精品基于单片机控制的智能小车设计与制作论文

目 录 中文摘要 . 1 英文摘要 . 2 1 引 言 . 3 2 方案论证 . 4 制核心的选择及其简介 . 4 片机简介 . 4 1 板简介 . 5 成开发环境（ 介 . 6 车驱动方式的选择 . 6 音播放和语音识别模块 . 6 电检测模块 . 7 碍检测模块 . 8 3 系统硬件设计 . 9 体结构及其驱动电路 . 9 线模块 . 12 线硬件电路设计 . 12 线传感器的安装 . 14 障模块 . 16 障硬件电路设计 . 17 障硬件电路的制作与安装 . 23 件完成后的小车总体图 . 24 4 系统软件设计 . 26 程序设计 . 26 线模块程序设计 . 27 碍检测模块程序设计 . 28 音 播放程序设计 . 30 5 使用说明 . 32 结论 . 34 谢辞 . 35 参考文献 . 36 附录 1 . 37 附录 2 . 39 附录 3 . 40 附录 4 . 42 附录 5 . 43 1 基于单片机控制的智能小车设计与制作 摘 要 : 课题的 主要 任务是设计并制作一辆智能小车 ， 要求 实现 小车 的 语音控制、循线行走、避免撞到障碍物三大功能。 设计 以凌阳 16 位单 片机为控制核心 ， 应用光电传感器和超声波传感器，成功实现了小车的三大功能。 课题完成了光电传感器和超声波传感器的 选择、 采购 、 各传感器 的 接口电路设计和制作，以及各传感器和电路的安装位置和方式的安排， 并 完成 了 整个硬件的制作 工作 。此外， 对 整个 控制软件 进行 设计 和程序的 编制 以及 程序的调试，并 最 终 完成 软件和硬件的融合，实现小车的预期功能。 关键 词 ： 智能小车，光电传感器，超声波传感器，单片机 2 is to an s to 6 as s of of of as as s At s s s s 3 1 引 言 当今世界 ， 传感器技术和自动控制技术正在飞速发展，机械 、 电气 和 电子信息已经不再明显分家，自动控制在工业领域中的地位已经越来越重要， “ 智能 ” 这个词也已经成为 了 热门词汇 。现在 国外的自动控制和传感器技术已经 达到了很高的水平，特别是日本，比如日本本田制作的机器人，其仿人 双足行走已经做得十分逼真，而且具有 一定的 学习能力， 还 据说 其智商已达到 6 岁儿童的 水平 。 作为机械行业的代表产品 汽车， 其与 电子信息 产业的融合速度 也 显著提高，呈现出两个明显的特点：一是电子装置占汽车整车（特别是轿车） 的 价值量比例逐步提高，汽车将由以机械产品为主向高级的机电一体化方向发展，汽车电子产业 也很有可能成为依托整车制造业和用车提升配置而快速成为新的增长点 ； 二是汽车开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展，使其不仅作为一种代步工具、同时能具有交通、娱乐、办公和通讯等多种功能。 无容置疑，机电一体化人才的培养不论是在国外还 是国内，都开始重视起来，主要表现 在大学生 的 各种大型的创新比赛，比如： 亚洲广播电视联盟亚太地区机器人大赛 （ 、 全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛 等 众多 重要竞赛都能很好的培养大学生对于机电一体化的兴趣与强化机电一体化的相关知识。 但 很现实的状况是 ， 国内不论是在机械还是电气领域，与国外的差距还是很明显的， 所以作为机电一体化学生，必须加倍努力， 为逐步赶上国外先进水平并超过之而努力。 为了适应机电一体化的发展在汽车智能化方向的发展要求，提出简易智能小车的构想，目的在于：通过独立设计并制作一辆具有简单智能化的简易小车，获得项目整体设计的能力，并掌握多通道多样化传感器综合控制的方法。所以立“ 基于单片机控 制的智能小车设计与制作 ”一题作为尝试。 此项设计是在 以 张老师提供的小车 为基础上， 采用凌阳 16 位单片机作为控制核心，逐步实现语音识别、躲避障碍和 循迹 行走三大功能。 