基于51单片机的智能小车控制系统

湖南工业职业技术学院学生毕业设计 1 湖南工业职业技术学院湖南工业职业技术学院 毕 业 设 计 课题名称 基于 51 与单片机的智能小车控制系统 系 院 名称 电气工程系 专业及班级 学生姓名 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 2 学 号 指导教师 完成日期 年 11 月 19 日 摘摘 要要 随着我国科学技术的进步 智能化作为现代社会的新产物开始越来越普及 各种高科技也广泛应用于智能小车和机器人玩具制造领域 使智能机器人越来越 多样化 智能小车是一个多种高薪技术的集成体 它融合了机械 电子 传感器 计算机硬件 软件 人工智能等许多学科的知识 可以涉及到当今许多前沿领域 的技术 整个小车平台主要以 51 单片机为控制核心 通过无线遥控实现前进后退和转 向行驶 通过红外线传感器 实现小车的自适应巡航 避障等功能 设计采用对比 选择 模块独立 综合处理的研究方法 通过翻阅大量的相关文献资料 分析整 理出有关信息 在此基础上列出不同的解决方案 结合实际情况对比方案优劣选 出最优方案进行设计 从电机车体 最小系统到无线遥控 红外线对管的自动寻 迹再到红外线自动避障和语音控制 完成各模块设计 通过调试检测各模块 得 到正确的信号输出 实现其应有的功能 最后将各个调试成功的模块结合到小车 的车体上 结合程序 通过单片机的控制 将各模块有效整合在一起 达到所预 期的目标 完成最终设计与制作 能使小车在一定的环境中智能化运转 关键字 智能小车 单片机 红外传感器 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 4 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 I 目录目录 第一章 绪 论 1 1 1 1 智能循迹小车概述 1 1 1 2 课题研究的目的和意义 2 1 1 3 智能循迹小车智能循迹分类 3 1 1 4 智能循迹小车的应用 3 第二章 方案设计 5 2 1 主控系统 5 2 2 单片机最小系统 6 2 2 1 STC89C52 简介 6 2 2 2 时钟电路 8 2 2 3 复位及复位电路 8 2 3 电机驱动模块 10 2 4 循迹及避障模块 11 2 5 机械系统 11 2 6 电源模块 11 第三章 硬件设计 12 3 1 总体设计 12 3 1 1 主板设计框图 12 主板设计框图如图 3 1 所需原件清单如表 3 1 12 3 2 驱动电路 参考文献 4 13 3 3 信号检测模块 13 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 II 3 4 主控电路 14 第四章 软件设计 15 4 1 程序功能描述与设计思路 15 4 1 1 程序功能与设计思路 15 4 1 2 程序设计思路 16 4 2 程序流程图 16 第五章 调试与总结 19 5 1 调试 19 5 1 1 调试工具 19 5 1 2 调试过程 19 5 2 总结 19 附录 23 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 1 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 11 1 1 智能循迹小车概述智能循迹小车概述 自智能循迹小车又被称为 Automated Guided Vehicle 简称 AGV 是二十 世纪五十年代研发出来的新型智能搬运机器人 智能循迹小车是指装备如电磁 光学或其他自动导引装置 可以沿设定的引导路径行驶 安全的运输车 工业 应用中采用充电蓄电池为主要的动力来源 可通过电脑程序来控制其选择运动 轨迹以及其它动作 也可把电磁轨道黏贴在地板上来确定其行进路线 无人搬 运车通过电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作 无需驾驶员操作 将货物或 物料自动从起始点运送到目的地 AGV 的另一个特点是高度自动化和高智能化 可以根据仓储货位要求 生产工艺流程等改变而灵活改变行驶路径 而且改变 