畢業(yè)設(shè)計（論文）單片機(jī)智能小車之系統(tǒng)設(shè)計

1、 成績本科畢業(yè)論文（設(shè)計）題目：智能小車之系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名 學(xué) 號 院 系 信息科學(xué)與技術(shù) 專 業(yè) 電子信息科學(xué)與技術(shù) 年 級 2008 級 摘要智能小車由兩輛相同電動小車組成。本系統(tǒng)是基于自動控制原理，針對多通道多樣化傳感器綜合控制；采用pwm技術(shù)動態(tài)控制電動小車的運(yùn)動速度和運(yùn)動方向；利用紅外傳感器器檢測道路上的邊沿。本系統(tǒng)的控制部分以8位51系列單片機(jī)stc89c52為核心，通過紅外探測車道內(nèi)線，自動尋找行駛路線，確保小車按規(guī)定的路線行駛。當(dāng)小車進(jìn)入超車區(qū)，當(dāng)被超小車（甲車）進(jìn)入開始減速，當(dāng)要超車小車（乙車）也進(jìn)入超車去后，向甲車發(fā)出超車請求信號，甲車收到乙車的信號后進(jìn)一步減速，并回應(yīng)乙車

2、，可以超車，乙車接收到信號后走轉(zhuǎn)進(jìn)入超車去，同時加速。當(dāng)乙車超過甲車的位置，向右轉(zhuǎn)駛出超車去，并向甲車發(fā)出超車結(jié)束信號。甲車接收到信號后加速到正常速度行駛。關(guān)鍵詞：單片機(jī) 智能小車 超車 紅外傳感器 pwm技術(shù) stc89c52 pwm系統(tǒng)13 目錄摘要1一.系統(tǒng)方案選擇和論證31.1題目任務(wù)及要求31.1.1題目任務(wù)31.1.2題目要求41.2 系統(tǒng)基本方案41.各模塊方案選擇和論證51.1控制器模塊51.2路線探測模塊61.3.3驅(qū)動調(diào)速模塊81.3.4轉(zhuǎn)彎超車控制模塊8二.系統(tǒng)的硬件設(shè)計92.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計，系統(tǒng)的計算9三.系統(tǒng)軟件設(shè)計103.1 程序總體流程圖103.2 各個功能模

3、塊流程圖11圖3.2尋跡模塊11四.參考文獻(xiàn)13一.系統(tǒng)方案選擇和論證 1.1題目任務(wù)及要求1.1.1題目任務(wù)甲車車頭緊靠起點(diǎn)標(biāo)志線,乙車車尾緊靠邊界,甲、乙兩輛小車同時起動，先后通過起點(diǎn)標(biāo)志線，在行車道同向而行，實(shí)現(xiàn)兩車交替超車領(lǐng)跑功能。小車車道如 圖 1.1 所示。圖1.1智能小車跑道1.1.2題目要求（1）甲車和乙車分別從起點(diǎn)標(biāo)志線開始，在行車道各正常行駛一圈。 （2）甲、乙兩車按圖 1 所示位置同時起動，乙車通過超車標(biāo)志線后在超區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)超車功能，并先于甲車到達(dá)終點(diǎn)標(biāo)志線，即第一圈實(shí)現(xiàn)乙車超過甲車。 （3）甲、乙兩車在完成(2)時的行駛時間要盡可能的短。1.1.3題目說明（1）賽車場地由

4、2 塊細(xì)木工板（長244cm，寬122cm）拼接而成，離地面高度不小于6cm(可將墊高物放在木工板下面，但不得外露)。板上邊界線由約2cm 寬的黑膠帶構(gòu)成；虛線由2cm 寬、長度為10cm、間隔為10cm 的黑膠帶構(gòu)成；起點(diǎn)/終點(diǎn)標(biāo)志線、轉(zhuǎn)彎標(biāo)志線和超車標(biāo)志區(qū)線段由1cm 寬黑膠帶構(gòu)成。圖1.1 中斜線所畫部分應(yīng)鋸掉。（2）車體（含附加物）的長度、寬度均不超過40cm，高度不限，采用電池供電，不能外接電源。（3）測試中甲、乙兩車均應(yīng)正常行駛，行車道與超車區(qū)的寬度只允許一輛車行駛，車輛只能在超車區(qū)進(jìn)行超車（車輛先從行車道到達(dá)超車區(qū)，實(shí)現(xiàn)超車后必須返回行車道）。甲乙兩車應(yīng)有明顯標(biāo)記，便于區(qū)分。（4

5、）甲乙兩車不得發(fā)生任何碰撞，不能出邊界掉到地面。（5）不得使用小車以外的任何設(shè)備對車輛進(jìn)行控制，不能增設(shè)其它路標(biāo)或標(biāo)記。（6）測試過程中不得更換電池。1.2 系統(tǒng)基本方案根據(jù)題目要求，系統(tǒng)可以劃分為控制部分和信號檢測部分。其中信號檢測部分包括：邊界檢測模塊，超車區(qū)檢測模塊?？刂撇糠职ǎ核俣瓤刂颇K，方向控制模塊。模塊框圖如 圖1.2 為實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，分別作了幾種不同的設(shè)計方案并進(jìn)行了論證。圖1.2系統(tǒng)模塊框圖1.各模塊方案選擇和論證1.1控制器模塊根據(jù)題目要求，控制器主要用于各個傳感器信號的接收和辨認(rèn)、控制小車的電機(jī)的轉(zhuǎn)速、控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向等。對于控制器的選擇有以下三種方案。方案一：采用新華

