智能小車控制系統(tǒng)電路設計與開發(fā)

1、智能小車控制系統(tǒng)電路設計與開發(fā)目錄畢業(yè)設計（論文）錯誤!未定義書簽。TOC o 1-5 h z摘要3第1章前言4第2章智能小車的概述5 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 2.1研究的目的和意義5 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 2.2智能小車的現(xiàn)狀6第3章智能循跡小車總體設計方案7 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 3.1系統(tǒng)方案設計7 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 3.2主要元件的選擇7主控器73

2、.2.2供電單元83.2.3驅動電機選擇83.2.5傳感器10第4章硬件電路11 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 主控設置（AT89C51）11 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 4.2復位電路13 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 4.3時鐘電路13 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 4.4循跡模塊14 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 4.5

3、避障模塊15 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 4.6電源模塊15 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 4.7系統(tǒng)整體電路16第5章系統(tǒng)軟件部分設計17 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 軟件調試平臺17 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 軟件程序流程設計17 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 系統(tǒng)仿真實現(xiàn)18五結論錯誤!未定義書簽。致謝錯誤!未定義

4、書簽。參考文獻錯誤!未定義書簽。摘要隨著我國社學技術的發(fā)展，智能化越來越作為現(xiàn)代社會的新產物開始越來越普及，各種高科技也廣泛應用于智能小車和機器人玩具制造領域，是智能機器人越來越多樣化。智能小車是一個多種高薪科技的集成體，它融入了機器、電子、傳感器、計算機硬件、軟件、人工智能等許多學科的知識，可以設計到當今許多前沿領域的技術。整個小車平臺主要以514單片機為控制核心，通過無線遙控實現(xiàn)前進后退和轉向行駛，通過紅外線傳感器，實現(xiàn)小車的自適應巡航、避障等功能。設計采用對比選擇，模塊獨立，綜合處理的研究方法。通過翻閱大量的相關文獻資料，分析整理出相關信息，在此基礎上列出不同的解決方案，結合實際情況對比

5、方案優(yōu)劣選出最優(yōu)方案進行設計。從電機車體，最小系統(tǒng)到無線控制，紅外線對管的自動尋跡再到紅外線自動避障和語音控制，完成各模塊設計。通過調試檢測各模塊，得到正確的信號輸出，實現(xiàn)調試檢測各模塊，得到正確的信號輸出，實現(xiàn)其應有的功能。最后將各個模塊有效整合在一起，達到所預期的目標，完成最終設計與制作，能使小車在一定的環(huán)境中智能化運轉。關鍵詞：智能化；高薪科技；無線控制第1章前言進入二十一世紀，隨著計算機技術和科學技術的不斷進步，機器人技術較以往已經有了突飛猛進的提高，智能循跡小車即有視覺的觸覺的小車就是其中的典型代表。第2章智能小車的概述智能小車作為現(xiàn)代的新發(fā)明，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預先設定的

6、模式在一個環(huán)境里自動的運作，不需要人為的管理，可應用于科學勘探等等的用途。智能小車能夠實時顯示時間、速度、里程，具有自動尋跡、尋光、避障功能，可程控行駛速度、準確定位停車，遠程傳輸圖像等功能。智能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。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，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:驅動機器人做出各種行為，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整自己的狀態(tài)。對機器人小車來說，最基本的就是輪子。這部分就好比人的四肢一樣。傳感

7、器部分:機器人用來讀取各種外部信號的傳感器，以及控制機器人行動的各種開關。好比人的眼睛、耳朵等感覺器官。研究的目的和意義隨著電子技術、計算機技術和制造技術的飛速發(fā)展，數(shù)碼相機、DVD、洗衣機、汽車等消費類產品越來越呈現(xiàn)機電一體化、智能化、小型化趨勢。各類智能化小車在市場玩具中也占一個很大的比重。根據(jù)美國玩具協(xié)會的調查統(tǒng)計，近幾年來全球玩具銷售增幅與全球平均GDP增幅大致相當。而全球玩具市場的內在結構比重卻發(fā)生了重大改變：傳統(tǒng)玩具的市場比重正在逐步縮水，高科技含量的電子玩具則蒸蒸日上。美國玩具市場的高科技電子玩具的年銷售額2004年較2003年增加52%,而全統(tǒng)玩具的年銷售額僅增長3%。英國玩具