运行路径的费用与传统的输送带和传送线相比非常低廉 AGV 小车一般配有装 卸机构 可与其它物流设备自动接口 实现货物装卸与搬运的全自动化过程 此外 AGV 小车依靠蓄电池提供动力 还有清洁生产 运行过程中无噪音 无 污染的特点 可用在工作环境清洁的地方 随着社会的不断发展 科学技术水平的不断提高 人们希望创造出一种来 代替人来做一些非常危险 或者要求精度很高等其他事情的工具 于是就诞生 了机器人这门学科 世界上诞生第一台机器人诞生于 1959 年 至今已有 50 多 年的历史 机器人技术也取得了飞速的发展和进步 现已发展成一门包含 机 械 电子 计算机 自动控制 信号处理 传感器等多学科为一体的性尖端技 术 循迹小车共历了三代技术创新变革 第一代循迹小车是可编程的示教再现 型 不装载任何传感器 只是采用简单的开关控制 通过编程来设置循迹小车 的路径与运动参数 在工作过程中 不能根据环境的变化而改变自身的运动轨 迹 支持离线编程的 第二代循迹小车具有一定感知和适应环境的能力 这类 循迹小车装有简单的传感器 可以感觉到自身的的运动位置 速度等其他物理 量 电路是一个闭环反馈的控制系统 能适应一定的外部环境变化 第三代循 迹小车是智能的 目前在研究和发展阶段 以多种外部传感器构成感官系统 通过采集外部的环境信息 精确地描述外部环境的变化 智能循迹小车 能独 立完成任务 有其自身的知识基础 多信息处理系统 在结构化或半结构化的 工作环境中 根据环境变化作出决策 有一定的适应能力 自我学习能力和自 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 2 我组织的能力 为了让循迹小车能独立工作 一方面应具有较高的智慧和更广 泛的应用 研究各种新机传感器 另一方面 也掌握多个多类传感器信息融合 的技术 这样循迹小车可以更准确 更全面的获得所处环境的信息 1 1 21 1 2 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 随着电子技术 计算机技术和制造技术的飞速发展 数码相机 DVD 洗衣 机 汽车等消费类产品越来越呈现光机电一体化 智能化 小型化等趋势 各 种智能化 小车在市场玩具中也占一个很大的比例 根据美国玩具协会的调查统 计 近年来全 球玩具销量增幅与全球平均 GDP 增幅大致相当 而全球玩具市场 的内在结构比重却 发生了重大改变 传统玩具的市场比重正在逐步缩水 高科 技含量的电子玩具则蒸蒸日上 美国玩具市场的高科技电子玩具的年销售额 2004 年交 2003 年增长 52 而传统玩具的年销售额仅增长 3 英国玩具零售 商协会选出的 2001 圣诞节最受欢迎的十大玩具中 有 7 款玩具配有电子元件 从这些数字可以看出 高科技含量的 电子互动式玩具已经成为玩家行业发展的 主流 如今知识工程 计算机科学 机电一体化和工业一体化等许多领域都在讨 论智 能系统 人们要求系统变得越来越智能化 显然传统的控制观念是无法满 足人们的 需求 而智能控制与这些传统的控制有机的结合起来取长补短 提高 整体的优势更 好的满足人们的需求 随着人工智能技术 计算机技术 自动控 制技术的迅速发展 智能控制必将迎来它的发展新时代 计算机控制与电子技 术融合为电子设备智能化 开辟了广阔前景 因此 遥控加智能的技术研究 应 用都是非常有意义而且有很高市场价值的 人类的研究活动已摆脱了地球生物圈的束缚而广泛地进入外层空间和海洋 深处 对月球和太阳系其他行星的探测 对太阳系以外的宇宙进行考察 对数 千米以下的海底的研究 都是目前单靠人力所不能及的 自动控制系统正在代 替人们完成这些任务 在战场上的军事活动中 在恶劣环境条件下的生产劳动 中 凡不宜由人直接承担的任务 均可由自动控制系统代替 如智能小车可以 适应不同环境 不受温度 湿度等条件的影响 完成危险地段 人类无法介入 等特殊情况下的任务 高科技自动控制系统及装置已日益成为现代社会活动中 离不开的自动智能设备 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 3 1 1 31 1 3 智能循迹小车智能循迹小车智能循迹分类智能循迹分类 AGV 从发明至今已经有 50 多年的历史 随着应用领域范围的不断扩大 