智能小车控制系统设计-哈尔滨理工大学毕业论.doc

哈尔滨理工大学学士学位论文+ 哈尔滨理工大学毕业设计（论文）评语学生姓名： 学号：学 院：自动化学院 专业：自动化任务起止时间： 2010年 3月 8日至 2010年 6月 25日毕业设计（论文）题目：智能小车控制系统设计指导教师对毕业设计（论文）的评语：论文论述了智能小车的制作与控制，介绍了基本原理，在此基础上进行基于单片机系统的软硬件设计，实现了对小车的控制，最终实现智能化。该论文结构合理，格式规范，语言流畅，方案设计合理，理论分析正确，达到了本科毕业学位论文要求，同意参加答辩。指导教师签名： 指导教师职称： 工程师 评阅教师对毕业设计（论文）的评语：评阅教师签名： 评阅教师职称： 答辩委员会对毕业设计（论文）的评语：答辩委员会评定，该生毕业设计（论文）成绩为： 答辩委员会主席签名： 职称： 年 月 日 教务处制表- II -哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书学生姓名： 学号：学 院：自动化学院 专业：自动化任务起止时间： 2010年 3月 8日至 2010年 6月 28日毕业设计（论文）题目：智能小车控制系统设计毕业设计工作内容：了解控制原理及设计规律，在此基础上进行智能小车系统的软硬件设计。时间安排如下：第 12 周：查阅相关资料并翻译外文资料；第 34 周：学习智能车的相关知识，开发出最小系统板；第 56 周：熟悉智能车的工作原理及开发调试过程；第 79 周：对智能车的各项参数进行测定并分析；第1012周：对智能车硬件结构进行设计；第1314周：利用keil编写上位机程序，并进行程序的调试；第1516周：书写论文的初稿，进一步完善控制系统及功能；第 17 周： 修改并完成书面论文，准备答辩。资料：1 飞思卡尔半导体公司全国大学生智能车竞赛与飞思卡尔S12单片机.单片机与入式系统应用J2007，(8)：78-792 徐鹤浅谈自动导向车(AGV)原理与应用J天津成人高等学校联合学报2005，7(5)：50-523 ChenBothe electric power drags along to move automatic control systemversion 2，Peking:the machine industrial publisher 2000：127-1304 高月华.基于红外光电传感器的智能车自动寻迹系统设计J半导体光电，2009，30(1)：134-137指导教师意见：签名：年 月 日系主任意见：签名：年 月 日智能小车控制系统设计摘要智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等等的用途。智能小车就是其中的一个体现。智能小车，也称轮式机器人，是一种以汽车电子为背景，涵盖智能控制、模式识别、传感技术、电子电气、计算机、机械等多学科的科技创意性设计。一般主要由路径识别、速度采集 、角度控制及车速控制等模块组成。本次设计的简易电动智能小车，采用STC89C52单片机作为小车的检测和控制核心，充分利用了自动检测技术、单片机最小系统、液晶显示模块电路，以及声光信号的控制、电机的驱动电路。通过Keil C和PROTEUS的仿真，实践操作与调试，最终实现小车的寻迹、自动往返与避障等功能。综合运用单片机技术、自动控制理论、检测技术等。使小车能在无人操作情况下，借助传感器识别路面环境，由单片机控制行进，实现初步的无人控制。单片机具有体积小、重量轻、耗电少、功能强、控制灵活方便且价格低廉等优点。单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。本设计以单片机为核心，附以外围电路，采用反射型光电探测器进行寻迹操作，利用光电传感器检测道路上的障碍，运用单片机的运算和处理能力来实现小车的各种功能，最终实现简单的智能化。关键词智能；单片机；检测和控制The Design of Automatic Cars SystemAbstractIntelligent as modern new invention, is a later development direction, he can operate in an environment automaticlly accroding to pre-set modes, without the need of human management and can be used in scientific exploration and so on purpose. Intelligent car is one of the embodiment.Intelligent car, also called wheeled robot, is a kind of taking automobile