基于单片机智能小车的设计.doc

第1章 绪论1.1课题背景随着汽车工业的迅速发展，其与电子信息产业的融合速度也显著提高，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。关于汽车的研究也就越来越受人关注。目前 ，在企业生产技术不断提高、对自动化技术要求不断加深的环境下，智能车辆以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备。世界上许多国家都在积极进行智能车辆的研究和开发设计。移动机器人是机器人学中的一个重要分支，出现于20世纪60年代。当时斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和charles Rosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名shakey的自主式移动机器人，目的是将人工智能技术应用在复杂环境下，完成机器人系统的自主推理、规划和控制。从此，移动机器人从无到有，数量不断增多，智能车辆作为移动机器人的一个重要分支也得到越来越多的关注。智能小车，是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航及白动控制等技术，是典型的高新技术综合体。智能车辆也叫无人车辆，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。智能车辆的主要特点是在复杂的道路情况下，能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预定的道路(轨迹)行进。智能车辆也叫无人车辆，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。智能车辆的主要特点是在复杂的道路情况下，能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预定的道路(轨迹)行进。智能车辆在原有车辆系统的基础上增加了一些智能化技术设备:(1)计算机处理系统，主要完成对来自摄像机所获取的图像的预处理、增强、分析、识别等工作;(2)摄像机，用来获得道路图像信息;(3)传感器设备，车速传感器用来获得当前车速，障碍物传感器用来获得前方、侧方、后方障碍物等信息。智能车辆技术按功能可分为三层，即智能感知/预警系统、车辆驾驶系统和全自动操作系统。上一层技术是下一层技术的基础。三个层次具体如下:(1)智能感知系统，利用各种传感器来获得车辆自身、车辆行驶的周围环境及驾驶员本身的状态信息，必要时发出预警信息。主要包括碰撞预警系统和驾驶员状态监控系统。碰撞预警系统可以给出前方碰撞警告、盲点警告、车道偏离警告、换道/并道警告、十字路口警告、行人检测与警告、后方碰撞警告等.驾驶员状态监控系统包括驾驶员打盹警告系统、驾驶员位置占有状态监测系统等。(2)辅助驾驶系统，利用智能感知系统的信息进行决策规划，给驾驶员提出驾驶建议或部分地代替驾驶员进行车辆控制操作。主要包括:巡航控制、车辆跟踪系统、准确泊车系统及精确机动系统。(3)车辆自动驾驶系统，这是智能车辆技术的最高层次，它由车载计算机全部自动地实现车辆操作功能。目前，主要发展用于拥挤交通时低速自动驾驶系统、近距离车辆排队驾驶系统等。这种智能小车的主要应用领域包括以下几个方面:(1)军事侦察与环境探测现代战争对军事侦察提出了更高的要求，世界各国普遍重视对军事侦察的建设，采取各种有效措施预防敌方的突然袭击，并广泛应用先进科学技术，不断研制多用途的侦察器材和探测设备，在车上装备摄像机、安全激光测距仪、夜视装置和卫星全球定位仪等设备，通过光缆操纵，完成侦察和监视敌情、情报收集、目标搜索和自主巡逻等任务，进一步扩大侦察的范围，提高侦察的时效性和准确性。(2)探测危险与排除险情在战场上或工程中，常常会遇到各种各样的意外。这时，智能化探测小车就会发挥很好的作用。战场上，可以使用智能车辆扫除路边炸弹、寻找和销毁地雷。民用方面，可以探测化学泄漏物质，可以进行地铁灭火，以及在强烈地震发生后到废墟中寻找被埋人员等。(3)安全检测受损评估在工程建设领域，可对高速公路自动巡迹，进行道路质量检测和破坏分析检测;对水库堤坝、海岸护岸堤、江河大坝进行质量和安全性检测。在制造领域，可用于工业管道中机械损伤，裂纹等缺陷的探寻，对输油和输气管线的泄漏和破损点的查找和定位等。(4)智能家居在家庭中，可以用智能小车进行家具、远程控制家中的家用电器，控制室温等等。对这种小车的研究，将为未来环境探测术上的有力支持。1.2本设计的内容与意义1.2.1 设计的内容（1） 路面检测模块；（2） 电源模块为5V；（3） 直流电机的驱动模块电路，及相应的驱动程序；（4） 控速模块；（5） 循线功能电路及程序；（6） 复位电路模块。1.2.2 本设计的意义随着人类文明的不断发展，汽车在人们的日常生活中越来越不可或缺，而随着人类的需求和石油危机的到来电动车的开发与设计逐渐走向高峰，其中电动工程用车已经悄悄走到了我们身边，这些电动工程用车既安全环保、又节约劳动力发展前景将十分广阔。本次设计的小车为自动行驶，能判定工作并自行运输。将会取代工厂中那些反复的运输工作从而提高工作效率，解放劳动力减少成本投入。特别是一些有危害型的工作，如放射性物质的运输等将会减少人员生命安全。 