智能循跡避障小車論文設計說明

1、單片機的應用與開發(fā)智能循跡避障小車摘要：利用紅外對管檢測黑線與障礙物，并以STC89C52單片機為控制芯片控制電動小汽車的速度與轉向，從而實現自動循跡避障的功能。其中小車驅動由L298N驅動電路完成，速度由單片機輸出的PWM波控制。關鍵詞：智能小車 STC89C52單片機 L298N 紅外對管第一章 緒論1.1單片機的簡介 一微型計算機（Single Chip Microcomputer）微型計算機的主要特點：CPU集成于一個芯片中。單片機（Micro Controller Unit）是把組成微型計算機的各功能部件：CPU、RAM、ROM、定時/計數器、中斷控制器、并行和串行接口均集成在一個芯

2、片中。其一個芯片就構成了一個比較完整的計算機系統(tǒng)。微型計算機與單片機是微電子領域的兩個分支。微型計算機的特點是運算速度快、存儲容量大，適合于信息管理、科學計算等領域；而單片機的特點為體積小、價格低，適合于儀器、設備的控制，常常嵌入到儀器、設備中。故單片機也稱作微控制器（Microcontroller）。二單片機的生產與發(fā)展（1）.單片機的生產：目前世界上單片機的生產公司有上百家，如Intel、Philips、Microchip、Motorola、Siemens、NEC、AMD、Zilog、TI、Atmel等。但在國廣泛應用的只有Intel 系列和Microchip PIC系列，（2）.單片機的

3、發(fā)展：第1階段（19761980）：單片機發(fā)展初級階段。集成了8位CPU、RAM、ROM、定時器、并行口（無串行口）等部件，但性能低，尋址圍?。?KB），中斷系統(tǒng)、定時器也簡單。典型機型：Intel MCS-48系列。 第2階段（19801983）：高性能單片機階段。此階段的單片機普遍帶有串行口，有多級中斷處理系統(tǒng)，多個16位定時/計數器，片ROM、RAM的容量加大，尋址圍達64KB。典型機型：Intel MCS-51系列。第3階段（198380年代末）：16位單片機和高性能8位機并行發(fā)展階段。此階段Intel推出16位單片機MCS-96系列，其他公司也推出了各種16位單片機。同時高性能8位單

4、片機的性能更為完善。第4階段（90年代）：單片機在集成度、功能、速度、可靠性等方面全面發(fā)展，如采用Flash ROM，加入了一些特殊功能部件（AD轉換器，PWM輸出，監(jiān)視定時器WDT，DMA，調制解調器，通信控制器，浮點運算單元等）。至今，單片機的性能已比較完善，且專業(yè)化的特點很強，為各種應用提供了很大的方便。1.2三、單片機的應用單片機由于體積小，價格低，功耗低、控制功能強且控制邏輯可由軟件來實現，因此可以很方便地完成由一般數字電路很難實現的控制邏輯。所以在測控系統(tǒng)，智能儀表，機電一體化產品，智能接口，智能民用產品，機器人等領域得以廣泛應用。 1.在智能儀器儀表上的應用（如電壓、功率、頻率、

5、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量）只需結合不同類型的傳感器即可控制，使得儀表達到數字化。智能化、微型化（示波器）。2.在工業(yè)控制中的應用（如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機聯網構成二級控制系統(tǒng)等）多用于構成多樣的控制系統(tǒng)，數字采集系統(tǒng)。設計用于實現特定功能，從而在各種電路中進行模塊化應用，而不要求使用人員了解其部結構，在大型電路中，這種模塊化應用極縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也方便于更換。（圖）3.在家用電器中的應用（洗衣機、電冰箱、空調機、彩電、與其他音響視頻器材，電子秤量設備等）極大的方便了我們的生活。4

