被接当传感器的检测方向遇到障碍物（反射面）时，种频率的红外信号，机器人即可利用红外波经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，收管接收，的返回信号来识别周围环境的变化。光学系统按结构不同可分为透射式红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。热敏元件应用最和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。通过转换电路变成热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，多的是热敏电阻。电信号输出。）热敏检测元件（2 热阻效应：物质的电阻率随温度变化的物理现象叫热阻效应。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即）t0]Rt=Rt0[1+α（t-为温度系α（通常t0=0℃）时对应电阻值；Rt0Rt式中，为温度t时的阻值；为温度t0 数。半导体热敏电阻的阻值和温度关系为Rt=AeB/t 取决于半导体材料的结构的常数。B、A时的阻值；t为温度为Rt式中 （3）光电检测元件 光电效应：在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电，分为外光电效应和内光电效应。 光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。 第3章系统总体结构及工作原理 该系统主要以超声波测距为基本测距原理，并在相应的硬件和软件的支持下，达到机器人避障的效果。 3.1机器人总体硬件设计 3.1.1传感器的分布要求 为了全方位检测障物的分布状况，并及时为机器人系统提供全面的数据，可将所需的八个传感器均匀排列在机器人周围，相邻每对传感器互成45度角。为了避免相互干扰，八个传感器以程序运行周期为周期，进行循环测距。传感器排列示意图如下： 图3.1.1 传感器分布图 图3.1.2 硬件设计总体框架图 上图为支持机器人运行实用程序的硬件部分的总体设计框架图，由负责相关任务的同学提供。在超声波信号输入单片机以后，由存储在单片机中的主程序调用避障子程序，根据输入信号执行避障指令，并使相关数据返回主程序，转而提供给电机和LED显示器的驱动程序使用，最后，由电机执行转向指令，结果则显示在LED显示器上。 图3.1.3 软件总体框架图 由上图可知，本文作者负责的超声波避障程序为软件总体设计中的子程序部分。在主程序运行过程中，若调用超声波避障程序，机器人在自行轨迹规划后，将程序处理所得数据送给电机处理成立程序，控制电机动作。具体的避障程序设计将在第4章进行。 3.2超声波测距原理 测距原理：超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测 手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。[8]超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，即：[8] D=ct/2 其中D为传感器与障碍物之间的距离，以m计，c为超声波速度，这里以340m/s计，t为超声波从发送到接收的总时间，以s计。据此原理可以用超声波传感器测得的距离为避障程序提供所需的数据。[8] 第4章轨迹规划算法的实现方案 4.1轨迹规划算法的层次化设计 根据上述材料分析，可以将机器人轨迹规划算法设计分为基础控制层、行为控制层和坐标计算层，三个层次进行。 4.1.1基础控制层设计 基础控制层可定义为基本行为层，这层算法的任务是寻找目标点，并确保机器人可以顺利到达指定目标位。在确定目的地位置的情况下，为了达到上述目的，计算机必须对机器人的方位进行时实计算。应用人工势场法原理，可以将目标点设为引力极，牵引机器人运动。对此动作建立相应的模型，可以使用建立平面坐标作为虚拟势场的方法来给机器人定义方位，将机器人关于目标点的时实偏角作为虚拟引力方向，以确定机器人下一步所需转过的角度，并时实检测，是否已到达目的地，若已到达，则可认为虚拟引力此刻为0，并发出信号控制程序终止运行总体程序。 由此，可确定基础控制层所需的各参数： (1)机器人的时实坐标x, y值，由专门的坐标计算层提供，为了提高精 确度，可以采用厘米为单位制。 (2)机器人的速度v，测量后设为定值使用。 (3)周期T，直接设置为定值使用。 (4)偏转角de，可通过机器人与横坐标之间的夹角pe，减去机器人到目 标点连线与横坐标的夹角E得到。 传感器电路设计 清洁机器人上安装有多种传感器：各种红外传感器、碰撞传感器和霍尔速度传感器。这些传感器协调工作，保证了机器人对外界环境和自身运动状态的判断。 传感器布局 传感器网络共有4个周边红外传感器、3 个底盘红外传感器、2 个调频红外传感器、2 个碰撞传感器、2 个霍尔转速传感器以及1个电机过流传感器、1 个充电电源检测传感器、1 个电池充满传感器和一个A D。其布局如图3-7 所示。 图3-7 传感器布局 红外线避障传感器电路设计 避障传感器的基本原理是利用物体的反射性质。