毕业设计（论文）-基于自动循迹避障的智能小车的硬件设计.doc

西华大学毕业设计说明书基于自动循迹避障的智能小车的硬件设计摘 要：本设计的主控芯片是在单片微信计算机的基础之上设计的一款能够实循迹功能遥控功能和避障功能三个功能的智能小车。可以实现智能小车通过在小车前方的四个红外传感器的检测使小车能够沿着在白色地面上面的黑线进行循迹功能和当小车发现前方有障碍物时通过超声波模块进行避障并自动选择没有障碍物的一方进行运动的功能以及可以通过安卓手机与小车蓝牙模块之间形成的虚拟蓝牙线路进行通信，使小车按照手机上位机发出的指令做出相应的动作三个功能。本设计的机械部分是使用前方两个驱动轮后方一个万向轮的结构，使得小车在运动过程中可以灵巧，运动自如。本次的设计已经做出了相应的实物，实物可以按照预定的方案实现。关键字：智能小车,单片机,超声波模块,蓝牙模块,循迹模块Abstract:This design is an intelligent tracking avoidance remote control Vehicle, which is based on single chip microcomputer.the design leads to the achievement of three functions. The first function is that the Vehicle can track along the black lines above the white ground by using the four infrared sensors in front of the Vehicle to detect. The second function includes obstacle avoidance and selecting the side of no obstacle .Last, communicating by the virtual Bluetooth communication lines passed between Android phones and car Bluetooth module ,the Vehicle can make the appropriate action in accordance with instructions issued by the phone. In the mechanical aspect ,the design uses the structure of two driving wheel and a universal wheels to make the vehicle runs smoothly and flexibly. The design has made the appropriate kind, kind can achieve according to a predetermined plan.This design has made the corresponding physical according to the predetermined plan implementation.Keywords:Smart car, MCU,the Ultrasonic Module,the Bluetooth module,the Tracking Module目 录1 前言11.1智能小车的研究背景及意义11.2智能小车的现状与发展前景22 方案设计32.1 基于单片机的方案设计32.2 基于CPLD的方案设计42.3 主控模块的方案选择52.4 驱动模块的方案选择63 单片机硬件设计93.1 主控电路93.2主控芯片93.3脚口介绍113.4模块功能介绍113.4.1晶振电路113.4.2 复位电路123.4.3 时钟电路143.4.4 LED流水灯及蜂鸣器153.4.5 插接件、按键及去抖电路的设计164 驱动电路194.1 H桥式电路介绍194.2 L298N驱动模块介绍204.3电机驱动指示电路245 循迹避障遥控模块设计255.1 循迹模块255.1.1循迹模块方案选择255.1.2信号检测模块275.2 避障模块285.2.1 发射部分电路315.2.2接收部分的电路325.3无线控制模块设计345.3.1 无线模块的选择345.3.2 蓝牙模块366 制作安装与调试406.1 智能小车的制作与安装4062 小车测试406.2.1 测试驱动模块 L298N 模块406.2.2 测试主控系统单片机学习板406.2.3 调节智能小车上的四路循迹电位器406.3 在调试过程中遇到的问题416.3.1 单片机学习板下载不了程序416.3.2 小车不能正常运动417 结论428 总结与体会439谢辞（致谢）4510 参考文献4611 附录1单片机整体电路图4712 附录2外文翻译资料481 前言1.1智能小车的研究背景及意义智能现在已成为科学技术的发展方向，是现代社会一种新型的产物。