6、.在計算機網絡和通信領域中的應用（手機，機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、集群移動通信，無線電對講機等）利用單片機的通訊接口可以方便的與計算機進行數據通，為在計算機網絡通訊設備間的應用提供了很好的物質條件。7.單片機在汽車設備領域中的應用（如汽車中的發(fā)動機控制器，基于CAN總線的汽車發(fā)動機智能電子控制器，GPS導航系統(tǒng)，abs防抱死系統(tǒng)，制動系統(tǒng)等）此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領域都有著十分廣泛的用途。8多機應用利用單片機的串行接口和并行接口，多個單片機子系統(tǒng)可以彼此進行通信，構成一個網絡?？梢詷嫵梢粋€集散式的控制系統(tǒng)，從而控制和處理大量的控制對象

7、和信息，且可以通過并行運算方式來提高處理速度?？傊趩纹瑱C系統(tǒng)中，單片機是作為控制中樞，數字電路器件是作為外圍電路，二者是相輔相成的。1.3單片機的發(fā)展趨勢 目前，為了適應各種嵌入式系統(tǒng)的應用需求，單片機將向著高集成度、增強工能。提高速度、降低成本和功耗等方向發(fā)展。這組要表現在以下幾個方面。 1處理性能的增強：單片機的處理性能取決于其部數據總線寬度、指令執(zhí)行速度、片存儲器容量等指標。近幾年發(fā)展起來的16位和32位單片機就體現了這個發(fā)展趨勢。 2增強功能：未來單片機的增強功能主要在網絡功能。A/D和D/A功能、ISP功能、DMA功能、顯示器驅動等方面另外為了能有效地保護嵌入式系統(tǒng)的知識產權，對單

8、片機部軟件的加密是必要的，單片機的部的程序代碼存儲器帶有加密特性是單片機的一種增強功能。 3高集成度：隨著集成電路技術的和工藝的不斷提高，單片機技術的發(fā)展與其應用領域不斷拓展提高單片機的集成度，增加片功能器件，減少外圍器件的擴展，實現真正的“單片”系統(tǒng)已成為發(fā)展趨勢集成更多的I/O端口和特殊接口，直接驅動LED、VFD、LCD等顯示器，帶有直接中斷方式鍵盤端口等。近年來，單片機結合專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit, ASIC）和精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer, RISC）技術，發(fā)展為

9、嵌入式處理器（Embedded Processor），適用于數據與數值分析、信號處理、智能機器人與圖像處理等高技術領域。1.4智能小車的意義和作用 自第一臺工業(yè)機器人誕生以來，機器人的發(fā)展已經遍與機械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領域。近年來機器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式。人們在不斷探討、改造、認識自然的過程中，制造能替代人勞動的機器一直是人類的夢想。隨著科學技術的發(fā)展，機器人的感覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應用領域為自主式智能導航系統(tǒng)，對于視覺的各種技術而言圖像處理技術已相當發(fā)達，而基于圖像的理解技術還很落后，機器視

10、覺需要通過大量的運算也只能識別一些結構化環(huán)境簡單的目標。視覺傳感器的核心器件是攝像管或CCD，目前的CCD已能做到自動聚焦。但CCD傳感器的價格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近覺傳感器是一種實用有效的方法。機器人要實現自動導引功能和避障功能就必須要感知導引線和障礙物，感知導引線相當給機器人一個視覺功能。避障控制系統(tǒng)是基于自動導引小車（AVGauto-guide vehicle）系統(tǒng)，基于它的智能小車實現自動識別路線，判斷并自動避開障礙，選擇正確的行進路線。使用傳感器感知路線和障礙并作出判斷和相應的執(zhí)行動作。該智能小車可以作為機器人的典型代表。

11、它可以分為三大組成部分：傳感器檢測部分、執(zhí)行部分、CPU。機器人要實現自動避障功能，還可以擴展循跡等功能，感知導引線和障礙物?？梢詫崿F小車自動識別路線，選擇正確的行進路線，并檢測到障礙物自動躲避?；谏鲜鲆螅瑐鞲袡z測部分考慮到小車一般不需要感知清晰的圖像，只要求粗略感知即可，所以可以舍棄昂貴的CCD傳感器而考慮使用價廉物美的紅外反射式傳感器來充當。智能小車的執(zhí)行部分，是由直流電機來充當的，主要控制小車的行進方向和速度。單片機驅動直流電機一般有兩種方案：第一，勿需占用單片機資源，直接選擇有PWM功能的單片機，這樣可以實現精確調速；第二，可以由軟件模擬PWM輸出調制，需要占用單片機資源，難以精確