因为在一定范围内，如果没有障碍物，发射出去的红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。而如果有障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到传感器的接收头。传感器检测到这一信号就可以确认正前方有障碍物，并传送给单片机，单片机通过输入内部的算法，协调小车两轮工作，从而完成躲避障碍物的动作。 通过比较，本系统中选用E18--D80NK-N红外避障传感器。E18-D80NK-N是E18-D80NK的升级版。改动部分主要是内部电路板和外部连线。传感器外部接线，在末端增加了杜邦头，方便用户使用。E18-D80NK-N这是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出。有效的避免了可见光的干扰。透镜的使用，也使得这款传感器最远可以检测80厘米距离的问 题（由于红外光的特性，不同颜色的物体，能探测的最大距离也有不同白色物体最远，黑色物体最近）。检测障碍物的距离可以根据要求通过尾部的电位器旋钮进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。E18--D80NK-N的工作电压为5V，工作电流为10--15mA，驱动电流为100mA,探测距离为3--80cm。E18--D80NK-N也是一个数字传感，其为NPN型光电开关，输出状态是0和1，即数字电路中的低电平和高电平；检测到目标是高电平输出，正常状态是低电平输出。此时可以通过旋转传感器后面的按钮，改变传感器可以测量的距离，比如可以通过调节旋钮，使它测5cm距离以内是否有障碍物，如果5cm以内有物体则返回一个高电平，同时传感器里面的绿色小灯被点亮。本系统需要可以测得距离是否有变化的传感器，所以该传感器可以胜任。本系统共用4个E18--D80NK-N红外避障传感器，通过调节旋钮，使它们可以测得设定距离以内的障碍物，这样当机器人处在障碍物设定距离内的地方时，传感器返回低电平，被单片机检测到并作相应的处理。 我们利用上述传感器设计如下图所示电路，其中D1发射红外线，D2接受红外线信号。LM231(此芯片待定)的第5、7引脚为频率的设定端，一般通过调整其外接可变电阻来改变频率。红外载波信号来自其第7脚，也就是说载波信号与频率一致时，能够极大的提高抗干扰特性。当接收到的红外载波信号和频率一致时，说明不是干扰，则第6脚输出低电平。 红外信号经反射后，由探头的光敏三极管接收反射光，经过RC滤波电路及LM741组成的并联负反馈放大电路对信号进行放大，输出频率的方波送到LM231中进行解调，然后经其内部的比较器转换为数字信号经由6号脚输出。 图3-8 红外传感电路 本电路既简化了线路和调试工作，又防止了周围环境变化和元件参数变化对收发频率造成的差异，实现了红外线发射和接收工作频率的自动同步跟踪，使电路的稳定性和抗干扰能力大大加强。 碰撞传感器 接触传感器通过与目标物体的接触来识别障碍物，选择OTH8084型微动开关作为接触传感器，如图所示，该型号开关结构小巧，使用便捷可靠，信号无需调理。 红外避障传感器 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】 二．红外避障传感器 1.避障传感器主要包括：超声波避障传感器，红外避障传感器，激光避障传感器等等。考虑到发射光线是光，可以希望在相当短的时间内获得较多的红外传感器测量值以及测距范围较近，大致为30cm以内，所以我们选择红外避障传感器安装在机器人上。 2.红外避障传感器的优点： （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； （5）不受电磁波的干扰、非噪声源、可实现非接触性测量。 3. 红外避障传感器的不足： 由于传感器测量光的差异，其受环境的影响非常大，物体的颜色、方向、周围的光线都能导致较大的测量误差。 4.工作原理： （1）红外避障传感器： 具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射一定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当传感器的检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，机器人即可利用红外波的返回信号来识别周围环境的变化。 红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。 （2）热敏检测元件 热阻效应：物质的电阻率随温度变化的物理现象叫热阻效应。 金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即 Rt=Rt0[1+α（t-t0）] 式中，Rt为温度t时的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值；α为温度系数。 半导体热敏电阻的阻值和温度关系为 Rt=AeB/t 式中Rt为温度为t时的阻值；A、B取决于半导体材料的结构的常数。 （3）光电检测元件 光电效应：在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电，分为外光电效应和内光电效应。 光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。 （4）红外发射二极管的选择 《智能避障车》教学设计 一、教材分析 本节课是基于教科版《信息技术基础》第三章第二节《信息的编程加工》进行课程内容开发，以mbot教育机器人为载体，利用基于scratch的编程工具Mblock进行机器人编程教学。本节内容在学习程序设计中，加入机器人硬件，通过实现智能避障车的过程，介绍机器人程序设计的方法。 二、学情分析 高一的学生思维活跃，已经有了一定的逻辑思维能力和自主探究能力，具备了本节课学习的能力要求。虽然通过前一节课，学习了Mblock中的编程方法，但大多数学生还没形成程序设计思维，对于实际操作机器人和机器人编程来说，也还比较陌生。因此，课堂教学中要注意降低起点，逐步引导。 三、教学目标 1、知识与技能： 知道程序的三种基本结构，能在程序设计中熟练运用选择结构和循环结构。 2、过程与方法： 能够将解决实际问题的方法转化为程序设计的流程图，并在程序中加以实现。 3、情感态度与价值观： 提高科技素养，激发创新精神、探究精神和团结协作精神。 四、教学重难点 教学重点：选择结构和循环结构应用、机器人程序设计方法。 教学难点：机器人程序设计方法。 五、教学方法 本课的设计贯彻“任务驱动”的教学思想，把学习的主动权交给学生，让学生置身于自主探究、解决问题的氛围中。使用实物演示和启发式教学法引导学生分析并画出智能避障车流程图；使用小组竞赛的方法组织教学，以提高学生自主探究的积极性和效率；对学生探究过程中遇到的普遍性问题，通过讲授法统一指导。 六、教学媒体 1、mbot教育机器人 2、Mblock编程工具 3、知新网络教学评价系统 4、信息技术学习平台 5、多媒体机房 七、教学过程 //智能小车避障、循迹、红外遥控C语言代码 //实现功能有超声波避障，红外遥控智能小车，红外传感器实现小车自动循迹，1602显示小车的工作状态，另有三个独立按键分别控制三种状态的转换 //注：每个小车的引脚配置都不一样，要注意引脚的配置，但是我的代码注释比较多，看起来比较容易一点 #include 超声波引脚控制 ******************************/ sbit ECHO=P3^2; //超声波接收引脚定义兼红外遥控按键state_total =2 sbit TRIG=P3^3; //超声波发送引脚定义 /////红外控制引脚配置 sbit KEY2=P3^7; //红外接收器数据线兼循迹按键state_total= 0 sbit KEY1=P3^4; //独立按键p3.4控制自动避障state_total=1 uchar state_total=3,state_2=0;//总状态控制全局变量0为自动循迹模块1为自动避障模块2为红外遥控 uchar state_1,DAT; //红外扫描标志位 uchar time_1=0,time_2=0;//定时器1中断全局变量time_ 2控制PWM脉冲计数time_1控制转弯延时计数也做延时一次0.005s uchar time,timeH,timeL,state=0;//超声波测量缓冲变量state为超声波状态检测控制全局变量 uint count=0; //1602显示计数 /**************************/ unsigned char IRCOM[7]; //红外接收头接收数据缓存IRCOM[2]存放的为数据unsigned char Number,distance[4],date_data[8]={0,0,0,0,0,0,0,0}; //红外接收缓存变量 /***********/ void IRdelay(char x); //x*0.14MS 红外头专用delay void run(); 3.4 传感器电路设计 清洁机器人上安装有多种传感器：各种红外传感器、碰撞传感器和霍尔速度传感器。这些传感器协调工作，保证了机器人对外界环境和自身运动状态的判断。 3.4.1 传感器布局 传感器网络共有4 个周边红外传感器、3 个底盘红外传感器、2 个调频 红外传感器、2 个碰撞传感器、2 个霍尔转速传感器以及1个电机过流传感器、1 个充电电源检测传感器、1 个电池充满传感器和一个A D。其布局如图 3-7 所示。 图3-7 传感器布局 3.4.2红外线避障传感器电路设计 避障传感器的基本原理是利用物体的反射性质。因为在一定范围内，如果没有障碍物，发射出去的红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。而如果有障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到传感器的接收头。传感器检测到这一信号就可以确认正前方有障碍物，并传送给单片机，单片机通过输入内部的算法，协调小车两轮工作，从而完成躲避障碍物的动作。 通过比较，本系统中选用E18--D80NK-N红外避障传感器。