基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計與制作-大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽

1、<p>　　序號： 編碼： </p><p><b>　　第xx屆“挑戰(zhàn)杯”</b></p><p>　　xxx省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽</p><p><b>　　作 品 申 報 書</b></p><p>　　作品名稱：

2、 基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計與制作 </p><p>　　學(xué)校全稱： xxx學(xué)院 </p><p><b>　　個人申報者姓名</b></p><p>　?。?體 名 稱）： xx

3、 </p><p>　　指導(dǎo)老師姓名： xx </p><p><b>　　類別：</b></p><p><b>　　自然科學(xué)類學(xué)術(shù)論文</b></p>

4、<p>　　□哲學(xué)社會科學(xué)類社會調(diào)查報告和學(xué)術(shù)論文</p><p><b>　　□科技制作</b></p><p><b>　　小發(fā)明創(chuàng)造</b></p><p>　　基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計與制作</p><p>　　摘要：隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和制造技術(shù)的飛速發(fā)展，智能技術(shù)必將

5、迎來它的發(fā)展新時代，我們想如果能將其運(yùn)用到煤礦勘測，環(huán)境信息采集等方面，將會更好地滿足人們的需求。因此，我們設(shè)計了這款智能小車。該設(shè)計采用STC89C52單片機(jī)為控制核心，采用驅(qū)動芯片L298N構(gòu)成雙H橋控制直流電機(jī)，利用傳感器檢測道路上的障礙，控制電動小汽車的自動避障，快慢速行駛，自動尋跡和尋光等功能。在軟件設(shè)計方面,則分為三個模塊,即數(shù)據(jù)采集模塊,信號處理模塊,控制器控制電機(jī)模塊。其中軟件系統(tǒng)采用C程序，整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，容易

6、實(shí)現(xiàn)，可靠性能高。此設(shè)計實(shí)現(xiàn)了小車的無人駕駛，通過對路面的檢測，由單片機(jī)來判斷控制小車，使其變得智能化，實(shí)現(xiàn)自動的前進(jìn)，轉(zhuǎn)彎，停止功能.此系統(tǒng)完善后可以應(yīng)用到道路檢測，安全巡邏中，同時，可以以此為基礎(chǔ)，將其應(yīng)用到生活或者工業(yè)制造中去，即增添我們的生活樂趣也提高了工業(yè)效率，最重要的是能降低工作中的危險性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：單片機(jī)；自動循跡；驅(qū)動電路</p><p><b&g

7、t;　　目 錄</b></p><p><b>　　1緒論4</b></p><p>　　1.1本課題的研究的背景以及現(xiàn)實(shí)意義 4</p><p>　　1.2課題研究的目的和意義 6</p><p>　　1.3本設(shè)計的研究方向 6</p><p>

8、<b>　　2 方案設(shè)計7</b></p><p>　　2.1小車車體的選用7</p><p>　　2.2 主控芯片的選用7</p><p>　　2.3 PWM調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)8</p><p>　　2.4 系統(tǒng)原理圖9</p><p>　　3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計11</p>

9、<p>　　3.1單片機(jī)電路的設(shè)計11</p><p>　　3.1.1單片機(jī)的功能特性描述11</p><p>　　3.1.2晶振電路12</p><p>　　3.1.3復(fù)位電路13</p><p>　　3.2紅外線循跡避障模塊14</p><p>　　3.2.1黑線循跡模塊14</p&g

10、t;<p>　　3.2.2避障模塊設(shè)計15</p><p>　　3.3 聲控模塊16</p><p>　　3.4 比較模塊16</p><p>　　3.5 測速模塊和循光模塊17</p><p>　　3.6 電源模塊18</p><p>　　3.7 電機(jī)驅(qū)動模塊18</p>

11、;<p>　　3.7.1．L298N引腳結(jié)構(gòu)19</p><p>　　3.7.2．電機(jī)驅(qū)動原理20</p><p>　　3.7.3 小車運(yùn)動邏輯22</p><p>　　3.8 紅外遙控23</p><p>　　3.8.1．紅外線遙控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)23</p><p>　　3.8.2．編碼方式與解碼

12、原理24</p><p>　　4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計25</p><p>　　4.1 Keil編譯器軟件25</p><p>　　4.2 外部中斷子程序流程圖27</p><p>　　4.3 主程序流程圖28</p><p>　　4.4 定時器中斷程序設(shè)計28</p><p>　

13、　5系統(tǒng)的總體調(diào)試28</p><p>　　5.1 硬件的測試28</p><p>　　5.2 系統(tǒng)的軟件調(diào)試29</p><p>　　6 結(jié)論..........................................................................................................

