電動(dòng)智能小車論文

青島理工大學(xué)琴島學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）PAGEPAGEII摘要隨著我國(guó)高科技水平的不斷提高和工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，智能車被廣泛應(yīng)用于各種玩具和其他產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，極大地豐富了人們的生活。本文基于ATmega16單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種智能循跡避障小車，由電源模塊、紅外傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、調(diào)試模塊和MCU模塊組成。利用紅外對(duì)管和超聲波檢測(cè)黑線與障礙物，當(dāng)左邊的紅外對(duì)管檢測(cè)到黑線時(shí)，小車往左邊偏轉(zhuǎn)，右邊的紅外對(duì)管檢測(cè)到黑線時(shí)，小車往右邊偏轉(zhuǎn)。以ATmega16單片機(jī)為控制芯片控制電動(dòng)小車的速度及轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡避障的功能。其中小車驅(qū)動(dòng)由L298N驅(qū)動(dòng)電路完成，速度由單片機(jī)控制。關(guān)鍵詞：智能小車；單片機(jī)；自動(dòng)循跡；避障AbstractWiththeincreasinglevelsofhigh-techandindustrialautomationprocessprogresses,theintelligentvehicleiswidelyusedtoallkindsoftoysandanotherproduction’sdevise.Itisgreatlyenrichedthelifeofthepeople.BasedonATmega16microcontroller,thispaperisaboutadesignofintelligenttracking-avoidancecar,whichisconsistofthepowersupplymodule,infraredsensormodule,themotordrivemodule,debugmoduleandtheMCUmodules.Usinginfraredandultrasonictestingonthetubeblacklineandtheobstacle,whenleftonthetubedetectsinfraredblackline,thecardeflectedtotheleft,therightofinfraredtubeblacklineisdetected,thecartotherightdeflection.ATmega16microcontrollerforthecontrolchiptocontrolthespeedandsteeringelectriccar,enablingautomatictrackingavoidancefunction.WhichcarisdrivenbyL298Ndrivercircuitcompleted,thespeedcontrolledbytheMCU.Keywords：IntelligentVehicle;MCU;automatictracking;obstacleavoidancePAGE23-目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 IAbstract II1緒論 11.1引言 11.2課題研究目的及意義 11.3本文的主要工作 22小車的總體方案設(shè)計(jì) 32.1設(shè)計(jì)思路 32.2小車循跡避障傳感器簡(jiǎn)介 53小車的硬件電路設(shè)計(jì) 83.1單片機(jī)的選型 83.2微處理器模塊電路 104小車的軟件設(shè)計(jì) 144.1主程序設(shè)計(jì)及流程圖 144.2循跡子程序設(shè)計(jì)及流程圖 165制作安裝及調(diào)試 175.1硬件的測(cè)試 175.2系統(tǒng)的軟件調(diào)試 17結(jié)論 18致謝 19參考文獻(xiàn) 20附錄 211緒論1.1引言智能，在科技高速發(fā)展的今天，已成為一個(gè)引領(lǐng)時(shí)尚前沿的代名詞，智能手機(jī)，智能機(jī)器人等等已經(jīng)在工業(yè)，軍事中得到廣泛的作用，在不為人們所熟知的領(lǐng)域，如深海探測(cè)，航空航天，地質(zhì)勘探，智能也發(fā)揮著舉足輕重的作用[1]。智能車是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策和多等級(jí)輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)集中運(yùn)用了自動(dòng)化控制、傳感技術(shù)、導(dǎo)航、電子、電氣、PC機(jī)、機(jī)械、人工智能等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)[2]，是典型的高新技術(shù)綜合體。