智能小车自主避障及定位系统的制作方法

本实用新型属于控制技术领域。

背景技术：

伴随着城市建设的智能化和信息化的不断进步，人们对于人员与车辆的无线定位功能的需求不断增张，特别在环境复杂的室内，特别是如矿井、楼宇、停车场、仓库、图书馆等安全等级较高的地方，需要精确的获取目标的实际位置。无线定位系统^[1]包括嵌入式软硬件开发、信息采集的处理、无线数据的传输等技术，并将这些技术应用为一体的自动识别信息技术，本技术对目标的自动定位识别是通过对移动目标进行信息采集处理来实现的。但是因为无线通信定位技术发展、定位精度、能量消耗以及复杂室内环境等条件的限制。当前正需要一种符合无线传感器网络的、价格低的、精度高的、面向控制的、应用简单、拥有较长电池寿命和较低功耗器件等标准的无限定位系统。而在实际的生活应用当中，复杂的环境中存在了各种障碍物，故我们又在原有的基础添加了避障的功能，使可以有效地避开障碍物，更好的实现其自动化的目的，方便我们的生活。

技术实现要素：

本实用新型的目的是采用ZigBee技术设计一套电路，已完成小车能够躲避障碍并同时定位的智能小车自主避障及定位系统。

本实用新型包括主控芯片、电源电路、显示电路、排阻电路、电机驱动电路、超声波发送与接收模块电路、超声波的发射模块、超声波的接收模块、光码盘测速模块电路、ZigBee参考节点模块电路、ZigBee定位节点模块电路、网关上RF模块插座电路、USB转串口接口电路、USB接口电路；

主控芯片：采用STC89C51芯片，

电源电路：耦合电感T的输出端两个引脚接入到二极管整流四臂电桥即分别接入到二极管D1、D3之间和D2、D4之间；整流管四臂电桥输出端与电容C1相并联，一端连接LM7805稳压芯片的输入端Vin，另一端接地；LM7805稳压芯片的接地端GND通过电容C2接地，稳压电源的输出端一端接地，另一端分别连接STC89C51的21脚，LCD1602的2引脚，RESPACK-8的1引脚，L298N的9引脚和超声波的测距模块、超声波电平转换电路、超声波调理模块电路、光码盘测速模块电路、网关上RF模块插座电路、USB转串口接口电路、RS232模块的VCC引脚；

显示电路：LCD1602的4~6脚连接STC89C51的40~38引脚，LCD1602的7~14引脚连接STC89C51的28~21引脚，RP1的2~9引脚连接STC89C51的28~21引脚；

排阻电路：排阻的2引脚~9引脚分别连接STC89C51单片机的28引脚~21引脚；

电机驱动电路：STC89C51的1~6脚分别连接L298N的5脚，7脚，10脚，12脚，6脚和11脚，稳压恒流驱动芯片L298N的9脚VSS接电源电路的输出VCC，同时通过电容C4接地又通过电解电容C3接地，4脚VS接12V恒压源，8脚GND接地，1脚ISEN A和15脚ISEN B通过同一根导线接地，同时+12V恒流源与地之间介入D5到D12共4组8只二极管稳流，D5~D8的负极接在一起与+12V恒流源相连，并通过电容C5接地又通过电解电容C6接地，D9~D12的正极接到一起并接地，稳压恒流驱动芯片L298HN的输出驱动两个伺服电机，即脚2OUTI和脚3OUT2连接到伺服电机MOTOR1正负极；脚13OUT3脚14OUT4连接到伺服电机MOTOR2正负极；

超声波发送与接收模块电路：4脚Vcc接电源电路的输出VCC，1脚接地，3脚Trig信号接到STC11单片机的1脚P50，同时通过R1、R2并联电阻与+5V恒压源相连，2脚Echo信号接到STC11单片机的P67口，STC11单片机的VDD引脚与+5V恒压源相连，P63口接地，电容C9接在与STC11单片机的VDD与P63之间，STC11单片机的P65口通过电容C7接地，P64口通过电容C8接地，晶振Y1一端接在电容C7与STC11单片机的P65口之间；另一端接在电容C8与STC11单片机的P64口之间，STC11单片机的VSS接地，STC11单片机的P53口通过电阻连接到超声波电平转换电路三极管的基极，STC11单片机的P52口、P51口分别连接到超声波电平转换电路中单电源电平转换芯MAX232的T1IN口、T2IN口，STC11单片机的P60口连接到超声波调理模块电路中的三极管的发射极，STC11单片机的P61口通过电阻连接到超声波调理模块电路中的波形处理芯片TL074的1IN-，超声波发送与接收模块电路中的STC11单片机的P50口、P67口分别与ST89C51单片机的1脚P1.0、2脚P1.1连接，其余两个超声波测距模块的1脚2脚分别连接到中的ST89C51单片机的3脚、4脚和5脚、6脚；

