课程设计（论文）-基于单片机的智能小车.doc

长沙航空职业技术学院项目六题 目 智能小车 组 别 第三组 学生姓名 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 指导老师 xxxxxxxx 时 间 2011年8月6日 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C8051f120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。关键字：智能循迹 超声波避障 探测金属 检测光源目录摘要2第1章 概述4第2章 总体设计方案61.1 系统原理组成框图6第3章 设计方案论证72.1 循迹模块方案72.2 避障模块方案82.3 电机驱动模块方案92.4 检测光源模块方案102.5 探测金属模块方案102.6 测速模块方案102.7 主控模块方案11第4章 小车部分单元硬件设计123.1 开关电源设计123.2 循迹模块设计133.3 超声波避障设计14第5章 小车软件设计155.1 系统软件设计说明165.2 软件总体设计流程图16总结18致谢19附录1原理图21附录2 PCB图22附录3 成品图23第1章 概述自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦。但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。避障控制系统是基于自动导引小车（AVGauto-guide vehicle）系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线。使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分：传感器检测部分、执行部分、CPU。机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。智能小车的执行部分，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。单片机驱动直流电机一般有两种方案：第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能的单片机，这样可以实现精确调速；第二，可以由软件模拟PWM输出调制，需要占用单片机资源，难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大。考虑到实际情况，本文选择第二种方案。CPU使用C8051F120，配合软件编程实现。现智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能，这几节的电子设计大赛智能小车又在向声控系统发展。比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。我此次的设计主要实现循迹避障这两个功能。第2章 总体设计方案1.1 系统原理组成框图电源主控模块循迹模块金属探测模块检测光源模块超声波避障显示模块声光报警电机驱动模块小车电机测速模块 图1.1 系统原理组成框图系统组成原理是：本系统首先通过循迹模块实时检测地面路线并实时传送到主控模块。在寻迹的同时，实时检测路线上的铁片，记录铁片的数目以及检测到时声光报警。光源模块实时检测灯泡光照，检测到的数据到主控模块进行处理。通过超声波避障模块（即测距）实时监测路面情况并及时传输到单片机。电机驱动模块驱动四个电机转动，实现小车前进与停止。传感测速模块检测行驶的速度。而液晶显示模块，显示行驶时间、铁片的数目、小车行驶状态以及行驶的速度。第3章 设计方案论证2.1 循迹模块方案方案一：采用简易光电传感器结合外围电路探测，但实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测几率大、易受光线环境和路面介质影响。在使用过程中极易出现问题，而且容易因为该部件造成整个系统的不稳定。方案二：把两只反射型光电管分别排列在黑色轨迹的两侧，根据其接收反射光的多少输出高低电平来控制小车的转向，以达到循迹的目的。但是在调式中，如果两只开关的距离很小，则以约束了小车的速度来达到检测轨迹的目的，如果两只开关的距离太大，则同时传来同一电平信号的几率很大，容易使小车的行驶路线偏离轨道，达不到循迹的目的。方案三：采用光敏电阻当成光循迹探测器。光敏电阻的阻值随周围环境光线的强弱而改变。当光线照射到白线时，光线发射大阻值增加，光线照射到黑线时，光线发射偏弱阻值减少。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会有明显的差别，根据阻值的变化值通过比较器电路输出高低电平。调节电位器改变比较器电路的基准电压可以检测更稳定，灵敏度更高。综上，我们选择方案三。2.2 避障模块方案方案一：采用红外对管置于小车中央。其安装容易，也可以检测障碍物的存在，但难以起到小车在水平方向是否会与障碍物相撞，也不易使小车做出精确的转向反应。而且极易受外界干扰，灵敏度低。方案二：采用两只红外对管分别置于小车的前端两测，方向与小车前进平行，对小车与障碍物相对距离和方位能做出较为准确的判别和及时。但此时过于依赖硬件、成本高、缺乏创造性，而且置于小车左方的红外对管用到的几率很小。方案三：采用超声波避障。超声波模块可以测量小车与障碍物的距离，利用这一点我们可以使避障。超声波检测到的数据传送给单片机进行比较处理，当实测距离小于设定值时开始转向。超声波指向性强，能量消耗缓慢，稳定性好，操作方便。而且能有效的判断障碍物的方位。综上，我们选择方案三。2.3 电机驱动模块方案方案一：采用继电器对电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，此方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢，易损坏，寿命较短，可靠性不高。方案二：采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但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的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案三：采用由四个大功率达林顿管组成H桥式电路的L293集成芯片。电路结构和原理简单，加速能力强。