以后智能機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)愈發(fā)廣泛，如在航天航空技術(shù)、海洋能源開(kāi)發(fā)技術(shù)、微電子技術(shù)、制造與維修技術(shù)、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域會(huì)有很大的突破和進(jìn)展。能自動(dòng)識(shí)別道路并完成相關(guān)任務(wù)是對(duì)一類專業(yè)機(jī)器人的基本要求，本文主要研究的是以AtmelMega16芯片為核心控制核心的智能車。由電源模塊、紅外傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、調(diào)試模塊和MCU模塊組成，主要通過(guò)紅外對(duì)管及超聲波收集的信息實(shí)現(xiàn)智能循跡與避障。1.2課題研究目的及意義自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生[3]以來(lái)，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國(guó)防等領(lǐng)域。近年來(lái)機(jī)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?cè)诓粩嗵接憽⒏脑?、認(rèn)識(shí)自然的過(guò)程中，制造能替代人工作的機(jī)器一直是人類的夢(mèng)想。其中智能小車可以作為機(jī)器人的典型代表。其需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能就必須要感知障礙物，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，使用傳感器感知路線并做出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作。智能小車設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)涉及控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科。它可以分為三大部分：傳感器檢測(cè)部分，執(zhí)行部分，CPU.現(xiàn)代智能小車發(fā)展很快，從智能玩具到各行業(yè)都有實(shí)質(zhì)成果，其基本可實(shí)現(xiàn)循跡、避障功能等基本功能。日本目前投入市場(chǎng)的不再是高性能的工業(yè)機(jī)器人，微型機(jī)器人汽車也正在逐步的進(jìn)入市場(chǎng)。日前由日本科研人員研發(fā)的兩款微型機(jī)器人汽車與大眾見(jiàn)面，汽車內(nèi)安裝有最尖端的視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)內(nèi)部的攝像頭與傳感器能夠使小車自動(dòng)識(shí)別障礙物，從而避免碰撞，并判斷小車與障礙物之間的距離。目前研究人員已經(jīng)將小車的這種自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用到汽車工業(yè)領(lǐng)域去，這將為陷入低靡的汽車行業(yè)注入新的活力[4]。隨著計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、微電子技術(shù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、微納米技術(shù)仿生學(xué)、材料等相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展，避障循跡小車可以通過(guò)自動(dòng)感知引導(dǎo)線以及躲避障礙物在工作中取代人力運(yùn)輸，節(jié)省人力以及成本。智能車輛是一個(gè)運(yùn)用計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、規(guī)劃決策和自動(dòng)行駛為一體的高新技術(shù)綜合體。此類機(jī)器人以后對(duì)我們的研究和生活定會(huì)發(fā)揮至關(guān)重要的作用，在以后對(duì)車輛的自動(dòng)駕駛，飛船的自動(dòng)航行模式及深海自動(dòng)探測(cè)有很大的研究?jī)r(jià)值。1.3本文的主要工作本文研究的是小車的避障及循跡，主要包括以下2個(gè)部分：(1)以Mega16單片機(jī)為中央處理器，對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)，使其功能更加完善。系統(tǒng)硬件電路主要分為CPU、電源模塊、循跡模塊、避障模塊、顯示模塊、外圍輔助模塊六部分。(2)系統(tǒng)的軟件編制。按照軟件實(shí)現(xiàn)的功能，主要分為主程序、初始化子程序、信息采集子程序、信息分析及處理子程序、運(yùn)動(dòng)控制子程序、工作狀態(tài)顯示子程序。在程序的編寫過(guò)程中，加入了詳細(xì)的文字注釋，便于后期的改進(jìn)與維護(hù)。2小車的總體方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)思路本系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單明了的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成的傳感器循跡模塊判斷黑線路經(jīng)，然后由Mega16通過(guò)IO口控制L298N驅(qū)動(dòng)模塊改變兩個(gè)直流電機(jī)的工作狀態(tài)，最后實(shí)現(xiàn)小車循跡。