本次设计主要解决利用凌阳单片机强大的语音识别功能实现语音识别，并独立设计和制作避障用超声波接口电路和 循迹 用红外发射和接收电路。最后完成硬件实物制作与组装，并编制相关程序，使其实现功能的融合，做出具有预先要求功能的实物。 4 2 方案论证 小车 总体功能 描述 ：在 小车的底盘上有一个总开关 ， 当 开关闭合时，小车开始工作， 播放 语音提示“请选择模式”， 进入模式选 择 菜单 ， 这时可以呼叫其名字，小车 则 做出 相应的 应答， 还可以 语音选择 模式，即 语音和 循线 两种模式 ， 确定工作模式后开始工作。 在语音模式下，可以识别前进，后退，左转，右转和返回五个命令，而且 在小车前进、左转或右转的过程中， 将 调用避障函数 进行避障 ，所以一旦离障碍物 的距离小于安全距离时， （设的 安全距离 为 23 小车 反转急停车， 播放 语音提示遇到障碍 ； 或者本来就离障碍 物 小于 安全 距离时，命令小车前进 、 左拐 、 右拐 ，小车 将 不会执行 相应 动作， 且 直接语音提示遇到障碍。当小车接到返回命令时，则返回至模式选择菜单，并 语音 提示返回 成功； 在 循线模式 下 ， 把 小车放到线轨 上 时则执行循线动作，值得注意的是 如果 小车 不在循线轨道上时 ，小车是不会执行循线动作的，只有在放到线轨上才会执行动作， 当 按下 控制板上的 退出循线模式 。至于左后退和右后退两个不常用的命令则由于 语音识别函数局限的 原因，放到了模式菜单那一级。 下面 根据设计要求，针对各模块 需要 完成的功能，本着简单、实用、廉价、容易操作、稳定的原则，对 各 模块进行充分的理论分析和方案论证。 制核心 的选择及 其 简介 因为所设计的小车具有语音、 循迹 和避障的功能，所一对控制核心的要求还是比较高的，特 别是 语音模块，一般的单片机很难满足要求，比如常用的 51系列单片机，要 其 真正实现语音识别很有难度，所以根据实际需要选用具有强大语音功能的 片机 的编程环境也比较人性化，采用专用的 集成开发环境（ 进行程序的编辑， 而且 其不仅支持汇编，还支持比较高级的 还有一个特点是这种 单片 为 凌阳 公司 所提供，有现成做好的 61板，也就是说有供电电路等 辅助电路 ，还特别具有 音频电路（含 复位电路等 。 片机简介 5 列产品 之后 ,凌阳科技推出的又一个 16位结构的微控制器 。 内嵌了 32较高的处理速度 ,使 以 也适用在数字语音识别应用领域 。 2。 6 3。 6工作速度范围为 0。 32 49115高的工作速度使其应用领域进一步拓宽 。 2232位可编程的多功能 I/ :两个 16位定时器 /计数器 ,32768低电压复位 /监测功能 ,8通道 10位模 数转换输入功能 ,并具有内置自动增益控制功能的麦克风输入方式 ,双通道 10位 数字声音和语音识别产品的一种非常经济的应用 。 1 板简介 61板是 简称，是以凌阳 16位单片机 核心的精简开发仿真实验板 （如图 ，大小相当于一张扑克牌，是“凌阳科技大学计划”专为大学生、电子爱好者等进行电子实习、课程设计、毕业设计 、电子制作及电子竞赛所设计的，也可作为单片机项目初期研发使用。 61 板除了具备单片机最小系统电路外，还包括有电源电路、音频电路（含 入部分和 频输出部分）、复位电路等，采用电池供电，方便学生随身携带 ！使学生在掌握软件的同时，熟悉单片机硬件的设计制作，锻炼学生的动手能力，也为单片机学习者和开发者创造了一个良好的学习条件和开发新产品的机会！ 图 61 板实物图 6 成 开发环境（ 介 61板配有凌阳自行研发设计的 16位单片机开发环境 工具在 持标准 C 语言和汇编语言，集编译、编程、链接、调试和仿真于一体，应用方便简单易学。同时还提供大量的编程函数库， 特别是语音播放和语音识别的相关函数， 大大加快了软件开发的进程。 集成开发环境 有友好的交互界面、下拉菜单、快捷键和快速访问命令列表等，使编程、调试工作方便且高效。此外，它的软件仿真功能可以在不连接仿真板的情况下模拟硬件的各项功能来调试程序。 