尋跡、避障、紅外遙控智能小車

畢業(yè)設(shè)計(jì)報告設(shè)計(jì)題目：智能遙控小車設(shè)計(jì)李先生指導(dǎo)教師：程老師設(shè)計(jì)時間：2023年3月13日目錄引言……………………1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 2．1設(shè)計(jì)任務(wù)…………1 2．2設(shè)計(jì)要求…………1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 3．1方案論證…………2電源模塊電機(jī)控制循跡避障模塊顯示模塊 3．2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)………………3軟、硬件設(shè)計(jì) 4．1系統(tǒng)硬件原理……3 4．2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)……4 軟件系統(tǒng)總流程圖及設(shè)計(jì)思路說明……………4LCD液晶顯示功能模塊…………5時鐘功能模塊…………………6紅外解碼功能模塊……………7循跡、避障功能模塊……………8安裝與調(diào)試 5．1各個模塊調(diào)試過程………………95.2所有模塊安裝與調(diào)試……………105．2故障分析…………10結(jié)論………10使用儀器設(shè)備清單………10收獲、體驗(yàn)……………11參考文獻(xiàn)……………12附錄引言自工業(yè)革命以來,隨著電氣的開展,人類進(jìn)入了文明的新階段。機(jī)器人已經(jīng)廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、效勞業(yè)、軍事、機(jī)械、交通、航天航空等領(lǐng)域。智能機(jī)器人水平的不斷提高,大大提高了勞動效率,減輕了勞動強(qiáng)度。機(jī)器人與人類并肩作戰(zhàn),在征服自然,改造自然地過程中發(fā)揮著重要作用。