其 种类和形式也变得更加多样化 一般根据行驶的导航方式将智能循迹小车分为 以下几种类型 1 电磁感应式 电磁感应式引导一般在地面上 沿预定路径埋电线 当 高频电流通过导线 电线周围产生电磁场流动 AGV 小车上安装两个对称的电 磁感应传感器 他们收到的电磁信号差异可以反映的 AGV 偏离程度路径的程度 AGV 自动化控制系统 基于这种偏差值 以控制车辆的转向 连续的动态的闭 环控制设置能够保证 AGV 对设定路径的稳定自动跟踪 在目前商业用途的 AGV 中 特别是大型和中型小车 绝大多数都采用电磁感应导航 2 激光式 安装有可旋转的激光扫描器的 AGV 可安装在墙壁或有高反射 激光定位标志的支柱上或者路径上运行 AGV 依靠激光扫描器发射激光束 然 后接收由四周定位标志反射回的激光束 车载计算机 计算出当前车辆的位置 和运动方向 通过内置的数字地图和校准位置相比 以实现自动处理 目前 这种 AGV 类型的应用比较广泛 基于同样的原理 如果激光扫描仪被红外线发 射器 或超声波发射取代 激光制导的 AGV 小车可以转变为红外引导和超声引 导的 AGV 3 视觉式 视觉引导式 AGV 是的迅速发展和比较成熟的 AGV 这种 AGV 配 备 CCD 摄像机 传感器和车载电脑 在车载计算机中设置有 AGV 欲行驶路径周 围环境图像数库 在 AGV 的行驶过程中 相机得到的图像与图像数据库进行比 较 以确定当前位置和车辆周围的图像信息并对驾驶下一步作出决定 这种 AGV 小车并不需要设置任何的人工物理路径 所以在理论上具有灵活性 在计 算机图像采集 存储和处理技术飞速发展的今天 这种类型的 AGV 实用性越来 越强 此外 还有铁磁陀螺惯性引导式 AGV 光学引导式 AGV 等多种形式的 AGV 1 1 41 1 4 智能循迹小车的应用智能循迹小车的应用 智能循迹小车发展历史及主要应用场所如下 1 仓储业 1954 年 来自美国南卡罗来纳州的 Mercury Motor Freight 公司成为第一批把 AGV 小车的应用到仓库的使用者 来实现出入库货物的自动 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 4 处理 至今世界上有超过 2100 个厂家把大约 2 万台大型或小型的 AGV 小车应用 到自己的仓库中 中国的海尔集团在 2000 年把 9 台 AGV 小车投产到了自己的仓 库区 形成一个灵活的 AGV 自动数据库处理系统 轻松地完成了每天至少 33500 的储存和装卸货物的任务 2 制造业 在制造业的的生产线中 AGV 小车大显身手 快速 精确 灵活 的完成材料的运送任务 由多台 AGV 小车组成的物流运输处理系统 较人工搬 运系统来说更灵活 运输路线可以根据生产过程及时调整 使一条生产线 生 产十几个产品 大大提高了生产的灵活性 企业的竞争力 在 1974 年瑞典的沃 尔沃卡尔马的汽车组装厂 提高了运输系统的灵活性 使用以 AGV 小车为载运 工具的装配线 采用该装配线后 减少了 20 装配时间 减少了 39 组装错误 减少了 57 投资资金回收时间以及减少了 5 的员工费用 目前 在世界主要的 汽车生产厂家 如通用 丰田 克莱斯勒 大众 AGV 小车已被广泛应用 近年 来 作为 CIMS Computer Integrated Manufacturing Systems 直译为基于计 算机的现代集成制造系统 的基础搬运工具 AGV 已经深入到机械加工 家电制 造 微电子制造 烟草等行业 生产业和加工业已成为 AGV 小车使用最广泛的 领域 3 邮局 图书馆 港口码头和机场 在邮局 图书馆 码头和机场候机楼 等人口密集的公众场所 存在着大量的物品的运送工作 充满不定性和动态性 强的特点 搬运过程往往也很单一 AGV 有着可并行工作 自动化 智能化和 处理灵活的特点 可以很好的满足这些场合的运输要求 1983 年瑞典的大斯得 哥尔摩邮局 1988 年日本东京的多摩邮局 1990 年中国上海的邮政相继开始使 用 AGV 小车来完成邮品的搬运工作 在荷兰的鹿特丹港口 50 辆被称为 院子 里的拖拉机 的 AGV 小车每天都在把集装箱从船边运送到几百米以外的仓库中 4 烟草 医药 化工 食品 对于处理一些需要在清洁 