基于單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì)

摘要隨著計(jì)算機(jī)、微電子、材料、機(jī)械、通信等技術(shù)的快速開(kāi)展，智能化的小車和機(jī)器人的開(kāi)展速度也越來(lái)越快，作為21世紀(jì)自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)非常偉大的成就它已經(jīng)和人們的生產(chǎn)生活緊密的聯(lián)系在了一起。根據(jù)題目的要求，本設(shè)計(jì)的智能遙控小車主要由兩大局部構(gòu)成：一個(gè)紅外遙控局部，一個(gè)智能小車局部。其中紅外遙控局部采用專用編碼芯片HT6221作為發(fā)射端，一體化紅外接收頭作為接收端；智能小車局部采用微控制器AT89C52單片機(jī)作為其控制核心，用紅外反射式光電傳感器進(jìn)行障礙物和路線的檢測(cè)，用步進(jìn)電機(jī)控制小車的啟停、速度快慢以及轉(zhuǎn)向，用直射式光電檢測(cè)器、施密特觸發(fā)器等元件組成的電路來(lái)檢測(cè)小車車輪轉(zhuǎn)速，用LCD1602液晶顯示屏來(lái)實(shí)時(shí)顯示小車運(yùn)行的速度、時(shí)間和路程。經(jīng)過(guò)硬件和軟件的綜合設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)的智能遙控小車根本上實(shí)現(xiàn)了遙控控制、自動(dòng)躲避障礙、自動(dòng)沿著特定的路線行駛、實(shí)時(shí)顯示速度、路程等功能。關(guān)鍵詞：AT89C52單片機(jī)；紅外遙控；步進(jìn)電機(jī)；LCD1602ABSTRACTAlongwiththedevelopmentofcomputermicroelectronicmaterialsmechanicalandcommunication,thesmartcarsandrobotsarealsomov-ingfaster,asagreatachivementinthefieldofautomationinthe21stcentury,theyhavecloselycontactedwithpeople,slivingandmanufactur-ing.Accordingtothetopic,mydesignationofsm-artcarmainlycontaintwoparts,ainfraredremotecontralportionandasmallcarportion.TheinfraredremotecontralportionisusethespecialcodedchipHT6221asthetransmitterandusetheintegratedinfraredreceivingheaderasthereceiver;weusetheMCU(AT89C52singalchipmachine)asitscontrolcore,theinfraredreflectiveph-otoelectricsensorfordetectionofobstalandroutes,thesteppingmotortocontrolitsstart-stopspeedandsteering,thecircuitsmadeofdirectopticaldetectorsschmitttr-iggerandotherelectroniccomponentstodetectthecar,swheelspeed,1602LCDsc-reentodisplayitsreal-timespeeddistanceandtime.Throughtheintegrateddesignofhardwareandsoftware,thesmallcarhasthefunctionofremotecontral,avoidingobstalautomatically,movingalongspecificrouteautomatically,displayingreal-timespeedanddistace.Keywords:AT89C52MCU;IRremotecontrol;stepmotor;LCD1602目錄TOC\o"1-3"\h\u11379第一章緒論1176611.1課題背景和意義119121.2課題研究現(xiàn)狀和開(kāi)展趨勢(shì)127691研究現(xiàn)狀12135開(kāi)展趨勢(shì)2104881.3課題內(nèi)容和要求211227第二章總體方案設(shè)計(jì)與論證4187642.1遙控控制模塊設(shè)計(jì)與論證4187642.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)與論證5292472.3避障循跡模塊設(shè)計(jì)與論證699382.4數(shù)據(jù)顯示模塊設(shè)計(jì)與論證63172.5轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊設(shè)計(jì)與論證7138912.6電源模塊設(shè)計(jì)與論證71103第三章各模塊硬件電路設(shè)計(jì)9258553.1紅外遙控發(fā)射器模塊927621紅外遙控模塊的工作原理92HT6221編碼芯片簡(jiǎn)介107723紅外遙控發(fā)射器11300533.2單片機(jī)控制模塊1222282單片機(jī)模塊電路1218130復(fù)位電路136467振蕩電路14237453.3紅外接收器及解碼14167073.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊1610360步進(jìn)電機(jī)的工作原理163994ULN2003芯片簡(jiǎn)介1713086步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)18287423.5避障循跡模塊19272393.6轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊21115603.7數(shù)據(jù)顯示模塊22162923.8電源模塊2328005第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2451724.1系統(tǒng)總體程序流程圖2451724.2避障循跡模塊程序設(shè)計(jì)2512414避障程序流程圖251713循跡程序流程圖26110974.3數(shù)據(jù)顯示模塊程序設(shè)計(jì)273658第五章總結(jié)與展望28242325.1總結(jié)28322995.2改良與展望2814655參考文獻(xiàn)296367致謝3028247附錄A各模塊電路圖3123572附錄B程序39第一章緒論1.1課題背景和意義隨著計(jì)算機(jī)、微電子、信息技術(shù)的快速開(kāi)展，智能化技術(shù)的開(kāi)展速度越來(lái)越快，智能化與人們生活的聯(lián)系也越來(lái)越緊密，智能化是未來(lái)社會(huì)開(kāi)展的必然趨勢(shì)。智能小車實(shí)際上就是一個(gè)可以自由移動(dòng)的智能機(jī)器人，比擬適合在人們無(wú)法工作的地方工作，也可取代人們完成一些復(fù)雜、危險(xiǎn)性質(zhì)的工作。作為現(xiàn)代自動(dòng)控制領(lǐng)域內(nèi)十分偉大的一項(xiàng)創(chuàng)造智能小車、機(jī)器人已經(jīng)和人們的生產(chǎn)生活緊密的聯(lián)系在了一起。智能小車，是一個(gè)包含周圍環(huán)境探測(cè)、識(shí)別反響、自動(dòng)控制等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它綜合地運(yùn)用了微控制器、傳感、遙控、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子根底、自動(dòng)控制等多學(xué)科的知識(shí)。智能小車是一個(gè)復(fù)雜而又龐大的系統(tǒng)，其內(nèi)部有許多塊控制芯片作為其控制核心，多種傳感器來(lái)采集外部環(huán)境信息并將接收到的信息傳給主控制器，然后由控制器來(lái)控制其各個(gè)模塊執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。智能小車由于本錢較低，甚至還能夠勝任一些人們都無(wú)法勝任的工作，它已逐步深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及社會(huì)生活的各個(gè)方面。本課題設(shè)計(jì)的智能小車中用到的遙控技術(shù)、顯示技術(shù)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、傳感技術(shù)、自動(dòng)避障技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、宇宙探測(cè)等諸多領(lǐng)域，特別是其在軍事偵察、反恐、防暴、防核化及污染等危險(xiǎn)和惡劣環(huán)境中有著廣闊的應(yīng)用前景，由此可見(jiàn)其有著及其重要的研究意義。