智能的含义是在一种特定的环境为前提之下，人们通过预先设定的方案使其能够高效的完成各种工作任务而不用人亲自和直接的去操作。本设计的智能小车是一种能够完成循迹避障和遥控三个功能的智能移动机器人，在设计之中的理论、方案设计、分析的方法等可以为智能运输机器人、自动采矿机器人、民用家居清洁机器人等自动与半自动的机器人的设计制造和运用普及具有或多或少的参考意义。智能小车也是玩具市场发展的一部分，研究和开发好智能玩具小车能够实现一定的经济利益和商业价值。智能小车是一种轮式机器人，属于移动激动机器人的一种。智能小车是一种能够按照认得意愿在特定的环境之中完成对现场环境的感知决策并完成各种特定的任务。智能小车的运动轨迹、启动和停止已经不再需要人为的去干预，通过单片机的控制已经得到了智能的实现。它的运动方向的改变时通过对单片机烧写的程序的改变来实现。智能小车要实现循迹功能、避障功能和遥控的功能，这就要求智能小车必须要自动的感知黑线和障碍物并且对接收到的信号能够自行正确的进行处理。本设计的智能小车其遥控部分功能是主要是在基于Android手机上的蓝牙功能和智能小车上面后端插有的蓝牙模块之上，通过Android手机的上位机发出指令通过虚拟的蓝牙串口线对小车的运动做出相应的指示，使智能小车能够完成预定的各项功能，从而实现了通过手机对智能小车的遥控控制功能。智能小车的避障功能是在小车的前端装有一个超声波避障模块，在超声波避障模块下面有一个舵机，舵机能够实现180度的旋转，通过舵机带动超声波模块的旋转能够实现对周围环境的感知，当超声波模块前方出现障碍物时，超声波模块发出信号给单片机，单片机处理过后发出指令使小车停止前进，此时舵机将带动超声波模块进行旋转，旋转到一方没有障碍物时，小车将继续向前行驶，从而实现了智能小车的避障功能。智能小车是运动轮式机器人的一种。本设计的组成可以分为五大组成部分：红外传感器检测部分、超声波测距部分、蓝牙遥控部分、执行部分和CPU。对汽车产业产业的发展具有重要的意义，在这种背景之下研究智能小车的意义就显得十分重要了。智能小车的循迹功能在汽车自动控制领域得到了广泛的应用，汽车可以实现不需要人为的直接操作进行智能的倒车等功能，避障功能在汽车自动控制领域的应用及其广泛，汽车的尾部装有超声波避障设施，可以自动感知汽车后方的障碍物距离，同时随着距离的变换能够放出提示音使驾驶员注意行驶的安全。遥控作为现代新型的产物在汽车自动控制方面也得到了广泛的应用，汽车上面的遥控钥匙实现了不需要人直接的去用钥匙打开汽车的车门，站在一定距离的地方通过遥控钥匙就可以实现了对汽车的开锁，关锁功能。智能在汽车自动控制行业的应用数不胜数，上面只讲了其中的一部分内容，总之智能现在在人类生产生活的各个行业的发展情景是十分大的。1.2智能小车的现状与发展前景智能小车在现代的生活之中随处可见，其发展速度迅猛，从最简单的智能玩具小车到社会上的各行各业。智能小车的功能基本上可以实现了循迹功能、避障功能、红外走迷宫功能、倒车入库功能、蓝牙遥控无线遥控等基本功能。就近几年全国范围内举行的各种电子设计大赛来看，智能小车的发展将向着声控方面进行发展。飞思卡尔电子设计大赛时现在国内电子设计大赛的最高级别的比赛走在了前列。而本设计的智能小车实现了三个功能主要是循迹功能、避障功能和遥控功能。现在对智能小车的开发已经涵盖了传感、电气以及智能等多个智能控制技术，然而智能控制技术是一门综合的跨科学技术。在现在对智能控制技术的研究异常的火热，在其应用方面变得越来越广泛。当今社会的新产物智能，变为了当今社会的发展方向，其主要功能是在预先就设定好了的功能能够在特定的环境之中自动的运行而不需要人为的控制。现代凡是人类不宜亲自或者直接接触的事物，均可以用智能机器人代为完成，并且可以达到人直接完成效果的更高的水平之上。智能机器人可以适应各种复杂的环境，与人类无法亲自触及的危险复杂环境，智能小车就是其中的一种体现，智能也被称之为轮式机器人。如果能把这门技术运用到我们现实的生活当中，无疑我们的生活会变得更加的方便、快捷和智能。智能小车的研究开发具有潜在的军用价值，还被广泛的运用在了科学研究方面、抢险救灾方面和地质勘探等人类生产和生活的多个方面。2 方案设计本次设计的总体方案的系统流程框图如图2.1所示：主控模块的选择可以采用CPLD方案和单片机方案，2.1和2.2部分对CPLD和单片机做了详细的介绍 循迹模块避障模块MCU 驱动模块蓝牙模块 图2.12.1 基于单片机的方案设计单片微型计算机是单片机（MCU）的全称，单片微型计算机是嵌入式微控制器一种很典型的代表。单片微型计算机的组成部分是由计算器部分、控制器部分和存储器部分还有各种输出和输入设备组成的。单片微型计算机是一种集成芯片其集成了大型计算机的控制芯片。在社会发展的各个行业之中在工业控制行业等行业之中单片微型计算机得是最早被应用的。