安全 无排放污染等其他特殊环境要求的产品生产 如烟草 制药 食品 化工等产品时应考虑 AGV 小车的应用 在全国许多卷烟 企业 如青岛颐中集团 玉溪红塔集团 红河卷烟厂 淮阴卷烟厂 应用激光 引导式 AGV 完成托盘货物的搬运工作 5 危险场所和特种行业 在军事方面 以 AGV 小车为基础有着自动驾驶和 检测功能的设备 可用于战场侦察和扫雷 英国军方正在开发 MINDER 侦察系统 这是一种具有地雷探测 销毁和路线验证能力自动型侦察车 在钢铁厂 AGV 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 5 小车负责炉料运输 大大降低了工人们的劳动强度 在核电厂的核储存地点使 用 AGV 小车 以避免辐射的危险 AGV 小车可在黑暗环境中 准确 可靠的运 输物料 第二章第二章 方案设计方案设计 根据课题要求 确定以下方案 在现有的智能小车的基础上 加上超声波 测距器 实现智能小车的速度 位置 运行状况的实时测量 并将测量的数据 传至单片机进行处理 然后由单片机根据所测量的各种数据实现对电动车的智 能控制 这种方案能实现对电动机运动状态进行实时控制 控制灵活 可靠 精度高 可满足对系统的各项要求 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 6 2 12 1 主控系统主控系统 根据设计要求 我认为该设计属于多输入的复杂程序控制问题 因此我拟定 了以下几种方案 具体如下 方案一 STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器 STC89C52 使用经典的 MCS 51 内核 但做了很 多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能 在单芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活 超有效的解决方案 方案二 AVR 单片机是 Atmel 公司 1997 年推出的 RISC 单片机 RISC 精简指令 系统计算机 是相对于 CISC 复杂指令系统计算机 而言的 RISC 并非只是简单 地去减少指令 而是通过使计算机的结构更加简单合理而提高运算速度的 RISC 优先选取使用频率最高的简单指令 避免复杂指令 并固定指令宽度 减 少指令格式和寻址方式的种类 从而缩短指令周期 提高运行速度 由于 AVR 采用了 RISC 的这种结构 使 AVR 系列单片机都具备了 1MIPS MHz 百万条指令 每秒 兆赫兹 的高速处理能力 方案三 FPGA 是由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的 因此 工作时需 要对片内的 RAM 进行编程 用户可以根据不同的配置模式 采用不同的编程方 式 加电时 FPGA 芯片将 EPROM 中数据读入片内编程 RAM 中 配置完成后 FPGA 进入工作状态 掉电后 FPGA 恢复成白片 内部逻辑关系消失 因此 FPGA 能够反复使用 FPGA 的编程无须专用的 FPGA 编程器 只须用通用 PROM 编程器即可 当需要修改 FPGA 功能时 只需换一片 EPROM 即可 这样 同一片 FPGA 不同的编程数据 可以产生不同的电路功能 因此 FPGA 的使用非常灵 活 方案比较 采用单片机作为整个系统的核心 用其控制行进中的小车 以实现其既定 的性能指标 充分分析我们的系统 其关键在于实现小车的自动控制 而在这 一点上 单片机就显现出来它的优势 控制简单 方便 快捷 这样一来 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 7 单片机就可以充分发挥其资源丰富 有较为强大的控制功能及可位寻址操作功 能 价格低廉等优点 因此 这种方案是一种较为理想的方案 针对本设计特 点 多开关量输入的复杂程序控制系统 需要擅长处理多开关量的标准单片 机 而不能用精简 I O 口和程序存储器的小体积单片机 D A A D 功能也不必 选用 根据这些分析 我选定了 STC89C52 单片机作为本设计的主控装置 51 单 片机具有功能强大的位操作指令 