6、龍c8051f02作為系統(tǒng)控制器， c8051f020微控制器的內(nèi)核cip51在保持cisc結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)不變的基礎(chǔ)上對指令實(shí)行流水作業(yè)，該器件廢除了機(jī)器周期的概念，它的指令以時鐘周期為運(yùn)行單位，因而大大提高了指令的運(yùn)行速度。與以前的51系列單片機(jī)相比，c8051f020增添了許多功能，同時其可靠性和速度也有了很大提高。但該單片機(jī)系統(tǒng)相對傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)價格較高，而且他的大量的資源在本系統(tǒng)都用不到，造成很到的資源浪費(fèi)。方案二：采用atmel公司的at80c51作為系統(tǒng)控制器，at89c51便宜，穩(wěn)定，開發(fā)簡單，通用性好，但其程序存儲器只有4k,大大限制了程序長度，適用范圍也應(yīng)此受到限制，而

7、且就是速度也不快。方案三：采用stmicroelectronics 公司的stc89c52作為系統(tǒng)控制器. stc89c52便宜，穩(wěn)定，開發(fā)簡單，通用性好，低功耗，而且內(nèi)部有8k字節(jié)flash儲器.存儲空間較大。由于智能小車的控制是速度要求不高，stc89c52完全滿足他的要求?；谝陨戏治鰯M定方案三。 小車單片機(jī)控制的方框圖如 圖1.3 所示圖1.3 單片機(jī)控制的方框圖1.2路線探測模塊路面檢測模塊實(shí)現(xiàn)小車從指定軌道行駛，在行駛的途中不能超出軌道。考慮到軌道邊沿是黑膠帶組成的黑線，可以利用傳感器辨認(rèn)路面是否為黑色。（1）對路面識別的選擇有以下方案方案一：利用定時器來計算小車的行駛距離，判斷小

8、車當(dāng)前狀態(tài)。如果到轉(zhuǎn)彎處，則減速，邊轉(zhuǎn)動合適的角度。直線道路上則可保持較大速度行駛。 但直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速要準(zhǔn)確控制很難，且不同場地小車的行駛速度也有差異。方案二：用、探測器小車車道外沿進(jìn)行探測，當(dāng)探測到黑線，、都是非黑色區(qū)時小車直走。當(dāng)、為黑色是小車向左轉(zhuǎn)適當(dāng)?shù)慕嵌?。?dāng)為白色時，小車右轉(zhuǎn)。當(dāng)小車在轉(zhuǎn)角處時因?yàn)檗D(zhuǎn)角太大，小車不能及時轉(zhuǎn)過來，小車會開可能出車道。方案三：用、紅外探頭小車車道內(nèi)沿進(jìn)行紅外探測，當(dāng)探測到黑線，、都是白色區(qū)時小車直走。當(dāng)或或?yàn)楹谏切≤囅蛴肄D(zhuǎn)適當(dāng)?shù)慕嵌?。?dāng)為白色時，小車左轉(zhuǎn)適當(dāng)?shù)慕嵌?。由于?nèi)側(cè)邊界不存在直角，小車完全可以轉(zhuǎn)過來?；谝陨戏治鰯M定方案三。小車探測器狀態(tài)真值表如

9、 表1.1 所示表1.1為使用四個紅外傳感器時的狀態(tài)真值表（黑色為高），從表中可以看出，中間的傳感器起到預(yù)判的作用，在小車輕微偏離時，可以調(diào)整車輪小幅度偏轉(zhuǎn)，一旦小車速度過快，嚴(yán)重偏離軌道時，調(diào)整小車大幅度偏轉(zhuǎn)，小車的穩(wěn)定度和速度得到了保證?；谝陨戏治?，擬定方案三。表1.1探測器狀態(tài)真值表傳感器編號小車狀態(tài)/處理方式dcba偏右/左拐20讀0000正常/直走0001輕度偏左/右拐5度0011中度偏左/右拐10度0111重度偏左/右拐20度1111（2）對傳感器的選擇有以下方案。方案一：采用熱探測器。熱探測器是利用所接收到的紅外輻射后，會引起溫度的變化，溫度的變化引起電信號輸出，且輸出的電信號

10、與溫度的變化成比例，當(dāng)紅外線被黑線吸收是、時，溫度會減小，電壓變低，而紅外線沒有被吸收時，電壓不變，單片機(jī)可以根據(jù)電壓的變化來判斷路面的狀態(tài)。由于溫度變化是因?yàn)槲諢彷椛淠芰恳鸬模c吸收紅外輻射的波長沒有關(guān)系，即對紅外輻射吸收沒有波長的選擇，因此受外界環(huán)境的影響比較大。而且在本系統(tǒng)中邊界線外都是沒鋸掉的，小車可能也會將這些區(qū)域誤當(dāng)做非黑色的車道。方案二：可見光發(fā)光二極管與光敏二極管組成的發(fā)射接收電路。這種方案的缺點(diǎn)在于其他環(huán)境光源會對光敏二極管的工作產(chǎn)生很大的干擾，一旦外界光亮條件改變，很可能造成誤判和漏判；雖然產(chǎn)生超高亮發(fā)光二極管可以降低一定的干擾，但這又將增加額外的功率損耗。方案三：采用