2.1.1小車循跡避障的結(jié)構(gòu)本文所述小車采用RP5大功率坦克車體，它采用帶電感的大扭力280馬達(dá)，組合斜齒+金屬齒，形成大扭力、低噪音底盤系統(tǒng)，具有動(dòng)力性能強(qiáng)、底盤穩(wěn)定性高、可原地轉(zhuǎn)圈、轉(zhuǎn)彎靈活等特點(diǎn)。負(fù)載能力至少3KG以上。可以越障礙物，適合比較高要求的場(chǎng)合。因此可模擬家庭及工業(yè)等場(chǎng)合的一些環(huán)境。小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示，系統(tǒng)以Mega16單片機(jī)為核心，配合外圍電路共同完成信號(hào)采集、路線檢測(cè)、障礙檢測(cè)、按鍵輸入、信號(hào)顯示和小車姿態(tài)控制等功能。循跡采用單片機(jī)查詢脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器返回的信號(hào)以獲取道路信息，避障則有中斷和查詢協(xié)同完成，并用發(fā)光二極管顯示障礙信息及小車運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)采用高性能的單片機(jī)，要求工作穩(wěn)定、處理速度快、通用性強(qiáng)，保證小車循跡避障的穩(wěn)定性及可靠性，而且成本低。圖2-1循跡避障小車結(jié)構(gòu)框圖處理器部分設(shè)計(jì)思路微處理器是小車的核心部分，主要完成對(duì)外圍各個(gè)模塊的管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍模塊的信號(hào)發(fā)送，以及對(duì)傳感器模塊的信號(hào)采集，并根據(jù)軟件算法對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行處理，發(fā)送信號(hào)給執(zhí)行模塊進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行，還對(duì)各種突發(fā)事件進(jìn)行監(jiān)控和處理，保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)作。這里采用AtmelMega16單片機(jī)，該單片機(jī)是高性能、低電壓的8位AVR單片機(jī)，內(nèi)含16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash和512字節(jié)的EEPROM，另外有兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，32個(gè)可編程的I/O口[5]。小車循跡避障部分設(shè)計(jì)思路小車循跡避障部分是能夠采集周圍環(huán)境障礙物的信息，并返回至單片機(jī)進(jìn)行處理，其組成部分包括：環(huán)境信息采集電路、放大電路、單片機(jī)控制電路。路線采集電路一般有脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器和信號(hào)放大器組成，脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器根據(jù)不同顏色對(duì)光的反射程度不同，將路線信息送至放大器，放大器可作為比較器可作簡(jiǎn)單的濾波，放大器將從脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器返回的信號(hào)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可識(shí)別的電平信號(hào)后送入單片機(jī)。Mega16單片機(jī)可根據(jù)接收的信息判斷路線的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)左右兩側(cè)直流電機(jī)工作狀態(tài)的控制，以實(shí)現(xiàn)左右轉(zhuǎn)向，最終實(shí)現(xiàn)循跡功能。避障部分則有超聲波模塊和兩路脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器。超聲波可實(shí)現(xiàn)測(cè)距，利用超聲波返回的信號(hào)變化使單片機(jī)產(chǎn)生中斷，實(shí)現(xiàn)障礙的判斷，當(dāng)距離大與某個(gè)值時(shí)可繼續(xù)前進(jìn)，當(dāng)距離小雨某個(gè)值時(shí)則單片機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)避障。2.1.2小車循跡避障電源部分設(shè)計(jì)思路LM2940是輸出電壓固定的低壓差三端穩(wěn)壓器，使用6節(jié)干電池供電，通過(guò)LM2940穩(wěn)壓芯片將干電池提供的9V電穩(wěn)壓至5V為Mega16單片機(jī)及其它電路供電。LM2940最大輸入電壓為26V，輸出電壓為5V，最大輸出電流為1A，且輸出電流為1A時(shí)，最小輸入輸出電壓差小于0.8V。