单片机内部结构图如图2.2所示：单片机的优点：1、系统的结构简单，使用方便，实现模块化；2、单片微信计算机可靠性很高，其可以工作106 107个小时没有任何故障；3、处理功能强，速度快；4、低电压，低功耗，便于生产便携式产品；5、控制功能强；6、坏境适应能力强；图2.2 单片机内部结构图2.2 基于CPLD的方案设计复杂的可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）是一种由可编程逻辑阵列PLA器件和可编程逻辑器件GAL器件发展而来的。复杂的可编程逻辑器件CPLD是一种大规模的集成电路，CPLD拥有的特点是结构及其之复杂，规模异常的大，用户在对CPLD应用时可以依据自己的需求来对其自行构造逻辑功能的一种数字集成电路。对原理图的设计、对硬件描述语言的开发和集成开发软件平台的设计是三种对可编程逻辑器件CPLD进行设计和开发的三种基本设计方法，CPLD能够生成与设计开发时相互对应的目标文件，目标文件可以通过下载电缆把CPLD自动生成的目标代码传送到了目标芯片里，从而实现了设计数字系统。CPLD内部逻辑电路图如图2.3所示：CPLD的优点：CPLD拥有其编程较为灵活、设计开发时的开发周期时间不长、对其研究和开发的工具十分的先进、设计的成本和制造的成本相比较而言不高、集成程度很高，而且对于设计CPLD的设计者而言对硬件研究的经验要求并不需要很高。CPLD标准产品不需要进行测试。保密的性能较强，价格并不是很高，因而对大规模的电路设计可以进行实现。据上述之优点CPLD被充分的运用在产品的原型设计和产品的生产之中。在现在的电子行业中，可编程逻辑器件CPLD已然的成为了不能够缺少的组成部分之一。CPLD的缺点：在矩阵单元中可编程逻辑的宏单元结构相比较而言是十分复杂，而且CPLD具有较为复杂的结构I/O单元互连结构，因设计者不同的需求能够生成与之相适应的电路结构，即可用来实现和完成一些特定的功能。分段式互联结构具有其预测不完全的缺点为了避免它，可编程逻辑器件CPLD的内部采用了具有一定大小的金属线来对其各个逻辑模块进行互连设计，所以逻辑电路设计的时间具有了可预测的特性。图2.3 CPLD内部逻辑电路图2.3 主控模块的方案选择本设计的智能小车在对主控模块的选择上具有了稳定性好、功耗低和设计使用的效率高等的特点，使智能小车的三个功能遥控功能、避障功能和循迹功能能够按照预定的设计去实现。因此我对智能小车的主控系统设计了两个方案如下所示：方案一：主控系统的核心部位使用的是一片CPLD（如EPM7128LC84-14），从而来达到了能够实时处理控制各个模块信息的功能目的。优点：CPLD的特性具有处理速度迅速、编写程序较为容易、CPLD资源十分丰富、其开发的周期不长等诸多的优点。缺点：如果运用了上诉的方案，显然在控制上面增加了许多不必要的难题。单片机在控制方面较CPLD来说具有较大的优势，虽然CPLD在处理速度方面十分的快捷，但是智能小车的运行速度不是很高，导致了系统处理信息的要求变得很低。方案二：主控系统的核心部位使用单片机，从而来达到了能够实时处理控制各个模块信息的功能目的。优点：单片机若作为主控系统的核心部位具有在控制上方便快捷程序烧写较为方便这是单片机对于CPLD来说具有的无法比拟的优点。能够很好的实现对小车的自动控制。充分的发挥单片机的学习应用资源十分丰富这一优点，而且具备了强大功能控制功能与可位寻址的功能。并且单片机的价格十分低廉等诸多的优点。根据上述两种方案的比较，本次设计智能小车的主控系统我采用了方案二的设计。对于此次设计的各种特点来充分的分析之后，不能使用程序储存器和有被减少了的I/O口的单片机体积小的单片机来作为控制系统D/A、A/D功能也不必选用。故本设计我选用了单片机来作为智能小车的主控模块。在上诉的分析过后,对于本次设计的智能小车的主控系统设计我决定了使用51单片机作为本次设计智能小车的主控系统。51单片微型计算机拥有位操作指令很强大的功能，51单片机的I/O口都可以按位来寻址，51单片机的程序空间能够达到8K之大，但是对于本次的设计来说却是无法全部用及，51单片机的价格却是很便宜的这对于本次设计来说是十分弥足珍贵的。在上述的对本次设计的主控系统分析了过后并且考虑了本次设计循迹、避障、遥控功能和很多的因素了之后，本次设计智能小车的主控系统我决定采用的是stc89c51型号的单片机，如图2.4所示。充分的去应用上诉单片机上所拥有的资源。图2.4 51单片机2.4 驱动模块的方案选择本次的设计的电机驱动模块要求稳定性高、效率高、加速能力强等的特点，我计了三种电机驱动模块的方案如下所示：方案一：通过驱动电动的工作状态的开或是关状态来实现，驱动电机的开关状态由继电器来对其进行控制,对驱动电机的开关状态的控制实现了小车速度的改变。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.优点:电路较为简单.缺点:继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。方案二：实现分压的目的是为了调节电动机的电压，其方法是通过电阻网络或是数字电位器来实现，从而实现了调节电动机电压的功能。