8、零售商協(xié)會選出的2001圣誕節(jié)最受歡迎的十大玩具中，有7款玩具配有電子元件。從這些數(shù)字可以看出，高科技含量的電子互動式玩具已經成為玩家行業(yè)發(fā)展的主流。如今只是工程、計算機科學、機電一體化和工業(yè)一體化等許多領域在討論智能系統(tǒng)，人們要求系統(tǒng)變得越來越智能化。顯然傳統(tǒng)的控制觀念是無法滿足人們的需求，而智能控制與這些傳統(tǒng)的控制有機的結合起來取長補短，提供整體的優(yōu)勢更好的滿足人們的需求。隨著人工智能技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發(fā)展，智能控制必將迎來它的發(fā)展新時代。計算機控制與電子技術融合為電子設備智能化開辟了廣闊前景。因此遙控加智能的技術研究、應用都是非常有意義而且有很高的市場價值的。人類的研究

9、活動已經擺脫了地球生活圈的束縛而廣泛地進入外層空間和海洋深處。對月球和太陽系其他行星的探測，對太陽系以外的宇宙進行考察。對數(shù)千米以下的海底的研究，都是目前單靠人力所不能及的。自動控制系統(tǒng)設計正在代替人們完成這些工作。在戰(zhàn)場上的軍事活動中，在惡劣環(huán)境條件下的生產勞動中，凡不宜由人直接承擔的任務，均可由自動控制系統(tǒng)代替，如智能小車可以適應不同環(huán)境、不同溫、濕度等條件的影響，完成危險地段、人類無法介入等特殊情況下的任務。高科技自動控制系統(tǒng)及裝置已日益成為現(xiàn)代社會活動中離不開的自動智能設備。2.2智能小車的現(xiàn)狀隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關于汽車的研究也越來越受人關注，全國電子科技大賽和省內電子科技大賽幾

10、乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究?？梢娖溲芯恳饬x重大。本設計就是在這樣的背景下提出的。本設計采用了比較先進的C51為控制核心，C51采用CHOMS工藝，功耗很低。該設計具有實際意義，可以應用于考古、機器人、醫(yī)療機械等許多方面。尤其是在足球機器人研究方面具有很好的發(fā)展前景；在考古方面也應用到了超聲波傳感器進行檢測。所以本設計與實際想結合，顯示意義很強。第3章智能循跡小車總體設計方案系統(tǒng)方案設計為此以AT89C51為主控芯片，主要包括避障模塊、電源模塊、聲控模塊、電機驅動模塊等，系統(tǒng)框圖如圖2.0所示。通過尋跡及避障傳感器來采集周圍環(huán)境信息來反饋給CPU，通過主控的

11、處理，來控制電機的運轉，從而實現(xiàn)循跡與避障，達到智能行駛。且本設計添加了聲控效果，通過聲音傳感器來對小車發(fā)出指令，讓其行駛與停止。為了能夠更好的完成本次設計任務，我們采用三輪車，其前輪驅動，前輪左右兩邊各用一個電機驅動，調制前面兩個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，并通過軟件程序控制，與硬件架構相結合，從而實現(xiàn)自動循跡、避障的功能。系統(tǒng)總體圖如圖3.1所示圖3.1系統(tǒng)總體圖3.2主要元件的選擇主控器按照題目要求，控制器主要用于控制電機，通過相關傳感器對路面的軌跡信息進行處理，并將處理信號傳感給控制器，然后控制器做出相應的處理，實現(xiàn)電機的前進和后退，保證在允許范圍

12、內實踐循跡避障。方案一：可以采用ARM為系統(tǒng)的控制器，優(yōu)點是該系統(tǒng)功能性強大，片上外設集成度密度高，提高了穩(wěn)定性，系統(tǒng)的處理速度也提高，適合作為大規(guī)模實現(xiàn)系統(tǒng)的控制核心。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，若采用該方案，必將在控制上遇到許許多多不必可增加的難題。方案二:使用51單片機作為整個智能車系統(tǒng)的核心。用其控制智能小車，既可以實現(xiàn)預期的性能指標，又能很好的操作改善小車的運行環(huán)境，且簡單易上手。對于我們的控制系統(tǒng)，核心主要在于如何實現(xiàn)小車的自動控制，對于這點，單片機就擁有很強的優(yōu)勢一控制簡單、方便、快捷、單片機足以應對我們設計需求。51單片機算術運算功能強，軟