I O 口均可按位寻址 程序空间多达 8K 对 于本设计也绰绰有余 更可贵的是 51 单片机价格非常低廉 在综合考虑了传感 器 两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 22 2 单片机最小系统单片机最小系统 2 2 12 2 1 STC89C52STC89C52 简介简介 STC89C52 是一种带 8K 字节闪烁可编程可檫除只读存储器 FPEROM Flash Pargramabie and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 COMOS8 的微处理器 俗称单片机 该器件采用 ATMEL 搞密度非易失存储器制造 技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 图图 2 12 1 单片机实物图单片机实物图 STC89C52 具体介绍如下 1 主电源引脚 2 根 VCC Pin40 电源输入 接 5V 电源 GND Pin20 接地线 2 外接晶振引脚 2 根 XTAL1 Pin19 片内振荡电路的输入端 XTAL2 Pin20 片内振荡电路的输出端 3 控制引脚 4 根 RST VPP Pin9 复位引脚 引脚上出现 2 个机器周期的高电平将使单片机 复位 ALE PROG Pin30 地址锁存允许信号 PSEN Pin29 外部存储器读选通信 号 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 8 EA VPP Pin31 程序存储器的内外部选通 接低电平从外部程序存储器读 指令 如果接高电平则从内部程序存储器读指令 4 可编程输入 输出引脚 32 根 STC89C52 单片机有 4 组 8 位的可编程 I O 口 分别位 P0 P1 P2 P3 口 每个口有 8 位 8 根引脚 共 32 根 PO 口 Pin39 Pin32 8 位双向 I O 口线 名称为 P0 0 P0 7 P1 口 Pin1 Pin8 8 位准双向 I O 口线 名称为 P1 0 P1 7 P2 口 Pin21 Pin28 8 位准双向 I O 口线 名称为 P2 0 P2 7 P3 口 Pin10 Pin17 8 位准双向 I O 口线 名称为 P3 0 P3 7 图图 2 22 2 单片机引脚图单片机引脚图 STC89C52 主要功能如表一所示 表一表一 STC89C52STC89C52 主要功能主要功能 主要功能特性 兼容 MCS51 指令系统8K 可反复擦写 Flash ROM 32 个双向 I O 口256x8bit 内部 RAM 3 个 16 位可编程定时 计数器中断时钟频率 0 24MHz 2 个串行中断可编程 UART 串行通道 2 个外部中断源共 6 个中断源 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 9 2 个读写中断口线3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式低功耗空闲和掉电模式 2 2 22 2 2 时钟电路时钟电路 STC89C52 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器 引脚 RXD 和 TXD 分别是此放大器的输入端和输出端 时钟可以由内部方式产生或外部方式 产生 内部方式的时钟电路如图 2 3 a 所示 在 RXD 和 TXD 引脚上外接定时 元件 内部振荡器就产生自激振荡 定时元件通常采用石英晶体和电容组成的 并联谐振回路 晶体振荡频率可以在 1 2 12MHz 之间选择 电容值在 5 30pF 之间选择 电容值的大小可对频率起微调的作用 外部方式的时钟电路如图 2 3 b 所示 RXD 接地 TXD 接外部振荡器 对 外部振荡信号无特殊要求 只要求保证脉冲宽度 一般采用频率低于 12MHz 的 方波信号 片内时钟发生器把振荡频率两分频 产生一个两相时钟 P1 和 P2 供单片机使用 如图所示 RXD 接地 TXD 接外部振荡器 对外部振荡信号无特殊要求 只 要求保证脉冲宽度 一般采用频率低于 12MHz 