1.2課題研究現(xiàn)狀和開(kāi)展趨勢(shì)1.2.1研究現(xiàn)狀智能小車、機(jī)器人的開(kāi)展研究從上世紀(jì)60年代至今已有幾十年的歷史，自從上世紀(jì)60年代末期，第一臺(tái)能夠自主移動(dòng)機(jī)器人問(wèn)世以后，經(jīng)過(guò)幾十年的開(kāi)展智能機(jī)器人已經(jīng)從最初的示教模仿機(jī)器人開(kāi)展到現(xiàn)在的具有感知功能的智能機(jī)器人，在技術(shù)上取得了很大的進(jìn)步許多國(guó)家都對(duì)智能機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究。由于各國(guó)的科研實(shí)力不同，其水平也有上下，其中美國(guó)和日本在該項(xiàng)技術(shù)的研究處于領(lǐng)先地位。法國(guó)提出了讓智能機(jī)器人具有自動(dòng)認(rèn)知功能的一項(xiàng)科技方案，使其能夠在復(fù)雜的環(huán)境中通過(guò)自主感知判斷來(lái)自動(dòng)執(zhí)行各種動(dòng)作。美國(guó)創(chuàng)造的智能機(jī)器人，可以幫助人們送信件、食品等生活用品，還可以牽引吸塵器來(lái)清掃衛(wèi)生。日本目前已經(jīng)研制成功的人形機(jī)器人，其可以模仿人們的各種面部表情而且非常逼真。近年來(lái)創(chuàng)造的的手術(shù)機(jī)器人已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在實(shí)際醫(yī)療手術(shù)中而且穩(wěn)定性好，平安性高。我國(guó)的智能小車、機(jī)器人的研究已經(jīng)有三十多年的歷史，特別是在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用方面已經(jīng)取得了較大的成果，已經(jīng)相繼研制出了復(fù)雜的智能機(jī)器人，危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人、仿人機(jī)器人、復(fù)合結(jié)構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人等。國(guó)內(nèi)的許多高校也都在不停的進(jìn)行著這方面的研究而且也有了層出不窮的成果，例如中科院研制的能夠和人對(duì)話的機(jī)器人、上海交大研制的具有較強(qiáng)越障能力的仿人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人等。與此同時(shí)，我國(guó)也開(kāi)展了智能移動(dòng)機(jī)器人根底理論研究，在某些方面取得了世界領(lǐng)先的成果，正在逐漸縮小與興旺國(guó)家的差距。1.2.2開(kāi)展趨勢(shì)隨著各方面技術(shù)的不斷進(jìn)步與完善，各個(gè)國(guó)家對(duì)于智能小車、機(jī)器人的科研能力都再逐步的加強(qiáng)，未來(lái)的智能機(jī)器人可能會(huì)朝著以下幾個(gè)方面開(kāi)展：使用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料讓機(jī)器人的結(jié)構(gòu)越來(lái)越靈巧動(dòng)作執(zhí)行也更加靈活；應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)來(lái)遠(yuǎn)距離操作控制機(jī)器人群體為人們工作；通過(guò)復(fù)雜生物機(jī)電系統(tǒng)和人機(jī)耦合系統(tǒng)來(lái)研究出具有仿生感知、生物神經(jīng)的仿人機(jī)器人。相信未來(lái)會(huì)有具有更高智能化的、更加生動(dòng)有趣的智能機(jī)器人出現(xiàn)在我們的周圍，而且會(huì)極大的改變和方便人們的生產(chǎn)生活。1.3課題內(nèi)容和要求本設(shè)計(jì)的智能小車用微處理器〔即單片機(jī)〕作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心局部，主要包括單片機(jī)控制模塊、遙控模塊、避障模塊、循跡模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊等模塊。要求能夠?qū)崿F(xiàn)以下幾種功能：〔1〕遙控功能，即通過(guò)遙控器來(lái)控制小車的啟動(dòng)、停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退等動(dòng)作?！?〕自動(dòng)避障功能，即小車在前方遇到障礙時(shí)可以立即做出反響，自動(dòng)左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)躲避障礙?！?〕自動(dòng)循跡功能，即小車可以自動(dòng)沿著規(guī)定的路線行駛。〔4〕能夠?qū)崟r(shí)顯示小車行駛的速度、路程等數(shù)據(jù)。要求通過(guò)此次的實(shí)際動(dòng)手設(shè)計(jì)掌握以下根本技能：〔1〕學(xué)會(huì)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程；〔2〕掌握單片機(jī)原理、遙控原理、顯示原理等；〔3〕能夠熟練進(jìn)行系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)；〔4〕熟練使用相關(guān)的電子設(shè)計(jì)和仿真軟件；〔5〕查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，掌握智能小車的最新研究動(dòng)態(tài)和未來(lái)開(kāi)展趨勢(shì)。第二章總體方案設(shè)計(jì)與論證本設(shè)計(jì)方案采用微處理器〔AT89C52單片機(jī)〕作為整個(gè)系統(tǒng)控制的中心，主要由兩個(gè)局部構(gòu)成，紅外遙控發(fā)射局部和智能小車局部。其中智能小車局部主要由以下子模塊構(gòu)成：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、循跡避障模塊、轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊、紅外接收器和數(shù)據(jù)顯示模塊組成；紅外遙控發(fā)射局部主要由遙控按鍵、編碼芯片、紅外發(fā)射三個(gè)局部構(gòu)成。其總體設(shè)計(jì)框圖包括兩個(gè)局部，如圖2.1所示：a遙控局部框圖b小車局部框圖圖2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖2.1遙控控制模塊設(shè)計(jì)與論證目前比擬常用的遙控控制方式有兩種，紅外遙控控制系統(tǒng)和無(wú)線遙控控制系統(tǒng)。方案一：選擇紅外遙控裝置作為小車的遙控控制器。紅外遙控是通過(guò)遙控發(fā)射器內(nèi)的編碼芯片將按鍵信息調(diào)制成一串0和1的二進(jìn)制代碼，然后通過(guò)紅外線發(fā)出，最后被紅外接收裝置接收進(jìn)行解碼，再運(yùn)用單片機(jī)對(duì)解碼后的碼信息進(jìn)行識(shí)別，然后再根據(jù)不同的碼信息進(jìn)行不同的控制操作[9]。方案二：選擇無(wú)線電遙控裝置作為小車的遙控控制器。無(wú)線電遙控是利用不同頻率的無(wú)線電波對(duì)遠(yuǎn)方的各種機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制的遙控設(shè)備。這些信號(hào)被遠(yuǎn)方的接收設(shè)備接收后，可以驅(qū)動(dòng)其他各種相應(yīng)的機(jī)械或者電子設(shè)備去完成各種操作[6]。紅外遙控和無(wú)線遙控是對(duì)不同的載波來(lái)說(shuō)的，紅外遙控器是用紅外線來(lái)傳送控制信號(hào)的，它的特點(diǎn)是有方向性中間不能被阻擋，在室內(nèi)使用時(shí)大概在7m的范圍內(nèi)有效；無(wú)線遙控器是用無(wú)線電波來(lái)傳送控制的信號(hào)的，它的特點(diǎn)是無(wú)方向性，可以不面對(duì)面控制，距離遠(yuǎn)，有效距離可達(dá)數(shù)十米甚至數(shù)公里。以上兩種方案均可作為本設(shè)計(jì)的遙控控制器，雖然無(wú)線遙控控制的距離更遠(yuǎn)也更加靈敏，但對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)使用紅外遙控已經(jīng)足夠了，而且紅外遙控的原理更加簡(jiǎn)單易懂，所以本設(shè)計(jì)采用方案一即紅外遙控作為小車的遙控控制系統(tǒng)。2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)與論證目前比擬常用的小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有兩種選擇：方案一：選擇直流電機(jī)作為小車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。