超声波电平转换电路：单电源电平转换芯片MAX232的VCC脚通过光敏二极管Q1连接到+5V恒压源，VS+通过电容C12接地，VS-通过电容C13接地，T1OUT脚与T2OUT脚分别接到超声波输出端LS1的Speaker两端，C1+脚通过电容C10与C1-相连，C2+脚通过电容C11与C2-相连，GND脚接地；

超声波调理模块电路：波形处理芯片TL074的1OUT脚通过电阻R6连接到光敏三极管的基极，通过R6、R4连接到光敏三极管的基极发射极，并且发射极接地，1IN+脚通过电阻R5接到光敏三极管的集电极，集电极通过电阻R3接到+5V恒压源，VCC脚接+5V恒压源，2IN-脚通过电阻R12接到1IN+脚；2OUT脚通过电阻R13、R12接到1IN+脚，2IN-脚通过电容C16、电阻R14连到3OUT脚，3OUT脚通过电阻R18、电容C18、电阻R15连接到4OUT脚，3IN-脚通过电阻R18连接到3OUT脚，3IN+脚通过电阻R17、电阻R15连接到4OUT脚，GND脚接地，4IN-脚通过电阻R16接到4OUT脚，4OUT脚通过电阻R16、电容C17、电阻R19接到超声波输出端LS2的Speaker的正极，LS2的Speaker的负极接地；

光码盘测速模块电路：在R20和C20组成的RC并联电路中，一端接VCC恒定电源一端接地，在R20支路中串入发光二极管LED1，光电耦合器电路部分中，其发光二极管端经由上拉电阻R21接至VCC另一端接地，其光敏三极管端的集电极经由上拉电阻R22接至VCC，经由电容C21接地，光敏三极管端的发射极接地，运算放大器的同相端经滑动变阻器R23接至VCC，反相端接光敏三极管端的集电极，运放输出通过并联的两个电阻R24、R25接至VCC，R25支路串入发光二极管LED2，输出端连接STC89C51的13引脚；

ZigBee参考节点模块电路：电感L1并联在CC2430模块的32与34引脚之间，引脚33连接到电感L2，电感L3与电容C22组成的LC串联电路连接到信号收发器E1；

ZigBee定位节点模块电路：电感L4并联在CC2431模块的32与34引脚之间，引脚33连接到电感L5，电感L6与电容C23组成的LC串联电路连接到信号收发器E2；

网关上RF模块插座电路：JP1引脚通过电容C24接地，并且连接电源电路的VCC，整个模块插在网关上zigbee高频模块接口；

USB转串口接口电路：USB转串口接口电路的USBDM和USBDP分别与USB接口电路的USBDM和USBDP相连，FT232RL芯片的4脚和20脚相连接到电源电路的VCC，17引脚通过电容C25接地，25引脚，1引脚，18引脚，21引脚，26引脚接地；

USB接口电路：USB的1~3引脚分别通过C28，C27，C26接至5引脚，4引脚接地，1引脚通过电容L7接至电源电路VCC。

本实用新型拟在现有车模上开发一套移动小车自主定位及避障系统。可以实现对自身位置的定位、自主导航，避障控制等。研究在环境中的移动机器人只具有较少的先验知识情况下的导航控制方法等多项关键问题，在工程以及理论上具有重要意义。拟采用 ZigBee技术进行定位，ZigBee相对于其它定位方式具有，距离远、功耗低、信号稳定等优点，更加的适用于复杂环境当中的定位。避障的方式^[2]拟采用超声波避障，利用超声波反射的原理来实现测距，在现实当中超声波模块便于操作并且价格相对低廉，测量的角度相对于其它的避障装置更加的广，可以减少模块的用量，经济且使用，适合在生活中广泛的应用。