的方波信号 片内时钟发生器把 振荡频率两分频 产生一个两相时钟 P1 和 P2 供单片机使用 RXD 接地 TXD 接外部振荡器 对外部振荡信号无特殊要求 只要求保证脉冲宽度 一般采用 频率低于 12MHz 的方波信号 片内时钟发生器把振荡频率两分频 产生一个两 相时钟 P1 和 P2 供单片机使用 a a 内部时钟电路 内部时钟电路 b b 外部时钟电路 外部时钟电路 图图 2 32 3 时钟电路时钟电路 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 10 2 2 32 2 3 复位及复位电路复位及复位电路 1 复位操作 复位是单片机的初始化操作 其主要功能是把 PC 初始化为 0000H 使单片 机从 0000H 单元开始执行程序 除了进入系统的正常初始化之外 当由于程序 运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时 为摆脱困境 也需按复位键重新 启动 除 PC 之外 复位操作还对其他一些寄存器有影响 它们的复位状态如表二 所示 表二复位状态表表二复位状态表 寄存器复位状态寄存器复位状态 PC 0000HTCON00H ACC00HTL0 00H PSW00HTH000H SP 07HTL100H DPTR0000HTH100H P0 P3FFH SCON00H IPXXBSBUF 不定 IE 0XBPCON0XXX0000B TMOD00H 2 复位信号及其产生 RST 引脚是复位信号的输入端 复位信号是高电平有效 其有效时间应持 续 24 个振荡周期 即二个机器周期 以上 若使用颇率为 6MHz 的晶振 则复位 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 11 信号持续时间应超过 4us 才能完成复位操作 产生复位信号的电路逻辑如图 整个复位电路包括芯片内 外两部分 外部电路产生的复位信号 RST 送至 施密特触发器 再由片内复位电路在每个机器周期的 S5P2 时刻对施密特触发器 的输出进行采样 然后才得到内部复位操作所需要的信号 复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的 其电路如图 2 4 a 所示 这佯 只要电源 Vcc 的上升时间不超过 1ms 就可以实现自动上 电复位 即接通电源就成了系统的复位初始化 按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种 其中 按键电平复位是通过使 复位端经电阻与 Vcc 电源接通而实现的 其电路如图 2 4 b 所示 而按键 脉冲复位则是利用 RC 微分电路产生的正脉冲来实现的 上述电路图中的电阻 电容参数适用于 6MHz 晶振 能保证复位信号高电平 持续时间大于 2 个机器周期 其电路如图 2 4 c 所示 a a 上位电路 上位电路 b b 按键电平复位 按键电平复位 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 12 c c 按键脉冲复位 按键脉冲复位 图图 2 42 4 复位电路复位电路 2 32 3 电机驱动模块电机驱动模块 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 5 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 现市面上有很多此种芯片 我选用了 L298N 这种调速方式有调速特性优良 调整平滑 调速范围广 过载能力大 能承受 频繁的负载冲击 还可以实现频繁的无级快速启动 制动和反转等优点 因此 决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 13 图图 2 52 5 H H 桥式电路桥式电路 2 42 4 循迹及避障模块循迹及避障模块 采用两只红外对管 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 采用一只红外对管置于小车右侧 通过测试此种方案就能很好的实现小车 避开障碍物 