在集成开发环境 以非常方便将编写好的程序，通过 61 板配套的下载线下载到 61板上进行在线调试 。 车驱动 方式 的选择 玩具小车上的两个电机均为 一般的玩具直流电动机，前轮用一个电机控制方向，后轮的电机用来驱动小车 ， 这就是传统的控制小车方向的方式，缺点是转向过于灵敏；另外一种常见 驱动 方式为 两电机四驱，差速转向，其优点是转向性能好， 能实现原地 360转向，且 在 循迹 行走的时候 能比较稳定的行驶 ，但是 这种驱动方式的 硬件制作比较有难度； 还有一种驱动方案是采用三轮方案，即前面或后面安装一个万向轮，然后两电机分别控制两驱动轮，这种驱动方式具有两电机四驱的优点，而且硬件制作简单多了。 比较上面 三种 方案， 首先排除了第三种方案，因为 一开始的定位是要做四轮车。对于 第二种驱 动方式 虽然 有制作的经验，但是制作过于麻烦，而且由于小车采用单片机控制，可以通过单片机自动校正来克服 第一种 转向过于灵敏的缺点，能达到运行平稳、安全高效的要求；再者， 参照 合肥工业大学参加 “飞思卡尔” 比赛的视频，其驱动就是采用 第一种 方式，并很好的实现了预期的功能 。 所以，本设计亦采用此种驱动方式。 音 播放和语音识别 模块 语音模块需要 实现 语音播放和语音识别的功能， 在 节 已经对控制核心作了选择 ， 利用 61板就能很好的 实现 这些功能。 7 前面已经对 61板进行了简单了介绍， 61 板上面已经集成了 音频电路（含 ，所以不必要对硬件电路进行单独设计了。再者，在 软件方面，凌阳提供了多种格式的语音播放函数和功能强大的语音识别函数库，极大的方便了语音模块的程序编制。 电 检测模块 光电 检测是用于 循迹 功能的， 这里的循迹是指小车 能 在 白色地板上 循 黑 线行走，通常采取的方法 便 是红外探测法。 红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小 车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过 3 传感器的选用是个艰难的过程， 放弃 使用 前几届师兄所采用的那种一般的红外发射接收对管，因为 那种管子太大， 不适合安装， 而且发射和接收为独立的部分，之间没有遮挡，容易造成干扰。 根据日常经验，麻将机中 有一种很好的红外发射接收 光耦管 可以用于循线， 经 查找相关资料， 查到如下几种型号的传感 ：后， 逐一 查找 到了 这几种 传感器的技术资料， 经过 仔细分析和对比 其 性能，结合购买可能性， 最后确定了选用号的传感器 ， 图 物图 8 碍检测模块 智能小车既然智能， 至少 要求其在行走的过程中不能碰到障碍物，所以其必须具有 避障 的功能。 避障 的基本原理为小车不断发射某种东西（比如光或波），并不断检测这种东西的反射情况 来 判断 前面 有无 障碍 。 一般 障碍检测传感器的选择有两种： A 利用光电开关。这种方法简单实用，也很稳定，而且接口电路简单，甚至不用单独设计接口电路。但是其体积较大，而且检测距离不够远，对障碍的要求也 比较高，比如遇到 玻璃之类的透明物体就不能有效识别 了 。 B 利用超声波。这种方法较为复杂，特别是接口电路的设计，有一定的难度，但其具有体积小、灵敏度高、检测距离远、对障碍物要求不高等优点。 光 电开关避障比较简单 ，就是在一定距离内有 反射 就认为遇到障碍，可以适当调节 接收灵敏度来小幅度调节避障距离 ，这种方式不需要单片机参与计算，所以可以为单片机节省资源 ；而 超声波的避障 原理则相对复杂一些： 超声波发射器向某一方向发射波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到发射波就立 即停止计时。超声波在空气中的传播 速度为 340m/s，根据计时器记录时间 t，就可以计算出发射点距离障碍物的距离（ s），即： s=340t/2。当计算的距离小于程序中设定的障碍 安全 距离时，则认为遇到障碍。所以这个距离可以方便的在程序中调节，但是这种避障方式需要单片机参与计算，占用了资源。 