14、..........................31</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p><p><b>　　1 緒論 </b></p><p>　　1.1本課題的研究的背景以及現(xiàn)實(shí)意義 </p><p>　　目前 ，在企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高、對自動化

15、技術(shù)要求不斷加深的條件下，智能車輛以及在智能車輛基礎(chǔ)上開發(fā)出來的各種產(chǎn)品已成為自動化物流運(yùn)輸、柔性生產(chǎn)組織等一些系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。世界上許多國家都在進(jìn)行智能車輛的研究和開發(fā)設(shè)計。移動機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個重要分支，出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代。當(dāng)時斯坦福研究院的Nils Nilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年期間研制出了取名shakey的自主式移動機(jī)器人，目的是將人工智能技術(shù)應(yīng)用在復(fù)雜條件

16、下，完成機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。從此，移動機(jī)器人從無到有，數(shù)量不斷的增多，智能車輛作為移動機(jī)器人的一個重要分支也會得到越來越多的關(guān)注。 </p><p>　　智能車輛，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動行駛等功能于一體的綜合性系統(tǒng)，它集中地運(yùn)用了計算機(jī)、信息、傳感、通信、導(dǎo)航及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。它具有道路障礙的自動識別、自動制動、自動報警、自動保持安全距離和巡航控制等功能。

17、智能車輛主要的特點(diǎn)是在復(fù)雜的道路情況下，能自動地操縱和駕駛車輛繞開障礙物并且能沿著預(yù)定的軌跡行進(jìn)。智能車輛在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一些智能化技術(shù)設(shè)備: </p><p>　　(1)計算機(jī)處理系統(tǒng)，主要完成對從攝像機(jī)所獲取的圖像的預(yù)處理、增強(qiáng)、分析、識別等工作; </p><p>　　(2)攝像機(jī)，用來獲得道路的圖像信息; </p><p&g

18、t;　　(3)傳感器設(shè)備，車速傳感器用來獲得當(dāng)前車速，障礙物傳感器用來獲得前方、側(cè)方和后方障礙物等信息。 </p><p>　　這種智能小車的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個方面: </p><p>　　(1)軍事偵察與環(huán)境探測 </p><p>　　現(xiàn)代戰(zhàn)爭對軍事偵察提出了更高的要求，目前各國普遍重視對軍事偵察的建設(shè)，采取各種有效措施預(yù)防敵方

19、的突然襲擊，并廣泛應(yīng)用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，不斷研制多用途的偵察器材和探測設(shè)備，在車上裝配攝像機(jī)、安全激光測距儀、夜視裝置和衛(wèi)星全球定位儀等設(shè)備，通過光纜操縱，完成偵察、監(jiān)視敵情、情報收集、目標(biāo)搜索和自主巡邏等任務(wù)，進(jìn)一步的擴(kuò)大偵察范圍，提高偵察的時效性和準(zhǔn)確性。 </p><p>　　(2)探測危險與排除險情 </p><p>　　在戰(zhàn)場上或工程中，經(jīng)常會遇到各種各樣的意外。

20、這時，智能化探測小車就可以發(fā)揮很好的作用。戰(zhàn)場上，可以使用智能車輛掃除路邊炸彈、尋找和銷毀地雷等。民用方面，可以探測化學(xué)泄漏物質(zhì)，可以進(jìn)行救援滅火，以及在強(qiáng)烈地震發(fā)生后到廢墟中尋找生還人員等。 </p><p>　　(3)安全檢測受損評估 </p><p>　　在工程建設(shè)領(lǐng)域，可以對高速公路自動巡跡，進(jìn)行道路質(zhì)量檢測和破壞分析檢測;對水庫堤壩、海岸護(hù)岸堤、江河大壩等進(jìn)行

21、質(zhì)量和安全性檢測。在制造領(lǐng)域，可用于工業(yè)管道中機(jī)械損傷、裂紋等缺陷的探尋，對輸油和輸氣管線的泄漏和破損點(diǎn)的查找和定位等。 </p><p><b>　　(4)智能家居 </b></p><p>　　在家庭中，可以用智能小車進(jìn)行對家具、家用電器，室溫等進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。對這種小車的研究，將為未來環(huán)境探測術(shù)上的有力支持</p><p&g

22、t;　　1.2課題研究的目的和意義 </p><p>　　科技的進(jìn)步帶動了產(chǎn)品的智能化，單片機(jī)的應(yīng)用更是加快了發(fā)展的步伐，它的應(yīng)用范圍日益廣泛，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了計算機(jī)科學(xué)的領(lǐng)域。小到玩具、信用卡，大到航天器、機(jī)器人，從實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、過程控制、模糊控制等智能系統(tǒng)到人類的日常生活，到處都離不開單片機(jī),此設(shè)計正是單片機(jī)的一個典型應(yīng)用。此設(shè)計實(shí)現(xiàn)了小車的無人駕駛，可以運(yùn)用到煤礦勘測，環(huán)境信息采集等方面，并且該設(shè)計具

