1、长春理工大学广电信息学院毕业设计 编号 本科生毕业 设计 光电循迹车 Photoelectric Tracking Car 学 生 姓 名 孙道震 专 业 电子信息工程 学 号 0931142 指 导 教 师 王春民 分 院 电子工程分院 2013 年 6 月 长春理工大学光电信息学院毕业设计 摘 要 激光传感器是新型测量仪表，已广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等各方面，它的优点是能 实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。 ATmega16 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。本系统以 AVR 单片机为控制核心， 采用 电
2、机专用驱动芯片 L298 驱动两个直流电机，通过激光传感器件来采集信息，并将数据信息送入主控单元 ATmega16 单片机，处理数据后完成相应的操作， 实现了智能小车在无人控制状态下智能 光电检测、循光功能。 关键词 ATmega16 激光传感器 直流电机 循光功能 ABSTRACT 长春理工大学光电信息学院毕业设计 The laser sensor is a new type of measuring instrument, has been widely used in all aspects of production, national defense, medical and non
3、 electrical measurement, it is can realize the non-contact distance measurement, fast speed, high precision, large measuring range, the light resistance, electrical interference etc. ATmega16 is based on low power AVR RISC structure of the 8 bit CMOS microcontroller. This system takes the AVR single
4、 chip as the control core, the motor drive chip L298 drive two DC motors, laser sensors to collect information through, and the data is sent to the main control unit of ATmega16 microcontroller, data processing after the completion of the corresponding operation, realizes the intelligent car control
5、 state in the absence of intelligent photoelectric detection, through the optical function. Keywords ATmega16 Laser Sensor DC Motor Function of Light 长春理工大学广电信息学院毕业设计 I目 录 绪 论 . 1 第一章 发展状况及意义 . 2 1.1 发状展况 . 2 1.1.1 传感器的全球发展现状 . 2 1.1.2 研究意义 . 2 1.2 国内外发展状况 . 2 1.2.1 激光的应用 . 2 1.2.2 市场前景 . 3 第二章 方案设计
6、与论证 . 3 2.1 光电发射器 . 3 2.2 控制系统 . 4 2.3 检测系统 . 5 2.4 接收与传输 . 5 2.5 电机驱动系统 . 5 第三章 硬件设计 . 6 3.1 控制系统的硬件构造 . 6 3.1.1 ATmega16 单片机简介 . 6 3.1.2 ATmega16 引脚功能 . 6 3.1.3 ATmega16 内核 . 7 3.1.4 最小应用系统设计 . 7 3.2 激光触发与接收 . 8 3.2.1 激光发射 . 8 3.2.2 激光接收 . 9 3.3 电机驱动 . 9 3.3.1 L298 介绍 . 9 3.3.2 驱动电路 . 11 3.3 直流电机
7、. 12 3.4 通道设计 . 12 3.4.1 前向通道 . 12 3.4.2 后向通道设计 . 13 第四章 软件设计 . 14 4.1 软件流程 . 14 结 论 . 22 致 谢 . 23 参 考 文 献 . 24 长春理工大学广电信息学院毕业设计 1 I绪 论 激光是 20 世纪 60 年代出现的最重大的科学技术成就之一。它发展迅速，已广泛应用于国防、生产、医学和非电 测量等各方面。激光具有 3 个重要特性 : 高方向性、高单色性、高亮度。 激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。激光传感器由发射管、接收管、调制管、大透镜等组成。 激光传感器工作时先由激光发射二极管对准目标发射激光
8、脉冲。发射部份由一个振荡管发出 180KHz 频率的振荡波后，经三极管放大，激光管发光；接收部份由一个相匹配 180KHz 的接收管接收返回的光强，经过电容滤波后直接接入单片机的 PA 口，检测返回电压的高低。由于激光传感器使用了调制处理，接收管只能接受相同频率的反射光，因而可以有效防止可见光对 反射激光的影响。 智能电动小车，将测量光电数据传送至单片机进行处理，由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。这种方案能实现对车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。 长春理工大学广电信息学院毕业设计 2 I第一章 发展状况及意义 1.1 发展状况 1.1.