效率非常高，采用PWM调速可以实现转速和方向的控制，稳定性强可以实现频繁的无级快速启动和制动以及反转。综上，我们采用方案三。2.4 检测光源模块方案本体要求小车在光源引导下，进入车库。光源检测模块的功能主要是引导小车朝光源行驶。方案一：采用红外温度感应器件。因此可较为准确地寻找不远处的200W白炽灯光源。但是如此一来，电路实现较为复杂，而且干扰大，尤其是在白天。方案二：采用多组光敏电阻阵列。对每个光敏电阻状态进行编码，由此确定小车的转向。每组编码不一样，可以减少干扰，操作性好，准确度高。综上，我们选择方案三。2.5 探测金属模块方案方案一：采用接近开关探测。该传感器是一种集成元件，具有稳定性好、外围电路简单、探测范围符合要求，而且不受介质影响的优点，并具有LED指示。可直接与单片机I/O口相连，数据传输稳定，设计程序简单。方案二：采用普通金属探测器，其灵敏度较差，产生误差比较大，耗电量高，可检测面积小，探测范围不符合题目发挥部分。综上，我们选择了方案一。2.6 测速模块方案方案一：光电测速传感器。传感器开孔圆盘的转轴与转轴相连接，光源的光通过开孔盘的孔和缝隙反射到光敏元件上，开孔盘随旋转体转一周，光敏原件上照到光的次数等于盘上的开孔数，从面测出旋转体旋转速度。灵敏度较高，但容易受外界光源影响。方案二：利用霍尔开关元件侧转速，内部具有稳压电路、霍尔电势发生器、饭大器、施密特触发器和输出电路，其输出电平和TTL电平兼容。在待测旋转体的转轴上装上一个圆盘，在圆盘上装上若干对小磁钢，小磁钢愈多分辨率越高，霍尔开关固定在小磁钢附近，当旋转体以角速度M旋转时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关使输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的速度。灵敏度高，体积小，安装电路简单，使用方便。综上，我们选择方案二。2.7 主控模块方案相对于AT89S52单片机，C8051F120有更大的优势。C8051F120具有高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核，真正12位或10位、100ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关。两个12位DAC，具有 可编程数据更新方式。128KK或64K可在系统编程的FLASK存储器。5个通用的16位定时器。具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列。片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器等等。在这些方面强于AT89S52单片机，而且运行速度快，对于编程更灵活，思维更宽阔。因此我们主控模块芯片采用C8051F120。第4章 小车部分单元硬件设计3.1 电源设计电源模块为系统其它各个模块提供所需要的电源，设计中，除了要考虑到电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。因此我们设计一个开关电源，经过整流滤波将交流转换成直流，输入至稳压电路，得到干扰小，纹波系数小的直流电。电路如图3.1。图3.1电源原理3.2 循迹模块设计循迹模块完成的是黑线的识别功能，其主要采用多组发光二极管和光敏电阻。LED作为光源用，光敏电阻作为接收而改变内阻的器件。图3.2为检测的基本电路图。图中RP3为限流电阻，发光二极管亮。RP1为分压电阻，RS为光敏电阻，RS电位器和RP2电阻都是起到分压作用。选择比较器LM359，当正端输入电压大于负端就输出高电平，当负端输入电压大于正端就输出低电平。图3.2 检测电路图只有多组LED和光敏电阻并联才能够起到良好的检测效果，在实际应用中它们的排列方式和排列间距是有讲究的，为此，我们设计中采用“一”字型排列，将两组的间距设置为黑线的宽度。如图3.3的布局。 图3.3 检测管布局3.3 超声波避障设计超声波传感器的工作原理如下：当40KHz的脉冲电信号输入后，有压电陶瓷激励器和谐振片转换成机械振动，经锥形辐射器将超声振动信号相外发射出去，发射出的超声波向空中四面八方直线转播，遇到障碍物后它可以发生反射，接收器在收到有发射器传来的超频声波后，使内部的谐振片谐振，通过声电转换作用将声能转换为电脉冲信号，然后输入信号放大器，最后驱动执行器使电路动作。超声波避障模块实物图如图3.4.3.4 实物图第5章 小车软件设计软件设计是实现小车智能运转的关键所在，相当于人类大脑思维活动，通过软件设计可将小车完全实现智能化。在软件中通过控制各模块硬件将各个变化信号数据有效的结合处理，产生相应的动作反应。在小车运行的控制中,我们采用PWM调节运行速度，利用外部中断实时检测数据。5.1 系统软件设计说明在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要位置。对于本系统，软件更为重要。为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一个部分叫做一个模块。所谓“模块”，实质上就是完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫做模块程序设计法。模块程序设计法的主要优点是：1、 单个模块比起一个完整的程序易编写及测试；2、 模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用；3、 模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。本系统软件采用模块化程序，有主程序、定时子程序、中断子程序、显示子程序、调速子程序、超声波子程序、寻光源子程序构成。本产品的核心电路是一片C8051F120。它是整个控制部分的核心，负责车速控制、电机驱动、黑线检测等功能。5.2 软件总体设计流程图在硬件的基础上，根据我们系统的设计要求，我们的软件分为两部分，第一部分自动往返设计流程如图5. 5.2 自动往返开始 各部分初始化 启动？ N Y循迹行驶加速行驶限速行驶加速达到终点自动掉头5.3 智能电动车开始程序初始化循迹探测金属超声波避障寻找光源入库结束总结在我们这一组的共同努力下，智能小车的基本功能完成了，发挥部分还是有些问题。电源供电模块的纹波系数小。小车在规定的轨道上行驶能自动在限速区减速行驶，并且能自动往返，往返一次时间只要四十几秒。在第二赛道上能循迹行驶，过程中能探测金属，到达规定地点停止5秒，过后就直行避障，避障行驶过程中CPU还执行寻找光源，当发现有光源的存在时，小车转向