工作溫度-40～+125℃，內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過(guò)流保護(hù)、電池反接和反插入保護(hù)電路。LM2940工作穩(wěn)定，比7805故該小車系統(tǒng)選用LM2940穩(wěn)壓芯片提供穩(wěn)定的5V電源。小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)思路小車車體為RP5-CH02玩具坦克車底盤，為差動(dòng)式履帶車,由于其為大功率，采用帶電感的大扭力260型馬達(dá)，形成大扭力、低噪音底盤系統(tǒng)，具有動(dòng)力性能強(qiáng)，因此也需要大電流大功率驅(qū)動(dòng)模塊。左右兩側(cè)的電機(jī)分別由電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N來(lái)驅(qū)動(dòng)。L298N是一種內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)，可分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)。L298N的信號(hào)輸入端和使能端接收到來(lái)自單片機(jī)的信號(hào)，控制電機(jī)的通斷以及正、反轉(zhuǎn)，還可以通過(guò)向使能端輸入不同占空比的方波信號(hào)來(lái)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速(PWM方式)。2.2小車循跡避障傳感器簡(jiǎn)介可實(shí)現(xiàn)循跡避障功能的傳感器多種多樣，如循跡可以選用發(fā)光二極管+光敏電阻、脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器、CCD傳感器等；避障則可選有紅外對(duì)管、超聲波模塊、光電開(kāi)關(guān)等。2.2.1小車循跡避障傳感器的選定小車的循跡主要是循黑線前進(jìn)，可采取的方案如下：方案1：采用發(fā)光二極管加光敏電阻，該方案缺點(diǎn)：易受到外界光源的干擾，有時(shí)甚至檢測(cè)不到黑線，主要是因?yàn)榭梢?jiàn)光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情況均對(duì)檢測(cè)效果產(chǎn)生直接影響?？朔巳秉c(diǎn)的方法：采用超高亮度的發(fā)光二極管能降低一定的干擾，但這又會(huì)增加檢測(cè)系統(tǒng)的功耗。方案2：脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器。由于采用帶有交流分量的調(diào)制信號(hào)，則可大幅度減少外界的干擾；此外紅外發(fā)射接收管的工作電流取決于平均電流，如果采用占空比小的調(diào)制信號(hào)，在平均電流不變的情況下，瞬時(shí)電流很大（50～100mA）（ST-188允許的最大輸入電流為50mA），則大大提高了信噪比。此種測(cè)試方案反應(yīng)速度大約在5us。脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器工作穩(wěn)定，價(jià)格便宜，又可減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。因此，我選用方案二。避障則可選用超聲波模塊和脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器協(xié)同工作。由于超聲波反射聲波對(duì)所測(cè)物體的斜度有一定要求，而紅外對(duì)管對(duì)光線有限制，因此，兩者協(xié)同作用，同時(shí)，兩側(cè)的紅外對(duì)管還可實(shí)現(xiàn)對(duì)左右兩側(cè)障礙物的檢測(cè)，使得小車對(duì)障礙物的檢測(cè)更加準(zhǔn)確。2.2.2循跡模塊有三路紅外探測(cè)模塊，均使用紅外線發(fā)射和接收管等分立元器件組成探頭，又由于所采用的紅外反射式傳感器屬于接近式傳感器,其光電二極管光生電流隨所受到的反射光的強(qiáng)度而連續(xù)變化，因而會(huì)引起其兩端電壓的連續(xù)變化。因此,若直接把這個(gè)電平信號(hào)供給單片機(jī)，容易產(chǎn)生誤讀情況,因此使用LM339或LM358比較器（加入遲滯電路），防止臨界輸出抖動(dòng)作為核心器件構(gòu)成中控電路。三路探頭協(xié)同工作，根據(jù)三路探頭返回值的不同確定路線的方向，通過(guò)單片機(jī)改變兩個(gè)直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，來(lái)調(diào)整小車的姿態(tài)，以完成隨導(dǎo)引線完成循跡的任務(wù)。小車循跡避障傳感器的特性及主要技術(shù)參數(shù)紅外反射式傳感器由1個(gè)紅外發(fā)射管(發(fā)射器)和1個(gè)光電二極管(接收器)構(gòu)成。紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光在遇到反光性較強(qiáng)的物體(表面為白色或近白色)后被折回，被光電二極管接收到，引起光電二極管光生電流的增大。