12、調速，但單片機型號的選擇余地較大?？紤]到實際情況，本文選擇第二種方案。CPU使用STC89C52單片機，配合軟件編程實現。1.5智能小車的現狀現智能小車發(fā)展很快，從智能玩具到其它各行業(yè)都有實質成果。其基本可實現循跡、避障、檢測貼片、尋光入庫、避崖等基本功能，這幾節(jié)的電子設計大賽智能小車又在向聲控系統(tǒng)發(fā)展。比較出名的飛思卡爾智能小車更是走在前列。我此次的設計主要實現循跡避障這兩個功能。第二章 方案設計與論證根據要求，確定如下方案：在現有玩具電動車的基礎上，加裝光電檢測器，實現對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數據傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據所檢測的各種數據實現對電動車的

13、智能控制。這種方案能實現對電動車的運動狀態(tài)進行實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項要求。2.1 主控系統(tǒng)根據設計要求，我認為此設計屬于多輸入量的復雜程序控制問題。據此，擬定了以下兩種方案并進行了綜合的比較論證，具體如下：方案一：選用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作為系統(tǒng)的核心部件，實現控制與處理的功能。CPLD具有速度快、編程容易、資源豐富、開發(fā)周期短等優(yōu)點，可利用VHDL語言進行編寫開發(fā)。但CPLD在控制上較單片機有較大的劣勢。同時，CPLD的處理速度非?？?，而小車的行進速度不可能太高，那么對系統(tǒng)處理信息的要求也就不會太高，在這一點上，MCU就已經可以勝任了。

14、若采用該方案，必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此，我們不采用該種方案，進而提出了第二種設想。方案二：采用單片機作為整個系統(tǒng)的核心，用其控制行進中的小車，以實現其既定的性能指標。充分分析我們的系統(tǒng)，其關鍵在于實現小車的自動控制，而在這一點上，單片機就顯現出來它的優(yōu)勢控制簡單、方便、快捷。這樣一來，單片機就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強大的控制功能與可位尋址操作功能、價格低廉等優(yōu)點。因此，這種方案是一種較為理想的方案。針對本設計特點多開關量輸入的復雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長處理多開關量的標準單片機，而不能用精簡I/O口和程序存儲器的小體積單片機，D/A、A/D功能也不必選用。根據這些分

15、析,我選定了P89C51RA單片機作為本設計的主控裝置，51單片機具有功能強大的位操作指令，I/O口均可按位尋址，程序空間多達8K，對于本設計也綽綽有余，更可貴的是51單片機價格非常低廉。在綜合考慮了傳感器、兩部電機的驅動等諸多因素后，我們決定采用一片單片機，充分利用STC89C52單片機的資源。2.2 電機驅動模塊方案一：采用繼電器對電動機的開或關進行控制,通過開關的切換對小車的速度進行調整.此方案的優(yōu)點是電路較為簡單,缺點是繼電器的響應時間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。方案二：采用電阻網絡或數字電位器調節(jié)電動機的分壓，從而達到分壓的目的。但電阻網絡只能實現有級調速，而數字電阻的元器件價

16、格比較昂貴。更主要的問題在于一般的電動機電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實現很困難。方案三：采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅動的電路結構和原理簡單，加速能力強，采用由達林頓管組成的 H型橋式電路(如圖2.1)。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調的開關狀態(tài)下，精確調整電動機轉速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高，H型橋式電路保證了簡單的實現轉速和方向的控制，電子管的開關速度很快，穩(wěn)定性也極強，是一種廣泛采用的 PWM調速技術。現市面上有很多此種芯片，我選用了L298N(如圖2.2)。這種調速方式有調速特性優(yōu)良、調整平滑、調速圍廣、過載