9、1 传感器的全球发展现状 调查显示， 2011 年全球传感器市场容量为 600 亿美元，预计 2013 年全球传感器市场可达 800亿美元以上。东欧、亚太区和加拿大成为传 感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。真尚有公司等世界高端传感器制造商开始进入中国大陆，并且设立了技术开发部门。 1.1.2 研究意义 就世界范围而言，传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场，占第二位的是过程控制市场，看好通讯市场前景。 利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量，还可用于探伤和大气污染物的监测
10、等。 1.2 国内外发展状况 1.2.1 激光 的应用 激光测长 【 1】 ：精密测量长度是精密机械制造工业和光学加工工业的关键技术之一。现代长度计量多是利用光波的干涉现象来进行的，其精度主要取决于光的单色性的好坏。激光是最理想的光源，它比以往最好的单色光源（氪 -86 灯）还纯 10 万倍。因此激光测长的量程大、精度高。若用氦氖气体激光器，则最大可测几十公里。一般测量数米之内的长度，其精度可达 0.1 微米。 激光测距 【 2】 ：它的原理与无线电雷达相同，将激光对准目标发射出去后，测量它的往返时间，再乘以光速即得到往返距离。由于激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点，这些 对于测远距离、
11、判定目标方位、提高接收系统的信噪比、保证测量精度等都是很关键的，因此激光测距仪日益受到重视。在激光测距仪基础上发展起来的激光雷达不仅能测距，而且还可以测目标方位、运运速度和加速度等，已成功地用于人造卫星的测距和跟踪，例如采用红宝石激光器的激光雷达，测距范围为 500 2000 公里 ,误差仅几米。目前常采用红宝石激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳激光器以及砷化镓激光器作为激光测距仪的光源。 激光测振：它基于多普勒原理测量物体的振动速度。多普勒原理是指：若波源或接收波的观察者相对于传播波的媒质而运动，那么 观察者所测到的频率不仅取决于波源发出的振动频率而且还取决于波源或观察者的运动速度的大小和方向。
12、所测频率与波源的频率之差称为多普勒频移。这种测振仪在测量时由光学部分将物体的振动转换为相应的多普勒频移 ,并由光检测器将此频移转换为电信号 ,再由电路部分作适当处理后送往多普勒信号处理器将多普勒频移信号变换为与振动速度相对应的电信号，最后记录于磁带。这种测振仪采用波长为 6328 埃的氦氖激光器，用声光调制器进行光频调制，用石英晶体振荡器 【 3】 加功率放大电路作为声光调制器的驱动源，用 光电倍增管 进行长春理工大学光电信息学院毕业设计 3 光电检测，用频率跟踪器来处理多普勒信号。它的优点是使用方便，不需要固定参考系 ,不影响物体本身的振动 ,测量频率范围宽、精度高、动态范围大。缺点是测量过
13、程受其他杂散光的影响较大。 激光测速：它也是基多普勒原理的一种激光测速方法 ,用得较多的是激光多普勒流速计 ,它可以测量风洞气流速度、火箭燃料流速、飞行器喷射气流流速、大气风速和化学反应中粒子 的大小及汇聚速度等。 1.2.2 市场前景 一些传感器 【 4】 市场比如 压力传感器 、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，分别占到整个传感器市场的21%、 19%和 14%。传感器市场的主要增长来自于 光电传感器、 无线传感器、传感器、生物传感器等新兴传感器。其中，无线传感器在 2007-2010 年复合年增 长率超过 25%。
14、全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。在高端技术传感器领域，真尚有等国际传感器巨头也已经进入国内市场，并直接在中国设立技术研发部。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如 光电传感器、 无线传感器、 光纤 传感器、智能传感器和 金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。 第二章 方案设计与论证 2.1 光电发射器 光电测量技术是以光电子学为基础，以光电子器件为主体，利用光电传感器将被测量的量转换成光通量，再转换成电量并综合利用信息传送和处理
15、技术，完成测量的一门新兴的技术。，其中激光传感器就是光电测量技术的一个重要应用。激光传感器 【 5】 简单介绍及其优点。激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器工作时先由激光发射二极管对准目标发 射激光脉冲。 激光接收管只能接收 160KHZ至 200KHZ 左右频率的 光，也就是说一般可见光中的大部分色光都不能被接收到。 那么只要将激光的发射频率调制到 160KHZ 至200KHZ 内就能被激光接收管接收到了 如图 2-1。 长春理工大学光电信息学院毕业设计 4 图 2-1 光电调制管 2.2 控制系统 ATmega1 内核 【 6】 具有丰
16、富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元相连接，使得一条指令可以在一个 时钟周期 内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的 数据吞吐率 。 ATmega16 有如下特点 :16K 字节的系统内可编程 Flash， 512 字节 EEPROM， 1K 字节 SRAM， 32 个通用 I/O 口线， 32 个 通用工作寄存器，用于 边界扫描 的 JTAG 接口，支持片内调试与编程，有起始条件检测器的通用 串行接口 ， 8 路 10 位具有可选差分输入级可编程增益的 ADC ，具有片内振荡器的可编程 看