直流電機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種裝置，因其轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大、體積較小、重量很輕、使用方便，所以其在一些小型的電動(dòng)裝置中的應(yīng)用較多。直流電機(jī)的運(yùn)行方式是這樣的：在它里面有圓形的磁體會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)給它轉(zhuǎn)子上的繞組通電時(shí)，通電線圈在磁場(chǎng)中便會(huì)產(chǎn)生洛倫茲力帶著線圈即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通電線圈內(nèi)的磁場(chǎng)方向?qū)?huì)改變，所以繞組上的電流也要變換流向，在方向一直不變的洛倫茲力控制下電機(jī)將向順時(shí)針或逆時(shí)針持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。由H型橋式電路直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過(guò)軟件編程使單片機(jī)輸出不同占空比的PWM〔脈寬調(diào)制信號(hào)〕來(lái)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制小車的行駛速度[6]。方案二：選擇步進(jìn)電機(jī)作為小車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)是將輸入端輸入的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子的角位移的可以實(shí)現(xiàn)精確定位的電機(jī)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢取決于脈沖信號(hào)的頻率、轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)取決于脈沖的個(gè)數(shù)，在不超載的情況下其轉(zhuǎn)動(dòng)速度不受負(fù)載的影響，即給步進(jìn)電機(jī)輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子那么轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，給其加上連接不斷的脈沖波形那么步進(jìn)電機(jī)就能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下去[5]。相比直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度是由脈沖信號(hào)控制的其可以實(shí)現(xiàn)小車的精確定位停車，步進(jìn)電機(jī)調(diào)速也更加容易，只要輸入不同頻率的脈沖信號(hào)就能控制小車的行駛速度，而且它還有很好的止動(dòng)能力。所以在本設(shè)計(jì)中我們選用了步進(jìn)電機(jī)作為小車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。2.3避障循跡模塊設(shè)計(jì)與論證目前主要有兩種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)避障功能：方案一：采用紅外反射式光電傳感器、電壓比擬器及一些電阻構(gòu)成的障礙物檢測(cè)電路來(lái)檢測(cè)小車前方的障礙。障礙物檢測(cè)電路安裝在小車前部的中間及左右兩邊，來(lái)檢測(cè)小車前方的障礙物。其障礙檢測(cè)過(guò)程如下：紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外光，如果遇到小車前面的障礙物，紅外線就會(huì)被物體反射回來(lái)，被光敏三極管吸收此時(shí)光敏三極管導(dǎo)通，并在輸出端輸出低電平信號(hào)至單片機(jī)，然后單片機(jī)調(diào)用尋跡避障子程序控制小車做出相應(yīng)的避障反響，當(dāng)左邊遇到障礙物時(shí)單片時(shí)機(jī)自動(dòng)調(diào)用右轉(zhuǎn)子程序控制其右轉(zhuǎn)，當(dāng)右邊遇到障礙物時(shí)單片時(shí)機(jī)自動(dòng)調(diào)用左轉(zhuǎn)子程序控制其左轉(zhuǎn)。當(dāng)無(wú)障礙物時(shí)，發(fā)出的紅外線不被反射，光敏三極管截止，輸出高電平信號(hào)，小車?yán)^續(xù)向前行駛[8]。方案二：采用超聲波原理來(lái)檢測(cè)小車前方的障礙。其檢測(cè)障礙的原理如下：先由超聲波發(fā)射器向小車前方發(fā)射超聲波，超聲波在向前傳播過(guò)程中，假設(shè)遇到障礙物那么會(huì)被反射回去，反射波被超聲波回收裝置接收后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)然后被轉(zhuǎn)化為上下電平信號(hào)反響給單片機(jī)，假設(shè)為高電平那么說(shuō)明前方遇到障礙，然后由單片機(jī)調(diào)用避障子程來(lái)控制小車做出相應(yīng)的躲避障礙的動(dòng)作[7]。在本設(shè)計(jì)我們采用了第一種方案實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)避障功能。2.4數(shù)據(jù)顯示模塊設(shè)計(jì)與論證根據(jù)題目的要求小車可以實(shí)時(shí)顯示其運(yùn)動(dòng)的速度、距離等數(shù)據(jù)。主要有兩種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：方案一：用共陽(yáng)極數(shù)碼管和可編程的鍵盤接口芯片組成數(shù)據(jù)顯示電路，接口芯片直接與單片機(jī)的I/O口相連，由單片機(jī)精確控制實(shí)現(xiàn)LED動(dòng)態(tài)顯示。方案二：用LCD液晶顯示屏直接與單片機(jī)相連組成數(shù)據(jù)顯示電路。LCD液晶顯示屏是一種專門用來(lái)顯示字符和數(shù)字的點(diǎn)陣型液晶模塊，它是由假設(shè)干個(gè)5X7或5X11點(diǎn)陣字符位組成的，一個(gè)字符占據(jù)一個(gè)點(diǎn)陣字符位，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔將字符隔開(kāi)，行與行之間也有間隔[8]。由于本設(shè)計(jì)需要顯示的數(shù)據(jù)較多，假設(shè)用LED數(shù)碼管來(lái)顯示需多個(gè)數(shù)碼管才能滿足要求，這樣電路設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，相反只用一個(gè)LCD液晶顯示屏即可顯示要求數(shù)據(jù)，所以本設(shè)計(jì)我們采用方案二即LCD顯示屏來(lái)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。2.5轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊設(shè)計(jì)與論證方案一：選擇霍爾開(kāi)關(guān)型傳感器測(cè)量小車車輪轉(zhuǎn)速。具體做法是：在非磁性材料制作的轉(zhuǎn)子上,固定好一片鋼性磁體,將霍爾開(kāi)關(guān)型傳感器的感知接收面和磁體的磁極相對(duì),并在安裝架上安裝好(注意磁場(chǎng)方向不要弄錯(cuò)),輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁體會(huì)跟著轉(zhuǎn)動(dòng),在磁體轉(zhuǎn)到和傳感器的接收面相對(duì)時(shí),霍爾傳感器便輸出一個(gè)脈沖信號(hào),由兩個(gè)脈沖間的時(shí)間間隔,便可算出轉(zhuǎn)速,然后再根據(jù)車輪半徑編程便可算出小汽車運(yùn)行的速度[10]。方案二：選擇直射式光電檢測(cè)器測(cè)量小車車輪轉(zhuǎn)速。具體做法是:在小車的驅(qū)動(dòng)輪的主軸上安裝一個(gè)開(kāi)有十個(gè)透光槽的圓形葉片,保持葉片和驅(qū)動(dòng)輪能夠同步轉(zhuǎn)動(dòng)，然后在驅(qū)動(dòng)輪旁安裝好直射式光電檢測(cè)器，葉片隨著車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)不斷切割紅外發(fā)射管與紅外接受管之間的紅外線通路，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)至透光槽與紅外線通路重合時(shí),檢測(cè)器導(dǎo)通，紅外接受管通過(guò)電流,當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)至使透光槽遮住時(shí)，光通路斷開(kāi)。隨著車輪不斷的轉(zhuǎn)動(dòng),便會(huì)輸出連續(xù)的脈沖序列，測(cè)出脈沖的個(gè)數(shù)便可知葉片轉(zhuǎn)過(guò)的孔數(shù),從而可計(jì)算出車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，然后再根據(jù)車輪半徑由軟件編程便可算出小車運(yùn)行的速度[11]。