E18-D80NK-N是E18-D80NK的升级版。改动部分主要是内部电路板和外部连线。传感器外部接线，在末端增加了杜邦头，方便用户使用。 E18-D80NK-N这是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出。有效的避免了可见光的干扰。透镜的使用，也使得这款传感器最远可以检测80厘米距离的问题（由于红外光的特性，不同颜色的物体，能探测的最大距离也有不同白色物体最远，黑色物体最近）。检测障碍物的距离可以根据要求通过尾部的电位器旋钮进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。E18--D80NK-N的工作电压为5V，工作电流为10--15mA，驱动电流为100mA,探测距离为3--80cm。E18--D80NK-N也是一个数字传感，其为NPN型光电开关，输出状态是0和1，即数字电路中的低电平和高电平；检测到目标是高电平输出，正常状态是低电平输出。此时可以通过旋转传感器后面的按钮，改变传感器可以测量的距离，比如可以通过调节旋钮，使它测5cm距离以内是否有障碍物，如果5cm以内有物体则返回一个高电平，同时传感器里面的绿色小灯被点亮。本系统需要可以测得距离是否有变化的传感器，所以该传感器可以胜任。本系统共用4个E18--D80NK-N红外避障传感器，通过调节旋钮，使它们可以测得设定距离以内的障碍物，这样当机器人处在障碍物设定距离内的地方时，传感器返回低电平，被单片机检测到并作相应的处理。 我们利用上述传感器设计如下图所示电路，其中D1发射红外线，D2接受红外线信号。LM231(此芯片待定)的第5、7引脚为频率的设定端，一般通过调整其外接可变电阻来改变频率。红外载波信号来自其第7脚，也就是说载波信号与频率一致时，能够极大的提高抗干扰特性。当接收到的红外载波信号和频率一致时，说明不是干扰，则第6脚输出低电平。 红外信号经反射后，由探头的光敏三极管接收反射光，经过RC滤波电路及LM741组成的并联负反馈放大电路对信号进行放大，输出频率的方波送到LM231中进行解调，然后经其内部的比较器转换为数字信号经由6号脚输出。 光电检测技术与应用 论文 题目：红外测距传感器的工作原理及使用 院系：机电工程学院 班级：测控xxxx 完成日期：2017/5/6 小组：第x组 小组成员：xxxxxxxxxx 红外测距传感器的工作原理及使用 摘要： 利用光的反射性质，将光学系统与电路系统相结合可以制作避障传感器，通过单片机的控制，可以完成智能车在运行过程中，对障碍物的处理。避障传感器基本原理：利用物体的反射性质。在一定范围内，如果没有障碍物，发射出去的红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。如果有障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到达传感器接收头。传感器检测到这一信号，就可以确认正前方有障碍物，并送给单片机，单片机进行一系列的处理分析，协调车轮或者舵机工作，完成躲避障碍物的动作。 关键字：光电检测技术、智能车、测距、红外测距传感器、单片机 一、引言 光电检测作为光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术，主要包括光信息获取、光电变换、光信息测量以及测量信息的智能化处理等，具有精度高、速度快、距离远、容量大、非接触、寿命长、易于自动化和智能化等优点，在国民经济各行业中得到了迅猛的发展和广泛的应用，如光扫描、光跟踪测量，光纤测量，激光测量，红外测量，图像测量，微光、弱光测量等，是当前最主要和最具有潜力的光电信息技术。 二、光电检测技术的概念 光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高测系统输出信号的信噪比。 光电检测技术的系统机构比较简单，分为信号的处理器，受光器，光源。在实际检测过程中，受光器在获得感知信号后，就会被反映为不同形状、颜色的信号，同时根据这些器件所处在的不同位置，就能够将他分为反射型与透过型的两种比较的模式。光电检测的媒介光应当是自然的光，例如白炽灯或者萤光灯。特别是随着这些技术的发展，光电技术也取得的非常好发展。由于投光器在发出光后，会以不一样的方式触摸这些被检测物中，直到照射到检测系统中的受光器中，同时受光器在此刺激下，会产生一定量的电流，这就是我们常说的光敏性的原件，实际生活中应用比较广泛的有三极管、二极管。 三、光电检测技术的应用 智能车方面的应用、家庭扫地机器人方面的应用:利用光的反射性质，将光学系统与电路系统相结合可以制作避障传感器，通过单片机的控制，可以完成智能车在运行过程中，对障碍物的处理。避障传感器基本原理：利用物体的反射性质。在一定范围内，如果没有障碍物，发射出去的红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。如果有障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到达传感器接收头。