23、有實(shí)際意義，可以應(yīng)用于考古、機(jī)器人、醫(yī)療器械等許多方面。尤其是在足球機(jī)器人研究方面具有很好的發(fā)展前景，在考古方面也應(yīng)用到了超聲波傳感器進(jìn)行檢測。所以本設(shè)計與實(shí)際相結(jié)合，現(xiàn)實(shí)意義很強(qiáng)。</p><p>　　1.3 本設(shè)計的研究方向</p><p>　　單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，無論是在生活，生產(chǎn)上，單片機(jī)無處不在。單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時控制、儀器儀表、通訊設(shè)

24、備、家用電器等各個領(lǐng)域。其應(yīng)用如此廣泛，所以有必要去學(xué)習(xí)和應(yīng)用單片機(jī)，以滿足實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)的需要，也是適應(yīng)社會智能化、自動化的趨勢。 </p><p>　　通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計并實(shí)現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力。在實(shí)踐過程中，熟悉以單片機(jī)為核心控制芯片，設(shè)計小車的各種檢測、驅(qū)動和顯示等外圍電路，采用智能控制算法實(shí)現(xiàn)小車的智能循跡、自動避障、循光和測速等功能。靈活應(yīng)用機(jī)電等相關(guān)學(xué)科的理論知識，聯(lián)系實(shí)際電路設(shè)

25、計的具體實(shí)現(xiàn)方法，達(dá)到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。在此過程中，加深對控制理論的理解和認(rèn)識。</p><p><b>　　方案設(shè)計</b></p><p>　　2.1小車車體的選用</p><p>　　車體選用有兩種途徑，一種是自制車體，一種是購買玩具車體進(jìn)行改裝。由于自制車體過程復(fù)雜，帶負(fù)載能力差，可謂既費(fèi)時又費(fèi)力。于是選擇市場上常用的小車底盤，質(zhì)量堅硬

26、，承載能力強(qiáng)，上面有很多可擴(kuò)展的小孔，便于模塊的安裝和使用。本設(shè)計采用兩個直流步進(jìn)電機(jī)直接與車輪相連，電機(jī)上裝有編碼盤，便于測速、測距試用。 </p><p>　　2.2 主控芯片的選用</p><p>　　一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含有兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定時/計數(shù)器﹑中斷系統(tǒng)等能量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時，必須

27、在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)配置，既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤顯示器﹑打印機(jī)﹑A/D﹑D/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計合適的接口電路。</p><p>　　STC89C52單片機(jī)是把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、并行I/O口、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器

28、。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。</p><p>　　2.3 PWM調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　PWM信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：一種是軟件的方法；另一種是硬件的方法。硬件方法的實(shí)現(xiàn)已有很多文章介紹，這里不做贅述。本次主要介紹利用單片機(jī)通過軟件設(shè)計產(chǎn)生PWM信號實(shí)現(xiàn)電機(jī)的

29、調(diào)速。本小車的PWM調(diào)速采用的是調(diào)寬定頻的方法，其原理是通過控制驅(qū)動電機(jī)電壓導(dǎo)通與斷開的時間比值得到電壓平均值來控制小車速度。</p><p>　　PWM調(diào)速系統(tǒng)與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點(diǎn)：由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流，低速特性好。同樣，由于開關(guān)頻率高，快速響應(yīng)特性好，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，可以獲得很寬的頻帶，開關(guān)器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗小，裝置效率高

30、。</p><p><b>　　2.4 系統(tǒng)原理圖</b></p><p>　　智能循跡小車主要由STC89C52單片機(jī)電路、TCRT5000循跡模塊、L298N驅(qū)動模塊、直流電機(jī)、小車底板、電源模塊等組成。</p><p>　　圖2.1智能小車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　本設(shè)計智能小車采用STC89C52單片

31、機(jī)進(jìn)行智能控制。開始由手動啟動小車，并復(fù)位，通過遙控切換模式，可以完成簡單的前進(jìn)后退左右轉(zhuǎn)彎功能，采用雙極式H型PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，達(dá)到小車的慢速行駛狀態(tài)，同時遙控也可以切換到循跡模式、避障模式、循光模式和聲控模式。系統(tǒng)原理圖如圖2-1所示：</p><p>　　圖2.2智能小車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計</p><p>　　3.1

32、 單片機(jī)電路的設(shè)計</p><p>　　一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如ROM、RAM、I/O、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計相應(yīng)的電路；二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等。</p><p>　　3.1.1 單片機(jī)的功

33、能特性描述</p><p>　　單片機(jī)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(jī)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(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜。單片機(jī)內(nèi)部也有和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲器件。</p><p>　　單片機(jī)是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CP