以上兩種方案都能夠測(cè)出小車車輪的轉(zhuǎn)速。但是在本設(shè)計(jì)中，對(duì)于方案一來(lái)說(shuō)，要想在很小的小車車輪上密集安裝磁片比擬困難，而且彼此之間也容易產(chǎn)生干擾。因此本設(shè)計(jì)擬采用方案二測(cè)量小車的轉(zhuǎn)速。2.6電源模塊設(shè)計(jì)與論證電源是整個(gè)小車系統(tǒng)運(yùn)行的根本條件，它的性能的好壞直接決定整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和性能。小車的供電電源包含兩局部,單片機(jī)控制模塊電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電源，我們將單片機(jī)及其外圍電路和步進(jìn)電機(jī)分開(kāi)供電，兩者互相不影響，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供電。由于步進(jìn)電機(jī)需較高的供電電壓而單片機(jī)和其邏輯單元最大供電電壓不能超過(guò)5V，因此需設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路。方案一：采用8節(jié)1.5V干電池串聯(lián)共12V直接給步進(jìn)電機(jī)供電，然后經(jīng)過(guò)由LM7805穩(wěn)壓芯片構(gòu)成的穩(wěn)壓電路將電壓降至5V后給電片機(jī)及其外圍邏輯電路供電。但是本方案由于電池電量有限，而且數(shù)量較多的干電池重量較大會(huì)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶來(lái)太大負(fù)擔(dān)，也占用了太大的空間在體積較小的小車上使用太不方便，所以放棄了該方案。方案二：采用12V蓄電池直接給步進(jìn)電機(jī)供電，將電壓降至5V后給單片機(jī)及其外圍電路供電。蓄電池具有較長(zhǎng)的續(xù)航能力以及電壓輸出的值根本不怎么變化，但是因?yàn)樾铍姵氐捏w積和質(zhì)量過(guò)大，并不適合本設(shè)計(jì)的使用，所以我們并沒(méi)有使用蓄電池來(lái)供電。方案三：采用3節(jié)4.2V鋰電池串聯(lián)的方式共直接給步進(jìn)電機(jī)供電，然后經(jīng)過(guò)由穩(wěn)壓芯片構(gòu)成的穩(wěn)壓電路將電壓降至5V后給單片機(jī)及其外圍邏輯電路供電。本方案鋰電池的電量較足并且可以充電重復(fù)利用，3節(jié)鋰電池重量和占用的空間都較小，因此該方案比擬可行，最終我們選擇了該方案作為小車的驅(qū)動(dòng)電源[14]。第三章各模塊硬件電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的遙控智能小車的硬件局部共分為兩大模塊：紅外遙控發(fā)射器硬件模塊和智能小車局部硬件模塊。其中紅外遙控發(fā)射硬件模塊包含遙控按鍵、編碼芯片、紅外發(fā)射三個(gè)子模塊；智能小車局部硬件模塊包含單片機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、避障循跡模塊、顯示模塊、紅外接收器模塊、電源模塊6個(gè)子模塊。首先介紹紅外遙控發(fā)射器局部即遙控按鍵、編碼芯片、紅外發(fā)射三個(gè)子模塊的硬件設(shè)計(jì)。3.1紅外遙控發(fā)射器模塊3.1.1紅外遙控模塊的工作原理紅外線遙控是比擬常見(jiàn)的一種遙控設(shè)備，它是利用波長(zhǎng)為0.76~1.5μm之間的紅外線來(lái)傳送控制信號(hào)的遙控設(shè)備。其占據(jù)空間小、價(jià)格廉價(jià)、使用方便，在我們常用的家用電器比方電視、DVD，錄音機(jī)、空凋等和一些小型電動(dòng)玩具裝置上均已應(yīng)用了紅外線遙控設(shè)備。但是紅外遙控也有缺點(diǎn)比方容易受到空間和距離的限制，一般在7m的范圍內(nèi)有效且發(fā)射和接收之間不能被物體隔擋，但對(duì)于本設(shè)計(jì)的智能小車來(lái)說(shuō)已經(jīng)能夠滿足要求。紅外遙控系統(tǒng)一般由兩大局部組成：一個(gè)紅外發(fā)射局部，一個(gè)紅外接收局部。其中發(fā)射局部主要由按鍵鍵盤、編碼調(diào)制、LED紅外發(fā)送器構(gòu)成，它最重要的局部就是應(yīng)用編碼芯片對(duì)按鍵信息進(jìn)行編碼和發(fā)送；接收局部由光電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路構(gòu)成，其最重要的局部是對(duì)接收到的編碼進(jìn)行解調(diào)。其原理如圖3.1所示：圖3.1紅外遙控系統(tǒng)原理框圖按下遙控器的一個(gè)按鍵，遙控器的編碼芯片會(huì)對(duì)按鍵信息進(jìn)行編碼，然后通過(guò)LED紅外發(fā)射器發(fā)出脈沖編碼，被紅外接收頭接收后將編碼解出并輸入到單片機(jī)的外部中斷，對(duì)接收到的脈沖編碼進(jìn)行位“0〞和位“1〞的識(shí)別，再根據(jù)不同的碼信息調(diào)用相應(yīng)的子程序來(lái)對(duì)小車進(jìn)行不同的控制操作。3.1.2HT6221編碼芯片簡(jiǎn)介HT6221是合泰公司生產(chǎn)的多功能遙控編碼芯片，工作電壓在1.8V-3.5V，其采用PPM〔PulsePositionModulation〕進(jìn)行編碼，周期能編碼16位地址碼和8位數(shù)據(jù)碼，最多能同時(shí)支持32個(gè)活動(dòng)鍵。其引腳結(jié)構(gòu)如圖3.2所示：圖3.2HT6221引腳圖其各引腳說(shuō)明如下表3-1所示：表3-1HT6221芯片引腳說(shuō)明引腳號(hào)引腳名稱描述0AIN低8位地址碼輸入1-8C1-C8鍵盤列控制9LED按鍵指示燈10-13R1-R4鍵盤行控制,高電平有效14DOUT串行數(shù)據(jù)輸出引腳,38KHz發(fā)射頻率15VDD1.8V-3.5V16DT最重要數(shù)據(jù)位(DT)代碼設(shè)置17、18X2、X1455KHz振蕩器輸出，455KHz振蕩器輸入19VSS接地遙控編碼有兩種：位0和位1，其低電平脈寬相同但高電平脈寬不一樣。采用脈寬調(diào)制的串行碼，以脈寬為0.565ms、間隔0.56ms、周期為1.125ms的脈沖表示二進(jìn)制的“0〞；以脈寬為0.565ms、間隔1.685ms、周期為2.25ms的脈沖表示二進(jìn)制的“1〞。其波形如圖3.3所示：圖3.3遙控碼的“0〞和“1〞〔注：接收端的波形與發(fā)射斷相反〕3.1.3紅外遙控發(fā)射器遙控發(fā)射器專用芯片很多，在本設(shè)計(jì)中我們運(yùn)用了HT6221芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外編碼的發(fā)射。其電路如圖3.4所示：圖3.4遙控發(fā)射器電路原理圖圖3.4中當(dāng)有任意一個(gè)按鍵按下后，按鍵指示燈〔D1〕發(fā)光，HT6221編碼芯片能夠產(chǎn)生脈沖編碼，該脈沖編碼會(huì)被調(diào)制成38KHz的脈沖信號(hào)然后通過(guò)圖中的紅外發(fā)射二極管〔D2〕發(fā)射出去[8]。所按的按鍵不同其發(fā)出的編碼脈沖也不同，按鍵所代表的功能也就不同，其各按鍵的功能分配如下表3-2所示：表3-2按鍵功能分配表按鍵功能K1控制小車的啟動(dòng)K2控制小車的停止K3控制小車的加速K4控制小車的左轉(zhuǎn)K5控制小車的右轉(zhuǎn)K6控制小車的倒退下面是智能小車局部即單片機(jī)控制模塊、紅外接收器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、避障循跡模塊、顯示模塊、電源模塊6個(gè)子模塊的硬件設(shè)計(jì)介紹。3.2單片機(jī)控制模塊3.2.1單片機(jī)模塊電路本設(shè)計(jì)我們采用AT89C52單片機(jī)作為智能小車局部的控制核心，AT89C52單片機(jī)是AT89系列的標(biāo)準(zhǔn)型8位單片機(jī)，其與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)和8052產(chǎn)品引腳兼容，功耗低、性能強(qiáng)大、價(jià)格廉價(jià)適用于許多較為復(fù)雜控制的場(chǎng)合。AT89C52單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：一個(gè)以ALU為中心的8位中央處理器，256字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器〔RAM〕，8K字節(jié)用來(lái)存儲(chǔ)程序的Flash內(nèi)部程序存儲(chǔ)器即片內(nèi)ROM(可反復(fù)擦寫(xiě)1000次),4個(gè)8位可編程I/O口〔P0、P1、P2、P3〕，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，8個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷控制系統(tǒng)，一個(gè)全雙工串行通信口，一個(gè)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路[1]。