17、门狗定时器 ，一个 SPI 串行端口 ，以及六个可以通过 软件 进行选择的省电模式。 工作于空闲模式时 CPU 停止工作，而 USART、两线接口、 A/D 转换器 、 SRAM、 T/C、 SPI 端口以及 中断系统 继续工作；停电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步 定时器 继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于 休眠状态 ； ADC 噪声抑制模式时终止 CPU 和除了异步定时器与 ADC 以外所有 I/O 模块的工作，以降低 ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状
18、态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有 快速启动 能力；扩展 Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作 如图 2-1。 图 2-1 流程图 右边 左转 90 单片机 左边 激光检测 中间 左转 驱动电机 右转 右转 90 直行 长春理工大学光电信息学院毕业设计 5 2.3 检测系统 检测系统主要实现光电检测，即利用光电传感器对电动车的行车状态进行测量。光线跟踪，采用光敏三极管接收激光发出的光线，当感受到光线照射时，其 c-e 间的阻值下降，检测电路输出高电平，经整形后送单片机控 制。此套光电传感器固定在底盘前沿。正常行驶时，激光被接收管接收，输出高电平信号，传感器输出高电平信号后
19、送单片机处理，判断执行哪一种预先编制的程序来控制车的行驶状态。前进时，驱动轮直流电机正转 ,由单片机控制进行调速 ,通过软件改变通电时长实现调速，最后经反接制动实现停车。 2.4 接收与传输 本系统共设计五个激光接收传感器如图 2-2，分别放置在电动车车头的正前方及左、右两个方向，用来控制电动车的行走方向，当五个接收器都未受到光照时单片机控制直行；当左侧接收器受到光照时，单片机控制转向电机向左转；当右侧接收器 受到光照时，单片机控制转向电机向右转；当正前方接收器都受到光照时，单片机控制直行；正前方接收器控制行进角度不要偏离直行，用以及时校对。行车方向检测电路采用激光接收触发原理配置了一对激光发
20、射、接收传感器。该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏三极管及其上拉电阻。 1 号脚接了一个下拉电阻，一般 为 可调电阻，用于调整调制 频率， 1 号脚同时也是调制信号输出端； 2 号脚接 +5V， 3 号 脚悬空。 图 2-2 接收管 2.5 电机驱动系 统 直流电动机的调速 【 7】 方法有三种：（ 1）调节电枢供电电压 U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。 aI 变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。（ 2）改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无
21、级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。 fI 变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。（ 3）改变电 枢回路电阻 R。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，在额定转速以上作小范围的升速。对于要求在一定范围内无级平滑调速。 长春理工大学光电信
22、息学院毕业设计 6 第三章 硬件设计 3.1 控制系统的硬件构造 3.1.1 ATmega16 单片机简介 ATmega16 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。 如图 3.1 由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间， ATmega16 的 数据吞吐率 高达 1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 本芯片是以 Atmel 高密度非易失性 存储器 技术生产的。片内 ISP Flash 允许 程序存储器 通过 ISP 串行接口 ，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于 AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意
23、接 口将 应用程序 下载到应用 Flash 存储区。在更新应用 Flash 存储区时引导 Flash区的程序继续运行，实现了 RWW 操作。 通过将 8 位 RISC CPU 与系统内可编程的 Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。 3.1.2 ATmega16 引脚功能 VCC 电源正 GND 电源地 端口 A(PA7.PA0) 端口 A 做为 A/D 转换器 的模拟输入端。端口 A 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收 大电流。作为输入使用
24、时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使 系统时钟 还未起振，端口 A 处于 高阻状态 。 本系统将 A 端口作为输入信号端口，与激光接收器端口相连接。 端口 C(PC7.PC0) 端口 C 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使 系统时钟 还未起振，端口 C 处于 高阻状态 。如果 JTAG接口 使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。端口 C 也可以用做其他不同的特殊功能 。本系统将端口 C 作为电机驱动的信号输入端。 RESET 复位输入 引脚 。持续时间超过最小门限时间的低 电平将引起系统复位。门限时间见P36Table 15。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。 XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。