electronic as a background, covers intelligent control, pattern recognition, the sensing technology, electrical and electronic, computer, machinery and multidisciplinary technology creative design. Generally consists mainly of path recognition, speed acquisition, angle control and speed control module.The simple dynamoelectric intelligence car of this design adopts the STC89C52 MCU as the examination and control core of the car, make full use of the automatic detection technology, MCU smallest system, LCD module circuit, the control of signal, and the motor drive circuit. Through the simulation Keil C and PROTEUS, practice and debugging, finally realize the car tracing, automatic round-trip and obstacle avoidance, and other functions. Comprehensive use of microcontroller technology, automatic control theory, the detection technology, etc. That car in unattended operation circumstance, using sensor identify road environment. Travel by single-chip microcomputer control, realize the preliminary unmanned control.MCU has advantages for its small volume, light weight, less consumption, powerful functions, flexible operations and low in price. The application of MCU is fundamentally changing the traditional control system design ideas and design method.This design adopts MCU as controller core, attached to peripheral circuit, use reflective photoelectric detector tracing operation, using photoelectric sensor detection road barriers, using MCUs operation and processing power to achieve car all sorts of functions, and finally achieve simple intelligent.Keywords automatic；MCU；detection and control- II -哈尔滨理工大学学士学位论文目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 研究目的与意义11.2 国内外文献综述21.3 论文研究内容3第2章 系统方案论证与分析42.1 小车构架方案论证42.2 电机选择方案论证42.3 电机驱动方案论证52.4 供电电源方案论证62.5 寻迹检测方案论证62.6 避障方案论证62.7 无线遥控方案论证72.8 控制方案论证72.9 本章小结8第3章 硬件设计93.1 硬件原理图93.2 控制电路设计93.2.1 STC89C52单片机硬件结构93.2.2 最小系统的设计103.2.3 下载端口设计123.3 电源模块设计143.4 电机驱动模块设计143.5 寻迹模块设计173.6 避障模块设计183.7 遥控模块设计203.8 本章小结20第4章 软件设计214.1 软件设计环境简介214.1.1 Keil开发环境介绍214.1.2 STC_ISP程序下载说明234.2 寻迹程序设计244.3 避障程序设计254.4 遥控程序设计264.5 主程序设计284.6 本章小结28结论29致谢30参考文献31附录A32附录B42附录C46第1章 绪论1.1 课题背景2010年10月1日18时59分57秒345毫秒，嫦娥2号点火，19时整成功发射。