因此，通过对智能运输小车的设计与制作，可以更好的学习并掌握现代智能运输车设计的全面知识和锻炼学生利用所学知识分析问题和解决问题的能力。第2章 方案设计与论证2.1车体设计方案1：自己制作电动车。一般的说来，自己制作的车体比较粗糙，对于白色基板上的道路面行驶，车身重量以及平衡都要有精确的测量，而且也要控制好小车行驶的路线和转弯的力矩及角度，这些都比较难良好地实现。方案2：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮。我们可以保留左右两轮转动动轴，并改换转轴力矩大的电机来精确调节转弯角度，采取保留后方向轮，并使用直流电机进行驱动的方案。玩具电动车具有如下优点：首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需电路的安装十分方便，看起来也比较美观。其次，玩具电动车是依靠电机与相关齿轮一起驱动，能适应题目中小车准确前进、后退、转弯的要求，而且这种电动车一般都价格适中。基于以上分析，我选择了方案2。2.2电机模块方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。经综合比较考虑，我放弃了此方案。方案 2：直流电机：直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则电机转速越高。对于直流电机的速度调节，可以采用改变电压的方法，也可采用PWM调速方法。PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。基于以上分析，我选择了方案2，用直流电机作为电动车的驱动电机。2.3电机驱动模块方案 1：采用SM6135W电机遥控驱动模块。SM6135W是专为遥控车设计的大规模集成电路。能实现前进、后退、向右、向左、加速五个功能，但是其采用的是编码输入控制，而不是电平控制，这样在程序中实现比较麻烦，而且该电机模块价格比较高。方案 2：采用电机驱动芯片L298N。L298N为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。现市面上有很多此种芯片，我选用了L298N(如图2.1所示)。基于以上分析，我选择了方案2，用L298N来做为电机的驱动芯片。 图2.1 LN298N2.4寻迹传感器模块方案1：采用发光二极管+光敏电阻，该方案缺点：易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到黑线，主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。克服此缺点的方法：采用超高亮度的发光二极管能降低一定的干扰。方案2：采用CCD传感器，此种方法虽然能对路面信息进行准确完备的反应，但它存在信息处理满，实时性差等缺点，因此若采用CCD传感器，无疑会加重单片机的处理负担，不利于实现更好的控制策略。根据以上分析我采用方案1。2.5控制器模块方案1：选用一片CPLD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，我不采用该种方案，进而提出了第二种设想。方案2：采用STC52RC作为主控制芯片，该芯片有足够的存储空间，可以方便的在线ISP下载程序，能够满足该系统软件的需要，该芯片提供了两个计数器中断，对于本作品系统已经足够，采用该芯片可以比较灵活的选择各个模块控制芯片，能够准确的计算出时间，有很好的实时性。基于以上分析，我选择了方案2，采用STC52RC作为电动车的主控制芯片。2.6电源模块在本系统中，需要用到的电源有单片机的5V，L298N芯片的电源5V和电机的电源715V。所以需要对电源的提供必须正确和稳定可靠。方案1：用12V的蓄电池给前、后轮电机供电，然后使用7805稳压管来把高电压稳成5V分别给单片机和电机驱动芯片供电。这种接法比较简单，但小车的电路功耗过大会导致后轮电机动力不足。方案2：采用双电源。为了确保单片机控制部分和后轮电机驱动的部分的电压不会互相影响，要把单片机的供电和驱动电路分开来，但占用空间太大，比较麻烦。 基于以上分析，我选择了方案1。2.7升降系统 方案1：用螺杆加螺母，通过电机带动螺杆旋转使螺母上下升降，这样能够保证升降的稳定性，但升降速度较慢，为了保证扭矩本来就需要用加速电机，加上螺纹速度更慢。 方案2：用电机带动链子，通过改变链子长短来升降物体，但这样传动无法保证稳定性，上下时晃动较大，加多传动链占用空间又太大。 基于以上分析，我选择了方案1。 第3章硬件设计3.1最小应用系统设计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/记数器中断系统等能量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器打印机A/DD/A转换器等，要设计合适的接口电路。3.1.1 单片机硬件结构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2。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) 微处理器该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。