34、U隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機(jī)系統(tǒng)。</p><p>　　本課題選擇了STC公司的生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，是帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲器。一個芯片上擁有8位CPU，并且在系統(tǒng)

35、可編程Flash。STC89C52提供給為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)高靈活、超有效的解決方案。 STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能:8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，兩個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。此外，空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直

36、到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。</p><p>　　表3.1 STC89C52單片機(jī)和AT89S52單片機(jī)的對比</p><p>　　3.1.2 晶振電路</p><p>　　在STC89S52單片機(jī)上內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。時鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。在1和XTAL2引腳上外接

37、定時元件，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。從XTAL1接入，如圖3.2所示。由于外部時鐘信號經(jīng)過二分頻觸發(fā)后作為外部時鐘電路輸入的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有要求。</p><p>　　本設(shè)計選用的是12MHZ無源晶振、2個22pF電容，使得一個機(jī)器周期是1μs。晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號，而兩個電容則是起到并聯(lián)諧振的作用，如果沒電容，振蕩電路會因為沒有回

38、路而停振，電路不能正常工作。</p><p>　　圖3.2 單片機(jī)晶振電路圖</p><p>　　3.1.3 復(fù)位電路</p><p>　　復(fù)位電路的作用是在上電或復(fù)位過程中，控制CPU的復(fù)位狀態(tài)：這段時間內(nèi)讓CPU保持復(fù)位狀態(tài)，而不是一上電或剛復(fù)位完畢就工作，防止CPU發(fā)出錯誤的指令、執(zhí)行錯誤操作，也可以提高電磁兼容性能。89系列單片機(jī)的復(fù)位信號是從RST引腳輸

39、入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。施密特觸發(fā)電路是一種波形整形電路，當(dāng)任何波形的信號進(jìn)入電路時，輸出在正、負(fù)飽和之間跳動，產(chǎn)生方波或脈波輸出。不同于比較器，施密特觸發(fā)電路有兩個臨界電壓且形成一個滯后區(qū)，可以防止在滯后范圍內(nèi)之噪聲干擾電路的正常工作。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機(jī)器周期(24個振蕩周期)以上，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。</p><p>　　如圖3

40、.3所示上電后，由于電容充電，使RST持續(xù)一段高電平時間。當(dāng)單片機(jī)已在運(yùn)行之中時，按下復(fù)位鍵也能使RST持續(xù)一段時間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)上電且開關(guān)復(fù)位的操作。</p><p>　　3.2紅外線循跡避障模塊 </p><p>　　3.2.1黑線循跡模塊　 圖3.4單片機(jī)復(fù)位電路圖</p><p>　　該模塊主

41、要利用紅外線收發(fā)管來檢測地面上的黑線。當(dāng)紅外發(fā)射管位于黑線上時， 發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線光被黑色吸收， 不能被反射回來， 此時， 接收端上的光電三級管基極電壓為零， 三極管不能導(dǎo)通， 輸出高電平， 與之相連的比較器同相端比較， 最終輸入單片機(jī)對應(yīng)引腳一個低電平。單片機(jī)檢測到輸入的低電平就會對電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理， 驅(qū)動小車轉(zhuǎn)彎， 使得這個紅外發(fā)射管偏離黑線。一旦離開黑線， 紅外接收管就能夠接受到紅外線， 三極管導(dǎo)通輸出低電平， 給單片機(jī)引

42、腳輸入一個高電平， 單片機(jī)檢測到該高電平后給相應(yīng)電機(jī)正轉(zhuǎn)命令， 小車恢復(fù)直線行駛。依此循環(huán)，最終小車就能沿著黑線所設(shè)定的的軌跡行駛。</p><p>　　表3.4信號采集與電機(jī)工作狀態(tài)</p><p>　　光電傳感器實(shí)現(xiàn)循跡的基本電路如3.5所示</p><p>　　圖3.5循跡傳感器電路圖</p><p>　　3.2.2避障模塊設(shè)計<

43、/p><p>　　常用的避障方法有兩種：一是采用超聲波避障。超聲波受環(huán)境影響較大，電路復(fù)雜，而且地面對超聲波的反射，會影響系統(tǒng)對障礙物的判斷。二是采用紅外線避障。該方案電路簡單，檢測距離易調(diào)節(jié)，靈敏度高，故本設(shè)計采用紅外線避障的方法。</p><p>　　采用三個紅外線收發(fā)管，分別置于小車左前方、右前方和正前方。</p><p>　　若光電避障開關(guān)檢測到障礙物，輸出端會

44、輸出一個低電平，并將輸出端信號送至比較器比較。若低于設(shè)置電壓就向單片機(jī)單片機(jī)輸出高電平。單片機(jī)根據(jù)左中右三個光電避障開關(guān)輸入高低電平信號的組合來判斷障礙物的位置，從而控制電機(jī)做出合適的動作。紅外線避障的優(yōu)點(diǎn)是檢測障礙物距離的長短可以通過調(diào)節(jié)比較器的可調(diào)電阻來確定。</p><p><b>　　3.3 聲控模塊</b></p><p>　　本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，采用一個拾音器