11、紅外探測器。紅外探測器(infrared detector)是將入射的紅外輻射信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出的器件。紅外輻射是波長介于可見光與微波之間的電磁波，人眼察覺不到。要察覺這種輻射的存在并測量其強(qiáng)弱，必須把它轉(zhuǎn)變成可以察覺和測量的其他物理量。一般說來，紅外輻射照射物體所引起的任何效應(yīng)，只要效果可以測量而且足夠靈敏，均可用來度量紅外輻射的強(qiáng)弱?，F(xiàn)代紅外探測器所利用的主要是紅外熱效應(yīng)和光電效應(yīng)。這些效應(yīng)的輸出大都是電量，或者可用適當(dāng)?shù)姆椒ㄞD(zhuǎn)變成電量?；谝陨戏治?，擬定方案三。1.3.3驅(qū)動調(diào)速模塊方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字

12、電阻的元器件價格昂貴。更主要的問題在于一般電動機(jī)的電阻較小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且很難實(shí)現(xiàn)。方案二：采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)整。方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時間慢，機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞，壽命較短，可靠性不高。方案三：采用pwm電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的狀態(tài)，精確調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。基于以上分析，擬定方案三。1.3.4轉(zhuǎn)彎超車控制模塊方案一：利用定時器來計算小車的行駛距離，當(dāng)小車走完直線距離后先走轉(zhuǎn)90，再直走，當(dāng)家車進(jìn)入超車區(qū)后減速等乙車，乙車進(jìn)入超車去繞過甲車回到行車道上，甲車等待時間一道恢復(fù)正常速度。直到回

13、到出發(fā)點(diǎn)。但小車行駛路線很難確定為直線，且小車用直流電機(jī)驅(qū)動，行駛的速度受環(huán)境影響較大。方案二：小車沿著行車道內(nèi)邊界行駛。甲車通過超車標(biāo)志區(qū)后沿虛線減速行駛指定時間，乙車一直沿著內(nèi)邊界線行駛，直到到達(dá)終點(diǎn)。但一車言行車道內(nèi)邊界行駛在進(jìn)入超車區(qū)后應(yīng)為轉(zhuǎn)角太大，可能會使出行車道。方案三：小車沿著行車道內(nèi)邊界行駛。甲車通過超車標(biāo)志區(qū)后沿虛線減速行，同時打開左側(cè)和尾部信號燈，乙車通過超車標(biāo)志區(qū)當(dāng)乙車捕捉到甲車的信號后左轉(zhuǎn)當(dāng)接收到甲車右側(cè)信號后開始右轉(zhuǎn)，回到行車道。甲車接收到一車的信號加速到正常速度。直到到達(dá)終點(diǎn)。甲乙輛車超車時交換信息，相互控制。能較好的實(shí)現(xiàn)超車?；谝陨戏治觯瑪M定方案三。二.系統(tǒng)的硬

14、件設(shè)計 2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計，系統(tǒng)的計算本組智能小車的硬件主要有以stc89c51 作為核心的主控器部分、自動循跡部分、顯示部分、電機(jī)驅(qū)動部分。stc89c51的p1口作為外部信號采集端口，采集外部采用紅外對管對車道邊界線進(jìn)行掃描。小車左側(cè)掃描車道內(nèi)線，車底探測轉(zhuǎn)彎標(biāo)記線或超車標(biāo)記線。小車的左側(cè)和尾部各有一個紅外發(fā)射管，用于在超車時向另一輛發(fā)送信號，小車車頭有兩個紅外接收管，右側(cè)有一個紅外接收管，用于在超車區(qū)接收另一輛小車發(fā)出的信號。系統(tǒng)采用一塊8.2v鋰電池供電。通過電源模塊將電源轉(zhuǎn)換為+5v。電源模塊主要有l(wèi)m7805構(gòu)成，可以穩(wěn)定輸出最大1.5a的電流。小車硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如 圖2.1三.系統(tǒng)軟件設(shè)計 3.1 程序總體流程圖圖3.13.2 各個功能模塊流程圖圖3.2尋跡模塊 圖3.3超車模塊 圖3.4 等待超車模塊四.參考文獻(xiàn)1. 梅遂生、楊家德.光電子技術(shù)信息裝備的新秀m.北京：國防工業(yè)出版社.1999年.88-1022. 張友德、趙志英、涂時亮.單片機(jī)微型機(jī)原理應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)（第三版）m.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社.2000年3. 何立民.mcs-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計m、系統(tǒng)配置與接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社.1990年.149-1564. 陸坤、奚大順、李之權(quán)等.電子設(shè)計技術(shù)m.四川：電子科