將這個(gè)變化經(jīng)LM339或LM358比較器處理即可變?yōu)殡妷盒盘?hào)，就可以被處理器接受并處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)反光性差別較大的兩種顏色(如黑白兩色)的識(shí)別。其安全工作電壓范圍在3伏特至6伏特之間。US-020超聲波測(cè)距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可高達(dá)3mm表2.1超聲波電氣參數(shù)電氣參數(shù)US-020超聲波模塊工作電壓DC5V工作電流15mA工作頻率40Hz最遠(yuǎn)射程4m最近射程2cm測(cè)量角度15度輸入觸發(fā)信號(hào)10uS的TTL脈沖輸出回響信號(hào)輸出TTL電平信號(hào)，與射程成比例規(guī)格尺寸45*20*15mm小車循跡避障設(shè)計(jì)方案本論文中的小車以Mega16單片機(jī)為控制核心，采用脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器采集道路信息，采用超聲波和紅外反射式傳感器采集前方以及左右放障礙的情況。首先，脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器對(duì)道路信息，即對(duì)黑線信息進(jìn)行采集，并經(jīng)過(guò)LM339比較器轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電平信號(hào)送至Mega16單片機(jī)，然后在Mega16單片機(jī)內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，如中間傳感器下為黑線時(shí)，由于黑色對(duì)光的反射能力最弱，因此傳感器返回給單片機(jī)的信號(hào)為高電平，即1，兩側(cè)均為白色，則返回給單片機(jī)的信號(hào)為低電平，即0，此時(shí)，小車前進(jìn)。其余情況則小車根據(jù)傳感器的信息進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確循黑線行進(jìn)。另外，避障模塊則由中間的超聲波模塊和左右兩側(cè)的紅外傳感器組成，由超聲波模塊對(duì)所測(cè)物體斜度有要求，并且紅外對(duì)斜度無(wú)要求但對(duì)光線有要求，因此，兩者協(xié)同工作，超聲波通過(guò)測(cè)距實(shí)現(xiàn)障礙的判斷，一旦距離小于某個(gè)定值，便是小車轉(zhuǎn)向，同時(shí)考慮左右兩側(cè)紅外傳感器的信息，以確定障礙物的信息，實(shí)現(xiàn)小車的準(zhǔn)確避障。其中超聲波利用Mega16單片機(jī)的中斷2對(duì)小車控制，同時(shí)單片機(jī)查詢左前右前方紅外對(duì)管返回的信號(hào)，確定小車應(yīng)該采取的控制狀態(tài)。3小車的硬件電路設(shè)計(jì)在小車的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)是其核心部件。它一方面要接收來(lái)自傳感器送來(lái)的路線信息和障礙物信號(hào)；另一方面要對(duì)兩種信號(hào)進(jìn)行處理，控制發(fā)光二極管的亮滅，以顯示其信息，同時(shí)控制電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，并且查詢模式選擇開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。單片機(jī)對(duì)信息接收選用查詢的方式，要求單片機(jī)具備較快的運(yùn)算速度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的實(shí)時(shí)接收處理，保證循跡避障的精確、及時(shí)。3.1單片機(jī)的選型如今比較普遍的單片機(jī)有51系列與AVR系列。8051單片機(jī)雖然應(yīng)用普遍、工具多、易上手、片源廣、價(jià)格低，但是速度慢、功耗大，適合民用，商用，不適合工業(yè)用途。AVR單片機(jī)（ATmega16）的時(shí)鐘源（晶振、內(nèi)部RC等）可以不經(jīng)過(guò)分頻直接提供給CPU使用，而51的CPU主頻等于晶振的12分頻，ATmega16外部提供16M的晶掁，即CPU頻率可達(dá)16M，常規(guī)51的時(shí)鐘源為12M，經(jīng)12分頻后CPU頻率僅為1M，所以AVR單片機(jī)的運(yùn)行速度比51單片機(jī)的運(yùn)行速度要快的多，并且AVR單片機(jī)可提供內(nèi)容1M、2M、4M、8M等可變的CUP頻率。為適用于本論文設(shè)計(jì)的循跡避障小車，應(yīng)選擇一種比8051系列速度快、功耗低、抗干擾性好。Atmel推出的AVR系列單片機(jī)具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，速度卻比8051單片機(jī)快8~12倍。而且AVR系列下屬的Mega16系列單片機(jī)是低功耗Flash單片機(jī)，它的高效尋址方式、大容量Flash、EEPROM、A/D轉(zhuǎn)換、硬件乘法器、硬件脈寬調(diào)制器(PWM)等功能特點(diǎn)，較好的實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的功能與超低功耗的結(jié)合。