缺点：现在一般的电动机电流较大，分压使得效率变得很低，使得有效功率不高。只能通过对有级调速来实现对电阻网络进行调速，从价格方面来说而数字电阻元件价格很贵。方案三：直流电机的功率放大器由采用了功率放大器三极管的功率放大器来进行输出控制。优点：功率放大器运用了功率三极管来对其进行输出的控制。采用的H型桥式电路(如图4.1)由达林管组成，线性型驱动的电路结构原理简单，其实现加速的能力很强。在占空比可以进行调节的开关状态之下，用单片机控制达林顿管可以十分精确的调整驱动电机的转速。这种H型桥式电路的工作模式有饱和模式和截止模式，因此其工作时候的效率变得很高。这种电路实现了对转速和方向的控制，电子管稳定性很强其开关的速度变得很快。这种PWM调速技术在社会上得到了广泛的采用。本设计我选用的是L298N型号的驱动模块。根据上述比较对三种方案设计的对比之后，本次的设计我决定采用的是方案三来作为本次设计的电机驱动模块。上诉方案分析中方案三所讲的电机驱动模块调速方式有调速的特性十分优越、调整的特性十分平滑、调速的范围很大、过载的能力大，能够承受很频繁的负载冲击特性，并且能够达到无数次的无级迅速启动、电机迅速制动和电机急速反转等诸多的优良特性。故此本设计的直流电机的功率放大器我决定使用采用功率放大器（运用功率三极管）作为输出控制。L298N的引脚图如图2.4所示，L298N电路图如图2.5所示：图2.5 L298N引脚图图2.6 L298N电路图3 单片机硬件设计3.1 主控电路主控模块是对循迹避障遥控功能模块发送而来的信号进行处理分析，并且能够给出PWM波控制驱动电机的转速，开始和停止功能。其主控电路电路图如下图3.1所示：图3.1 主控电路3.2主控芯片 现在的51单片机（MCU）都能够兼容Intel 8031指令系统。51系列型号的单片机在其最初时是Intel 8031单片机，伴随着Flash rom技术的迅速发展8031单片机的发展日新月异。8031单片机现如今成为了世界上应用十分广泛的8位单片机中的其中一种，现在ATMEL公司生产研发的AT89系列单片微型计算机的代表型号是8031单片微型计算机。本设计对智能小车的主控系统采用的是宏晶44脚LQFP封装的单时钟/机器周期（1T）增强型51单片微型计算机stc89c52。Stc89c52型号的单片机其主要性能参数如下：1、工作电压：3.5V-5.5V；2、stc89c51型号的单片微型计算机的工作频率为：0-35MHz,相当于普通8051系列单片机的0-420MHz；3、用户应用程序空间：8K；4、stc89c51单片机的片上集成了1280字节的RAM；5、stc89c51单片机拥有44个通用的I/O口，可以设置成四种模式：准双向口/弱上拉模式、强推挽/强上拉模式、仅为输入/高阻模式、开漏模式，stc89c51+单片机上面的每个I/O口驱动的能力都可以实现20mA，但是他的所有的芯片都不能超越120mA；6、时钟源：外部高精度晶振/时钟、内部RC时钟：11MHz-17MHZ共4个16位定时器；7、路外部I/O口中断；8、两个通用全双工异步串行口(UART)；主控芯片如图3.2所示：图3.2 主控芯片电路图3.3脚口介绍P0 口：P0是一个双向8位三态I/O口。作为输出端口，每位能驱动8个TTL负载。P0口也可作为低8位地址/数据复用口使用。P0口线内没有固定的上拉电阻，由两个MOS管串联组成，既可以实现开漏输出，又可实现处于高阻时的“浮空”状态，故称P0口为三态的I/O口。P1 口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。内部具有上拉电阻。 引脚号第二功能：P1.0 T2（定时/计数器T2 的外部计数输入），时钟输出。P1.1 T2EX（定时/计数器T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制）。P1.5 MOSI（在系统编程用）P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用） P2 口：P2 口是一个8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。具有内部上拉电阻。P3 口：P3 口是一个8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。具有内部上拉电阻。 P3口也作为第二功能复用口使用，如下表3.1所示。 端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INTO(外中断0)P3.3INT1(外中断1)P3.4TO(定时/计数器0)P3.5T1(定时/计数器1)P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通)表3.1 P3口引脚与第二功能3.4模块功能介绍 3.4.1晶振电路在本设计的选用的单片微型计算机stc89c51上有反相放大器（高增益），其上的引脚XTAL1是放大器的输入端，XTAL2是放大器的输出端。