45、連接一個三級管的放大電路。在沒有聲音情況下三極管截止輸出高電平，而當(dāng)聲音分貝超過一定量的時候三級管導(dǎo)通，電路輸出低電平，單片機(jī)檢測到低電平后執(zhí)行預(yù)先編好的程序輸出。具體電路如圖3.6所示：</p><p>　　圖3.6 拾音器驅(qū)動電路</p><p><b>　　3.4 比較模塊</b></p><p>　　設(shè)計避障和循跡模塊時， 為了減小環(huán)境

46、自然光的干擾， 故在傳感器后接入一個比較器模塊，外接一個滑線變阻器， 通過調(diào)節(jié)電阻的大小， 改變比較器的閾值電壓， 從而改變傳感器的靈敏度。循跡模塊中當(dāng)較弱的紅外線進(jìn)入到光電三極管的基極， 三極管的集電極會有電壓， 但只要調(diào)大滑線變阻器接入的阻值， 使得光照射時， 集電極電壓高于閾值電壓， 此時光電對管仍然輸出低電平， 這樣就達(dá)到了消除環(huán)境光的目的。該電路接入的阻值越大， 閾值越高， 就越不容易受環(huán)境光的影響， 但靈敏度也就越低， 反應(yīng)

47、越慢。相反，就越容易受環(huán)境光影響， 靈敏度越高， 反應(yīng)越快 。</p><p>　　圖3.7LM393內(nèi)部電路、外部引腳和外圍電路</p><p><b>　　3.5測速模塊</b></p><p>　　測速模塊主要是基于紅外線收發(fā)管檢測，它具有速度快、精度高、反應(yīng)比較靈敏等優(yōu)點(diǎn)，將一編碼盤連接在小車車輪上，另編碼盤隨車輪的轉(zhuǎn)動而旋轉(zhuǎn)。因此在編

48、碼盤兩側(cè)的紅外收發(fā)管會接受到不同的電平，根據(jù)電平變換的次數(shù)和車輪半徑來計算行駛距離。通過定時器來計算速度，并由單片機(jī)輸出到顯示模塊。具體電路如圖3.8所示：</p><p>　　圖3.8 測速模塊電路圖</p><p><b>　　3.6電源模塊</b></p><p>　　電源如果采用干電池，小車的電路功耗過大會導(dǎo)致后輪電機(jī)動力不足。本次設(shè)計

49、使用7.2V鋰離子可充電電池，給電機(jī)供電，然后使用7805穩(wěn)壓管來把高電壓穩(wěn)定到5 V分別給單片機(jī)和電機(jī)驅(qū)動芯片供電。電路接法如圖3.9所示：</p><p>　　圖3.9電源電路的降壓 </p><p>　　3..7電機(jī)驅(qū)動原理</p><p>　　本設(shè)計采用L298N電機(jī)專用驅(qū)動芯片帶動兩個直流電動機(jī)。</p><p>　　直流電機(jī)由定子

50、和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器等組成。</p><p>　　其中L298N是ST公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)

51、動電路。可以驅(qū)動兩個直流電機(jī)或驅(qū)動兩個二相電機(jī)，也可單獨(dú)驅(qū)動一個四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V。直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓，直接通過單片機(jī)的IO端口提供信號，使得電路簡單，使用更方便。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號VSS，VSS通常接4.5~7V的電壓。4腳VS接電壓源，VS可接電壓范圍VIH為2.5~46V。L298N芯片輸出電流可達(dá)2.5 A，可驅(qū)動電感負(fù)載。</p><p>　　L298N是一個

52、內(nèi)部有兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動芯片，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)。使用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制，直接連接單片機(jī)管腳，具有兩個使能控制端，使能端在不受輸入信號影響的情況下不允許器件工作。L298N有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作。</p><p>　　3.7.1 L298N引腳結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖3.10L298N 驅(qū)動芯片</p>&

53、lt;p>　　表3.11L298N引腳編號與功能</p><p>　　3.7.2 電機(jī)驅(qū)動原理</p><p>　　電路的形狀很像字母H。四個三極管就是H橋的四條垂直線，而電機(jī)就是H中的橫線。</p><p>　　圖3.12 L298N內(nèi)部H橋驅(qū)動電路</p><p>　　圖3.12為一個典型的直流電機(jī)的控制電路。被命名為“H橋驅(qū)動電

