南京工程學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項目立項申報書1

1、項目編號南京工程學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項目立 項 申 報 書項目名稱： 基于單片機的智能探測小車 負(fù)責(zé)人（學(xué)號）： 蔣嘉柔（） 指導(dǎo)教師： 宋宇飛 院 系： 通信工程學(xué)院 聯(lián)系電話： 填表日期： 2010年11月24日 共青團南京工程學(xué)院委員會印制負(fù)責(zé)人姓 名蔣嘉柔 學(xué)號 班 級電子信息091 專 業(yè)電子信息工程聯(lián) 系 電 話 指導(dǎo)教師姓 名 宋宇飛專業(yè)/研究方向電子信息工程職稱/職務(wù)講師聯(lián) 系 電 話負(fù)責(zé)人近年來承接、組織、參與的學(xué)術(shù)科技活動情況（含科技項目、學(xué)術(shù)論文名稱、完成時間、鑒定、發(fā)展以及獲獎情況等）項目組其他成員情況序號姓名學(xué)號班 級專業(yè)項目分工簽名1 蔣嘉柔 電子信息091電子信

2、息工程原理設(shè)計整體統(tǒng)籌蔣嘉柔2步超倫無線通信091無線通信單片機編程步超倫3夏靜D自集成102自動化系統(tǒng)集成機身設(shè)計電路設(shè)計夏靜 項目組其他成員近年來承接、組織、參與的學(xué)術(shù)科技活動情況（含科技項目、學(xué)術(shù)論文名稱、完成時間、鑒定、發(fā)展以及獲獎情況等）研 究 項 目名 稱基于單片機的智能探測小車研究方向單片機技術(shù)的智能實現(xiàn) 申請經(jīng)費3000元 一、項目的研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢，研究預(yù)期達(dá)到的科學(xué)技術(shù)水平、社會和經(jīng)濟效益。基于單片機的設(shè)計和制作室國內(nèi)外大學(xué)生及研究學(xué)者的熱點，對于其放在崎嶇的道路上的出色的平衡行走的表現(xiàn)，它已經(jīng)被應(yīng)用到探險、航天探索等許多方面，盡管目前有許多成熟的產(chǎn)

3、品，但是造價昂貴，以日本索尼公司的機器狗為例，一款功能較為完善的機器狗造價高達(dá)2萬元人民幣。而其作用也越來越受到重視，可供單片機編程實現(xiàn)的探險工具造價昂貴，于此形成鮮明對比的是國內(nèi)的探險市場龐大但價廉實用的產(chǎn)品較少。同時國內(nèi)外與相關(guān)探險相關(guān)的比賽也層出不窮，充分展示了它的市場價值。我們設(shè)計的探險小車是用于探險人類不能活動的地方，比如山洞，外太空等等，用機器小車來代替人類，并且能夠把所拍攝的圖像送到我們的設(shè)備，同時，小車也能夠做相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎等動作。因而制作出一款價廉實用的探險小車有很大的價值，因此我們的項目在教育以及在競賽方面有著很大的市場前景和研究開發(fā)價值。2、 項目的研究內(nèi)容、預(yù)計突破或解決哪

4、些技術(shù)難題項目研究內(nèi)容：1，視頻信號的傳輸。即能把拍攝到的信號遠(yuǎn)程傳送到操作者的電腦桌面上。用于實時監(jiān)控。2，小車具有識別障礙和轉(zhuǎn)彎的功能。能夠自我越過所遇到的障礙。3，熟練使用CAD設(shè)計軟件進行機械部分的設(shè)計。（小車的底座，車身等的機械設(shè)計）。4，能編寫實現(xiàn)視頻傳輸?shù)膯纹瑱C程序。5，LED照明。同時LED具有會根據(jù)環(huán)境自動發(fā)光。6,，行走過程中的小車本體的平衡的實現(xiàn)以及在崎嶇平面上的適應(yīng)能力。預(yù)計突破：1，熟練運用C語言進行單片機的程序開發(fā)。2，實現(xiàn)一個單片機對遠(yuǎn)程圖像信號的傳輸。（編程設(shè)計是一個難點）解決的技術(shù)難題：1，對機小車行走時的平衡的實現(xiàn)，各部件之間的協(xié)調(diào)，以及在不平整的路面上移動