而且在功能同樣的情況下，管腳較少封裝體積小，價(jià)格比其他型號(hào)便宜，因此具有很好的性價(jià)比和應(yīng)用適應(yīng)性。3.1.本系統(tǒng)中所采用的單片機(jī)為AtmelMega16單片機(jī)，Mega16是高性能、低功耗的8位AVR[6]微處理器，16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW），512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O口線，32個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活定時(shí)器、計(jì)數(shù)器（T/C），片內(nèi)、外中斷，可編程串行USART，有其實(shí)條件檢測(cè)器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益（TQFP封裝）的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI串行端口，以及六個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式，工作于空閑模式CPU停止工作，而USART、兩線接口、A/D轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止震蕩，所有功能除了中斷系統(tǒng)和硬件復(fù)位之外都停止工作。ATmega16的I/O端口ATmega16芯片有PORTA、PORTB、PORTC、PORTD（簡(jiǎn)稱PA、PB、PC、和PD）4組8位，共32路通用I/O接口，分別對(duì)應(yīng)芯片上32個(gè)I/O引腳。所以這些I/O接口都是雙（有的為3）功能復(fù)用。這些I/O口同外圍電路有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成各式各樣的單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的前向、后向通道接口，人機(jī)交互接口和數(shù)據(jù)通信接口，可實(shí)現(xiàn)千變?nèi)f化的應(yīng)用。作為數(shù)字I/O使用時(shí)，所有AVRI/O端口都具有真正的讀-修改-寫功能。這意味著用SBI或CBI指令改變某些管腳的方向（或者是端口電平、禁止/使能上拉電阻）時(shí)不會(huì)無(wú)意義地改變其他管腳的方向（或者是端口電平、禁止/使能上拉電阻）。輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)能力，可以輸出或吸收大電流，直接驅(qū)動(dòng)LED。所有的端口引腳具有與電壓無(wú)關(guān)的上拉電阻。每個(gè)端口都有三個(gè)I/O存儲(chǔ)器地址：數(shù)據(jù)寄存器—PORTx、數(shù)據(jù)方向寄存器—DDRx和端口輸入引腳—PINx。數(shù)據(jù)寄存器和數(shù)據(jù)方向寄存器為讀、寫寄存器，而端口輸入引腳為只讀寄存器。但是需要特別注意的是，對(duì)PINx寄存器某一位寫入邏輯“1”將造成數(shù)據(jù)寄存器響應(yīng)位的數(shù)據(jù)發(fā)生“0”與“1”的交替變化。當(dāng)寄存器MCUCR的上拉禁止位PUD置位時(shí)所有端口引腳的上拉電阻都被禁止。每個(gè)端口引腳都具有三個(gè)寄存器位：DDxn、PORTxn和PINxn。DDxn位于DDRx寄存器，PORTxn位于PORTx寄存器，PINxn位于PINx寄存器。引腳配置為輸入時(shí)，若PORTxn為“1”，上拉電阻將使能。如果需要關(guān)閉這個(gè)上拉電阻，可以將PORTxn清零，或者將這個(gè)引腳配置為輸出。復(fù)位時(shí)各引腳為高阻態(tài)，即使此時(shí)并沒(méi)有時(shí)鐘在運(yùn)行。不論如何配置DDxn，都可以通過(guò)讀取PINxn寄存器來(lái)獲得引腳電平。PINxn寄存器的各個(gè)位與其前面的鎖存器組成一個(gè)同步器，這樣就可以避免在內(nèi)部時(shí)鐘狀態(tài)發(fā)生改變的短時(shí)間范圍內(nèi)由于引腳電平變化而造成的信號(hào)不穩(wěn)定，其缺點(diǎn)是引入了延遲。3.2微處理器模塊電路微處理器用AtmelMega16單片機(jī)構(gòu)成的最小系統(tǒng)[7]組成，其包括晶振、一個(gè)復(fù)位電路和一個(gè)小車運(yùn)行模式選擇按鍵。其中晶振大小為16MHz，復(fù)位開(kāi)關(guān)為微動(dòng)開(kāi)關(guān)，模式選擇開(kāi)關(guān)則為帶鎖開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)模式選擇的鎖定，以便主程序查詢。電路圖如圖3-1所示。圖3-1Mega16最小系統(tǒng)3.2.1電源模塊電路電源可以采用4節(jié)1.5V電池直接供電，但是6V的電壓不能同時(shí)給單片機(jī)與電機(jī)供電，并且由于小車電機(jī)功耗大，這種方案中電源容易受電路的影響，因此在此系統(tǒng)中采用LM2940來(lái)供電。LM2940是輸出電壓固定的低壓差三端穩(wěn)壓器；輸出電壓5V，輸出電流1A；輸出電流1A時(shí)，最小輸入輸出電壓差小于0.8V；最大輸入電壓26V；工作溫度-40～+125℃；內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過(guò)熱保護(hù)、電池反接和反插入保護(hù)電路。