54、路”主要是因為電路的形狀很像字母H。四個三極管就是H橋的四條垂直線，而電機(jī)就是H中的橫線。</p><p>　　如圖所示，H橋電機(jī)驅(qū)動電路包含四個三極管和一個電機(jī)。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須遵循導(dǎo)通對角線上的一對三極管?；诓煌龢O管對的導(dǎo)通情況可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，電流可可以從左至右流過電機(jī)，也可以從右至左流過電機(jī)。</p><p>　　如圖3.13所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1

55、從左至右流過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極，該流向的電流將驅(qū)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動。</p><p>　　下面分析另一對三極管Q2和Q3，當(dāng)兩個三極管同時導(dǎo)通的情況下，電流將從右至左流過電機(jī)。從而驅(qū)動電機(jī)沿逆時針方向轉(zhuǎn)動。</p><p>　　驅(qū)動電機(jī)時，保證H橋上兩個同側(cè)的三極管不會同時導(dǎo)通非常重要。如果三極管Q1和Q2同時導(dǎo)通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負(fù)極。此時，電路中除了三

56、極管外沒有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值，該電流僅受電源性能限制，可能燒壞三極管?；谏鲜鲈?，在實(shí)際驅(qū)動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關(guān)。</p><p>　　圖3.13所示就是基于這種考慮的改進(jìn)電路，它在基本H橋電路的基礎(chǔ)上增加了四個二極管來保護(hù)電路。四個與門同一個“使能”導(dǎo)通信號相接，這樣，用這一個信號就能控制整個電路的開關(guān)。</p><p>　　圖3.1

57、3L298N驅(qū)動芯片和直流電機(jī)接線圖</p><p>　　3.7.3小車運(yùn)動邏輯</p><p>　　圖3.14小車運(yùn)動邏輯</p><p>　　電機(jī)控制邏輯如下：以電機(jī)A為例，當(dāng)使能端EN A為高電平時，如果輸入引腳IN1為低電平而輸入引腳IN2為高電平，電機(jī)A反轉(zhuǎn)；如果輸入引腳IN1為高電平而輸入引腳IN2為低電平，電機(jī)A正轉(zhuǎn)。</p><p

58、><b>　　3.8 紅外遙控</b></p><p>　　3.8.1．紅外線遙控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　紅外線遙控系統(tǒng)是由發(fā)射端和接收端兩部分組成，如圖3-10所示。紅外線發(fā)射端就是紅外遙控器，主要包括鍵盤、編碼調(diào)制芯片、紅外線發(fā)射管。當(dāng)按下某一按鍵后，遙控器上的編碼調(diào)制芯片便進(jìn)行編碼，并結(jié)合載波電路的載波信號而成為合成信號，再經(jīng)紅外線發(fā)射二極管，將紅外

59、線信號發(fā)射出去。</p><p>　　圖3.15 紅外線發(fā)射、接收流程</p><p>　　紅外線接收端主要包括紅外線接收模塊、解碼單片機(jī)。其中紅外線接收模塊里包括光、電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)電路。當(dāng)紅外線發(fā)射信號進(jìn)入接收模塊后，在其輸出端便可以得到原先的數(shù)字控制編碼，再經(jīng)過單片機(jī)解碼程序進(jìn)行解碼，便可以得知按下了哪一按鍵，從而完成紅外線遙控的動作。</p><p>　　

60、3.8.2．編碼方式與解碼原理</p><p>　　紅外線遙控器的編碼與所使用的編碼芯片有關(guān)，不同的芯片編碼有所不同，但基本原理相似。一幀完整的發(fā)射碼是由引導(dǎo)碼、用戶編碼和鍵數(shù)據(jù)碼 3 部分組成。</p><p>　　圖3.16編碼的組成部分</p><p>　　引導(dǎo)碼由一個 4.5ms 的高電平脈沖及 4.5ms 的低電平脈沖組成。 八位的用戶編碼被連續(xù)發(fā)送兩次，

61、八位的鍵數(shù)據(jù)碼也被發(fā)送兩次，第一次發(fā)送的是鍵數(shù)據(jù)碼的原碼，第二次發(fā)送的是鍵數(shù)據(jù)碼的反碼，所以，整個數(shù)據(jù)編碼占用 32 位。</p><p>　　數(shù)據(jù)編碼方式是通過脈寬調(diào)制來實(shí)現(xiàn)的，以脈寬為 0.56ms，間隔為0.56ms，周期為 1.125ms 的組合表示二進(jìn)制的“0” ；以脈寬為 0.56ms，間隔為 1.69ms，周期為 2.25ms 的組合表示二進(jìn)制的“1” ，其接收端波形如圖3-13。</p>

62、;<p>　　圖3.17 二進(jìn)制“0”的編碼方式 圖3.18 二進(jìn)制“1”的編碼方式 </p><p>　　4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序﹑定時子程序、避障子程序﹑外部中斷子程序、顯示子程序﹑調(diào)速子程序﹑遙控子程序等構(gòu)成。</p><p>　　4.1 Keil編譯器軟件</p&