AT89C52單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)主要由單片機(jī)、復(fù)位電路、振蕩電路等局部組成。本設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制模塊原理圖如圖3.5所示：圖3.5單片機(jī)控制模塊本設(shè)計(jì)中我們使用了AT89C52單片機(jī)的大局部引腳，其具體的引腳功能分配如下表3-3所示：表3-3單片機(jī)引功能分配表引腳功能分配接LCD1602的D0-D7引腳，作為數(shù)據(jù)信息的輸出引腳接LCD1602的RS、RW、E引腳，作為數(shù)據(jù)信息的控制端P1.3-P1.5、P1.7連接避障循跡電路的輸出端P1.6連接轉(zhuǎn)速測(cè)量電路的脈沖輸出端連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的脈沖信號(hào)輸入端P3.2外部中斷，連接紅外接收器的輸出端VCC接+5V電源GND接地3.2.2復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位，是為了初始化單片機(jī)的工作狀態(tài)，有時(shí)當(dāng)程序運(yùn)行出錯(cuò)或因操作錯(cuò)誤而使系統(tǒng)處于鎖死狀態(tài)，為了擺脫困境，也可按復(fù)位鍵重新初始化單片機(jī)。RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，要實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作必須使RST引腳上至少保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，再?gòu)母唠娖阶優(yōu)榈碗娖酵瓿蓮?fù)位。復(fù)位電路由按鍵復(fù)位和上電復(fù)位兩種方式，本設(shè)計(jì)采用按鍵復(fù)位實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。單片機(jī)按鍵復(fù)位電路如圖3.6所示：圖3.6復(fù)位電路按鍵復(fù)位是通過(guò)按鍵使復(fù)位引腳經(jīng)電阻R0與VCC電源接通來(lái)實(shí)現(xiàn)的，按下復(fù)位鍵時(shí)，RST引腳為高電平；松開(kāi)復(fù)位按鍵后，RST引腳逐漸將為低電平，復(fù)位結(jié)束。3.2.3振蕩電路AT89C52單片機(jī)內(nèi)有一個(gè)高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為芯片引腳XTAL2。只要在片外通過(guò)XTAL1和XTAL2引腳跨接振蕩元件〔如晶體振蕩器〕，那么可構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，單片機(jī)通電后即可工作。其外部振蕩電路如圖3.7所示：圖3.7振蕩電路AT89C52單片機(jī)內(nèi)部RAM容量很小，當(dāng)單片機(jī)需要存放大量數(shù)據(jù)時(shí)就必須擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。此外AT89C52單片機(jī)的I/O口數(shù)量和功能很有限，也常常要擴(kuò)展外部接口芯片。由于本設(shè)計(jì)不需要太多的I/O口，內(nèi)部程序存儲(chǔ)器也夠用，所以不用擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部接口芯片。3.3紅外接收器及解碼紅外接收器也叫做一體化紅外接收頭，其內(nèi)部是由紅外監(jiān)測(cè)二極管，放大器，限副器，帶通濾波器，積分電路，比擬器等構(gòu)成的。紅外監(jiān)測(cè)二極管接收到紅外信號(hào)后，會(huì)把信號(hào)送到放大器和限幅器，限幅器把脈沖幅度控制在一定的水平。交流信號(hào)進(jìn)入帶通濾波器，帶通濾波器只允許30khz到60khz的負(fù)載波通過(guò)，然后脈沖信號(hào)再通過(guò)解調(diào)電路和積分電路進(jìn)入比擬器，由比擬器輸出上下電平信號(hào)，復(fù)原出發(fā)射端的信號(hào)波形。但為了提高接收的靈敏度輸出的上下電平和發(fā)射端是反相的。紅外接收頭有很多的種類，一般都有電源引腳、信號(hào)輸出引腳和接地引腳。根據(jù)發(fā)射端調(diào)制載波的不同應(yīng)選用相應(yīng)解調(diào)頻率的接收頭，本設(shè)計(jì)我們采用一體化紅外接收頭1838來(lái)解調(diào)HT6221編碼芯片的編碼。其實(shí)物圖如圖3.8所示：圖3.81838紅外接收頭由于紅外接收頭內(nèi)部放大器也很大的增益，這樣很會(huì)容易引起干擾，因此在接收頭的電源引腳上須加上大小在22uf以上的濾波電容。本設(shè)計(jì)的紅外接收電路如圖3.9所示：圖3.9紅外接收電路圖其中U6為1838紅外接收頭，電容C4為濾波電容，DOUT是解調(diào)信號(hào)的輸出端，直接與單片機(jī)的P3.2引腳即INT0中斷相連[8]。解碼的重點(diǎn)是怎樣識(shí)別位0和位1，由于位0和位1的低電平脈寬相同但高電平脈寬不一樣。所以需要根據(jù)高電平的寬度區(qū)別位0和位1，如果從0.56ms低電平信號(hào)過(guò)后延時(shí)了0.56ms以后如果能讀到低電平信號(hào)說(shuō)明該位為0反之那么為1，為了可靠起見(jiàn)延時(shí)必須介于0.56ms和1.12ms之間,否那么如果該位為0讀到的已是下一位的高電平，因此我們?nèi)∑渲虚g值即〔1.12ms+0.56ms〕/2=0.84ms。當(dāng)按下遙控器的按鍵后，便有紅外脈沖編碼信號(hào)發(fā)出，經(jīng)紅外接收頭接收解碼后在其輸出端輸出檢波整形后的方波信號(hào)，然后直接輸入至單片機(jī)外部中斷進(jìn)行碼信息的識(shí)別，單片機(jī)再調(diào)用相應(yīng)子程序執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作。具體解碼操作流程圖如圖3.10所示：圖3.10紅外接收解碼流程圖3.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊3.4.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的電機(jī)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢取決于脈沖信號(hào)的頻率、轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)取決于脈沖的個(gè)數(shù)，在不超載的情況下其轉(zhuǎn)動(dòng)速度不受負(fù)載的影響，即給步進(jìn)電機(jī)輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定角度〔步距角〕，給其輸入連續(xù)的脈沖信號(hào)步進(jìn)電機(jī)就能連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)[5]。在本設(shè)計(jì)中我們采用步距角為1.8度的四相步進(jìn)電機(jī)作為小車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及元件圖如圖3.11所示：圖3.11步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)和元件圖四相步進(jìn)電機(jī)有著比擬小的體積和轉(zhuǎn)矩，該電機(jī)共有5根引出線，分別是內(nèi)部四組繞組線圈A、B、C、D的四根引出線，一根電源引出線，其采用單極性直流電源供電，使A、B、C、D四相繞組輪流供電，轉(zhuǎn)子就會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。其旋轉(zhuǎn)角度與脈沖數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)頻率與脈沖頻率成正比。本設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)采用四相八拍的工作方式，即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A的通電順序工作。當(dāng)通電順序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CD-D-DA時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)通電順序?yàn)镈A-D-CD-C-BC-B-AB-A時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)的時(shí)序波形圖如圖3.12所示：圖3.12步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖3.4.2ULN2003芯片簡(jiǎn)介ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片可以直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)電流小于0.5A的步進(jìn)電機(jī)。