时钟的产生方式有内部产生方式以及外部产生两种方式。外接的定时元件接在XTAL1引脚与XTAL2引脚之上，自激振荡就由内部振荡器产生。石英晶体和电容组成了并联谐振回路由，如图3.3所示。晶振电路对其外部的时钟信号占空比没有要求是因为经过二分频触发后的外部时钟信号作为了外部时钟电路的输入。本次设计的晶振使用的是12MHZ无源晶振，晶振的是为系统提供时钟信号。 图3.3 单片机晶振电路图3.4.2 复位电路复位电路在单片机中是很关键的，当程序运行不正常或停止运行时，这时就需要进行复位操作。MCS-5l 系列单片机的复位引脚RST出现两个机器周期的高电平时，芯片就会执行复位操作。如果RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位操作通常有两种基本形式：上电自动复位和开关复位。上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET 相连，电压全部加在了电阻上，RESET 的输入为高，芯片被复位。随之+5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。一般来说，只要RST 管脚上保持10ms 以上的高电平，就能使单片机有效的复位。图3.3所示的复位电阻和电容为经典值，实际制作是可以用同一数量级的电阻和电容代替，读者也可自行计算RC 充电时间或在工作环境实际测量，以确保单片机的复位电路可靠。51 单片机的EA/VPP（31 脚） 是内部和外部程序存储器的选择管脚。当EA 保持高电平时，单片机访问内部程序存储器，图3.3所示。图3.3 MCU及复位电路图3.4 单片机复位电路图图3.5晶振的等效电路原理图3.4.3 时钟电路微处理器上的时钟管教如下所示：XTAL1：单片机内部振荡电路的输入端XTLA2：单片机内部振荡电路的输出端微处理器上面的时钟管教XTAL1与XTAL2都是单独的输入反相放大器和输出反相放大器，在石英晶振内两个时钟管脚都可以使用为片内振荡器，也能作为器件外部时钟的直接驱动。在两个时钟管教外接上由一个石英晶体与两个电容共同组成的定时元件。自激振荡便由内部振荡器自动产生。晶振的功耗随着晶振的频率增加而逐渐增大，在本设计中石英晶振采用的是11.0592M。两个与晶振并联的电容由于对振荡的频率有所影响，但是却起到了微调频率的作用。单片机的时钟电路图如图3.6所示：图3.6 单片机时钟电路图3.4.4 LED流水灯及蜂鸣器LED流水灯常用于调试程序时输出调试信息，或者在产品应用中用于指示信息。图中采用共阳极连接方式，同样使用1K电阻做限流电阻，用J2做开关，工作时，J2短接，当在LED灯的阴极输出低电平，LED灯导通发光，输出逻辑高电平，LED截止。流水灯电路图如图3.7所示： 图3.7流水灯电路图 蜂鸣器常用语输出警示信息，由于单片机I/O口输出电流有限，因而图中使用PNP型三极管Q3作功率放大，图中Q3工作于饱和区，也就是起开关及功率放大的作用，R3作限流保护作用，当BELL端输出逻辑零时Q3导通，输出逻辑高是Q3截止，通过Q3一定频率的通断，可以使蜂鸣器发出一定音调的声音。蜂鸣器电路图如图3.8所示： 图3.8蜂鸣器电路图 3.4.5 插接件、按键及去抖电路的设计插接件常用于外围传感器与主控板之间的电源、信号连接，具有结构简单，使用灵活，接触可靠等优点。插接件原理图如图3.9所示：图3.9接插件原理图按键是最常用的输入器件，如电路中说示，当按下K1时，P2.4引脚被拉低，当单片机检测时会得到逻辑低信号，当按键放开时，由于内部上拉电阻的作用，单片机检测是会得到逻辑高信号，因而实现了信息的输入。值得注意的是，由于机械按键在按下时会产生机械抖动，而相比机械抖动而言，单片机读引脚的而速度很快，因而为了防止按键按下时由于抖动而出现只按下一次而检测到多次按下信息，常常在检测到第一次按下之后，加一个延时，等待按键抖动停止而后再处理。按键原理图如图3.10所示： 图3.10按键原理图由于在按键的时候，机械开关按键的接触并不完好，有一定的机械抖动，在很短的时间当中电压会发生很多次的抖动，这就相当于好几个的脉冲信号。故这种开关是不能够直接去作为驱动开关使用的，因为这样会使电路产生了错误的信号。为了避免这种错误，可以接一个基本的RS触发器在驱动电路与机械开关之间，RS触发器如图3.11所示。当没有按下RS触发器上的按键开关时S=0，R=1时可以测出A=1，A=0。当按下按键时S=1，R=0，可以得出A=0，A=1，这样就改变了A的状态。若有由于机械开关接触时发生了抖动，那么R状态则会变化多次，如果R=1，因为A=0，那么G2门依旧是“有低出高”，是不会干扰到其输出的状态的。故此图3.12所示的改进后的电路图，每当按下开关一次时，A点输出的信号只会发生一次的改变。图3.10 无抖动开关电路图3.11 基本R-S电路4 驱动电路4.1 H桥式电路介绍一种十分典型的直流电机控制电路H桥式电路如图4.1所示。