17、能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現頻繁的無級快速啟動、制動和反轉等優(yōu)點。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。圖2.1 H橋式電路圖2.2 L298N2.3 循跡模塊方案一：采用簡易光電傳感器結合外圍電路探測，但實際效果并不理想，對行駛過程中的穩(wěn)定性要求很高，且誤測幾率較大、易受光線環(huán)境和路面介質影響。在使用過程極易出現問題，而且容易因為 該部件造成整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定。故最終未采用該方案。方案二：采用兩只紅外對管(如圖2.3)，分別置于小車車身前軌道的兩側，根據兩只光電開關接受到白線與黑線的情況來控制小車轉向來調整車向，測試表明，只要合理安裝好兩只光電開關的位置就可以

18、很好的實現循跡的功能。(參考文獻3)方案三：采用三只紅外對管，一只置于軌道中間，兩只置于軌道外側，當小車脫離軌道時，即當置于中間的一只光電開關脫離軌道時，等待外面任一只檢測到黑線后，做出相應的轉向調整，直到中間的光電開關重新檢測到黑線（即回到軌道）再恢復正向行駛?，F場實測表明，小車在尋跡過程中有一定的左右搖擺不定，雖然可以正確的循跡但其成本與穩(wěn)定性都次與第二種方案。通過比較，我選取第二種方案來實現循跡。圖2.3 紅外對管2.4 避障模塊方案一：采用一只紅外對管置于小車中央。其安裝簡易，也可以檢測到障礙物的存在，但難以確定小車在水平方向上是否會與障礙物相撞，也不易讓小車做出精確的轉向反應。方案二

19、：采用二只紅外對管分別置于小車的前端兩側，方向與小車前進方向平行，對小車與障礙物相對距離和方位能作出較為準確的判別和與時反應。但此方案過于依賴硬件、成本較高、缺乏創(chuàng)造性，而且置于小車左方的紅外對管用到的幾率很小，所以最終未采用。方案三：采用一只紅外對管置于小車右側。通過測試此種方案就能很好的實現小車避開障礙物，且充分的利用資源而不浪費。(參考文獻3)通過比較我采用方案三。2.5 機械系統(tǒng)本題目要求小車的機械系統(tǒng)穩(wěn)定、靈活、簡單，而三輪運動系統(tǒng)具備以上特點。驅動部分：由于玩具汽車的直流電機功率較小，而小車上裝有電池、電機、電子器件等，使得電機負擔較重。為使小車能夠順利啟動，且運動平穩(wěn)，在直流電機

20、和輪車軸之間加裝了三級減速齒輪。電池的安裝：將電池放置在車體的電機前后位置，降低車體重心，提高穩(wěn)定性，同時可增加驅動輪的抓地力，減小輪子空轉所引起的誤差。簡單，而三輪運動系統(tǒng)具備以上特點。2.6電源模塊方案一：采用實驗室有線電源通過穩(wěn)壓芯片供電，其優(yōu)點是可穩(wěn)定的提供5V電壓，但占用資源過大。方案二：采用4支1.5V電池單電源供電，但6V的電壓太小不能同時給單片機與與電機供電。方案三：采用8支1.5V電池雙電源分別給單片機與電機供電可解決方案二的問題且能讓小車完成其功能。所以，我選擇了方案三來實現供電。第三章 硬件設計3.1總體設計智能小車采用前輪驅動，前輪左右兩邊各用一個電機驅動，調制前面兩個

21、輪子的轉速起停從而達到控制轉向的目的，后輪是萬象輪，起支撐的作用。將循跡光電對管分別裝在車體下的左右。當車身下左邊的傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制左輪電機停止，車向左修正，當車身下右邊傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制右輪電機停止，車向右修正。避障的原理和循線一樣，在車身右邊裝一個光電對管，當其檢測到障礙物時，主控芯片給出信號報警并控制車子倒退,轉向，從而避開障礙物。3.1.1主板設計框圖如圖3.1，所需原件清單如表3.1。Stc89c52循跡紅外對管時鐘電路復位電路報警電路電機驅動避障紅外對管圖3.1 主板設計框圖表3.1 元件清單元件數量元件數量元件數量直流電機2只電阻若干集成電路芯片若干