5、的穩(wěn)定，以適應(yīng)不同的外部環(huán)境。2，利用單片機實現(xiàn)使遠(yuǎn)程圖像信號能夠傳遞到我們的電腦上的編程問題。三、項目的研究方法、技術(shù)路線、實驗方案及可行性分析項目的研究方法：1，通過查閱資料以及相關(guān)的工程實踐改進相關(guān)技術(shù)。2，咨詢相關(guān)老師獲得相關(guān)方面的經(jīng)驗方法。3，通過具體的工程實踐對探險小車的性能做出不斷的改進與完善。技術(shù)路線：1， 對小車的行走進行觀察并進行測試，2， EAD技術(shù)輔助電路部分設(shè)計。實驗方案：第一步，規(guī)劃基本的電路，搭建試驗電路。第二步，規(guī)劃小車的行走方案，設(shè)計并且對單片機進行編程，用單片機開發(fā)板進行相關(guān)的測試和調(diào)試。第三步，搭建電路板，接入電源，進行實物測試。第五步，組裝小車本體，進行

6、實戰(zhàn)平衡調(diào)試，接入拓展功能進行測試?？尚行苑治觯涸擁椖康臋C械設(shè)計部分已基本成熟，并且軟件設(shè)計部分也有了一定的頭緒，方案可行，思路合理。因而有理由認(rèn)為該項目的可行性很強。具備開題立項的條件。四、研究工作條件和基礎(chǔ)（包括前期研究工作基礎(chǔ)，已有研究成果，現(xiàn)有的主要儀器設(shè)備、研究技術(shù)及協(xié)作條件等）一 系統(tǒng)原理圖 簡易智能電動車采用80C51單片機進行智能控制。開始由手動啟動小車，并復(fù)位，紅外光電傳感器檢測，通過單片機控制小車開始記數(shù)顯示并避障；系統(tǒng)的自動避障功能通過紅外光電傳感器左右側(cè)檢測，由單片機控制實現(xiàn)；在電動車進駛過程中，采用雙極式H型PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，以提高系統(tǒng)的靜動態(tài)性能；采用動態(tài)共陰顯示

7、行駛時間和里程。本設(shè)計采用MCS-51系列中的80C51單片機。系統(tǒng)原理圖如圖2.6所示。圖2.6 系統(tǒng)原理圖其中看門狗電路和時間里程顯示、調(diào)速電路，檢測是拓展目標(biāo)。一小車的整體控制系統(tǒng)理論：控制工程處理自動控制系統(tǒng)各種工程實現(xiàn)問題的綜合工程技術(shù)。包括對自動控制系統(tǒng)提出要求（即規(guī)定指標(biāo)）、進行設(shè)計、構(gòu)造、運行、分析、檢驗等過程。它是在電氣工程和機械工程的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。閉環(huán)控制：閉環(huán)控制有反饋環(huán)節(jié)，通過反饋系統(tǒng)是系統(tǒng)的精確度提高,響應(yīng)時間縮短,適合于對系統(tǒng)的響應(yīng)時間,穩(wěn)定要求高的系統(tǒng)。開環(huán)控制：開環(huán)控制沒有反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的穩(wěn)定不高,響應(yīng)時間相對來說很長,精確度不高,使用于對系統(tǒng)穩(wěn)定精確度要求

8、不高的簡單的系統(tǒng)。一般稍微復(fù)雜一點的機器人小車都是閉環(huán)控制，也就是說它有一個反饋機制，會根據(jù)自己配備的各種傳感器來讀取環(huán)境信息，并且根據(jù)這些環(huán)境信息來決定自己下一步的行動，決定好后將行動指令發(fā)給執(zhí)行系統(tǒng)，使機器人做出合適的動作。我們打算做的探險小車是閉環(huán)控制。小車的前進時通過在小車后面左右輪上分別裝上兩個獨立的驅(qū)動電機（差速轉(zhuǎn)向式），通過控制左右輪的速度來實現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向。1.設(shè)計一個光強采集系統(tǒng)，能夠?qū)崟r采集環(huán)境光線強度；2.設(shè)計一個閉環(huán)控制LED（12只高亮3mm白光LED）照明系統(tǒng)。1.LED驅(qū)動采用電流驅(qū)動，電流步進可調(diào)；2.電流1mA50mA，步進1mA，能夠?qū)崿F(xiàn)光線強度感應(yīng)并自動控制

9、LED亮度。在LED打開后，自動實現(xiàn)LED根據(jù)外界光線強度自動調(diào)光。即：外界光線強度強，減小LED發(fā)光強度，反之，增強LED發(fā)光強度。二，機器小車可以分為三部分傳感器部分、控制器部分、執(zhí)行器部分。小車傳感器部分和控制器部分：接收傳感器部分傳遞過來的信號，并根據(jù)事前寫入的決策系統(tǒng)（軟件程序），來決定機器人對外部信號的反應(yīng)，將控制信號發(fā)給執(zhí)行器部分。好比人的大腦。執(zhí)行器部分：驅(qū)動機器小車做出各種行為，包括發(fā)出各種信號（點亮發(fā)光二極管、發(fā)出聲音）的部分，并且可以根據(jù)控制器部分的信號調(diào)整自己的狀態(tài)。對機器人小車來說，最基本的就是輪子。這里我們采用的是直流無刷電機。現(xiàn)在我們來分析一下機器人小車的避障行為