附图说明

图1是本实用新型主控芯片电路图；

图2是本实用新型电源电路图；

图3是本实用新型先是电路图；

图4是本实用新型排阻电路图；

图5是本实用新型电机驱动电路图；

图6是本实用新型超声波发送与接收模块电路图；

图7是本实用新型超声波电平转换电路原理图；

图8是本实用新型超声波调理模块电路原理图；

图9是本实用新型光码盘测速模块电路原理图；

图10是本实用新型ZigBee参考节点模块电路原理图；

图11是本实用新型ZigBee定位节点模块电路原理图；

图12是本实用新型网关上RF模块插座电路原理图；

图13是本实用新型USB转串口接口电路；

图14是本实用新型USB接口电路。

具体实施方式

本实用新型包括主控芯片、电源电路、显示电路、排阻电路、电机驱动电路、超声波发送与接收模块电路、超声波的发射模块、超声波的接收模块、光码盘测速模块电路、ZigBee参考节点模块电路、ZigBee定位节点模块电路、网关上RF模块插座电路、USB转串口接口电路、USB接口电路；

主控芯片：采用STC89C51芯片，P1.0~P1.7，：普通的输入输出端口；P3.3/:外部中断，触发方式为下降沿触发或低电平触发；P0.0~P0.7：这些管脚作为输入口也可作为输出口，同时也当做地址与数据的复用总线来使用。

电源电路：耦合电感T的输出端两个引脚接入到二极管整流四臂电桥即分别接入到二极管D1、D3之间和D2、D4之间；整流管四臂电桥输出端与电容C1相并联，一端连接LM7805稳压芯片的输入端Vin，另一端接地；LM7805稳压芯片的接地端GND通过电容C2接地，稳压电源的输出端一端接地，另一端分别连接STC89C51的21脚，LCD1602的2引脚，RESPACK-8的1引脚，L298N的9引脚和超声波的测距模块、超声波电平转换电路、超声波调理模块电路、光码盘测速模块电路、网关上RF模块插座电路、USB转串口接口电路、RS232模块的VCC引脚。

显示电路：LCD1602的4~6脚连接STC89C51的40~38引脚，LCD1602的7~14引脚连接STC89C51的28~21引脚，RP1的2~9引脚连接STC89C51的28~21引脚；LCD1602的引脚说明：VSS电源接地；Vcc电源正极；RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器，低电平0时选择指令寄存器R/W为读写信号端，高电平1时进行读操作，低电平0是进行写操作E为使能端，高电平1时读取信息，负跳变时执行指令DB0~DB7为8位双向数据端。

排阻电路：排阻的2引脚~9引脚分别连接STC89C51单片机的28引脚~21引脚；排阻作用：基于STC89C51单片机所搭建的引脚并不能直接输出，需要在单片机内部连接上拉电阻，起到提高电压，限制电流的作用。

电机驱动电路：STC89C51的1~6脚分别连接L298N的5脚，7脚，10脚，12脚，6脚和11脚，稳压恒流驱动芯片L298N的9脚VSS接电源电路的输出VCC，同时通过电容C4接地又通过电解电容C3接地，4脚VS接12V恒压源，8脚GND接地，1脚ISEN A和15脚ISEN B通过同一根导线接地，同时+12V恒流源与地之间介入D5到D12共4组8只二极管稳流，D5~D8的负极接在一起与+12V恒流源相连，并通过电容C5接地又通过电解电容C6接地，D9~D12的正极接到一起并接地，稳压恒流驱动芯片L298HN的输出驱动两个伺服电机，即脚2OUTI和脚3OUT2连接到伺服电机MOTOR1正负极；脚13OUT3脚14OUT4连接到伺服电机MOTOR2正负极；IN1~IN4是逻辑输入端；ENA,ENB为控制使能端；GND是电源接地；VSS接逻辑电平电源正极；VS接驱动部分电源正极；OUT1~OUT4输出电机；ISEN A,ISEN B为输出电流反馈引脚。

超声波发送与接收模块电路：4脚Vcc接电源电路的输出VCC，1脚接地，3脚Trig信号接到STC11单片机的1脚P50，同时通过R1、R2并联电阻与+5V恒压源相连，2脚Echo信号接到STC11单片机的P67口，STC11单片机的VDD引脚与+5V恒压源相连，P63口接地，电容C9接在与STC11单片机的VDD与P63之间，STC11单片机的P65口通过电容C7接地，P64口通过电容C8接地，晶振Y1一端接在电容C7与STC11单片机的P65口之间；另一端接在电容C8与STC11单片机的P64口之间，STC11单片机的VSS接地，STC11单片机的P53口通过电阻连接到超声波电平转换电路三极管的基极，STC11单片机的P52口、P51口分别连接到超声波电平转换电路中单电源电平转换芯MAX232的T1IN口、T2IN口，STC11单片机的P60口连接到超声波调理模块电路中的三极管的发射极，STC11单片机的P61口通过电阻连接到超声波调理模块电路中的波形处理芯片TL074的1IN-，超声波发送与接收模块电路中的STC11单片机的P50口、P67口分别与ST89C51单片机的1脚P1.0、2脚P1.1连接，由于实际中每个小车使用三个超声波测距模块进行障碍检测，所以同理其余两个超声波测距模块的1脚2脚分别连接到中的ST89C51单片机的3脚、4脚和5脚、6脚。