H桥式电路因为看起来很像字母H所以把这种电路叫做“H桥式电路”。H桥式电路中的横杠代表的是“驱动电机”。H桥式电路中包含了4个三极管和一个直流电机。处在H桥式电路对角线上两个三极管导通时那么此时直流电机开始转动。因为三极管的导通情况不同，电流流向电机的方向不一所以控制了电机的转动方向，实现了对直流电机的控制。直流电机转动的充分必要条件是，处在电路中对角线上面的两个三极管必须导通。如图4.2所示，当初在对角线上的三极管Q1和Q2管都导通的时候，电流的流向为从电源的正极开始经过Q1自左至右的穿过直流电机经过三极管Q4返回电源的负极。按照图4.3所示，电机的转动方向为顺时针转动。相反若处在对角线上的三极管Q2与Q3都导通的时候，电流的流向相反变为了自右至左，如图箭头所示电机的转动方向变为了逆时针。图4.1 H桥式电路图4.2 H桥电路顺时针转动图4.3 H桥电路逆时针转动4.2 L298N驱动模块介绍本次设计选用L298N驱动模块，此次选用的驱动模块STM工艺稳定性很高，运用的电解电容质量高，从而使得L298N驱动模块电路能够实现稳定的运行；L298N不需要再外接一个开关去控制驱动模块电源的开关，并且不需要外接一个二极管防止反接的保护电路，L298N驱动模块能够很好的制止电源反过来连接。采用的是ST公司生产的原装芯片L298N驱动模块。L298N电机驱动模块能够直接的去驱动3-16V的直流电机。5V的输出接口（输出最低只需要6V）L298N驱动模块也有提供，并且5V单片机电路系统的供电（低纹波系数）L298N驱动电路也能够提供。3.3V MCU ARM的控制L298N电机驱动模块也拥有，直流电机的速度控制和方向控制能够实现方便的控制，2相的步进电机L298N驱动模块也能够控制的。L298N的实物图如图4.2所示：图4.2 L298N驱动模块现在的电机驱动电路大多都运用的是H桥式驱动电路，而L298N电机驱动电路的内部拥有了H桥式驱动电路，故此可以选用L298N驱动模块来驱动本次设计的电机。通过单片微信计算机传送给L298N电机驱动模块的PWM信号来实现对智能小车的启动、停止、方向的改变和速度的控制。L298N电机驱动模块的引脚图如图4.3L298N引脚图所示，L298N驱动模块的驱动原理如图4.4电机驱动原理图所示：各引脚如图4.3所示：1CURRENT SENSING A2OUTPUT 13OUTPUT 24SUPPLY VOL TAGE VS5INPUT 16ENABLE A7INPUT 28GND9LOGIC SUPPLY VOLTAGE VSS10INPUT 311ENABLE B12INPUT 413OUTPUT 314OUTPUT 415CURRENT SENSING B散热片与8脚连通图4.3 L298N引脚图 图4.4电机驱动原理图电路1图4.5电机驱动模块原理图24.3电机驱动指示电路电路图如图4.6所示： 图4.6 电机驱动指示电路电机驱动选用L293N，能满足设计性能要求，并且价格便宜。L293N输出端用标准插针接出，便于组装调试。同时电路设计是还在输出端使用LED显示L293N的输出状态，如果电机正转时D1灯亮，那么电机翻转式D1灯熄灭，同时D2灯亮，由此方便程序调试，图中R7和R8为限流电阻，阻值计算方法与上例相同。5 循迹避障遥控模块设计5.1 循迹模块5.1.1循迹模块方案选择 本次设计智能小车的循迹模块要求稳定性高、效率高、抗干扰能力强等的特点，故此我设计了三种智能小车的循迹模块如下表格所示：方案一：采用简易光电传感器结合外围电路探测。缺点：在实际中该中方案设计的稳定性不好，传感器容易受到地方和光线的干扰。方案二：采用四路循迹模块(如图2.4)，有四个红外的传感器分别放置于小车底座前方左右各两个。优点：稳定性强，抗干扰能力强，效率高等的特点。方案三：采用了三只红外传感器其中两只放置在智能小车前端的两侧，另外一只红外传感器放置在小车前端中央。缺点：如果小车脱离了轨道过后，就一只传感器偏离了轨道，这是小车等待其他两只传感器检测到轨道时，小车才能给重新回到轨道上运行。但是在实际运行的过程中，小车在循迹时小车左右晃动较为厉害虽然可以勉强实现循迹功能不能够准确稳定的实现循迹功能。 根据上述三种方案设计的对比之后，本次的设计我决定采用方案二作为本次设计的循迹模块。运用了四只红外传感器(如图5.1），放置于小车底座前方左右两侧即左边两只右边两只，通过这四只红外传感器感知黑线与白线的信号从而控制智能小车的转向调整小车车身。在反复不断的测试后表明合理安装了四只红外传感器的位置过后小车的循迹功能变得稳定。红外探测法的原理为，红外线的反射特性在不同的颜色的物体表变的反射特性是不一样的。四只红外传感器在智能小车的运动过程之中源源不断地向发射出红外光，红外光在白色纸质上面放生的是漫反射而在黑色的纸质上面不发生漫反射。红外传感器在遇到白色时将信号传送给了接收装置，而在遇到的是黑色的时候接收装置接收不到信号。