在飞行后的29分53秒时，星箭分离，卫星进入轨道。19时56分太阳能帆板成功展开这次探月卫星的成功发射，标志着中国自动化领域进入了一个新的阶段。随着自动化的发展，自动化开始向复杂的系统控制和高级的智能控制发展，并广泛地应用到国防、科学研究和经济等各个领域，实现更大规模的自动化，例如大型企业的综合自动化系统、全国铁路自动调度系统、国家电力网自动调度系统、空中交通管制系统、城市交通控制系统、自动化指挥系统、国民经济管理系统等。自动化的应用正从工程领域向非工程领域扩展，如医疗自动化、人口控制、经济管理自动化等。自动化将在更大程度上模仿人的智能，机器人已在工业生产、海洋开发和宇宙探测等领域得到应用，专家系统在医疗诊断、地质勘探等方面取得显著效果。工厂自动化、办公自动化、家庭自动化和农业自动化将成为新技术革命的重要内容，并得到迅速发展。智能小车，也称轮式机器人，是一种以汽车电子为背景，涵盖智能控制、模式识别、传感技术、电子电气、计算机、机械等多学科的科技创意性设计，更是自动化的一种综合体现。一般主要由路径识别、速度采集、角度控制及车速控制等模块组成。近些年来全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究，可见其研究意义很大，也正因此掀起了智能车研究的一股热潮1。1.1.1 研究目的与意义小车，也就是轮式机器人，最适合在那些人类无法工作的环境中工作，该技术可以应用于无人驾驶机动车，无人生产线，仓库，服务机器人等领域。在危险环境下，机器人非常适合使用。在这些险恶的环境下工作，人类必需采取严密的保护措施。而机器人可以进入或穿过这些危险区域进行维护和探测工作，且不需要得到像对人一样的保护。例如美国的“勇气”号和“机遇”号，在火星探测过程中分别在其着陆区域附近找到火星上过去曾有过水的证据，为人类对火星的探测做出了巨大的贡献1。机器人的应用正逐步渗入到工业和社会的各个层面，如采用带有专用新型传感器的移动式机器人，连续监视采矿状态，以便及早发现事故突发的先兆，采取相应的预防措施；智能轮椅运用口令识别与语音合成、机器人自定位、动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制等功能，运用了现代高新技术来改善残障人们的生活质量和生活自由度。在智能车辆领域，智能小车自动行驶功能的研究将有助于智能车辆的研究。智能车辆驾驶任务的自动完成将给人类社会的进步带来巨大的影响，例如能切实提高道路网络的利用率、降低车辆的燃油消耗量，尤其是在改进道路交通安全等方面提供了新的解决途径。“工欲善其事，必先利其器”。人类在认识自然、改造自然、推动社会进步的过程中，不断地创造出各种各样为人类服务的工具，其中许多具有划时代的意义。作为20世纪自动化领域的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。因此为了使智能小车工作在最佳状态，进一步研究及完善其速度和方向的控制是非常有必要的。本文所研究的内容涉及寻迹、避障、人工操控等多种功能，初步实现智能化，可做为各类科研的基础模型，具有较大的研究空间，适合于多种领域的智能化研究与开发。1.2 国内外文献综述智能车辆的研究始于20世纪50年代初，美国Barrett Electronics公司开发出的世界上第一台自动引导车辆系统(Automated Guided Vehicle System，AGVS)。1974年，瑞典的VolvoKalmar轿车装配工厂与Schiinder-Digitron公司合作，研制出一种可装载轿车车体的AGVS，并由多台该种AGVS组成了汽车装配线，从而取消了传统应用的拖车及叉车等运输工具。由于Kalmar工厂采用AGVS获得了明显的经济效益，许多西欧国家纷纷效仿Volvo公司，并逐步使AGVS在装配作业中成为一种流行的运输手段。在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构正在研发智能车辆，使智能车技术迅速展起来。德意志联邦大学已经研发出多辆智能原型车辆。在1985年，第一辆VaMoRs智能原型车辆就已经在户外高速公路上以l00kmh的速度进行了测试。使用机器视觉来保证横向和纵向的车辆控制。1988年，在都灵的PROMETHEUS项目第一次委员会会议上，智能车辆维塔(VrrA)进行了展示，该车可以自动停车、行进，并可以向后车传送相关驾驶信息。这两种车辆都配备UBM视觉系统。这是一个双目视觉系统，具有极高的稳定性，同时还包括一些其他种类的传感器：三个加速度计、一个车轮位置编码器(可作为里程表或速度计)，在VaMoRs车中，ZIPS接收机可以实现车辆位置的初步估算。