13、件編程靈活、自由度大，功耗低、體積小、技術成熟，且價格低廉。綜合考慮，本設計選擇選用AT89C51單片機做控制器。供電單元方案一:采用單電源供電，通過單電源同時對單片機和直流電機進行供電，此方案的優(yōu)點是，減少機身的重量，操作簡單，其缺點是，這樣會使單片機的波動變大，影響單片機的性能，穩(wěn)定性比較弱。方案二;采用雙電源供電，通過兩個獨立的電源分別對單片機和直流電機進行供電，此方案的優(yōu)點是，減少波動，穩(wěn)定性比較好，可以讓小車更好的運作起。驅動電機選擇方案一:采用直流電機，優(yōu)點在于硬件電路設計簡單。當外加額外直流電壓時，轉速幾乎相等，調速性能較好，且性價比高，對于小車的行駛，能夠很好的控制。方案二:采

14、用步進電機，步進電機可以實現(xiàn)精確的轉角輸出，只要施加合適的脈沖序列，電機可以按照人們的預定的速度或方向連續(xù)的轉動，便于控速，但是軟件程序的編寫較直流電機稍顯復雜。電機性能對比如表3.1所示表3.1對tus主歲電機調速性能好揑制頤程廃簡單低中表2.1電機性能對比總結考慮，本智能車設計決定采用直流電機作為智能車的動力電機3.2.4電機驅動器方案一：如果電機的開啟和關閉控制通過繼電器的來控制，該方案的優(yōu)點是電鋸較簡單，但響應速度很慢，且易損壞，使用壽命短，可靠性不是很高。方案二：采用電阻網絡或數(shù)字電位器調節(jié)電動機的分壓，從而達到分壓的目的。但數(shù)字電阻元件比較昂貴，且電阻網絡實現(xiàn)的調速很有限。更主要的

15、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(xiàn)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2.2）。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，這是一種普通使用的PWM技術，該電路由于在飽和截止模式下工作，效率很高，H橋電路保證速度和方向的簡單控制。H橋電路如圖3.2所示圖3.2H型橋式電路H橋電路的調速特性好，且調速范圍寬，過載能力好，且能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的武技快速啟動、制動和反轉。因此決定采用功率三級管作為功率放大器的

16、輸出控制直流電機。3.2.5傳感器本設計外圍部分采集包括三大部分：循跡部分、聲音部分、避障部分。循跡采用紅外對管ST188,其采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體組成，采用非接觸式檢測方式，且檢測距離可調范圍較大。避障采用集成模塊E18-D50NK,聲音傳感器則采用由電壓比較器LM393及駐極體話筒構成的聲音傳感器模塊。第4章硬件電路4.1主控設置（AT89C51）AT89C51單片機擁有4kbiteROM,且具有低電壓、高性能9位微處理器的工作特征。單片機中的EEPROM存儲器可以循環(huán)擦寫100次。該裝置選用了ATMEL的高密度非易失性存儲器制造技術制造，兼容現(xiàn)代MCS-51工業(yè)標

17、準的指令集和輸出管腳。TMEL公司的89C51是一種高效的為控制器，因其將8位CPU和FLASH存儲器組合在一個芯片中，故其簡單、方便、易使用89C2051單片機是它的一種精簡版。89C單片機制造成本低，且靈活度高，故被廣泛應用于嵌入式控制系統(tǒng)中。89C51實物圖和引腳圖如圖4.1VCCP*.0/(JUMP(Ll/WDci圖4.1AT89C51單片機JPC.3/(XTAL1XTAL2IftSTPO.JCMWOPD.1M1P0.2MI2PO.SKXBP04MMP0.5WH1P0.7AD7P2QW6P2.WP2.2WI01-P2311匚ALEP2咖M卜EAP2.-SA13kP2M14|P2卜PI0

18、02P3OJD-Pl1H2EXF31/TXDP12psr*jno1-PI3P3?#JTt-P1.4P3.4TOrP15P35TT1Plflpa.&MRP1JP3-7W一圖4.3單片機最小系統(tǒng)復位電路在單片機系統(tǒng)中，復位電路是非常關鍵的，當程序跑飛（不正常運行）或者死機（停止運行）時，就需要進行復位。MCS-51系列單片機的復位引腳RST（9管腳）出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平，單片機就執(zhí)行復位操作。如果RST一直保持高電平，那么單片機就無限循環(huán)復位。復位模式基本包括上電自動復位和開關復位。這兩種復位方式如圖4.4，4.5所示，在上電瞬間，電容兩端電壓不能突變，且電容負極和reset相連，此時電壓