ULN2003芯片是美國(guó)TI公司和Sprague公司開(kāi)發(fā)的高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列電路具有較高的電流增益和工作電壓、較寬的溫度范圍、較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力等特點(diǎn),適和應(yīng)用于各種高速大功率的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳如圖3.13所示：圖3.13ULN2003芯片引腳圖其引腳說(shuō)明如表3-4所示：表3-4ULN2003芯片引腳說(shuō)明引腳功能說(shuō)明IN1-IN7脈沖信號(hào)輸入端〔接單片機(jī)〕GND接地OUT1-OUT7驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端〔接步進(jìn)電機(jī)〕COM接+5V電源ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片的輸出結(jié)構(gòu)是集電極開(kāi)路的，所以要在輸出端接一個(gè)上拉電阻，通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng)ULN2003時(shí)，上拉2K的電阻較為適宜。3.4.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)由于單片機(jī)的輸出電流太小，而步進(jìn)電機(jī)需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，所以需要驅(qū)動(dòng)電路來(lái)連接單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。本設(shè)計(jì)中我們采用四相步進(jìn)電機(jī)作為小車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，用單極性直流電源供電。采用ULN2003芯片直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3.14所示：圖3.14步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路ULN2003的輸入端直接與單片機(jī)的P2.4-P2.7引腳相連，單片機(jī)輸出不同的脈沖信號(hào)，這些脈沖信號(hào)經(jīng)ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片放大后分別控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速和減速。本設(shè)計(jì)中只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按適宜的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。正、反轉(zhuǎn)可由輸入不同順序的脈沖信號(hào)來(lái)控制以實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)和后退；我們使用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別控制小車的左輪和右輪，通過(guò)單片機(jī)輸出不同頻率的脈沖使左右兩個(gè)車輪具備不同的轉(zhuǎn)速，由轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向，當(dāng)左側(cè)車輪轉(zhuǎn)速大于右側(cè)車輪時(shí)小車右轉(zhuǎn)，當(dāng)右側(cè)車輪轉(zhuǎn)速大于左側(cè)時(shí)小車左轉(zhuǎn)。3.5避障循跡模塊本設(shè)計(jì)我們采用了紅外反射式光電傳感器、電壓比擬器及一些電阻來(lái)構(gòu)成障礙物檢測(cè)電路，并直接與單片機(jī)的P1.4引腳相連，其可將檢測(cè)到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為上下電平信號(hào)然后輸入到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)輸入的上下電平信號(hào)來(lái)判斷是否有障礙物，假設(shè)有那么調(diào)用自動(dòng)避障子程序控制小車做出相應(yīng)的避障動(dòng)作。障礙物檢測(cè)電路如圖3.15所示：圖3.15障礙物檢測(cè)電路圖中U3紅外反射式光電傳感器是由紅外發(fā)光二級(jí)管和光敏三極管組成的，紅外發(fā)光二級(jí)管用來(lái)發(fā)射紅外線，光敏三極管用來(lái)接收被反射回來(lái)的紅外線。紅外接收/檢測(cè)器有一個(gè)內(nèi)置的只允許紅外光線通過(guò)的光濾波器和一個(gè)只允許38.5kHz左右電信號(hào)通過(guò)的電子濾波器，這樣就防止了外來(lái)光源對(duì)紅外接收器的干預(yù)。U4是電壓比擬器，它能夠?qū)⑤斎氲哪M電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為上下電平信號(hào)，當(dāng)3腳電平大于4腳時(shí)，輸出端1腳輸出為高電平，反之輸出為低電平。障礙物檢測(cè)電路安裝在小車前部的中間及左右兩邊，來(lái)檢測(cè)小車前方的障礙物。其障礙檢測(cè)過(guò)程如下：紅外二極管發(fā)出紅外光，如果遇到小車前面的障礙物，紅外線就會(huì)被物體反射回來(lái)并被光敏三極管吸收，此時(shí)光敏三極管導(dǎo)通并在輸出端輸出低電平信號(hào)至單片機(jī)，然后單片機(jī)調(diào)用尋跡避障子程序控制步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的避障反響，當(dāng)左邊遇到障礙物時(shí)小車右轉(zhuǎn)，當(dāng)右邊遇到障礙物時(shí)小車左轉(zhuǎn)。當(dāng)無(wú)障礙物時(shí)，發(fā)出的紅外線不被反射，光敏三極管截止，輸出高電平信號(hào)，小車?yán)^續(xù)向前行駛[9]。循跡的原理和避障的原理是相同的，循跡電路安裝在小車底部，循跡是通過(guò)區(qū)分黑白色來(lái)行走。工作過(guò)程如下：紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外光，當(dāng)遇到黑色，不反射紅外光，比擬器輸出為高電平；當(dāng)遇到白線，紅外光被反射回來(lái)，比擬器輸出為低電平。單片機(jī)根據(jù)輸入電平的變化判斷小車的行駛路線是否偏離，然后調(diào)用自動(dòng)避障子程序?qū)崿F(xiàn)小車的自動(dòng)循跡，當(dāng)左邊檢測(cè)到白色時(shí)小車右轉(zhuǎn)，當(dāng)右邊檢測(cè)到白色時(shí)小車左轉(zhuǎn)；當(dāng)兩邊檢測(cè)到的都是黑色時(shí)小車前進(jìn)，當(dāng)兩邊檢測(cè)到的都是白色時(shí)小車停止。3.6轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊施密特觸發(fā)器是具有特殊功能的非門，當(dāng)它的輸入端的電壓上升到某個(gè)值時(shí),輸出端會(huì)立即從高電平跳變?yōu)榈碗娖?而當(dāng)輸入端的電壓下降到某一個(gè)值時(shí),輸出端會(huì)立即從低電平跳變?yōu)楦唠娖?。本設(shè)計(jì)采用直射式光電檢測(cè)器、施密特觸發(fā)器、三極管和假設(shè)干電阻構(gòu)成的電路與單片機(jī)的P1.6引腳相連來(lái)測(cè)量小車車輪的轉(zhuǎn)速，其實(shí)物圖和電路圖如圖3.16所示：圖3.16透射式光電測(cè)速實(shí)物和電路圖具體的轉(zhuǎn)速檢測(cè)方法是:在小車的驅(qū)動(dòng)輪的主軸上安裝一個(gè)開(kāi)有十個(gè)透光槽的圓形葉片,保持葉片和驅(qū)動(dòng)輪能夠同步轉(zhuǎn)動(dòng)，然后在驅(qū)動(dòng)輪旁安裝好直射式光電檢測(cè)器，葉片隨著車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)不斷切割紅外發(fā)射管與紅外接受管之間的光通路，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)至透光槽與光通路重合時(shí),光通路導(dǎo)通，光敏三極管通過(guò)電流,輸出端會(huì)輸出一個(gè)低電平信號(hào)，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)至使透光槽遮住時(shí)，光通路斷開(kāi)，輸出端會(huì)輸出一個(gè)高電平信號(hào)。