智能寻迹避障清障机器人设计（第二章）

2  整体方案设计

2.1 系统概述

 本课题以Arduino主板为系统的控制核心，以7805稳压器为系统的电力核心。本课题通过7805稳压器把6V到12V的电压稳定到5V，5V电压可直接给Arduino主板以及舵机和其他传感器供电，Arduino根据编写的代码对系统数据进行判断、处理、决策。

2.2 方案设计

要完成智能小车实验，首先单片机的选择很重要。市面上常把单片机分为三类，有结构简单的51系列的；有功能齐全的PIC系列的；还有性价比较高的AVR系列的。虽然这些单片机都可以完成一些相同的实验，但考虑到其运行速度、操作难度以及安全性方面，人们往往会选择性价比比较高的一种。因而制作了一种如图表2.1所示的单片机性能参照表。

表2.1   单片机性能参照表

性能分析 名称	51系列单片机	PIC系列单片机	AVR系列单片机
总线结构	冯·诺依曼型	哈佛双总线型	哈佛总线型
指令集	CISC指令集，111条指令	RISC指令集，有33、35、38条指令之分	RISC指令集,根据单片机型号采用的指令从89条～130条不等
功耗	高	低	低
最短指令周	2微秒	160~200纳秒	125～250纳秒
运行速度	慢	较快	很快
抗干扰能力	一般	较强	很强
兼容性	一般	与各个型号兼容性强	一般
扩展性	AD、EEPROM等功能要靠扩展得到，扩展性差	一般	片内具有丰富实用的资源，如AD模数器、SPI等多种接口，扩展性很强
安全性	差，易解密	差，易解密	高，不易解密
价格	价格便宜，自制编程器成本5元左右	价格较高，自制编程器12元左右	价格便宜，自制编程器5元左右
应用领域	简单控制方面应用较多，面临淘汰。	电脑外设、家电控制、电讯通信、智能仪器、汽车电子到金融电子，应用广泛。	计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等，由于抗干扰能力很强，军工产品应用也较多。
其他	结构最简单,内存寄存器最少,功能最少,适合初学者入门学习。	功能全，型号多,产量大， 适合选型分析。	功能齐全，开发工具正规、完整，无需像PIC那样先选择存储体;以时钟周期代替机器周期作为指令周期，采用流水线作业;支持反复烧写、在线编程;门槛低，适合初学者。

通过对比，不难发现AVR系列的单片机比较适合于本课题，而Arduino单片机便一种基于AVR指令集中性价比较高的一种单片机。所以，本课题以Arduino单片机为控制核心，该单片机不仅继承了 AVR 系列单片机的优点，还更加灵活简单、易掌握和使用，其开发环境简洁，编程更是基于入门级的 C/C++语言，门槛较低，而且有很多功能都已经封装成函数，使用的时候便可以直接调用函数，除此之外，还可以直接从网络上下载需要的库文件编程。

选用Arduino UNO主板作为控制主板，主要是Arduino UNO主板比普通单片机性价比更高，不仅价格便宜，系统开源，而且体积小，开发空间大，易学易用。除此之外，还有一个较大优点便是Arduino与智能终端设备连接方便，Arduino既可作智能系统的控制中心，还可与智能终端设备实现交互控制。

要完成本课题还要解决几个问题：

（1）供电：使用Arduino UNO主板为控制主板，一般有几种供电方法：第一种，直接用+5V直流电压为USB供电；第二种，将电源7V到12V的直流电源连接到直流电源插孔上直接供电；第三种，用大于7V小于12V的DC电源直接给VIN供电；第四种，利用降压模块或者稳压模块把电源稳定到5V然后直接给Arduino的5V供电。在这几种供电方法中，可以选择了第四种，使用VCC供电法，使用这种可以有效解决供电问题，而且可以不占用USB，可得到稳定的5V直流电源。在使用该方法时，首先要确保输出电压为5V的直流电。因此，可以使用7805稳压器设计一个电源模块。

（2）电机驱动：不管使用直流电机还是进步电机，不可避免的问题便是电机驱动问题。由此，驱动芯片主要能提供直流电机或者进步电机使需要直流电的都可以。因而，通过对比市场上多款驱动芯片，选用了L293D驱动芯片，该芯片价格较便宜、形状尺寸合适、控制简单、不需要保护电路和二极管、不用散热片以及电阻温度的高速变化。并且该芯片可设置电压5V至36V，电流可以达到600mA，满足于直流电机或者进步电机的需要。

（3）传感器和机械臂选用：考虑到避障和测距的简便性，本课题采用了HC-SR04 超声波传感器模块，该模块可以把测距距离精确到2cm到4m;对于寻迹，本课题选用了红外寻迹传感器可以识别范围1mm到25mm，还有二个红外传感器识别范围为2mm到30cm用来联合超声波传感器当作跟随识别用。

（4）发送接收方式：选用了红外遥控和蓝牙二种，红外为辅，可以对机器人进行模式选用以及小车运动及机械臂的控制，用蓝牙为主，在红外遥控的基础上可以接收所传输的数据，如测距显示、所选模式显示等等。

2.3 方案论证

本课题是通过车底下的双路红外传感器进行寻迹，通过红外传感器返回的红外线判断该直行还是往左，往右；避障功能则是通过超声波传感器与舵机组合的方式完成的，经过超声波传感器测量到的时间进行深度的判断，具体思想是当遇到障碍物时哪里离障碍物远就走哪；测距可以联合超声波避障实验，也可以独立出来，本课题选择独立出来的方式，通过手机APP点击测速，小车便会把超声波传感器前方离障碍物的距离读取出来并通过蓝牙发送到手机APP里面，可以通过APP查看；跟随可根据跟随的物体的距离及其移动的方向入手，利用一加二的模式精准定位物体距离和方向，用超声波传感器测量的距离，然后通过Arduino控制智能小车的直线运动状态；利用左右二边红外传感器进行方向判断，当左边红外传感器接收不到所返回的红外线时往右走，反之，智能小车往左走；机械手则是通过蓝牙APP或者遥控器进行障碍物及物品的抓取、举起、放下。

2.4本章小结

本章主要是对市面上常见的几种的单片机系列进行对比，通过简单的对比决定用性价比比较高的Arduino单片机，并利用所收集的知识对本课题设计展开一系列的描述，通过点，线，面然后再到系统的设计，并对该方案进行了合理的论证。通过论证表明该方案可以实现。