19、全部加在電阻上，reset引腳電壓為高電平，芯片復位。隨后，5V電源開始電容充電，電阻上的電壓逐漸降低接近0V，芯片正常工作。圖4.4復位電路圖4.5晶振系統(tǒng)在并聯(lián)電容兩端的復位按鈕，在復位按鈕不壓在電路上電復位芯片，在正常工作時，按下按鈕，RST引腳的高水平，手動復位的效果。復位按鈕并聯(lián)在電容的兩端，當復位按鈕未被按下的時候電路實現(xiàn)上電復位，在單片機正常工作后，通過復位按鈕使RST引腳出現(xiàn)高電平，達到復位的效果。通常，在RST引腳上輸出10ms以上的高電平，就可以使單片機復位。圖中所示的復位電阻和電容只是常用值，實際可以根據(jù)需要采用同一數(shù)量的電阻和電容代替。時鐘電路時鐘電路是用來產出AT89

20、C51單片機工作時所必須的時鐘信號，AT89C51本身就是一個復雜的同步時序電路，為保證工作方式的實現(xiàn)，AT89C51在唯一的時鐘信號的控制下嚴格的按時序執(zhí)行指令進行工作，時鐘的頻率影響單片機的速度和穩(wěn)定性。通常時鐘由于兩種形式：內部時鐘和外部時鐘。我們系統(tǒng)采用內部時鐘方式來為系統(tǒng)提供時鐘信號，如圖2.5所示。AT89C51內部有一個用于構成振蕩器的高增益反向放大器。該放大器的輸入輸出引腳為XTAL1和XTAL2它們跨接在晶體振蕩器和用于微調的電容，便構成了一個自激勵蕩器。電路中的Cl、C2的選擇在30PF左右，但電容太小會影振蕩的頻率、穩(wěn)定性和快速性。晶振頻率在1.2MHZ12MHZ之間，頻

21、率越高單片機的速度就越快，但對存儲器速度要求就高。為了提高穩(wěn)定性我們采用溫度穩(wěn)定性好的NPO電容，采用的晶振頻率為12MHZ.循跡模塊小車循跡，我們通常采用紅外線檢測的方法，紅外線檢測是通過黑色和白色對紅外線的吸收效果不同，當紅外線光射到白色底盤時，會發(fā)生漫反射到智能車的接受管上。而射到黑線則會被吸收不會產生發(fā)射，智能車紅外接收管就接受不到。故整個智能車通過紅外接收管是否接受到紅外線來判斷黑線和白線，從而實現(xiàn)循跡。但需要注意的是，紅外傳感器的檢測距離有限，一般在3CM之間。紅外光電傳感器由1個紅外線發(fā)射管（發(fā)射器）和一個光電二極管（接收器）所組成。本次設計，紅外光電接收器我們采用的是ST188

22、，其實發(fā)射紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管構成，它使用的非接觸式檢測方式，且檢測距離范圍較大，一般為413mm。循跡傳感器紅外光電對管ST188實物及內部結構圖如下圖4.6所示：圖4.6ST188實物及內部結構圖避障模塊本設計避障模塊選用的是集成模塊E18-D50NK，該傳感器是一種紅外傳感器。這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電式傳感器，其檢測距離可以根據(jù)我們的需要進行調節(jié)。此傳感器探測距離遠，抗干擾性能強，且價格低廉，容易使用，已在機器人行業(yè)中得到廣泛應用，是我們避障功能設計的最佳選擇。該傳感器實物圖如圖4.7；圖4.7E18-D50NK傳感器4.6電源模塊本設計需要5V電源為整個系統(tǒng)供電，電源模塊以芯片LM7805為核心設計輸出+5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。該電源模塊是有電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等四個部分組成。電源變壓器將交流220V變成9V左右交流電壓，然后通過整流橋將交流電變?yōu)槊}沖的直流電壓。由于此脈沖直流電壓還包含較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾波，C31C14分別為輸入端和輸出端濾波