(2) 数据存储器片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。(3) 程序存储器由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。(4)中断系统具有5个中断源，2级中断优先权。(5)定时器/计数器片内有2个16位的定时器/计数器， 具有四种工作方式。(6)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。(7)P1口、P2口、P3口、P4口为4个并行8位I/O口。(8)特殊功能寄存器共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。由上可见，STC52RC单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的一个突破，这也是MCS-51单片机在设计的精美之处。3.1.2 最小应用系统设计STC52RC是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单可靠。用STC52RC单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图3.1 STC52RC单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点：(1) 有可供用户使用的大量I/O口线。(2) 内部存储器容量有限。(3) 应用系统开发具有特殊性。图3.1 STC52RC单片机最小系统3.1.3最小应用系统电路设计（1）时钟电路STC52RC虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。STC52RC单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值，但在60pF到70pF时振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中，振荡晶体选择6MHZ,电容选择65pF。在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。（2）复位电路STC52RC的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。时钟频率用6MHZ时C取22uF,R取1K。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。按键手动复位电路见图3.2。时钟频率选用6MHZ时，C取22uF,Rs取200，RK取1K。3.2 光电对管寻迹模块图3.2所示电路中，R5起限流电阻的作用，当有光反射回来时，光电对管中的三极管导通，R9的上端变为高电平，此时VT1饱和导通，三极管集电极输出低电平。当没有光反射回来时，光电对管中的三极管不导通，VT1截至，其集电极输出高电平。VT1在该电路中起到滤波整形的作用。经试验和示波器验证，该电路工作性能一般，输出还有杂散干扰波的成分。如果输出加施密特触发器就可以实现良好的输出波形。但是这种电路用电量比较大，给此种传感器调理电路供电的电池压降较快。究其原因，是因为光敏三极管和三极管VT1导通时的导通电流较大。考虑用比较器的方案，图中可调电阻R1可以调节比较器的门限电压，经示波器观察，输出波形相当规则，可以直接够单片机查询使用。而且经试验验证给此电路供电的电池的压降较小。因此我们选择此电路作为我们的传感器检测与调理电路。此光电对管电路简单，工作性能稳定。图3.2 光电寻迹检测及放大电路图3.3电机驱动电路的设计 驱动模块采用专用芯片L298N 作为电机驱动芯片，L298N 是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，其响应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机。以下为L298N的引脚图（如图3.3所示）和输入输出关系表（如表3.1所示）。表3.1 L298N的引脚和输出引脚的逻辑关系EN A（B）IN1（IN3）IN2（IN4）电机运转情况HHL正传HLH反转HIN1（IN3IN2（IN4）快速停止LXX停止图3.3 L298N外部引脚 我们采用电机驱动芯片L298N作为电机驱动，驱动电路的设计（如图3.4所示）：图3 .4L298N驱动电路L298N的5、7、10、12四个引脚接到单片机上，通过对单片机的编程就可以实现两个直流电机的PWM调速以及正反转等功能。3.3.1系统供电单元介绍智能车控制系统中，不同电路模块需要的工作电压和电流容量各不相同。芯片需要提供5V的工作电压，而电机所需的电压为9V，本设计中用到的是9V的电源供电，然后通过三端稳压器LM7805将电压变换为5V电压供给电路系统。电源系统的电路图（如图3.5所示）。图3.5稳压电源转换电路3.3.2稳压芯片简介三端稳压集成电路lm7805电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的lm78 系列和负电压输出的lm79系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有lm9013样子的TO-92封装。