10、控制：機器車在行走過程中（人在路上走），忽然接收到裝在它前部的傳感器發(fā)來的一個“左前方有障礙物”的信號（人眼發(fā)現(xiàn)左前方有一根電線桿），我們事先寫在機器人控制芯片中的程序算法要求機器人發(fā)現(xiàn)左前方有障礙物就往右邊轉(zhuǎn)，控制芯片對機器車的驅(qū)動器或是輪子，此時機器車的執(zhí)行器部分應(yīng)該立即響應(yīng)控制器的指令，改變自己的狀態(tài)，使機器車的前進方向改變，避開障礙物。那么這三部分是用電聯(lián)系起來的。其實機器人小車就是一個電子作品，傳感器將外部的光信號、聲音信號、溫度信號等全部轉(zhuǎn)換為控制部分可以接受的電信號，控制系統(tǒng)發(fā)出的指令也是各種電信號，通過執(zhí)行部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C輸出的扭矩、聲音、光信號等等。二傳感器部分 傳感器是機器人

11、的眼睛，想要小車完成不同的任務(wù)就要配備各種不同的傳感器。紅外測距傳感器：紅外測距傳感器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度也不同的原理，進行障礙物遠(yuǎn)近的檢測。紅外測距傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號。三控制器部分適合機器人的控制芯片我們打算用單片機。單片機。單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。我們編輯相應(yīng)的程序教會單片機處理各種各樣的問題，給單片機配備上各種各樣的擴展

12、工具，使單片機可以將復(fù)雜的問題簡單化，數(shù)字化。我們打算買單片機開發(fā)板。單片機開發(fā)涉及兩方面：硬件、軟件。做機器小車需要的擴展電路：    程序下載電路：單片機最終需要程序來控制，一般都是在PC上編寫好程序，通過下載線前行與倒車控制電路來下載到單片機中執(zhí)行。下載需要一個電路來支持，以前的通常做法是連接到PC的串口，也可以通過USB下載程序的電路。系統(tǒng)設(shè)計驅(qū)動電路要想讓機器小車有穩(wěn)定行走能力，需要選擇穩(wěn)定的電動機驅(qū)動系統(tǒng)。本設(shè)計利用三極管放大作用對單片機I/O口電流進行放大，驅(qū)動繼電器控制電動機轉(zhuǎn)動。且不會對輸入電流有任何影響，完全可以給電動機提供大電流，保證電路工作穩(wěn)定。電動

13、機驅(qū)動電路采用兩個NPN管對單片機AT89C51的I/O口輸出電流信號放大，利用電阻R19、R20作為三極管基極進行保護。當(dāng)單片機I/O口有信號輸出時，該電流經(jīng)電阻后送入第一級三極管基極，使第一級三極管導(dǎo)通，導(dǎo)通電流經(jīng)電阻送入第二個三極管基極，進一步放大電流，以達(dá)到繼電器驅(qū)動電流。根據(jù)計算，送入繼電器的電流是經(jīng)過兩極放大電路放大了約2倍，9014在此做開關(guān)作用。經(jīng)過兩級放大后驅(qū)動繼電器。如圖2所示。圖2 電機驅(qū)動電路原理圖每個繼電器相當(dāng)于一個單刀雙擲開關(guān)，由此，兩個單刀雙擲開關(guān)，組成電動機正反轉(zhuǎn)控制電路，實現(xiàn)機器人前進、后退動作。以上兩個電路就是機器人開發(fā)所需要的最基本的單片機電路，其他也許還

14、需要一些電機驅(qū)動、A/D轉(zhuǎn)換、開關(guān)選擇等電路。視覺電路在此設(shè)計中，我們僅要求機器人發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標(biāo)，不需要識別目標(biāo)。因此采用最常用的紅外線反射傳感器來作為機器人的視覺功能，檢測機器人前方是否有目標(biāo)。該功能的實現(xiàn)采用的是兩個型號為TX05D的紅外線反射傳感器。TX05D常用的紅外反射式接近開關(guān)，它內(nèi)部有一紅外線發(fā)射管和一紅外線接收管。發(fā)射管發(fā)出紅外線，如果其正前方?jīng)]有物體，那么接收管接收不到紅外線反饋信號。當(dāng)前方出現(xiàn)物體時，紅外線信號經(jīng)過物體被反射了回來，這時接收管接收到信號，向單片機發(fā)出高電平信號，以告知單片機其前方出現(xiàn)障礙物。兩個紅外線傳感器安裝在機器人前方的兩側(cè)，在機器人工作時，兩個傳感器始