传感器检测到这一信号，就可以确认正前方有障碍物，并送给单片机，单片机进行一系列的处理分析，协调车轮或者舵机工作，完成躲避障碍物的动作。 四、常用光电检测器件：红外测距传感器 原理：其输出为电压数值，通过公式L?=?(6762/(9-X))-4可计算出小车与障碍物之间的距离。 INTELLIGENT VEHICLE Our society is awash in “machine intelligence” of various kinds.Over the last century, we have witnessed more and more of the “drudgery” of daily living being replaced by devices such as washing machines. One remaining area of both drudgery and danger, however, is the daily act ofdriving automobiles 1.2 million people were killed in traffic crashes in 2002, which was 2.1% of all globaldeaths and the 11th ranked cause of death . If this trend continues, an estimated 8.5 million people will be dying every year in road crashes by 2020. In fact, the U.S. Department of Transportation has estimated the overall societal cost of road crashes annually in the United States at greater than $230 billion. When hundreds or thousands of vehicles are sharing the same roads at the same time, leading to the all too familiar experience of congested traffic. Traffic congestion undermines our quality of life in the same way air pollution undermines public health.Around 1990, road transportation professionals began to apply them to traffic and road management. Thus was born the intelligent transportation system(ITS). Starting in the late 1990s, ITS systems were developed and deployed. In developed countries, travelers today have access to signifi-cant amounts of information about travel conditions, whether they are driving their own vehicle or riding on public transit systems. As the world energy crisis, and the war and the energy consumption of oil -- and are full of energy, in one day, someday it will disappear without a trace. Oil is not in resources. So in oil consumption must be clean before finding a replacement. With the development of science and technology the progress of the society, people invented the electric car. Electric cars will become the most ideal of transportation. In the development of world each aspect is fruitful, especially with the automobile electronic technology and computer and rapid development of the information age. The electronic control technology in the car on a wide range of红外避障传感器
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