智能小車是集力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、數(shù)字電路、模擬電路、傳感器、單片機(jī)、控制理論和算法等多門學(xué)科為一體的綜合系統(tǒng),其內(nèi)容涵蓋機(jī)械、電子、自動控制原理、傳感技術(shù)等多個學(xué)科和領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)的基于AT89S51的智能小車就是要求其從起跑線出發(fā),然后通過自身自動調(diào)整向角,使其自動沿著一條黑色引導(dǎo)線行駛。通過電視遙控器可切換小車工作在手控模式或自動避障循跡模式，并且能在諾基亞5110液晶屏上顯示時間及其狀態(tài)。第2章設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2．1設(shè)計(jì)任務(wù)制作一輛智能小車，完成以下幾個任務(wù)：在自動模式下，使其從起跑線出發(fā),然后通過自身自動調(diào)整向角,到達(dá)循跡的目的；在自動模式下，如果車子前面有障礙物擋著，小車能夠自動左轉(zhuǎn)直至無障礙物后繼續(xù)循跡；通過電視遙控器能夠?qū)χ悄苄≤囘M(jìn)行自動模式和手動模式的切換；在手動模式下，遙控中的7個按鍵可控制小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、開燈、關(guān)燈；用諾基亞5110液晶屏顯示時間〔年、月、日、星期、時、分、秒〕及小車的狀態(tài)。2．2設(shè)計(jì)要求1、實(shí)現(xiàn)自動與手動的靈敏轉(zhuǎn)換；2、遙控要準(zhǔn)確解碼，距離在1M以上；3、小車在循跡時背景為淺色、痕跡為深色也可用，避障要具有較強(qiáng)的抗干擾能力。第3章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.1方案論證電源模塊方案一：電腦USB端口提供5V直流電源，不過電流較小，無法同時驅(qū)動循跡模塊、避障模塊、液晶顯示模塊和單片機(jī)板；方案二：用充電器，通過LM7805芯片穩(wěn)壓后提供電路所需的5V電壓，不過需要接220V電源插頭，且小車在運(yùn)動時還會牽扯一條電源線，不夠方便自如，所以放棄此方案；方案三：用9V左右的直流蓄電池通過LM7805芯片穩(wěn)壓后提供電路所需的5V電壓，此方法能使小車運(yùn)動自如，且9V蓄電池價格廉價；綜上三種方案所述，最后我們選用方案三。電機(jī)控制方案一：采用繼電器對電機(jī)的開/關(guān)控制，通過開關(guān)的切換對小車進(jìn)行控制，這個電路的優(yōu)點(diǎn)是比擬簡單但是繼電器響應(yīng)時間慢，易壞，壽命短，可靠性不高方案二：采用PWM電路，用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，是它工作在占空比可調(diào)開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)對方向的控制，雖然反響速度快，穩(wěn)定性高，不過它占用的單片機(jī)內(nèi)部資源多且步進(jìn)電機(jī)價格昂貴，所以放棄此方案；方案三：通過L293B芯片驅(qū)動普通直流電機(jī)，并用單片機(jī)控制電機(jī)的方向，雖然不能進(jìn)行調(diào)速，不過體積小巧、價格廉價，更適合智能小車的安裝需求；經(jīng)過對以上三個方案的比擬，我們采用方案三。循跡避障模塊方案一：購置現(xiàn)成的循跡、避障模塊，精度高、誤差小、抗干擾能力強(qiáng)，不過價格較貴，最重要的是這樣一來我們就學(xué)的更少，對我們沒什么鍛煉的效果；方案二：自己制作PCB板，避障和循跡模塊都采用獨(dú)立的紅外發(fā)射管和接收管，通過放大、濾波、比擬后輸出電平，不過循跡高度雖高，但選用的元件要很多，電路復(fù)雜，放棄此方案；方案三：自己制作PCB板，循跡模塊采用TCRT5000紅外發(fā)射接收頭就能符合循跡所需高度，避障模塊采用獨(dú)立紅外發(fā)射管和接收管并用LM393比擬器比擬后輸出電平穩(wěn)定可靠，最長距離可達(dá)80cm，距離可以調(diào)整；綜上所述，我們最后選用方案三。顯示模塊方案一：用8個數(shù)碼管顯示時間，但無法顯示文字和小車的狀態(tài)，此方案放棄；方案二：用LCM1602液晶屏雖能顯示時間，字符等，不過占用單片機(jī)I/O口資源多，且無法顯示復(fù)雜點(diǎn)的漢字；方案三：用諾基亞5110液晶顯示屏除了能顯示時間、字符、復(fù)雜文字和圖案外，其價格也與方案二相當(dāng)，只占用單片機(jī)5個I/O口，連線簡單功能強(qiáng)大；綜上所述，我們選用方案三。3．