基于单片机的智能小车设计.doc

摘要-1第一章 绪论-11.1 智能小车的实用意义-11.2 智能小车的现状和前景-2第二章 方案设计与论证-22.1主控系统-22.2电机驱动模块-32.3循迹模块-42.4避障模块-62.5 测温模块-62.6机械系统-72.6 电源模块-7第三章 硬件实现-73.1 总体设计-73.1.1 主板设计框图-83.2 驱动电路-83.3 信号检测模块-93.4 主控电路-10第四章 软件实现-104.1 发射端程序流程图-104.2 发射端程序源代码-114.3 小车控制端程序流程图-114.4 小车控制端程序源代码-12第五章 安装与调试-125.1 PCB的设计与安装-125.2 小车调试-13结束语-13智能小车宋尚旭 张彬邢台学院物理系09级自动化本科一班 指导教师：胡红林摘要：利用超声波实现测距避障。特点：宽电压：DC 2.4V5.5V 2：小电流：小于 2mA 。适应性强：测温范围：-45+85度4：测距工作温度范围：-20+70度 操作方便：输出方式：电平或UART 感应角度：不大于15度 探测距离：2cm-450cm 探测精度高：0.3cm+1% 利用红外对管检测黑线并以STC89C52单片机为控制芯片控制电动小车的速度及转向，从而实现自动循迹避障的功能。其中小车驱动由L298N驱动电路完成，速度由单片机输出的PWM波控制。外加遥控干预控制，遥控外接1602液晶，DS18B20测温，车体携带12864液晶显示，DS18B20测温。关键词：红外对管 超声波 STC89C52 1602液晶 12864液晶 DS18B20 改装的12路遥控器第一章 绪论1.1智能小车的实用意义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。智能机器的设计离不开传感器，随着科学技术的发展，感觉传感器越来越多，尤其涉及视觉部分的传感器尤为重要，视觉传感器的核心部件是摄像管或CCD，目前的CCD已经能够做到自动对焦。但是CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰的图像只要求粗略感觉的系统中考虑使用红外反射式传感器是一种实用而有效的方法。该智能小车拥有两块液晶显示器，构建了人性化的人机交流平台。该智能小车可分为四大部分：遥控器部分、传感器、驱动执行、CPU。要求可以实现遥控时候的自动避障和循迹时候的测温和避障，循迹不要求清晰的图像，只要能粗略探测到黑线就可以了。因此舍弃昂贵的CCD传感器而选用廉价的红外对管。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STC89C52单片机，配合软件编程实现。1.2 智能小车的现状和前景 现时智能小车发展很快，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，这几年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。我们此次的设计主要实现循迹避障遥控测温功能。 第二章 方案的设计和论证根据要实现的功能确定如下方案：用铝合金做车体，使车体坚固，在车前加超声波实现测距和避障，在车下边装红外对管探测黑线，并将收集的信息传给单片机处理，实现小车的避障和循迹功能。这种方案能实现对小车运行状态的实时监测和干预。2.1主控系统 本设计涉及到多种输入信息的综合处理，属于复杂程序控制问题。拟定了两种设计方案。方案一：选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。方案二：选用单片机作为核心控制部件，单片机拥有丰富的型号可供选择，由于此控制系统需要处理的信息很多故应选用一块运行速度快的单片机，如AVR，但是考虑到队里同学都不是很熟悉AVR，最终决定使用STC89C52来处理控制小车。在综合考虑了传感器、四部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片单片机，充分利用STC89C52单片机的资源。2.2电机驱动模块方案一：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.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，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。方案三：采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的 H型桥式电路(如图2.1)。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下，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型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的 PWM调速技术。我们自己焊接了一个H桥式电路，发现稳定性很差，主要表现为电机不同步，用软件调节效果略有改善但也导致电机转速下降。最终舍弃自己焊接的H桥。现市面上有很多集成H桥的芯片，我选用了L298N(如图2.2)。L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2546 V。输出电流可达25 A，可驱动电感性负载。 电机驱动部分电路图2.3循迹模块方案一：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，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易出现问题，而且容易因为 该部件造成整个系统的不稳定。故最终未采用该方案。方案二：采用两只红外对管(如图2.3)，分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只光电开关接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向，测试表明，只要合理安装好两只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。