电源系统的样品图（如图3.6所示）。图3.6 lm7805样品用lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7806表示输出电压为正6V，lm7909表示输出电压为负9V。 因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。第4章 软件设计4.1主程序设计#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intunsigned char zkb1=0 ; /*左边电机的占空比*/unsigned char zkb2=0 ; /*右边电机的占空比*/unsigned char t=0; /*定时器中断计数器*/sbit RSEN1=P10;sbit RSEN2=P11;sbit LSEN1=P12;sbit LSEN2=P13;sbit IN1=P00;sbit IN2=P01;sbit IN3=P02;sbit IN4=P03;sbit ENA=P04;sbit ENB=P05;/*延时函数*/void delay(int z) while (z-); /*初始化定时器，中断*/void init() TMOD=0x01; TH0=(65536-100)/256; TL0=(65536-100)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1; /*中断函数+脉宽调制*/void timer0() interrupt 1 if(tzkb1) ENA=1; else ENA=0; if(t=100) t=0;/*直行*/void qianjin() zkb1=30; zkb2=30;/*左转函数1*/void turn_left1() zkb1=0; zkb2=50;/*左转函数2*/void turn_left2() zkb1=0; zkb2=60;/*右转函数1*/void turn_right1() zkb1=50; zkb2=0;/*右转函数2*/void turn_right2() zkb1=60; zkb2=0;/*循迹函数*/void xunji() uchar flag; if(RSEN1=1)&(RSEN2=1)&(LSEN1=1)&(LSEN2=1) flag=0; /*直行*/ else if(RSEN1=0)&(RSEN2=1)&(LSEN1=1)&(LSEN2=1) flag=1; /*左偏1,右转1*/ else if(RSEN1=0)&(RSEN2=0)&(LSEN1=1)&(LSEN2=1) flag=2; /*左偏2,右转2*/ else if(RSEN1=1)&(RSEN2=1)&(LSEN1=0)&(LSEN2=1) flag=3; /*右偏1，左转1*/ else if(RSEN1=1)&(RSEN2=1)&(LSEN1=0)&(LSEN2=0) flag=4; switch (flag) case 0:qianjin(); break; case 1:turn_right1(); break; case 2:turn_right2(); break; case 3:turn_left1(); break; case 4:turn_left2(); break; default: break; void main() init(); zkb1=30; zkb2=30; while(1) IN1=1; IN2=0; IN3=1; IN4=0; ENA=1; ENB=1;while(1) xunji(); 4.2 总体软件流程图如图4.1所示为智能运输车的工作流程图，关电传感器检测路面信号，红外传感器检测物体信号，当有信号时给单片机输入高电平，单片机受到信号做出相应的动作。红外传感器电源变压寻迹传感器P8单片机复位电路L298电机驱动电路电路信号电机信号装载图4.1 总体软件流程图 4.3循迹流程图如图4.2所示为小车的循迹流程图，当左边传感器检测到黑线时，右车轮正转，左车轮反转，小车往左转向。当没有检测到黑线时，左右车轮都正转，直线行驶。当右边传感器检测到黑线时，左车轮正转，右车轮反转，小车往右转向。 图4.2循迹流程图结 论本设计主要是把传统智能循迹小车系统和可编程电子器件结合起来设计智能循迹小车系统，并通过人工智能算法实现一定的智能化的方法。论文介绍了该设计的总体思想和一些用到的基本的原理及系统的硬件、软件设计。现将本文主要工作总结如下：（1）本设计使用模块化的设计方法。各个功能在硬件和软件的设计上都实现了模块化。各个功能部件同时存在，小车在运行的过程中只有一个功能模块发挥作用，其余功能处屏敝状态；在各个功能之间可通过人工切换。（2）本小车的工作全程都是全自动完成的，人只需要开启开关后。小车只能完成任务。（3）系统经过测试，虽然存在着一定的问题，但能够实现小车的循迹功能、寻光功能，基本上能实现小车的路径规划功能。 该智能玩具小车系统还存在一些不完善和需要改进的地方，可以有以下几处需要改进和完善：（1）在小车制作的精度，稳定性及配合间隙，但由于材料都是废弃金属不是精度加工而成所以有些配合还不是很精密。 （2）小车在装卸货物上，可以更加智能，但由于个水平有限，只能算上一个初级的单片机爱好者，所以无法实现。（3）可以在该智能循迹小车中添加更多的有趣的功能。