综合对比两种方案 的优略 ， 最终 采用超声波避障， 从网络上查得一种比较合适的超声波传感器，型号为 1，其实物图 如图 示 。 其实首先进行试验的时候采用的 超声波型号为 1，也许灵敏度不够 或是已 经坏了，在后来在成熟的电路上试验 并没成功 。 图 1 9 3 系统 硬件 设计 在第 2 章方案 论证 的基础上 ，根据设计要求，对各模块 的硬件 进行系统设计。由于语音 播放和语音识别 模块 在 61板上 已经有现成的电路， 所以 在 本章节中 将 不 再作说明。 体结构及其驱动电路 车体驱动方 式已经在前一章确定下来，硬件部分则在 张老师 提供 的 小车 基础上进行 ， 小车的实物图如图 制板下的电路板为电机驱动电路板 。 图 小车实物图 该 小车为四轮结构，车的结构示意图如图 示。其中前面两个车轮由前轮电机控制，在连杆和支点作用下 控制前轮左右摆动，来调节小车的前进方向。在自然状态下，前轮在弹簧作用下保持中间位置。后面两个车轮由后轮电机驱动，为整个小车提供动力，所以又称前面的轮子为方向轮，后面的两个轮子为驱动轮， 10 图 车体侧视图 图 车体顶视图 电机驱动电路 部分虽然在 小车上已经有了，但是还需要 把小车拆开来 对电路进行 详细的分析， 经分析， 前后电机的驱动电路是一样的，采用的 都 是 全桥驱动电路 ，其 后轮驱动 电路如图 示 ，前轮的驱动电路 和后轮驱动电路 是一样的，只是控制接口是 现以 后轮驱动电路为例，对其进行详细介绍。 个三极管组成 11 四个桥臂， 成一组， 成一组， 制 导通与关断，制 导通与关断，而 制（前轮驱动电路为 这样就可以通过 制四个桥臂的导通与关断控制后轮电机的运行状态，使之正转反转或者停转，进而控制小车的前进和后退（左拐和右拐）。 图 后轮电机驱动电路 还是 以 后轮 驱动电机为例， 当 1和 2和 轮电机正转，小车前进；反之当 高电平时 止， 通，后轮电机反转，小车倒退；而当 为低电平时 4都截止，后轮电机停转，小车停止运动。 值得注意的是 否则 会造成前轮驱动全桥的桥臂短路。 至于转向电机，其电路和驱动电机的电路是一样的，只是其控制端口为 且在 前轮 在弹簧的作用下保持在中间位置，所以通过控制 及 口的状态组合就可以得到小车不同的运动方式。 注 ： 样会造成前轮 或后轮 驱动全桥的桥臂短路。 结合以上对前轮和后轮的状态分析，得到小车的运行状态与输入的对照表，如表 12 表 输入与小车运动状态对照表 电机 前电机 小车 0 0 0 0 停转 停转 停 0 0 0 1 正转 停转 前进 0 0 1 0 反转 停转 倒退 0 1 0 1 正转 正转 左前 进 1 0 0 1 正转 反转 右前 进 0 1 1 0 反转 正转 右后退 1 0 1 0 反转 反转 左后退 * * 1 1 停转 * 禁止 1 1 * * * 停转 线模块 在 第 2章已确定了采用红外探测法来实现 循线的功能 ，也选用了型号为 射式光藕 ，在此章节中将 对 其 接口电路 和 安装方式 进行 详细 设计。 线硬件电路设计 通过互联网的 资料查询， 得知 一种自带发光二极管和光敏 二 极管的器件， 并 查得 其集电极电流如与反射距离 d 之间有图 。 图 d 关系 13 当反射距离一定时，其集电极电流就主要和 反射 率有关了，反射率越大，则集电极电流越大 ；反之则越小 。利用其这个特点就很容易把黑线和白线区分开来了。 给发光二极管串联一个电阻供电就可以实现； 根据集电极电流与反射率的关系，利用一个三极管就可以实现红外线的接收。 实际中需要用到两个 以相应的有两套电路，但两套电路完全一样， 设计出 的 口电路如图 000图 口电路 接口电路主要原理： 根据 检测到 黑白 地面 的反射率不同进行区分识别 ， 当检测到黑色地面时， 由于 反射率不高， 小，三极管 止而输 出高电平； 当检测到白色地面时，由于反射率较高， 大，三极管 而实现了白线的检测。 然后利用 555 构成施密特触发器，用于去除反射性光耦产生的噪声和波形的整形。 