63、gt;<p>　　目前，52系列單片機(jī)使用的編程語言主要有匯編語言和C語言這兩種。</p><p>　　最接近機(jī)器的語言是匯編語言，其常用來編制與系統(tǒng)硬件相關(guān)的程序，如訪問I/O口、中斷處理程序等，它是一種最快而又最有效的語言，在對于程序的空間和時間要求很高的場合中 使用匯編語言是最佳的選擇，然而匯編語言也有其自身的缺點(diǎn)，比如程序開發(fā)周期較長、浮點(diǎn)運(yùn)算處理復(fù)雜、程序移植性差等不利因素。</p&

64、gt;<p>　　在程序設(shè)計過程中C語言編程設(shè)計思想被稱為模塊化程序設(shè)計思想。有的時候為了有效地完成任務(wù)，把所要完成的任務(wù)分割成若干個相互獨(dú)立但相互又仍然有所聯(lián)系的模塊，這些模塊使得任務(wù)變得相對簡單，對外的數(shù)據(jù)交換相對簡單、容易編寫、容易檢測，容易閱讀和維護(hù)。</p><p>　　本設(shè)計采用C語言來編譯程序。模塊化結(jié)構(gòu)程序的設(shè)計，可以使系統(tǒng)軟件便于調(diào)試與優(yōu)化，也使其他人更好地理解和閱讀系統(tǒng)的程序設(shè)計

65、。因此，軟件的設(shè)計上，運(yùn)用了模塊化程序的結(jié)構(gòu)對軟件進(jìn)行設(shè)計，使得程序變得更加直觀易懂。程序的主要模塊有：主程序、定時溢出中斷服務(wù)程序、外部中斷服務(wù)程序。</p><p>　　隨著單片機(jī)開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機(jī)的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機(jī)的軟件，這從近年來各仿真機(jī)廠商紛紛宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C編譯器

66、、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。掌握這一軟件的使用對于使用51系列單片機(jī)的學(xué)者來說是十分必要的，如果使用C語言編程，那么Keil幾乎就是不二之選，即使不使用C語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會事半功倍。</p><p>　　Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開

67、發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。</p><p>　　4.2外部中斷子程序流程圖</p><p>　　圖4.1外部中斷子程序流程圖</p><p>　　由于事先測試過按鍵的值，因此將收

68、到的數(shù)值與事先編好的程序?qū)Ρ?，與哪個按鍵匹配后就執(zhí)行相應(yīng)的操作。主要設(shè)置六個按鍵切換各個模式，九個按鍵來進(jìn)行遙控控制，以便實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)彎等各種功能</p><p>　　4.3主程序流程框圖</p><p>　　圖4.2 系統(tǒng)主程序流程圖</p><p>　　4 .4 定時器中斷程序設(shè)計</p><p>　　采用不斷改變定時器的初值來

69、實(shí)現(xiàn)電機(jī)的快慢轉(zhuǎn)彎等功能。小車快速行駛中需要轉(zhuǎn)彎時，程序會為定時器自動裝入初值，讓小車變?yōu)槁伲_(dá)到穩(wěn)定精確地轉(zhuǎn)彎。由于定時時間很短電機(jī)會平穩(wěn)減速，不影響小車正常行駛。</p><p>　　5 系統(tǒng)的總體調(diào)試</p><p><b>　　5.1 </b></p><p>　　按照之前設(shè)計好的智能循跡小車原理圖，詳細(xì)計算系統(tǒng)中各個元件的參數(shù)，

70、選擇相應(yīng)器件，制作實(shí)際電路板。然后選取萬用表的200歐姆檔來測試電路板。用紅、黑表筆來測試電路板上每條走線，如果測量的電阻值非常小時，證明走線沒有斷開，當(dāng)其電阻值很大時，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。</p><p>　　(1)晶振電路的測試</p><p>　　在單片機(jī)正常運(yùn)行的必要條件是單片機(jī)系統(tǒng)的時鐘穩(wěn)定正常。實(shí)際中，因為各種原因?qū)е孪到y(tǒng)時鐘不正

71、常而出現(xiàn)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行的情況時有，因此系統(tǒng)時鐘是否振是通電檢查的首要環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)通電的狀況下，用萬用表的直流電壓檔(20V)，分別測量XTAL1和XTAL2引腳的電壓，看是否正常，在調(diào)試過程中，測得電壓XTAL1引腳應(yīng)為2.05V,XTAT2應(yīng)為2.15V。</p><p>　　(2)復(fù)位電路的測試</p><p>　　復(fù)位不正常也會導(dǎo)致系統(tǒng)不能工作。如果復(fù)位引腳始終為高電平，系統(tǒng)將始終