2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)及說明圖3-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第4章軟硬件設(shè)計(jì)4．1系統(tǒng)硬件原理單片機(jī)是小車的控制中心，單片機(jī)最小系統(tǒng)的合理是小車平穩(wěn)運(yùn)行的前提，主要分為以下主要局部：各I/O輸出口、晶振電路、復(fù)位電路、ISP下載接口和紅外接收電路。循跡模塊完成的是黑線的識別功能，其主要有5個紅外光電管，紅外光電管分為兩局部，一局部為無色透明類似于LED的紅外發(fā)射局部，另一局部為黑色的紅外接收局部。在實(shí)際應(yīng)用中光電管的排列方式、排列間距是有講究的，為此，本設(shè)計(jì)采用“—〞排列，將兩個紅外光電管的間距設(shè)成黑線的寬度。避障模塊是NPN型光電開關(guān)，輸出狀態(tài)為0、1，即高電平、低電平，當(dāng)前方有障礙物是，它會輸出低電平，正常情況下為高電平輸出，輸出時外加一個上拉電阻即可連接在IO口上，上拉電阻一般在10k左右。所有硬件原理圖在附件圖4-1中。4．2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)總流程圖：LCD液晶顯示功能模塊：時鐘功能模塊：紅外解碼功能模塊：循跡、避障功能模塊：第5章安裝與調(diào)試5.1各個模塊調(diào)試過程用實(shí)驗(yàn)室的可調(diào)直流電源給循跡模塊和避障模塊提供+5V電壓，將手擋在紅外發(fā)射接收頭前面，通過反復(fù)調(diào)整微調(diào)電阻，測試適當(dāng)距離。給系統(tǒng)版通電，用電壓表測各個I/O口的電壓值是否正常？將音頻接口連接紅外一體接收頭，用COOL軟件查看各按鍵的波形。再把紅外一體接收頭裝到系統(tǒng)板上，并先寫入紅外解碼程序，測試各按鍵代碼是否正確，能否解碼成功？用文字取模軟件對漢字、符號取模，在將其代碼復(fù)制到程序表中，用最小系統(tǒng)板連接顯示模塊后燒寫簡單的文字程序，看其顯示屏能否正常顯示文字？5.2所有模塊安裝與調(diào)試把各個模塊、電機(jī)固定用銅柱支起的木板上，再將各個模塊用排線連接好，組成完整的硬件設(shè)施，用萬用表來測元件的電阻、壓降，以及截至/導(dǎo)通狀態(tài)的參數(shù)。整合、調(diào)整各個功能模塊程序，以防堆棧錯亂、數(shù)據(jù)單元重疊等問題。最后硬件、軟件一起調(diào)試。5.3故障分析循跡模塊一接上電源時，1K可調(diào)電阻調(diào)至0.1K時，電源電壓被拉低，原本5V變成3.3V左右，是由于發(fā)射管段的限流電阻調(diào)的太小，導(dǎo)致電流過大一致電壓被拉低，所以我們將可調(diào)電阻調(diào)至0.5K左右。避障模塊在光亮度相同的環(huán)境中運(yùn)行很順暢，不過當(dāng)接收管一朝著亮光時，就誤顯示為前方有障礙物，所以我們在發(fā)射管和接收管上加了黑色小圈熱縮管，用來吸收接收管周圍的可見光，這樣能一定程度地增大避障模塊的抗干擾能力。第6章結(jié)論手指經(jīng)過循跡模塊中的5個紅外發(fā)射接收頭前時，對應(yīng)的指示燈均能熄滅，距離幾乎都相等，約為2cm左右。手從遠(yuǎn)到近靠近避障模塊到一定距離內(nèi)，指示燈能亮起，避障距離能調(diào)在10cm左右。諾基亞5110顯示屏能正常顯示時間、車子的方向標(biāo)志、彩燈開關(guān)標(biāo)志和遙控開關(guān)標(biāo)志。電源模塊能提供4.5V穩(wěn)定電壓，時間一天誤差能控制在0.1s以內(nèi)。最后，車子可以依照任務(wù)要求工作在自動模式(避障、循跡)、手動模式〔前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、彩燈開關(guān)〕。第7章使用儀器設(shè)備清單元件名稱數(shù)量AT89S51芯片1個萬用表1個數(shù)字示波器1個諾基亞5110液晶屏1個9V蓄電池1個1.5V普通電池〔5號〕4個5號電池槽2個LM7805芯片1個散熱片1個DS1302芯片1個10K排阻1個1K排阻1個排針、插槽、排線假設(shè)干12MHz晶振 、32.768KHz晶振 各1瓷片電容、普通電阻假設(shè)干收獲、體驗(yàn)細(xì)節(jié)決定成敗:使用軟件和編寫程序時一定要注意每一個細(xì)節(jié)，一個分號的遺漏也會造成錯誤。制作前一定要做好規(guī)劃設(shè)計(jì)，反復(fù)論證和計(jì)算，防止考慮不到的地方使得做好的東西需要翻工，如果制作或使用中發(fā)現(xiàn)問題，既極大地打擊積極性和自信心，還會極大地消耗時間，拖延工程的進(jìn)度。制作硬件也一定要耐心細(xì)致，極小的失誤都會造成短路等問題而直接造成大錯。在設(shè)計(jì)中，如果沒有考慮到哪怕任何一個細(xì)節(jié)，都有可能讓沒考慮到的情況造成BUG，使各個子程序的時序和運(yùn)行之間可能會互相干預(yù)和沖突。