(参考文献3)方案三：采用三只红外对管，一只置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当小车脱离轨道时，即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时，等待外面任一只检测到黑线后，做出相应的转向调整，直到中间的光电开关重新检测到黑线（即回到轨道）再恢复正向行驶。现场实测表明，小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆不定，虽然可以正确的循迹但其成本与稳定性都次与第二种方案。通过比较，我选取第二种方案来实现循迹。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3cm。2.4避障模块方案一：采用红外对管探测避障，障碍物的颜色会影响探测结果，且探测距离太短，小车车速很快时难以胜任避障的任务。方案二：采用超声波适应性强：测温范围：-45+85度4：测距工作温度范围：-20+70度 操作方便：输出方式：电平或UART 感应角度：不大于15度 探测距离：2cm-450cm 探测精度高：0.3cm+1% 实物图：超声波的测距非常精确，通过编程辅助能很准确的避障。2.5 测温模块测温传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS(达拉斯)公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。超小的体积，超低的硬件开销，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20更受欢迎。对于我们普通的电子爱好者来说，DS18B20的优势更是我们学习单片机技术和开发温度相关的小产品的不二选择。 因为DS18B20的硬件简单结果就导致软件的巨大开销，也是尽力减少有效有形资产转化为无形资产的投入，是一种较好的节约之道。2.6 机械系统 小车设计方向：能灵活转向，运行速度快，坚固，综合考虑两个方案。方案一：市场上有大量的玩具车，可以在其基础上进行改装，但是考虑到一般的玩具车安装的都很紧凑，传感器的安装会受到很大限制，再有玩具车上的电机一般空载转速高，转矩小，最终我们没采用此方案。方案二：用铝合金自己做一个车体，可以根据自己的需要预留传感器和电路板的位置，且车体坚固，驱动电机用1:48的减速器，这样转矩就会加大，且便于控制。最终我们选用了方案二。2.6 电源模块要求：电源必须稳定，且能提供比较大的驱动电流。方案一：采用12V铅蓄电瓶给L298N提供驱动电源，经稳压芯片降压后给芯片提供数字电源。但是由于铅蓄电瓶太过笨重，小车的铝合金已经很重，所以我们放弃了此种方案。方案二：采用锂电池串联给L298N提供驱动电源，经稳压芯片降压给芯片提供数字电源，锂电池能提供很大的电流，且体积小，重量轻，一般的锂电池都带保护板使用非常方便。但后来发现锂电池供电非常稳定，于是我们觉得去掉稳压芯片采用方案三。方案三：采用三节锂电池，其中两块串联给L298N提供动力电源，剩下一块给电路提供数字电源。第三章 硬件实现3.1 总体设计智能小车采用四轮驱动，车轮直径6cm，电机配以1:48减速器，且为使小车能适应复杂的路况，在后轮设置了防倾杆，使后边两轮可以相对车体活动，这样小车任意一个轮在压到3cm左右厚的物体时还可以保持四轮同时着地。四轮驱动的小车转弯时采用碾过的方式：如右转则使右边两轮倒转，左边两轮前转。超声波安装在车体的正前方，红外对管安装在车体完成循迹。STC89C52P10-P17四个电机驱动控制P34-P37遥控数据接收端P30-P31超声波P32接遥控解码有效确认P0口接12864液晶数据口P20-P23接循迹模块P24-P26接12864液晶控制口P27接温度传感器DQ端3.1.1 主板设计框图3.2 驱动电路电机驱动一般采用H桥式驱动电路，L298N内部集成了H桥式驱动电路，从而可以采用L298N电路来驱动电机。通过单片机给予L298N电路PWM信号来控制小车的速度，起停。其引脚图如3.2，驱动原理图如图3.3。 图 3.2 图3.33.3 信号检测模块 检测原理根据黑色和白色对红外线的吸收和反射用RPR220红外对管接电压比较器LM339的正输入口，LM339的输出接单片机I/O口，当探测到黑线时，LM339相应的输出端输出高电平。设计过程：遥控部分：基于PT2262、PT2272-T4编解码芯片和单片机分析接收数据而扩展成的12路遥控器。发射端设计思路：a、 用16-4编码芯片和PT2262无线发射模块的数据位相连构成无线遥控的发射端，实现前进、后退、左转、右转、停车、测温b、 遥控功能示意图： 前进左转 右转后退 长后退 停车 无 180转向 左转15 右转15循迹模式切换 鸣笛 3.4主控电路本模块主要是对采集信号进行分析，同时给出控制信号控制电机起停和转向。其电路图示意图如图。第四章 软件实现4.1发射端程序流程图4.2发射端程序源代码（见”发射端程序试炼”记事本）4.3小车控制端程序流程图4.4小车控制端程序源代码（见”小车控制程序”记事本）第六章 安装与调试5.1 PCB的设计与安装采用Altium Designer绘制原理图与PCB图5.2 小车调试小车运行次数成功循迹次数成功避障次数成功遥控次数123456789结束语整个系统的设计以单片机为核心，利用了多种传感器，将软件和硬件相结合。本系统能实现如下功能：（1） 自动沿预设轨道行驶小车在行驶过程中，能够自动检测预先设好的轨道，实现直道和弧形轨道的前进。若有偏离，能够自动纠正，返回到预设轨道上来。（2）遥控可以随时对小车的运行进行干预，实现前进、后退、左转、右转、停车、测温。（3）小车在运动过程中可以随时探测到前方的障碍物并执行停车，障碍物消失后能自动恢复到遇到障碍物前得运行状态（前进、后退、停止）。（4）温度传感器能及时测温，并将温度显示在12864液晶显示器上。备注： 决赛前改进：新增功能：增加转向灯和停车灯、鸣笛功能、循迹模块由两个增加到四个转向灯：L298N的输入信号同时加给38线译码芯片的输入口，译码芯片的输出口接三极管控制两个转向灯两个停车灯。在前进和后退得时候没有灯亮在转向的时候有转向灯（绿灯）亮在停车的时候停车灯（红灯）亮。袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