72、處于復(fù)位狀態(tài)；如果始終為低電平，不能產(chǎn)生復(fù)位所需的高電平信號脈沖，則系統(tǒng)也可能無法正常工作。單片機(jī)正常工作時，RST復(fù)位引腳應(yīng)為0V，按下復(fù)位按鍵時，復(fù)位引腳為高電平5V左右[11]。</p><p>　　5.2 系統(tǒng)的軟件調(diào)試</p><p>　　在軟件調(diào)試中，使用功能強(qiáng)大且的WAVE 6000軟件進(jìn)行軟件編譯與調(diào)試,使用Microcontroller ISP Software及其配套

73、的單片機(jī)對程序進(jìn)行燒錄。軟件調(diào)試的流程是這樣的：先分別對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進(jìn)行統(tǒng)調(diào)[12]。</p><p>　　軟件的燒錄：第一步：安裝并運(yùn)行Microcontroller ISP Software軟件；第二步：點(diǎn)擊Options欄的select device選項；這時出現(xiàn)一個對話窗口，按圖選擇后，點(diǎn)擊OK按鍵，如出現(xiàn)所示窗口，則說明電腦與開發(fā)板沒連接好或單片機(jī)沒插好

74、等，需重裝檢查硬件連接，如果沒有出現(xiàn)則說明初始化成功。</p><p>　　第三步：點(diǎn)擊File欄的Load Buffer選項打開已經(jīng)編譯好的HEX文件。點(diǎn)擊載入，出現(xiàn)對話框點(diǎn)確定，再點(diǎn)擊圖“A”字圖標(biāo)，出現(xiàn)對話框后，按軟件默認(rèn)選項，點(diǎn)擊“OK”－“OK”―“OK”燒錄完成；否則重新檢查硬件連接后再重新燒錄。</p><p>　　通過軟件檢查出程序中出現(xiàn)了許多的問題。經(jīng)過多次的模塊子程序的

75、修改，一步一步的完善程序，來解決出現(xiàn)的問題。在軟件的調(diào)試過程中主要遇到的問題如下：</p><p>　　(1) 在測試中遇到小車遇到黑線電機(jī)不動.</p><p>　　解決：首先使用試測儀對電路進(jìn)行測試,觀察是否存在漏焊、虛焊、或電子元件損壞。</p><p>　　(2)輸入程序后，小車循跡不靈敏，還有就是當(dāng)拐彎度數(shù)過大，小車速度過快的時候，小車偶爾偏離軌道。<

76、;/p><p>　　解決：首先通過調(diào)節(jié)傳感器上的可調(diào)電阻，適當(dāng)?shù)脑龃蠡驕p小電阻可改變靈敏度?？梢越鉀Q循跡不迅速的問題。</p><p><b>　　6.結(jié)論：</b></p><p>　　在學(xué)習(xí)智能控制原理，單片機(jī)及傳感器等相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，本課題對以單片機(jī)作為中心控制器的智能車控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，從硬件和軟件兩方面對智能小車進(jìn)行了設(shè)計。針對小車在

77、行駛過程中的不同要求，采用模塊化設(shè)計方案設(shè)計智能小車，從而實(shí)現(xiàn)了智能小車實(shí)時顯示速度和里程實(shí)現(xiàn)規(guī)定區(qū)域內(nèi)自動尋跡、避讓障物等功能。由于采用模塊化設(shè)計，本系統(tǒng)具有良好的可升級性和擴(kuò)展性，在造價上也有一定的優(yōu)勢。采用單片機(jī)進(jìn)行控制處理，它具有編程靈活自由、易于控制、穩(wěn)定性能好、擴(kuò)展容易等優(yōu)點(diǎn)。作品可以作為高級智能玩具，也可以作為大學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式控制的強(qiáng)有力的應(yīng)用實(shí)例，對于移動式機(jī)器人的設(shè)計制作提供了一定的參考價值。</p>&

78、lt;p>　　在對智能小車的設(shè)計過程中，我了解到我國的機(jī)器人教育還處于初級階段而智能小車的研究為機(jī)器人控制理論的學(xué)習(xí)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)，因此本課題具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　當(dāng)然，智能小車的“智能”是有限的，由于傳感器受到自身性能的影響，傳感器獲得的信息非常有限，隨著傳感器種類的增多，一個強(qiáng)大的智能系統(tǒng)應(yīng)該是一個多傳感器系統(tǒng)，也是信息感知的新的研究方向。</p><p>

79、<b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 羅志增,蔣靜坪編著.循跡小車感覺與多信息融合[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003:1-10.</p><p>　　[2] 蔡自興編著. 中國的智能循跡小車研究[J]. 莆田學(xué)院學(xué)報, 2002,9 (3):36-39.</p><p>　　[3] 吳林編著. 智能循跡小車主題型號工作的

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