2、動手實(shí)踐能力有著非常重要的意義:

多年接受應(yīng)試教育，使我們無視了動手技能的培養(yǎng)和這方面素質(zhì)的養(yǎng)成。各個實(shí)驗(yàn)板的焊接，對各個成員都非常有吸引力，而且確實(shí)使我們培養(yǎng)了動手能力，并且意識到了動手實(shí)踐的重要意義。單片機(jī)課是到目前為止是我們所接觸到的與實(shí)際最為接近的一門課程。在這之前，學(xué)習(xí)到的理論性課程讓我們走入了一種誤區(qū)——理論的完備性是最重要的，只要理論完美了，具體實(shí)踐上的落實(shí)是順理成章的事情。但是學(xué)習(xí)了這門課之后，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)踐中蘊(yùn)藏的智慧也是非常豐富的，實(shí)踐能力對于我們的意義同理論知識同樣重要。3、團(tuán)隊(duì)合作和分工的重要意義:

沒有完美的個人，只有完美的團(tuán)隊(duì)。在這樣復(fù)雜和長期的任務(wù)面前，一個人的力量是薄弱的，一個人能想到和做到的也是極其有限的。通過分工合作，每個人不必在短期內(nèi)掌握太多的東西，而是通過充分信任隊(duì)友的能力和專心鉆研自己的任務(wù)來使團(tuán)隊(duì)效率大大提高。4、交流請教的必要性:

遇到問題的時候，憑借一個人或一組人的智慧是不好解決的；我們周圍有許多很強(qiáng)的同學(xué)，還有許多經(jīng)驗(yàn)豐富，通過請教和討論可以產(chǎn)生一種茅塞頓開的效果。事情總是越說越明白，而且好多非常有新意和實(shí)用價值的想法也是在大家的討論中得到和開展出來的。5、方案的重要性:

在這樣一個復(fù)雜工程的實(shí)施過程中，我們遇到了很多困難和挫折。很幸運(yùn)我們方向一直明確，堅(jiān)持按照方案，一步步克服困難，最終在辯論前實(shí)現(xiàn)了我們預(yù)想的效果?，F(xiàn)在想來，我們確實(shí)是因?yàn)橐粋€明確的方案，一點(diǎn)點(diǎn)克服困難，一點(diǎn)點(diǎn)積累經(jīng)驗(yàn)，才走到現(xiàn)在的，這其中方案的重要性不言而喻。

通過這次課程設(shè)計(jì)，對以前學(xué)過的知識進(jìn)行了穩(wěn)固，加深了理解，提高了應(yīng)用的能力，而且提高了我們的發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力。經(jīng)歷了從最初的設(shè)計(jì)到最后做出產(chǎn)品的開發(fā)過程，提高了對專業(yè)的認(rèn)識及興趣，對于我們工科來說，對以后就業(yè)有及其重大的影響。在工程制作過程中的困難和喜悅、希望和失望、失敗和成功等也都將成為我們心中珍貴的精神財富。參考文獻(xiàn)1張迎新.單片機(jī)初級教程：單片機(jī)根底.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.82張永楓.單片機(jī)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)教程.北京：清華大學(xué)出版社，2023.12

3莊俊華.單片機(jī)開發(fā)上崗培訓(xùn)教程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.64劉海濤.8051單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)與實(shí)例解析.北京：清華大學(xué)出版社，2023.125吳巍.用電腦聲卡捕捉和分析紅外遙控編碼附錄致謝畢業(yè)設(shè)計(jì)是對我們知識運(yùn)用能力的一次全面的考核，也是對我們進(jìn)行科學(xué)研究根本功的訓(xùn)練，培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)知識獨(dú)立地分析問題和解決問題的能力，為以后撰寫專業(yè)學(xué)術(shù)論文和工作打下良好的根底。本次設(shè)計(jì)能