美国俄亥俄州立大学智能交通研究所所研发的三辆智能原型车辆，配备不同的传感器来实现数据融合和错误检测技术：基于视觉的系统；雷达系统(检测与车道的横向位置)；激光扫描测距器(障碍物检测)；其他传感器，如侧向雷达、转向陀螺仪。利用基于视觉的方法实现道路检测。利用一台安装在后视镜处的CCD摄像机，位置要尽可能高，车道检测系统可以处理这样的单幅灰度图像。算法假设道路是水平地，并且有连续或点化的车道标志线。前几帧检测的车道标志线数据也用来决定下一步兴趣热点区域，以简化图像处理。算法从图像中提取出重要的亮域，并以向量行驶存储，如道路消失点或道宽这样的数据参数，都可以作为计算车道标志线的参考，最后为了处理点划车道线，可以通过一阶多项式曲线来拟合，在进行向量计算。如果检测到左右车道标志线，就可以利用左右标志线来估计车道中心线；否则也可以利用估计的车道宽度及相关可视标志来估算中心线2。在我国，吉林大学智能车辆课题组长期从事智能车辆自主导航机理及关键技术研究。20世纪90年代以来，课题组开展的组态式柔性制造单元及图像识别自动引导车的研究对我国独立自主开发一种新型自动引导车辆系统，从而为我国生产组织模式向柔性或半柔性生产组织转化提供了有意义的技术支撑和关键设备。另外，我国清华大学、北京理工大学等单位也正在研发智能车辆。汽车自主驾驶技术是集模式识别、智能控制、计算机科学和汽车操纵动力等多门学科于一体的综合性技术，汽车自主驾驶功能水平的高低常被用来作为衡量一个国家控制技术水平的重要标准之一。智能车辆的相关技术，也将为促进轮式机器人的研究。 1.3 论文研究内容本课题主要开发一个基于路径处理的的智能小车控制系统，通过该系统，我们可以给小车给定一条轨迹，使其按预定路径行始。小车可以独自运行，也可人工及时操控调整，使其按正确的轨迹运行。本文主要有以下内容：1.智能小车相关领域的研究现状，本文首要介绍了与智能小车相关的机器人、智能车辆的发展历史、国内外研究现状。2.智能小车硬件系统的设计。详细介绍智能小车硬件电路的设计与实现。智能小车选择STC89C52单片机最小系统作为核心控制单元，完成电源模块、传感器模块、直流电机驱动模块、路径识别模块、等功能模块的设计。3.障基本原理。采用光电红外对管来识别路径，红外发射管与红外一体接收头来识别障碍。4.控制原理。采用红外识别，遥控器解码技术，来控制小车的行进方向，从而达到人工操控的目地。5.行实车试验，对小车进行调试。第2章 系统方案论证与分析本章主要介绍方案的选择与分析，主要包括单片机模块、电源模块、电机驱动模块、黑线检测模块以及液晶显示模块的方案选择与分析。2.1 小车构架方案论证小车行走机构的方案分析与选择：方案一：履带式行走机构：运行平稳、可靠，走直线效果很好；但结构相对复杂、移动速度较慢，转弯过程的控制性能较差。方案二：腿式行走机构：可以走出多种复杂的路线，但结构复杂、运动中的平衡性和稳定性差、移动速度较慢。方案三：两轮式行走机构：结构简单、运动平稳、移动速度快、转弯性能好，且易于控制，适用于小功率的行走驱动。方案四：四轮式行走机构：结构简单、运动平稳、移动速度快、易于控制。通过以上四种方案的优缺点，方案三与方案四可具有较大的可行性，但四轮式行走机构需要四个电机，控制算法相对复杂，且需要很大的驱动电流，对硬件要求较高，而两轮式能满足此设计要求，且结构简单，算法方便，要求驱动电流小，硬件结构简单。本设计以对称结构，简单方便为主，固综上考虑，采用方案三的设计思想。2.2 电机选择方案论证电动机选择方案与分析：方案一：采用步进电机：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角，这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。所以，若采用步进电机作为该系统的驱动电机，由于其转动的角度可以精确定位，可以实现小车前进距离和位置的精确定位。方案二：采用直流电机：采用直流减速电机，直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现无级快速启动、制动和反转；能满足各种不同的特殊运行要求。很方便的就可以实现通过单片机对直流减速电机前进、后退、停止等操作。通过以上两种方案的比较，两种方案均具有较大的可行性，但步进电机并不能象普通的直流电机、交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高的转速时会急剧下降，其转速较低时不适于小车等对速度有一定要求的系统。在价格方面，直流电机低于步进电机，易于购买，且对硬件要简单，完全可以实现此设计的要求，固综上考虑，此次设计采用直流电机作为动力源。2.3 电机驱动方案论证小车运行过程中要求电动机的转速在一定范围内调节,调速范围根据负载的要求而定。