根据上述的两种情况接收装置将所接收到的信号传送至单片机，单片微机通过计算和处理过后将信号传送给驱动模块从而控制了小车的运动方向，实现了智能小车循迹的功能。然而红外探测器的探测距离并不是无限的，其最大的探测距离一般不易超过3cm。图5.1 四路循迹模块图5.2 四路循迹模块原理图5.1.2信号检测模块此次循迹的原理为智能小车在设定好的了白色路面上，画有黑色的轨道，光线对白色和黑色的纸质反射系数不一样。根据接收器接收到对不同颜色的纸质光线的反射系数大小来对轨道进行判断进而实现了智能小车的循迹功能。本次的设计我采用的是红外探测法。红外探测法的原理为，红外线的反射特性在不同的颜色的物体表变的反射特性是不一样的。四只红外传感器在智能小车的运动过程之中源源不断地向发射出红外光，红外光在白色纸质上面放生的是漫反射而在黑色的纸质上面不发生漫反射。红外光在白色纸质上面放生的是漫反射而在黑色的纸质上面不发生漫反射。红外传感器在遇到白色时将信号传送给了接收装置，而在遇到的是黑色的时候接收装置接收不到信号。根据上述的两种情况接收装置将所接收到的信号传送至单片机，单片机通过计算和处理过后将信号传送给驱动模块从而控制了小车的运动方向，实现了智能小车循迹的功能。然而红外探测器的探测距离并不是无限的，其最大的探测距离一般不易超过3cm。图53循迹原理图图5.4 发射部分电路图图5.5 接收部分电路图5.2 避障模块 本次设计避障功能所采用的是超声波避障。超声波是一种能够在固体、液体和气体三种介质中传播的机械振荡，超声波在人类的生产和生活中得到了广泛的运用。超声波的传播方式有有横向传播和纵向传播两种方式，在三种介质之中速度不一，并且在传播过程之中超声波的传播速度会随着时间的推移而衰减。本次设计采用的是HC-SR04超声波测距模块，HC-SR04超声波测距模块可提供非接触式距离感测功能，其测距时的精度可以实现3mm，HC-SR04超声波测距模块包括了三个部分超声波发射器、超声波接收器和超声波控制电路。实物图如图5.6所示：基本工作原理：1、 触发测距采用IO口是TRIGIO口，这种IO口要求不少于10us的高电平信号进行触发；2、 超声波测距模块能够自主的发出8个方波，并且其能够自主的检测有没有信号接收；3、 若信号被接受，那么由通过ECH0IO口输出电平这个电平是高电平，超声波从其发射时到接收到信号时的时间就是高电平的持续存在的时间。智能小车在运动的过程之中为于小车前方的超声波测距模块的发射器发出的信号感应到前方有障碍物时，该信号则被返回回来被超声波模块上的接收器接收。接收的信号在LM318原件的两级放大之后，再经过LM567解码芯片解码（带有锁相环的音频解码芯片），此时解码芯片LM567的输入的信号大于25mv时，其输出端的高电平则变成了低电平，把信号送给了stc89C51单片机进行处理过后，从而实现了智能小车的避障功能。超声波检测电路如下图5.5所示：图5.6超声波检测电路图5.6超声波发送电路图图5.7实物图VCC:供5V电源；GND:地线；TRIG:触发控制信号输入；ECHO:回响信号输出等四支线。5.2.1 发射部分电路超声波测距模块的发射部分的电路图如图5.4所示。超声波测距模块的发射部分的电路组成主要是由脉冲调制信号生成的电路（是由隔离电路部分和驱动电路部分一起组成），信号生成电路的主要功能是为超声波测距模块的发射器提供了发射所需的信号。对脉冲调制信号的控制是因脉冲调制信号产生电路中由单片机对 555定时器的复位(RESET)端的控制进行实现的，其波形图如图5.5所示。隔离电路由两个与非门组成，其作用是隔离脉冲产生电路与输出级。由两个通用型集成运放TL084CN 组成的输出级，由于其两端所加的电压与传感器的发射距离是成正比，故此需要发送要电路产生很大的驱动电压，基本原理是一比较电路。当输入信号大于25V时，运放A的输出电压为+12V，运放B的输出电压V为-12V。当输入信号小于2.5V时，运放A的输出电压 为-12V，运放B的输出电压为+12V。从而得到了两个极性不同的相对称波形在超声波测距模块的两端，即运放输出电压A与运放输出电压B的之和为零。因此若加在超声波测距模块上两端的电压若是运放A的输出电压减去运放B的输出电压为两个的运放A输出电压，那么在超声波测距模块两端的电压就能够达到了两倍运放A的输出电压。这中方法可以确保超声波能发送出很远的距离，因而超声波的测量量程得以提高。图5.8超声波传感器的发射电路图5.9超声波时序图表达了只需一个10uS以上的脉冲触发信号那么超声波模块僵生成8个40kHz为周期的电平而且能够产生检测回波。只要测出了回波信号和发射与回响信号之间的时间差就能够得出超声波测距模块的测量距离，因为其测量距离与接收到的回波信号脉冲宽度是成正比的。通过公示的计算就能够得到超声波测距模块的测量距离。图5.9超声波时序图5.2.2接收部分的电路超声波测距模块的主要组成部分是由放大电路、带通滤波电路和信号变换电路三个主要部分组成的。带通滤波电路以及放大电路图如图5.10所示。