隨著車輪不斷的轉(zhuǎn)動(dòng),光通路不斷的導(dǎo)通和斷開(kāi)，輸出端便會(huì)輸出連續(xù)的脈沖序列，測(cè)出脈沖的個(gè)數(shù)便可知葉片轉(zhuǎn)過(guò)的孔數(shù),由葉片轉(zhuǎn)過(guò)的孔數(shù)可以知道車輪轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)，從而可計(jì)算出車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速，然后再根據(jù)車輪半徑便可算出小車運(yùn)行的速度和路程[11]。3.7數(shù)據(jù)顯示模塊本設(shè)計(jì)中小車的數(shù)據(jù)顯示電路采用液晶顯示屏LCD1602,LCD1602具有8位并行2線或者3線串行兩種接口方式。LCD1602液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn)。具體的液晶顯示電路如圖3.17所示：圖3.17LCD液晶顯示電路電路中LCD1602與AT89C52單片機(jī)使用并行數(shù)據(jù)通信。引腳1接電源電壓正極，引腳0、14、15分別接電源電壓負(fù)極,為L(zhǎng)CD1602提供電源與背光電源；2腳接一個(gè)10K電位器用于調(diào)節(jié)背光燈光度；3、4、5腳分別接P1.0、P1.1、P1.2腳作為單片機(jī)控制信號(hào)輸入與輸出端；6—13腳接單片機(jī)的P0.0—P0.7腳作為單片機(jī)數(shù)據(jù)信息輸入端。數(shù)據(jù)顯示的原理為：首先通過(guò)數(shù)據(jù)顯示子程序?qū)⑿≤嚨乃俣?、路程等?shù)據(jù)信息計(jì)算出來(lái)，然后再將這些數(shù)據(jù)信息通過(guò)單片機(jī)的引腳直接輸出至LCD1602的DO-D7引腳[8]。3.8電源模塊電源是整個(gè)小車系統(tǒng)運(yùn)行的根本條件，它的性能的好壞直接決定整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和性能。小車的供電電源包含兩局部,單片機(jī)控制模塊電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電源，我們將單片機(jī)及其外圍電路和步進(jìn)電機(jī)分開(kāi)供電，兩者互相不影響，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供電。本設(shè)計(jì)中我們采用3節(jié)4.2V鋰電池串聯(lián)共12.6V直接給步進(jìn)電機(jī)供電，用于驅(qū)動(dòng)小車電機(jī)，也可降至5V后給單片機(jī)及其他邏輯單元供電。這三節(jié)電池的體積和重量都比擬小，便于安裝在小車底座，不會(huì)造成電機(jī)負(fù)載過(guò)大，而且價(jià)格低、電流驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。為了給單片機(jī)及其他邏輯單元供電，必須將鋰電池組的電壓降至5V，這里我們采用LM7805穩(wěn)壓芯片進(jìn)行降壓，穩(wěn)壓電路如圖3.18所示：圖3.185V穩(wěn)壓電路第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，小車能否實(shí)現(xiàn)要求功能取決于軟件的編程是否合理。本設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)法進(jìn)行系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，主要包含主程序、避障循跡子程序、數(shù)據(jù)顯示子程序等程序模塊。由于本人水平和能力有限只完成了局部模塊的程序設(shè)計(jì)。4.1系統(tǒng)總體程序流程圖系統(tǒng)的總體程序流程圖如圖4.1所示：圖4.1系統(tǒng)程序流程圖在圖4.1系統(tǒng)程序流程圖中，開(kāi)始時(shí)先是系統(tǒng)的初始化，包括定時(shí)器初始化，外部中斷的初始化，液晶顯示器的初始化。其中避障循跡子程序用于控制小車自動(dòng)躲避障礙和自動(dòng)沿著特定的黑線行駛；數(shù)據(jù)顯示子程序主要是將測(cè)得的車輪轉(zhuǎn)速換算成小車的行駛的速度、路程等數(shù)據(jù)進(jìn)而在LCD1602液晶顯示屏顯示。4.2避障循跡模塊程序設(shè)計(jì)4.2.1避障程序流程圖圖4.2避障程序流程圖圖4.2所示為小車避障程序流程圖，小車在行駛過(guò)程中由位于小車前部的四個(gè)障礙物檢測(cè)電路不斷檢測(cè)小車周圍環(huán)境，假設(shè)遇到障礙物那么將低電平信號(hào)輸入至單片機(jī)，然后由單片機(jī)調(diào)用避障子程序控制小車作出相應(yīng)的避障動(dòng)作。如果左邊遇到障礙那么調(diào)用右轉(zhuǎn)子程序，右邊遇到障礙那么調(diào)用左轉(zhuǎn)子程序，前方遇到障礙那么調(diào)用左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)子程序，沒(méi)有遇到障礙那么調(diào)用直行子程序。具體的程序請(qǐng)見(jiàn)附錄B避障子程序。4.2.2循跡程序流程圖圖4.3循跡程序流程圖圖4.3所示為循跡程序流程圖，小車在循跡行駛過(guò)程中安裝在小車底部的四個(gè)紅外反射式光電開(kāi)關(guān)不斷檢測(cè)小車的行駛路線，假設(shè)小車偏離黑線那么將檢測(cè)到的低電平信號(hào)輸入至單片機(jī)，單片機(jī)再調(diào)用循跡子程序控制小車使其沿著黑線行駛，如果小車偏向黑線左邊那么調(diào)用右轉(zhuǎn)子程序，偏向黑線右邊那么調(diào)用左轉(zhuǎn)子程序，在黑線上那么調(diào)用直走子程序，完全偏離黑線那么調(diào)用后退子程序。具體的程序請(qǐng)見(jiàn)附錄B循跡子程序。4.3數(shù)據(jù)顯示模塊程序設(shè)計(jì)圖4.4數(shù)據(jù)顯示程序流程圖在圖4.4數(shù)據(jù)顯示程序流程圖中，首先初始化LCD1602，然后在液晶的第一行顯示“路程:cm〞，液晶第二行顯示“速度:cm/s〞然后由主程序不斷調(diào)用數(shù)據(jù)顯示程序不斷刷新cm或者cm/s前面的數(shù)字實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示的目的。具體的程序請(qǐng)見(jiàn)附錄B數(shù)據(jù)顯示子程序。第五章總結(jié)與展望5.1總結(jié)本設(shè)計(jì)的智能小車根本上實(shí)現(xiàn)了題目要求的各項(xiàng)功能，可以用遙控來(lái)控制小車的啟停、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、倒退，小車能自動(dòng)沿著黑線行駛，遇到障礙時(shí)能夠自動(dòng)躲避障礙，而且可以實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行的速度、路程等數(shù)據(jù)。通過(guò)本次設(shè)計(jì)讓我學(xué)會(huì)了電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，掌握了紅外遙控原理、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理、采用紅外反射式光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)障礙的原理、顯示原理等自己以前并不了解的新知識(shí)，對(duì)單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和其控制系統(tǒng)也有了更深的理解和認(rèn)識(shí)，對(duì)于AltiumDesigner、Proteus等電路設(shè)計(jì)和仿真軟件的操作也更加熟練，特別是在、自己最不擅長(zhǎng)的軟件編程方面也有了一定的提高。但是由于本人水平和能力有限，本設(shè)計(jì)中還存在一些缺乏之處。例如由于安裝在小車上面的紅外傳感器檢測(cè)范圍有限，存在一些檢測(cè)盲區(qū)，光電檢測(cè)也容易收到外界環(huán)境和太陽(yáng)光的干擾，有時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致小車的循跡避障功能失效；小車是利用轉(zhuǎn)速差來(lái)轉(zhuǎn)彎的但是這種方法轉(zhuǎn)彎不夠順暢也不能持續(xù)轉(zhuǎn)彎并且對(duì)電機(jī)的損耗也較大，這些都有待進(jìn)一步的改良和完善。5.2改良與展望在本設(shè)計(jì)中我們可以采用超聲波避障來(lái)代替紅外避障以減少外界干擾；多安裝幾個(gè)尋跡電路，在小車的車頭底部左右兩邊各一個(gè)，中間底部左右兩邊各一個(gè)，車尾底部左右兩邊各一個(gè)，這樣可提高小車尋跡功能的可靠性和靈敏性；通過(guò)多組速度〔不同脈沖所對(duì)應(yīng)的速度〕的實(shí)際測(cè)試，尋找更適宜的轉(zhuǎn)向速度，以提高轉(zhuǎn)向的精確度。