由公式(2-1) (2-1)N：电枢转速, ：电机端电压, ：电机端电流,：电枢电阻, ：常数, ：各极总磁通可以看出,调速可以有三种方法:1.改变电机端电压,即改变电枢电源电压；2.改变磁通,即改变激磁回路的调节电阻以改变激磁电流；3.在电枢回路中串联调节电阻。此时的转速公式(2-2)为： (2-2) 在实际电路设计中，改变电机的磁通或调节枢回路中串联调节电阻并不方便、实用。因此，主要选择通过改变电机两端电压的方法来实现电机的调速控制。下面是通过调节电机两端电压达到调速目的的三种方案：方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大，分压不仅会降低效率且实现困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏，寿命较短、可靠性不高。方案三：采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态,精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高。H型电路保证了可以简单的实现转速和方向的控制。电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。L298为SGS-THOMSON Microelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片(Dual Full-Bridge Driver) ，可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。内含二H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，输出电压最高可达50V。可以直接通过电源来调节输出电压，可以直接用单片机的IO口提供信号，而且电路简单，使用比较方便。PWM脉宽调制实际上就是改变电机端电压的平均值从而进行调速的一种方法。这种方法便于与单片机等数字系统接口，实现方便，而前两种方法必须要配合一定的外围模拟电路才能达到单片机控制目的，基于以上分析, 在电动机驱动模块上拟选定采用PWM脉宽调制方法。选用L298双全桥驱动芯片。2.4 供电电源方案论证供电电源方案的选择与分析：方案一：采用两个电源供电，将电动机驱动电源与单片机以及其周围电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。这样可以使电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性。方案二：采用单一电源供电。所用器件采用12V蓄电池为直流电机供电。因电动机启动瞬间电流很大，而且PWM驱动的电动机电流波动较大，会造成电压不稳 、有毛刺等干扰，可采用将12V电压降压、稳压后给单片机系统和其它芯片供电。这样供电比较简单3。基于以上的分析，两种方案均具有可行性，但方案一使用两个电源，增加了小车的重量与体积，增大了小车的惯性，虽然具有较大的优势，但综合考虑，符合设计要求的情况下，选择方案二做为小车的供电电源。2.5 寻迹检测方案论证寻迹检测方案的选择与分析：方案一：采用对射式红外光电传感器。用可见发光二极管与光敏二极管组成的发射接收分立对管光电传感器。这种方案的缺点在于，其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界光亮条件改变，很可能造成误判和漏判。虽然采取超高亮发光管可以降低一定的干扰，但这又将增加额外的功率损耗。在跑道上设置检测装置很不方便，故无法应用对射式光电开关探测跑道标志，只能采用反射式光电开关。方案二：采用反射式红外光电传感器，利用红外线发射管发射红外线，红外线二极管进行接收。采用红外线发射，外面可见光对接收信号的影响较小，寻迹电路中采用比较器LM393，信号进入后就会被放大，可以直接送给单片机进行操作，同时可以加一可调电阻，可以调节传感器的灵敏度，易于调试。本方案也易于实现，比较可靠4。综上所述，方案二具有可行性，选择方案二作为寻迹方案。2.6 避障方案论证避障方案的选择与分析：方案一：脉冲调制的反射式红外线接受器。由于该有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外红外红线接受的最大工作电流取决于平均电流。如果采用占空比小的调制信号，再平均电流不变的情况下，顺势电流很大（50100mA），则大大提高了信噪比。并且其反应灵敏，外围电路也很简单。它的优点是消除了外界光线的干扰提高了灵敏度。方案二：采用超声波传感器，如果传感器接收到反射的超声波，则通知单片机前方有障碍物，否则通知单片机可以向前行驶。市场上很多红外光电探头也是基于这个原理。