該模塊采用LM2940作為穩(wěn)壓芯片，其輸入用6節(jié)干電池供電，輸出為+5V，為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的+5V電源，該設(shè)計(jì)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及降低系統(tǒng)對(duì)工作環(huán)境的要求。電路中加入帶鎖按鍵可以在停止工作時(shí)切斷電源，以節(jié)省電源，并且在輸入輸出端分別加入了LED指示燈，指示電源的工作狀態(tài)。其電路圖如圖3-圖3-2電源模塊3.2.2脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器返回的信號(hào)較弱，且直接輸入給單片機(jī)的話容易產(chǎn)生誤判，而對(duì)信息處理出現(xiàn)錯(cuò)誤的分析，以致出現(xiàn)循跡的錯(cuò)誤，因此，需要經(jīng)過(guò)前置電路對(duì)其進(jìn)行放大、濾波、電平調(diào)整[8]，滿足單片機(jī)輸入信號(hào)的要求。本系統(tǒng)采用的LM339比較器實(shí)現(xiàn)濾波及電平調(diào)整。常見(jiàn)的運(yùn)算放大器中，LM339價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)比較突出，因此本設(shè)計(jì)中的信號(hào)處理、電平調(diào)整用LM339作為電路的比較器。LM339是四電壓比較器集成電路。其工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作。LM393/339是高增益，寬頻帶器件，像大多數(shù)比較器一樣，如果輸出端到輸入端有寄生電容而產(chǎn)生耦合，則很容易產(chǎn)生振蕩.這種現(xiàn)象僅僅出現(xiàn)在當(dāng)比較器改變狀態(tài)時(shí)，輸出電壓過(guò)渡的間隙.電源加旁路濾波并不能解決這個(gè)問(wèn)題，標(biāo)準(zhǔn)PC板的設(shè)計(jì)對(duì)減小輸入—輸出寄生電容耦合是有助的。除非利用滯后，否則直接插入IC并在引腳上加上電阻將引起輸入—輸出在很短的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)振蕩，如果輸入信號(hào)是脈沖波形，并且上升和下降時(shí)間相當(dāng)快，則滯回將不需要。比較器的所有沒(méi)有用的引腳必須接地。3.2.3避障模塊有兩部分組成，包括探測(cè)左前右前的紅外對(duì)管如圖3-3和超聲波如圖3-4。圖3-3左前右前避障模塊圖3-4超聲波模塊其中如圖3-3所示，左前右前避障傳感器為脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器，但其較容易受光線影響，而圖3-4所示的超聲波模塊測(cè)距對(duì)所探測(cè)物體斜度有要求，兩者結(jié)合既可不受被測(cè)物體斜度的影響，而且可以對(duì)高度不同的障礙物進(jìn)行探測(cè)，增加了探測(cè)的準(zhǔn)確性和全面性，增加了避障的準(zhǔn)確度。本文設(shè)計(jì)的小車采用直流電機(jī)提供動(dòng)力，并且電機(jī)均接有具有保護(hù)作用的大電感。小車采用直流電機(jī)提供動(dòng)力，L1、L2兩個(gè)大電感對(duì)電機(jī)其保護(hù)作用。由有L298驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)，L298N是一種內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器[8],接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)，可分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，本設(shè)計(jì)即用了這樣的連接方式驅(qū)動(dòng)左右兩個(gè)電機(jī)，E1、E2接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)；In1~In4接單片機(jī)的輸出端，用于控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向。表3.1為L(zhǎng)298N的E1功能邏輯。L298N中E2、In3、In4的邏輯與表3.1相同。表3.1L298N的E1功能邏輯E1In1In狀態(tài)0——停止101正轉(zhuǎn)110反轉(zhuǎn)111剎車100停止如圖3-5所示，本系統(tǒng)使用發(fā)光二極管來(lái)顯示障礙物的情況和小車的運(yùn)行狀態(tài)，以方便小車的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，并且加上限流電阻，以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)光二極管的保護(hù)，提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性能。