我們還可以為小車添加語(yǔ)音控制模塊，用語(yǔ)音來(lái)控制小車的一些狀態(tài)，這樣將大大增加其人機(jī)交互控制的趣味性。參考文獻(xiàn)[1]張靖武,周靈彬,方曙光.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].第2版.電子工業(yè)出版社,2023：17-32.[2]李群芳.單片機(jī)原理接口與應(yīng)用[M].北京清華大學(xué)出版社,2005:12-30.[3]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)根底教程[M].第2版.北京航空航天大學(xué)出版社，2023：2-14.[4]鄒彥.DSP原理及應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2023：10-15.[5]張明.步進(jìn)電機(jī)的根本原理[J].機(jī)械與電子,2007〔9〕：83-84.[6]朱淑偵,侯軒,李利民.基于89C2051的無(wú)線遙控小汽車的設(shè)計(jì)[J].電腦開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2023(12):73-78.[7]姚陪，張李堅(jiān).基于單片機(jī)控制的智能尋跡避障小車[J].機(jī)電信息，2023(12):192-193.[8]王艷.基于51單片機(jī)的紅外遙控小車設(shè)計(jì)和制作[J].電子制作，2023〔6〕:11-13.[9]趙海蘭.基于單片機(jī)的紅外遙控智能小車的設(shè)計(jì)[J].電子世界，2023〔2〕:31-32.[10]宋新兵.自動(dòng)控制電動(dòng)小汽車的設(shè)計(jì)[J]，2001年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽一等獎(jiǎng).電子世界，2002〔4〕：55-56.[11]尚林勇.自動(dòng)往返電動(dòng)小汽車的設(shè)計(jì)[J],咸寧師專學(xué)報(bào),2002(6):39-43.[12]WangShaokun,XiaoXiao,ZhaoHongwei.TheWirelessRemoteControlCarSystemBasedOnARM9[J].2023IEEE：887-890.[13]GangWang.WirelessRemoteControlTechnologyinIntelligentBuildingsSystem[J].2023ConferenceonDependableComputing:231-233.[14]張化勛.智能小汽車的設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)，2005年12月第六期：13-15.[15]苑毅，張志超等.智能避障小車設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2023〔3〕:36-37.致謝不知不覺(jué)三個(gè)月的時(shí)間過(guò)去了，從開(kāi)始的搜集查找相關(guān)文獻(xiàn)資料確定一個(gè)大體的設(shè)計(jì)思路到后來(lái)一步步的進(jìn)行各個(gè)模塊的具體設(shè)計(jì)再到現(xiàn)在最終設(shè)計(jì)的完成，特別感謝我的指導(dǎo)老師楊安平老師在設(shè)計(jì)過(guò)程中給予我的極大幫助，雖然老師平時(shí)很忙，但每周仍會(huì)抽出兩次時(shí)間來(lái)對(duì)我不懂的地方進(jìn)行耐心的指導(dǎo)，并對(duì)我的設(shè)計(jì)方案提出一些改良的意見(jiàn)，教會(huì)了我解決相關(guān)問(wèn)題的具體思路和方法，并且在我不擅長(zhǎng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方面給予了我細(xì)心的講解。本設(shè)計(jì)能夠順利完成設(shè)計(jì)任務(wù)，除了楊老師外還有很多同學(xué)也對(duì)我的設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些指導(dǎo)和幫助，在此對(duì)你們表示最誠(chéng)摯的感謝!最后還要感謝各位評(píng)閱老師在百忙之中抽出時(shí)間對(duì)本論文進(jìn)行評(píng)閱，謝謝!附錄A各模塊電路圖單片機(jī)控制模塊電路紅外遙控發(fā)射器電路紅外接收器電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路避障循跡模塊電路轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊電路數(shù)據(jù)顯示模塊電路5V穩(wěn)壓電路附錄B程序避障子程序#include<uart.h>#defineLeftIRP1_2//左邊紅外接收連接到P1_2#defineRightIRP3_5//右邊紅外接收連接到P3_5#defineLeftLaunchP1_3//左邊紅外發(fā)射連接到P1_3#defineRightLaunchP3_6//右邊紅外發(fā)射連接到P3_6voiddelay_nus(unsignedinti){i=i*10/12;while(--i);}voidHardware_delay_1ms(void){TMOD&=0xF0;TMOD|=0x01;//T0——16位定時(shí)器器模TH0=0xFC;TL0=0x18;//64536TF0=0;//去除定時(shí)器溢出標(biāo)志TR0=1;//啟動(dòng)定時(shí)器while(TF0==0);//等待計(jì)數(shù)完成TR0=0;//停止定時(shí)器}voiddelay_nms(intn)//延時(shí)ms{intj;for(j=n;j>0;j--)Hardware_delay_1ms();}voidIRLaunch(unsignedcharIR){intcounter;if(IR==‘L’)//左邊發(fā)射for(counter=0;counter<38;counter++){LeftLaunch=1;delay_nus(13);LeftLaunch=0;delay_nus(13);}if(IR=='R')//右邊發(fā)射for(counter=0;counter<38;counter++){RightLaunch=1;delay_nus(13);RightLaunch=0;delay_nus(13);}}voidForward(void)//直行子程序{P1_1=1;delay_nus(1700);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);}voidLeft_Turn(void)//左轉(zhuǎn)子程序{inti;for(i=1;i<=23;i++){P1_1=1;delay_nus(1300);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);}}voidRight_Turn(void)//右轉(zhuǎn)子程序{inti;for(i=1;i<=23;i++){P1_1=1;delay_nus(1700);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1700);P1_0=0;delay_nms(20);}}voidBackward(void)//后退子程序{inti;for(i=1;i<=65;i++){P1_1=1;delay_nus(1300);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1700);P1_0=0;delay_nms(20);}}intmain(void){intirDetectLeft,irDetectRight;uart_Init();printf("ProgramRunning!\n");while(1){IRLaunch('R');//右邊發(fā)射irDetectRight=RightIR;//右邊接收IRLaunch('L');//左邊發(fā)射irDetectLeft=LeftIR;//左邊接收if((irDetectLeft==0)&&(irDetectRight==0))//同時(shí)接到紅外線{Backward();Left_Turn();Left_Turn();}elseif(irDetectLeft==0)//只有左邊接收到紅外線{Backward();Right_Turn();}elseif(irDetectRight==0)//只有右邊接收到紅外線{Backward();Left_Turn();}elseForward();}}循跡子程序#include<uart.h>#defineLD1P1_2;//左左檢測(cè)燈#defineLD2P1_3;//中左檢測(cè)燈#defineRD1P3_5;//中右檢測(cè)燈#defineRD2P3_6;//右右檢測(cè)燈voiddelay_nus(unsignedinti){i=i*10/12;while(--i);}voidHardware_delay_1ms(void){TM