这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性5。通过以上两种方案的比较，两种方案均可行，但第二种方案超声波传感器价格比格昂贵，所以与方案一相比，在要求不是很严格的情况下，方案一具有更大的选择性。2.7 无线遥控方案论证无线在各领域均有广泛的运用，而要实现无线控制，则要实现信号的无线接收与发送，基于无线的基本原理，提出以下几种方案进行选择与分析：方案一：采用PT2263与PT2272芯片作为系统的编码与解码，其中PT2262为无线发送芯片，PT2272解码输出，来实现无线信号的收发，从而达到无线控制的目的。方案二：采用NRF24L01成品收发模块。发射距离远，信号稳定，体积小，市场价格较低。方案三：使用红外线进行遥控，采用常用的红外遥控器进行红外信号的发射，用一体化红外接收头1838芯进行信号的接收，使用软件进行红外信号的解码，以此来识别按键，控制小车的行动6。以上三种方案均为常用的无线收发方式，但方案一不仅加大了硬件的需求，而且手工制作接收与发射模块，对手工要求较高，且发射距离较短。方案二采用成品的收发模块，体积小，性能稳定，可使用范围最高可达200m左右，市场价格较低。方案三采用红外一体接收头1838，解调信号输出端DOUT可直接被单片机识别，同时使用软件进行解码，大大简化了电路，发射距离 30m左右，能够满足设计需求。经过以上三种方案的比较，决定采用方案三做为小车的无线遥控方案。2.8 控制方案论证智能小车系统的核心模块即为主控单片机。选择一片数据处理能力强大、片内资源丰富的单片机，对设计各功能的更好实现具有极大意义。一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROMRAMI/O口定时/记数器中断系统等。若不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展。二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如液晶显示器A/DD/A转换器等，且需要设计合适的接口电路。控制系统是机械运行的核心，同样，在本次智能车的设计，为了实现小车的初步智能化，一个良好与否的控制芯片关系到最终的成败，而控制类的芯片多种多样，下面就以下两种进行选择与分析：方案一：采用AT89C51芯片，具有体积小、可靠性高、功耗低、结构简单、运算速度快等优点，同时被列入教科书已进行系统的学习与分析，是最早比较了解的芯片。其片内数据存储器RAM有128B，片内程序存储器Flash ROM 有4KB；可寻址片外64KB的RAM；两个16位的定时器/计数器；五个中断源、两个优先级的中断控制系统；方案二：采用STC89C52芯片，继承了AT89C51的功能，同时在其基础上进行了优良的改进，功能较强大。其片内8k ROM，256x8bit内部RAM，3个16位可编程定时/计数器，6个中断源，4层优先级中断结构7。以上两种芯片均可行，但AT89C51与STC89C52相比，后者具有较大优势，同时基于对STC89C52较为熟悉，所以采用方案二，使用STC89C52作为智能小车的总体控制芯片。2.9 本章小结本章主要介绍智能小汽车的设计思想与主要功能传感器的选择，分别介绍了小车本体的选择方案，电动机的选择策略，电动机驱动芯片的选择方案，寻迹、避障传感器以及无线遥控方案的选择，并且也讲述了如何供电电源的分配情况。通过上面的详细讲述，我们就可以科学合理的制作自己的小车，并把我们需要的功能加到上面，此款智能小汽车无论从工艺制作到传感器的选择，再到电源、电机的分配都较为合理，而且结构简单方便，适合电子爱好者进一步开发与研究。本次设计仅为智能自动化的初步研究，以展现基本自动化原理为主，具有很高的科学研究价值，在医疗器械、考古、军事、智能玩具以及机器人等方面都留有很大的研究与发展空间，相信会给更多的人提供一个研究智能电子产品的平台。智能单片机由软件和硬件结合控制，实现电路设定功能，其具有速度快、功耗低、体积小、外围器件少等优点，除此之外，智能电子产品还具有稳定性好、可靠性高，电路简单、功能实现容易，技术可升级，产品档次高等优势。随着社会不断地发展，在未来的日子里，智能化电子产品会越来越受到人们的关注与重视，此款小车就是一个简单可以从事一些设定功能的智能化电子产品。第3章 硬件设计3.1 硬件原理图电动智能小车采用STC89C52单片机进行智能控制。开始先手动启动小车开关，进行模式选择，并设有复位按钮。寻迹模式下，小车采用反射型光电探测器检测黑带，将信号传给单片机进行识别，同时通过单片机控制电机使小车前进，以及左、右拐弯的操作。避障模式下，避障模块开始工作，开始进行避障处理，小车开始进行自由避障，当进入停车区时，由红外进行识别，小车自动停车。系统原理图如图31所示。