超声波电平转换电路：单电源电平转换芯片MAX232的VCC脚通过光敏二极管Q1连接到+5V恒压源，VS+通过电容C12接地，VS-通过电容C13接地，T1OUT脚与T2OUT脚分别接到超声波输出端LS1的Speaker两端，C1+脚通过电容C10与C1-相连，C2+脚通过电容C11与C2-相连，GND脚接地。

超声波调理模块电路：波形处理芯片TL074的1OUT脚通过电阻R6连接到光敏三极管的基极，通过R6、R4连接到光敏三极管的基极发射极，并且发射极接地，1IN+脚通过电阻R5接到光敏三极管的集电极，集电极通过电阻R3接到+5V恒压源，VCC脚接+5V恒压源，2IN-脚通过电阻R12接到1IN+脚；2OUT脚通过电阻R13、R12接到1IN+脚，2IN-脚通过电容C16、电阻R14连到3OUT脚，3OUT脚通过电阻R18、电容C18、电阻R15连接到4OUT脚，3IN-脚通过电阻R18连接到3OUT脚，3IN+脚通过电阻R17、电阻R15连接到4OUT脚，GND脚接地，4IN-脚通过电阻R16接到4OUT脚，4OUT脚通过电阻R16、电容C17、电阻R19接到超声波输出端LS2的Speaker的正极，LS2的Speaker的负极接地；MAX232引脚说明：C1+,C1-,C2+,C2-,VS+,VS-功能是产生+12v和-12v 两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。TIIN,T2IN为输入通道，T1OUT,T2OUT为输出通道。

光码盘测速模块电路：在R20和C20组成的RC并联电路中，一端接VCC恒定电源一端接地，在R20支路中串入发光二极管LED1，光电耦合器电路部分中，其发光二极管端经由上拉电阻R21接至VCC另一端接地，其光敏三极管端的集电极经由上拉电阻R22接至VCC，经由电容C21接地，光敏三极管端的发射极接地，运算放大器的同相端经滑动变阻器R23接至VCC，反相端接光敏三极管端的集电极，运放输出通过并联的两个电阻R24、R25接至VCC，R25支路串入发光二极管LED2，输出端连接STC89C51的13引脚。

ZigBee参考节点模块电路：电感L1并联在CC2430模块的32与34引脚之间，引脚33连接到电感L2，电感L3与电容C22组成的LC串联电路连接到信号收发器E1；实现ZigBee参考节点与网关的通信。

ZigBee定位节点模块电路：电感L4并联在CC2431模块的32与34引脚之间，引脚33连接到电感L5，电感L6与电容C23组成的LC串联电路连接到信号收发器E2；实现ZigBee定位节点与网关的通信。RF-P引脚：接收时，正RF输入信号到LNA;发送时，来自PA的正RF输出信号TXRXW引脚:用于PA 的校准电压RF-N引脚：接收时，负RF输入信号到LNA；发送时，来自功率放大器的负RF输出信号。

网关上RF模块插座电路：JP1引脚通过电容C24接地，并且连接电源电路的VCC，整个模块插在网关上zigbee高频模块接口；RF模块：无线传输设备，能传输数据信息。

USB转串口接口电路：USB转串口接口电路的USBDM和USBDP分别与USB接口电路的USBDM和USBDP相连，FT232RL芯片的4脚和20脚相连接到电源电路的VCC，17引脚通过电容C25接地，25引脚，1引脚，18引脚，21引脚，26引脚接地。

USB接口电路：USB的1~3引脚分别通过C28，C27，C26接至5引脚，4引脚接地，1引脚通过电容L7接至电源电路VCC。

将定位节点安装在小车上，3个或3个以上的参考节点安放在地面上组成一个参考系统。定位节点和参考节点通过网关和上位机进行通信，在上位机软件上可以显示出小车的当前位置坐标。在小车部分有两块单片机，一个与测距模块和显示屏连接，一个与小车的驱动和超声波模块连接。