1、兰州理工大学毕业论文基于 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
2、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、电动小车兰州理工大学毕业论文An intelligence electricity motive small car based 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
3、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 tim
4、e, 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
5、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兰州理工大学毕业论文毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我
6、所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者
7、签名： 日 期： 兰州理工大学毕业论文学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印
8、、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日兰州理工大学毕业论文目录一、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 .- 6 -三、系统的硬件设计与实现 .- 7 -3.1 系统硬件的基本组成部分 .- 7 -3.2 主要单元电路的设计 .- 8 -3.2.1 电源电路 .- 8 -3.2.2
9、控制电路 .- 10 -3.2.3 循迹 探测 电路 .- 13 -3.2.4 边缘 检测电路 .- 16 -3.2.5 电机驱动 电路 .- 17 -3.2.6 PWM 调速 .- 17 -3.2.7 舵机控制 电路 .- 18 -四、系统软件设计 .- 19 -4.1 系统总流程图 .- 19 -4.2 程序初始化流程图 .- 20 -4.3 OV7620 工 作流程图 .- 21 -五、参考文 献 .- 22 -5.1 测试仪器 .- 22 -5.2 指标测试 .- 22 -5.2.1 测试方法 .- 22 -5.2.2 测试数据及测试结果分析 .- 23 -5.2.3 系统任务完成情况
10、 .- 23 -六、总结 .- 23 -参考文献 .- 24 -附录 .- 24 - 1 -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，由于其采用了 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
11、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。1.1 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 200m。二、系统方案论证与
12、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- 2 -括：电机驱动模块、单片机模块。模块框图如图 1 所示。控制模块电源模块车速检测模块直流电机C M O S 图像传感器B T S 7 9 7 0驱动模块舵机前轮后轮测距模块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 7.2V2000mAh 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
13、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- 3 -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
14、 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
15、 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
16、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
17、 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
18、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- 4 -方 案 一 ： 用 超 声 波 传 感 器 。 超 声 波 传 感 器 的 原 理 是
19、： 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 l 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=2l c， 而 声 波 在 空 气 中 传 输 速 率 为 （ m/s） 。 式 中 T 为 环273/10Tc境 温 度 ； cO为 绝 对 温 度 时 的 速 度 ， 是 常 数
20、 。 从 上 述 两 式 可 以 推 出。 超 声 波 测 距 方 便 ， 计 算 简 单 ， 易 于 做 到 实 时 控 制 ， 并 且 在273/10Ttlc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
21、 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
22、 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
23、 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 OUT1 和OUT2。 当 IN1 输 入 高 电 平 时 ,OUT1 输 出 也 为 高 电 平 即 通 过 H 桥 与 V+导通 ； 当 IN1 输 入 低 电 平 时 ， OUT1 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
24、 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 OUT1 和 OUT2 的 输 出 ， 使OUT1 和 OUT2 同 时 变 为 高 阻 态 。 通 过 控 制 IN1 和 IN2 的 电 平 ， 即 可 控 制 电 机- 5 -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 。O U T 1O U T 2V +P G N DA G N DF SI N 1I N 2D 1D 2CMC33886MV C CO
25、 U T 1O U T 1O U T 2V +P G N DA G N DF SI N 1I N 2D 1D 2CMC33886V C CO U T 2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 电 器 的 响 应时 间 慢 、 机 械 结 构 易 损 坏 、 寿 命 较 短 、 可 靠 性 不 高 。方 案 三 ： 采 用 BTS7970.BTS7970 是 一 款 集 成 度 很 高 的 大 电 流 半
26、 桥 驱 动 芯片 ， 该 芯 片 内 部 集 成 了 一 个 P 沟 道 的 高 端 MOSFET 和 一 个 N 沟 道 的 低 端MOSFET， 由 于 高 端 采 用 了 P 沟 道 MOSFET， 因 此 避 免 了 电 磁 干 扰 ， 提 高 了 其性 能 ， 采 用 该 方 案 的 理 由 如 下 ：1. 驱 动 电 流 可 直 接 由 输 入 逻 辑 电 平 控 制 ， 简 化 了 电 路 设 计 ， 并 提 高 了电 路 的 可 靠 性 。2. 持 续 的 漏 极 电 流 高 达 40A， 能 允 许 PWM 的 频 率 从 0HZ 到 25kHZ 之 间任 意 变 化 ，
27、满 足 目 标 电 机 的 各 种 驱 动 需 求 。3. 通 过 状 态 标 志 位 （ 1s 位 ） ， 能 实 现 电 机 状 态 诊 断 和 电 流 采 样 ， 并 具有 各 种 保 护 功 能 。4. 可 通 过 外 部 电 阻 调 节 内 部 MOSFET 开 关 速 率 ， 以 获 得 最 优 EMI。BTS7970 以 最 小 的 板 极 空 间 为 高 电 流 的 PWM 调 速 电 机 提 供 了 一 种 较 优 的解 决 方 案 ， 总 之 ， 在 驱 动 电 机 方 面 ， 该 芯 片 具 有 很 高 的 可 靠 性 。因 此 决 定 采 用 BTS7970 控 制 直 流 电 机 ， 即 采 用 方 案 三 。