在实际中可以调整 调整 灵敏度， 所以 以设计成可调电阻 ，这样可以方便的调整其灵敏度 。 但 遗憾的是 在最后焊接电路板的时候，由于缺少可调电阻， 就没有做成灵敏度可调的了，而是通过很多次试验确定了一个比较适中且合适的阻值 理论上 555 的使用不是非常的必要，但是其 在实际中 能使得输出的信号更加的稳定可靠， 滤去了没用的噪声信号，所以还是比较重要的。 14 线传感器的安装 循线 原理：一般情况下线轨是白色或是黑色的，而背景地面的颜色则一般为对比度很大的黑色或白色 。需 说明一下 的是 我设计的小车是基于白色地面和黑色线轨的。 小车 在循线的时候 ，两个传感器夹着黑线行走， 小车方向 正常时其信号 均 为高电平（有反射），当小车偏离轨道 时，一侧的传感器信号将发生改变，控制核心则立即 发出 执行 相应的 修正 动作的命令 ，将小车重新拉入轨道，这样不断检测，不断的修正，小车便能实现巡线行走了。 根据小车循线的基本原理，传感器理所当然的是要安装在小车底部了， 而且是安装在对转向最为敏感的部位，也就是小车转向的时候小车摆动幅度较大的地方最佳。这样便能加快小车的反应速度，从而使得循线动作更为稳定。 因为小车为前轮转向，所以两个传感器安装的最佳位置就是小车底部的前面了。 其实 本来 可以 把它们和转向连杆固定在一块， 因为 这样可以使得传感器对于转向更为敏感而增强小车的循线能 力，但是由于车体结构的限制 ，这样安装很有难度， 在这里 也不必要有这样高的灵敏度，从而放弃了此方法。 相对 安装 位置 示意图 如图 图 相对安装位置示意图 很多循线小车设计都不止 用 两个传感器，一般为四个或更多， 安装形式为中心对称分布， 主要是用来防止由于小车惯性太大而冲出第一对传感器的检测范围。这种方法对于速度比较快的小车确实很实用，但是我所设计的小车对车速要求不高，所以就只用了两个传感器。 下面谈一下传感器 的 具体 安装，因为小车车体已经固定 ，所以传感器的安装比小车控制板 超声波传器 色地面 黑线 前轮 15 较被动。 前面已经对传感器的安装位置进行了分析，现在 先看一下小车前轮底部的实物图，如图 图 小车前轮底部实物图 不难发现 ， 底部 有两个孔，所以可以 利用这两个孔来安装和固定传感器了。具体方案是 先 把传感器焊接在 ，信号线由排线引出 （处理电路和超声波电路焊在一块板上， 并安装在车上部分， 具体请查看 障模块 ） ，再 把焊有传感器的 过那两个小孔用螺丝固定在上面。由于空间和 中间有个调整前轮转向平衡杆的原因， 的形状 必须 是 特殊 的 形状 ，经过仔细测量和用纸板模拟，得出了 电路 板的具体形状和尺寸， 如图 示 。 两个安装孔的位置要比较精确，因图 形状 16 为孔本来就比较小，误差大就安装不上去。那个半圆的作用是避开 调整前轮转向平衡杆 ，使的即使安装了传感器也不能影响它的功能。 然后便是硬件制作 ， 本来是打算制作 的，但是由于 某些 问题 ， 采用通过板代替了 。 通过 使 用小刀 、剪刀和小螺丝刀 等工具把通用板 加工成了 预想 的 形状，把 ，然后 经过测试就开始安装了 。 但 遗憾的 是没有找到 合适的螺丝，后来 在刘老师的帮助下用塑料给粘上了。这样的缺点是不容易拆卸 ，而且影响了前轮转向平衡调整杆的使用，但 幸运的 是影响 不大 ，而且比螺丝 安装 结实。安装好的实物图如图 图 循线传感器安装实物图 障模块 在第 2 章已经确定了 使 用超声波 避障 的方式 ， 并 对传感器进行了选择 ，在此章节中将对其 接口电路 和 安装方式 详细 进行 设计。 17 障硬件电路设计 超声波电路的设计是一个曲折过程，花费的时间和精力最多， 表 我查到的 1的产品性能 。 表 1 的产品性能 性能 要求 标称频率（ 40 发 射声压 017收灵敏度 0) 65电容量 0) 38 : 0, 3); （名字） /播放 : ; ; /第 二组的第一个命令 （返回） : 7, 3); /第一组的第二个命令（语音） ; : 00); /第二组的第二个命令（前进） : 7, 3)