电源单片机STC89c522电机电机驱动无线控制遥控器寻迹避障黑线检测障碍检测电机驱动无线控制遥控器单片机STC89c52黑线检测寻迹避障障碍检测图3-1 系统原理图3.2 控制电路设计控制电路是整个智能车的核心，相当于人类的大脑一样，控制着整量车的行车方式，通过编写程序来实现各种功能，但单片机的工作需要一定的外围电路以及下载电路才能保证单片机的正常工作以及程序的下载，下面就将介绍STC89C52单片机的基本功能以及其外围电路、下载电路的设计。3.2.1 STC89C52单片机硬件结构STC89C52单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。1.中断系统：具有6个中断源，2级中断优先权。2.定时器/计数器：片内有3个16位定时器/计数器，具有四种工作方式。3.串行口：1个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。4.P1口、P2口、P3口、P4口为4个并行8位I/O口。使单片机对输出的控制更加灵活7。STC89C52主要功能如表3-1所示。表3-1 STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能3.2.2 最小系统的设计1.时钟电路STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图3-2(a) 所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间选择，电容值在530pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路如图3-2(b)所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。(a)内部方式时钟电路 (b)外部方式时钟电路图3-2时钟电路2.复位及复位电路(1)复位操作复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表3-2所示。表3-2 一些寄存器的复位状态寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP-07HTL100HDPTR0000HTH100HP0-P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00H(2)复位信号及其产生RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为12MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过2s才能完成复位操作。整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图3-3(a)所示。这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图3-3(b)所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图3-3(c)所示：电路图中的电阻、电容参数适用于12MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期8。本系统的复位电路采用图3-3(b)上电复位方式。(a)上电复位 (b)按键电平复位 (c)按键脉冲复位图3-3复位电路3.2.3 下载端口设计单片机程序的下载实质上就是单片机的通信，是指单片机与计算机之间的信息交换，通常单片机与计算机之间的通信我们用的有并行和串行两种通信方式，而在单片机系统以及现代单片机测控系统中，信息的交换多采用串行通信方式。串行通信又有两种方式：异步串行通信和同步串行通信。异步串行通信是发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，互不同步，一位接一位地顺序传送，由此可见，异步串行通信实现容易，设备开销较小，但每个字符要附加23位，用于起止位、校验位和停止位，各帧之间还有间隔，因此传输效率不高。同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同，通常含有若干个数据字符。它们均由同步字符、数据字符和校验字符(CRC)组成。其中同步字符位于帧开头，用于确认数据字符的开始。数据字符在同步字符之后，个数没有限制，由所需传输的数据块长度来决定；校验字符有1到2个，用于接收端对接收到的字符序列进行正确性的校验。同步通信的缺点是要求发送时钟和接收时钟保持严格的同步在单片机与单片机，单片机与计算机之间通信时，通常采用异步串行通信方式。PC机的串行口采用的是标准的RS-232接口，单片机的串行口电平是TTL电平，而TTL电平特性与RS-232的电气特性不匹配，因此为了使单片机的串行口能与RS-232接口通信，必须将串行口的输入输出电平进行转换。