發(fā)光二級(jí)光均為共陽(yáng)極，當(dāng)單片機(jī)給低電平時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。根據(jù)傳感器返回的信息，單片機(jī)控制發(fā)光二極管的亮滅。當(dāng)左側(cè)傳感器測(cè)到有障礙時(shí)，則標(biāo)有“左前障礙”的發(fā)光二級(jí)光被點(diǎn)亮，當(dāng)小車右轉(zhuǎn)時(shí)，則標(biāo)有“右轉(zhuǎn)”的小燈會(huì)被點(diǎn)亮。圖3-5顯示模塊4小車的軟件設(shè)計(jì)本論文中，軟件解決的是單片機(jī)對(duì)信息的接收及處理的問(wèn)題，即實(shí)現(xiàn)收集信息、對(duì)小車運(yùn)行狀態(tài)控制和對(duì)信息的顯示。本系統(tǒng)應(yīng)用ICCAVR進(jìn)行編程，采用C語(yǔ)言編程[9]，使用Progisp對(duì)單片機(jī)進(jìn)行程序的下載。4.1主程序設(shè)計(jì)及流程圖主程序流程圖如圖4-1所示。首先單片機(jī)初始化，包括對(duì)定時(shí)器及端口的初始化，然后檢測(cè)模式選擇按鍵的狀態(tài)。若為循跡模式，則進(jìn)入循跡子程序，查詢循跡傳感器的狀態(tài)，進(jìn)行循跡處理；若為避障模式，則進(jìn)入子程序，對(duì)壁障傳感器進(jìn)行查詢處理。并且每次都需要檢測(cè)按鍵狀態(tài)，保證小車的運(yùn)行模式不出現(xiàn)錯(cuò)誤。小車根據(jù)按鍵狀態(tài)識(shí)別運(yùn)行模式，當(dāng)按鍵閉合時(shí)進(jìn)入避障模式子程序，當(dāng)按鍵斷開(kāi)時(shí)，小車為循跡模式，執(zhí)行循跡子程序。圖4-1主程序流程圖4.1.1避障子程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)有無(wú)障礙的判斷，從而對(duì)小車給與正確的運(yùn)行指令，實(shí)現(xiàn)避障。避障傳感器有左前、右前、正前三個(gè)傳感器，對(duì)障礙進(jìn)行探測(cè)，對(duì)障礙的探測(cè)更準(zhǔn)確全面，如當(dāng)正前方有障礙，而左前方無(wú)障礙時(shí)，則可是小車左轉(zhuǎn)，避開(kāi)障礙。先判斷正前方傳感器狀態(tài)，再對(duì)左前右前的狀態(tài)進(jìn)行判斷，根據(jù)三個(gè)傳感器的狀態(tài)便可實(shí)現(xiàn)對(duì)小車狀態(tài)的控制。如若三個(gè)方向都有障礙時(shí)，則小車先實(shí)施后退再進(jìn)行做左轉(zhuǎn)，防止其撞上障礙物。其程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2避障子程序流程圖4.2循跡子程序設(shè)計(jì)及流程圖循跡主要依靠車體前方三個(gè)并排固定的脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器采集黑線信息，返回至單片機(jī)進(jìn)行分析處理，對(duì)小車的運(yùn)行加以控制，使小車始終循著黑線前進(jìn)。其三個(gè)傳感器分別為左、中、右，當(dāng)小車狀態(tài)不為白黑白時(shí)，則小車狀態(tài)實(shí)施轉(zhuǎn)向調(diào)整，直至轉(zhuǎn)至白黑白狀態(tài)，若為黑黑黑狀態(tài)則可檢測(cè)為十字路口，則直接前行通過(guò)，最后為白白白時(shí)，則小車停止。三個(gè)傳感器協(xié)調(diào)工作，則可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確循跡。其程序流程圖如圖4-3所示。圖4-3循跡子程序流程圖5制作安裝及調(diào)試5.1硬件的測(cè)試按照之前設(shè)計(jì)好的智能循跡小車原理圖，詳細(xì)計(jì)算系統(tǒng)中各個(gè)元件的參數(shù)，選擇相應(yīng)器件，制作實(shí)際電路板。然后選取萬(wàn)用表的200歐姆檔來(lái)測(cè)試電路板。用紅、黑表筆來(lái)測(cè)試電路板上每條走線，如果測(cè)量的電阻值非常小時(shí)，證明走線沒(méi)有斷開(kāi)，當(dāng)其電阻值很大時(shí)，證明該條走線斷了，應(yīng)該重新制作走線，使電路板在電氣上得到正確地連接。5.2系統(tǒng)的軟件調(diào)試在軟件調(diào)試中，使用功能強(qiáng)大且的WAVE6000軟件進(jìn)行軟件編譯與調(diào)試,使用MicrocontrollerISPSoftware及其配套的單片機(jī)對(duì)程序進(jìn)行燒錄。軟件調(diào)試的流程是這樣的：先分別對(duì)主要的功能程序模塊進(jìn)行模擬仿真調(diào)試；然后再將各程序模塊組織起來(lái)進(jìn)行統(tǒng)調(diào)。5.2.1(1)在測(cè)試中遇到小車遇到黑線電機(jī)不動(dòng).解決：首先使用試測(cè)儀對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試,觀察是否存在漏焊、虛焊、或電子元件損壞。(2)輸入程序后，小車循跡不靈敏，還有就是當(dāng)拐彎度數(shù)過(guò)大，小車速度過(guò)快的時(shí)候，小車偶爾偏離軌道。