由于超声波信号的传输在空气中极易受到衰减，故反射回来的信号就变得十分的微弱，不能够直接送到后级电路进行处理和分析，这时运用放大电路对反射回来的信号进行处理放大到一定程度过后，才能够送到后级电路进行处理和分析。前置放大电路具有很高的输出阻抗，隔直电容有电容C5、电容C6和电容C7，偏置电阻有电阻R5、电阻R6和电阻R7，放大器的静态工作点是由前置放大器中的隔直电容和偏置电阻共同组成的。二阶RC有源滤波器作为带通滤波器，是消除干扰信号的影响（超声波在传输过程之中的干扰信号）。图5.11中的带通滤波电路是由低通滤波网络和高通滤波网络共同串联组成的。要保证使电路能稳定的进行工作，必须确定同相比例放大器的增益AV是大于3的。二极管D3，电阻R19，和电容C13三个元件共同组成了检波电路主要部分。电压比较器是由集成运放与电容电阻一起组成的，在发送探头中的干扰信号为了将其删除，把单片微型计算机中的P12输出信号加到电压比较器的同相端。检波电路的波形是由高电平方波与低电平方波共同组成的，正向端被二极管D3与比较器隔离之后，二极管的正向导通并且其充电的速度很快。当P12输出为高电平时二极管对电容C14进行充电作用。因为总电阻较大所以电容的放电速度较为缓慢，当P12输出为低电平时二极管反向截止，电容放电作用，其波形如图5.11中的V3所示。从图5.11中能够看出，检波电路在其无返回信号的时候比较器的输出的电平是高电平，如果检波电路收到了返回的信号，那么比较器输出的电平便是低电平。其输出的波形图如图5.12中的Vo所示。上述讲述的方法能够很好的消除发射探头对反射回来的信号的干扰。图5.10放大电路与带通滤波电路图5.11 信号变换电路5.3无线控制模块设计5.3.1 无线模块的选择随着现代社会通信通信技术与信息技术两种技术的发展，其中短距离无线通信技术得到了十足的发展并且其应用的范围变得越来越广泛。短距离无线通讯其特点是听信的双方在实现信息的传递时其传递的距离很近。现在的短距离无线通信技术的特点各有千秋，有的短距离无线通信是着眼于其传输的速度、距离与耗电量有着特殊的要求;而有的通信则是着眼于其功能的扩展;根据本设计对遥控功能的要求，我设计了如下两中短距离无线通信的遥控方案，如下所示：方案一：使用无线遥控方式，通过遥控器与智能小车上安装有的的无线收发装置实现对小车的无线遥控控制。其遥控器上拥有了四个按键，其上的按键分别对应了小车上面接收板上的数据位输出脚。按住按键的时候遥控器将发出发射信号，与其相对应的数据位就会输出高电平。优点：方便的实现对小车的遥控控制，较为方便。方案二:采用蓝牙遥控实现对小车的遥控控制，基于安卓手机上面的蓝牙功能实现对小车的遥控控制。优点：使用方便遥控器虚拟在手机的APP上，连接方便，容易控制。根据本次毕业设计要求，考虑要实现的是对以单片机为控制核心的小车以及这几种通讯技术成本和实现的难易程度上考虑，我选择蓝牙通讯技术。蓝牙模块的芯片使用简单，具有通用的串行通信端口，蓝牙模块性能稳定，传输速率快，稳定可靠，传输距离可观，无需制作专门的遥控器，可直接通过手机上的蓝牙设备发送相关的指令，操作方便快捷，根据自己的要求可以实现界面人性化设计，更好的控制小车。本设计的蓝牙遥控模块分为了两个部分主机和从机部分，主机和从机两者之间可以进行配对通信，但是从机与从机之间主机与主机之间是不能够进行配对通信的。从机部分能够与手机等终端进行配对连接。本设计的蓝牙模块初始状态是从机。本设计做的遥控部分的指令使从手机上面发出的，所以手机是作为从机部分。蓝牙串口在功能模块上，偶数命名与偶数命名之间是能够相互兼容的，从机命名与从机命名之间也是能够相互兼容的。但是04和06两个版本其出现的时间较早（从机与主机的切换用户是不能自主的进行）而且04和06两个版本AT的指令集少，其功能包括了对蓝牙名的修改、密码的修改、波特率的修改等功能。而在本设计中对遥控部分我们只需要其能够进行简单的通信即可，故而我选用了HC-06型号的蓝牙模块。HC-06原理图如图5.12所示，HC-06的整体电路图如图5.12所示：图5.14 HC-06原理图图5.15蓝牙模块整体电路图5.3.2 蓝牙模块进行通信串口线由蓝牙串口模块进行了取代，在单片微信计算机上接入蓝牙模块，蓝牙模块可以和智能手机的蓝牙适配器进行配对通信。因此单片微信计算机和智能手机之间形成了一根虚拟的串口线，从而可以两者之间可以进行串口通信。串口模块的使用，是不需要驱动的，只要串口的接入即可实现。主机与从机之间配对完毕即可实现通信。主机与从机之间的串口通信需要两个充分必要条件就是：1串口通信之间必须是在主机与从机之间进行，2是两者配对时的密码必须一致。本次设计的蓝牙模块选用的是HC-06型号，主机与从机之间不可以切换，蓝牙名为：linvor，密码：1234。主要特性如下所示：1、 主机：主机的记忆只能记住与它进行最近一次进行过通信的从机而且只会与它进行配对，主机的记忆结束是直到KEY（26脚）高电平被触发时自动的放弃与从机之间配对的记忆，其KEY(26脚)初始设置是低电平。2、配对方式：主机在蓝牙搜索状态下搜索与从机进