通常用MAX232芯片来完成电平转换。MAX232芯片是MAXIM公司生产的、包含两路接收器和驱动器的IC芯片，它的内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源电压变换成为RS-232输出电平所需的+10V电压。所以，采用此芯片接口的品德通信系统只需单一的+5V电源就可以了。对于没有+12V电源的场合，其适应性更强，加之其价格适中，硬件接口简单，所以被广泛采用8。图3-4即为MAX232的基本接线图。图3-4 MAX232基本接线图根据MAX232的基本接线与原理，结合单片机的基础知识，采用串口9针的母头做为单片机的通信接口，电路图如图3-5下所示。图3-5 下载通信端口原理3.3 电源模块设计电源模块为系统其它各个模块提供所需要的电源，主要为单片机、电机及其驱动、寻迹模块、臂章模块供电。供电电压有9V、6V、5V三种电压值。本系统采用12V的蓄电池做为供电电源，为得到所需电压需进行降压及稳压操作，采用常用的稳压芯片7809、7806、7805，分别得到9V、6V、5V稳定电压，设计电路图如图3-6所示：图3-6 电源模块3.4 电机驱动模块设计智能小车区别于普通的电动玩具小车的最大特点是：可以智能调节小车运行状态。如改变其运动方向、运动速度。在接收到外部主控单片机发出的指令后，能迅速做出“应答”，这就需要电机驱动芯片发挥作用。主控单片机发出指令给电机驱动芯片，驱动芯片接收到单片机指令后，通过输出端口控制电机迅速作出相应动作。本设计采用PWM调速技术来实现小车转向、调速控制，因为设计的电动小车采用2个直流电机，左、右两侧电机独立控制。经过之前论证分析后，决定选用L298电机驱动芯片。L298双全桥步进电机专用驱动芯片，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298如图3-7所示:图3-7 L298N Multiwatt封装外形图内部包含4信道逻辑驱动电路，可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。恒压恒流桥式2A驱动芯片L298内含二个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，输出电压最高可达50V。可以直接通过电源来调节输出电压，可以直接用单片机的IO口提供信号，而且电路简单，使用比较方便。电机驱动芯片L298直流电机单片机作为核心控制器，由I/O口发出各种高低电平组号信号，控制L298。L298接受到单片机控制信号，输出控制信号给电机，完成相应运行动作。直行左转右转倒车主控单片机STC89C52图3-8 电机驱动控制示意图通过图3-8，可清楚看出单片机电机驱动芯片直流电机的三级控制结构。采用此种控制结构，各级职责明确，结构清晰易于实现。本设计采用的是基于PWM原理的H型驱动电路实现调速功能。采用H桥电路可以增加驱动能力，同时保证了完整的电流回路。 采用 PWM 方法调整电机的速度，首先应确定合理的脉冲频率。脉冲宽度一定时，频率对电机运行的平稳性有较大影响，脉冲频率高,马达运行的连续性好，但带负载能力差，脉冲频率低则反之。当脉冲频率在 100Hz 以下时，电机转动有明显的跳动现象，小车不能连续顺畅运行。经反复试验，选择脉冲频率1000Hz，电机转动较平稳，控制效果较佳。脉宽调速实质上是调节加在电机两端的平均功率，其表达式(3-3)为： (3-3)式中为电机两端的平均功率；为电机全速运转的功率；为脉宽。 当 时，相当于加入直流电压，这时电机全速运转，；当时，相当于电机两端不加电压，电机靠惯性运转。 当电机稳定开动后，有(为摩擦力 )则 (3-4) (3-5)由(3-5)式可知智能小车的速度与脉宽成正比。 由上述分析，U1、U2这对控制电压采用了1000Hz 的周期信号控制，通过对其占空比的调整，对车速进行调节。同时，可以通过U1、U2的切换来控制电动机的正转与反转。对于L298驱动芯片，内部已集成2个H桥，只需在使能控制端EN1、EN2加载PWM波，通过调节PWM波的占空比，即改变加载到电机两端的电压平均值，来实现调速功能。当IN1端为高电平、IN2端为低电平时，二极管D1到D4导通，电机正转；反之，二极管D3到D2导通，电机反转。IN3、IN4端控制方法与IN1、IN2端相同，不再赘述。下图3-10为Mutiwatt15封装形式的L298驱动芯片引脚及外形图。图3-10 L298引脚及外形图表3-3列出了L298的各引脚功能。表3-3 L298引脚符号及功能表引脚功能封装1 、15SEN1、SEN2分别为两个H桥的电流反馈脚，不用是可以接地2 、31Y1、1Y2输出端，与对应输入端（IN1、IN2）同逻辑4Vs驱动电压，最小值需