22、單片機1 塊二極管若干電容若干紅外對管3只蜂鳴器1只電位器若干12M晶振1只杜邦線若干玩具小車1個排針若干3.2驅動電路（參考文獻4）電機驅動一般采用H橋式驅動電路，L298N部集成了H橋式驅動電路，從而可以采用L298N電路來驅動電機。通過單片機給予L298N電路PWM信號來控制小車的速度，起停。其引腳圖如3.2，驅動原理圖如圖3.3。圖3.2 L298N引腳圖圖3.3 電機驅動電路3.3信號檢測模塊小車循跡原理是小車在畫有黑線的白紙 “路面”上行駛，由于黑線和白紙對光線的反射系數不同，可根據接收到的反射光的強弱來判斷“道路”黑線。筆者在該模塊中利用了簡單、應用也比較普遍的檢測方法紅外探測法

23、。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質的特點。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號，再通過LM324作比較器來采集高低電平，從而實現信號的檢測。避障亦是此原理。電路圖如圖3.4。市面上有很多紅外傳感器，在這里我選用TCRT5000型光電對管。圖3.4循跡原理圖3.4主控電路本模塊主要是對采集信號進行分析，同時給出PWM波控制電機速度，起停。以與再檢測到障礙報警等作用。其電路圖如圖5。圖3.5 主控電路第四章 軟件設計4.1啟動循跡是否檢測到停止

24、線停止是否檢測到障礙NY避障YN主程序框圖：圖4.1 主程序框圖4.2電機驅動程序void goahead()s1=1;s2=0;s3=1;s4=0;void goback()s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;void turnleft()s3=1;s4=0;void turnright()s1=1;s2=0;void stop()en1=0;en2=0;4.3循跡模塊開始前進掃描I/O口，是否檢測到黑線Y左邊 右邊左轉右轉N循跡框圖：圖4.2 循跡框圖循跡程序：void xunji()if(left_red=1)&(right_red=1)en1=1;en2=1;goahead

25、();delay(150);en1=0;en2=0;delay(50);else if(left_red=0)&(right_red=1)en1=0;en2=1; P0_0=!P0_0;turnleft();delay(150);en1=1;en2=0;delay(50);else if(left_red=1)&(right_red=0)en1=1;en2=0;P0_1=!P0_1;turnright();delay(150);en1=0;en2=1;delay(50);elsestop();4.4避障模塊避障框圖：開始后退一點，報警后退左轉前進右轉Y左轉是否檢測到障礙前進N圖

26、4.3 避障框圖避障程序：void bizhang()en1=1;en2=1;goback();mid_red=0;baojing();goback();for(i=0;i<8;i+)en1=1;en2=1;delay(150);en1=0;en2=0;delay(50);stop();delay(10);turnleft();for(i=0;i<11;i+)en1=0;en2=1;delay(130); en2=0;delay(50);stop();delay(10);goahead();for(i=0;i<22;i+)en1=1;en2=1;delay(130);en1=

27、0;en2=0; delay(50);stop();delay(10);turnright();for(i=0;i<18;i+)en1=1;en2=0;delay(130);en1=0;delay(50);xun: if(left_red=1)&(right_red=0)loop: turnleft();en1=0;en2=1;delay(30);turnright();en1=1;delay(50);en1=0;delay(50);en2=0;delay(50);if(left_red=1)&(right_red=1);else goto loop;elseen1=1;en2=1;goahead();delay(80);en1=0;en2=0;delay(50);goto xun;第五章 制作安裝與調試5.1 PCB的設計制作與安裝采用DXP2004繪制原理圖與PCB板，布線的過程中必須注意焊盤的大小與銅線的寬度。我選取的焊盤徑為0.8mm,外徑2mm；銅線寬1mm。從做板的情況來看基本達到制作