15、終向外發(fā)射紅外線探測信號，當(dāng)其中一個傳感器接收到反饋信號時，便向單片機發(fā)出高電平信號，告知單片機該方向發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，單片機經(jīng)過判斷后，控制電動機向該方向轉(zhuǎn)向，以實現(xiàn)跟蹤功能。當(dāng)兩個傳感器都感應(yīng)到目標(biāo)時，機器人便向著目標(biāo)直著前進，直到撞上目標(biāo)。四執(zhí)行器部分 對于機器人小車來說，最基本的執(zhí)行器部分就是輪子。要有輪子，小車才能被稱為小車。一般適合機器人小車上用的輪子，機械結(jié)構(gòu)，車體等部分卻很難尋覓。我們打算自己做幾個適合我們小車型號的輪子。于小車的運動驅(qū)動來說，我們可以選用步進電機。單片機有專門的模塊來負(fù)責(zé)驅(qū)動電機，單片機只需要為這樣的模塊提供一定頻率的脈沖和控制信號就可以了。在硬件結(jié)構(gòu)中，光電傳感器模

16、擬小車的眼睛，驅(qū)動電路模擬操縱桿，單片機模擬模擬小車的大腦。拓展功能：步伐調(diào)整電路當(dāng)機器人在前進過程中，如果電機轉(zhuǎn)速不一致或者在轉(zhuǎn)向過程中打亂了步伐，這時便會啟動步伐調(diào)整功能，該功能是利用兩個光耦來完成的。在機器人腿部，裝有兩片通過光耦的擋片，當(dāng)機器人正常行走時，擋片會交替的打開和關(guān)閉光耦。如果兩個光耦的狀態(tài)始終不相同。那么就說明該機器人步伐正常。當(dāng)光耦狀態(tài)出現(xiàn)相同時，說明機器人步伐錯亂，需要校正步伐。這時便會隨機停下一條“腿”，等另一條“腿”走在合適位置，即光耦狀態(tài)相反時，再作出同步前進。電路如圖3所示。在現(xiàn)有玩具電動車的基礎(chǔ)上，加裝光電、紅外線、超聲波傳感器及金屬探測器，實現(xiàn)對電動車的速度

17、、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。這種方案能實現(xiàn)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.1，小車的外形已有基本的設(shè)想。2，其次，相關(guān)的電路（簡略）我們也展示了幾部分的電路圖紙。3，我們對智能探險方面已有一定的了解，基本明確小車制作的步驟。4，軟件設(shè)計方面，團隊有兩個人已學(xué)完C語言，所以，對基于C語言的單片機編程可以實現(xiàn)。5，現(xiàn)在我在工程實踐中心實驗室里，這里有制作相關(guān)的設(shè)備和測試儀器。同時，這里的學(xué)長也可以對我們的制作智能小車提供指導(dǎo)意見。6，我們組成的團隊成員有著一定的

18、單片機基礎(chǔ)（自學(xué)）和相關(guān)硬件方面的制作經(jīng)驗，我們是一支團結(jié)協(xié)作共同進取的團隊。五、預(yù)期研究成果1,制作出可以實現(xiàn)行走，轉(zhuǎn)彎識別障礙等基本動作的智能小車。一部分由單片機進行軟件編程實現(xiàn)，另一部分由硬件實現(xiàn)。2，在崎嶇的路面上的平衡得以實現(xiàn)。具體形成的實物將會在終審現(xiàn)場進行展示表演。3，具有視頻遠(yuǎn)距離傳輸，最終在電腦上顯示所拍攝到的圖像（把信息傳回來）。六、考核目標(biāo)基本目標(biāo)：1，機器車成品的相關(guān)展示。2， 現(xiàn)場進行一般性的動作的表演，如行走，轉(zhuǎn)彎，識別障礙等。3，視頻傳輸?shù)膶崿F(xiàn)。拓展目標(biāo)：1，小車循跡的功能。2，調(diào)速電路（步伐調(diào)整）3，看門狗電路,4，時間里程顯示5，調(diào)速電路6，檢測七、主要參考文獻(xiàn)或資料1，【日】船艙一郎 土屋 堯 掘桂太郎 機