且充分的利用资源而不浪费 参考文献 3 2 52 5 机械系统机械系统 本题目要求小车的机械系统稳定 灵活 简单 而三轮运动系统具备以上 特点 驱动部分 由于玩具汽车的直流电机功率较小 而小车上装有电池 电 机 电子器件等 使得电机负担较重 为使小车能够顺利启动 且运动平稳 在直流电机和轮车轴之间加装了三级减速齿轮 电池的安装 将电池放置在车体的电机前后位置 降低车体重心 提高稳定性 同时可增加驱动轮的抓地力 减小轮子空转所引起的误差 简单 而三轮运动 具备以上特点 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 14 2 62 6 电源模块电源模块 采用 4 支 1 5V 电池单电源供电 但 6V 的电压太小不能同时给单片机与与电 机供电 第三章第三章 硬件设计硬件设计 3 13 1 总体设计总体设计 智能小车采用前轮驱动 前轮左右两边各用一个电机驱动 调制前面两个 轮子的转速起停从而达到控制转向的目的 后轮是万象轮 起支撑的作用 将 循迹光电对管分别装在车体下的左右 当车身下左边的传感器检测到黑线时 主控芯片控制左轮电机停止 车向左修正 当车身下右边传感器检测到黑线时 主控芯片控制右轮电机停止 车向右修正 避障的原理和循线一样 在车身右边装一个光电对管 当其检测到障碍物 时 主控芯片给出信号报警并控制车子倒退 转向 从而避开障碍物 3 1 13 1 1 主板设计框图主板设计框图 主板设计框图如图 3 1 所需原件清单如表 3 1 图图 3 13 1 主板设计框图主板设计框图 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 15 元件 数量元件数量元件 数量 直流电机2 只电阻若干集成电路芯 片 若干 单片机 1 块二极管若干电容若干 红外对管3 只蜂鸣器1 只 电位器 若干 12M 晶振1 只 杜邦线 若干玩具小车1 个 排针 若干 3 23 2 驱动电路 参考文献驱动电路 参考文献 4 4 小型直流电机专用驱动器 所用芯片 L293 属于 H 桥集成电路 其输出电流 为 1000mA 最高电流 2A 最高工作电压 36V 可以驱动感性负载 特别是其输 入端可以与单片机直接相联 从而很方便地受单片机控制 当驱动小型直流电 机时 可以直接控制两路电机 并可以实现电机正转与反转 实现此功能只需 改变输入端的逻辑电平 本模块具有体积小 控制方便的特点 采用此模块定 会使您的电机控制自如 应对小车题目轻松自如 驱动原理图如图 3 2 图图 3 23 2 电机驱动电路电机驱动电路 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 16 3 33 3 信号检测模块信号检测模块 小车循迹原理是小车在画有黑线的白纸 路面 上行驶 由于黑线和白纸 对光线的反射系数不同 可根据接收到的反射光的强弱来判断 道路 黑线 笔者在该模块中利用了简单 应用也比较普遍的检测方法 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 不断地向外发射红外光 当红外光遇到白色障碍物时发生漫反射 反射 光被与之相对的接收管接收 如果遇到黑色物体则红外光被吸收 接收管接收 不到红外光 将接收管的结果送给单片机 单片机就是否收到反射回来的红外 光为依据来进行相应的处理 根据它的特性可以用于智能小车的寻迹或避障 红外对管白色为发射管 长引脚为正极 接高电位 黑色为接收管 长引脚接 地 短引脚接高电位 电路图如图 3 3 图图 3 33 3 循迹原理图循迹原理图 3 43 4 主控电路主控电路 本模块主要是对采集信号进行分析 同时给出 PWM 波控制电机速度 起停 以及再检测到障碍报警等作用 其电路图如图 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 17 图图 3 43 4 主控电路主控电路 第四章第四章 软件设计软件设计 4 14 1 程序功能描述与设计思路程序功能描述与设计思路 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 计中占重要地位 对于本系统 软件更为重要 4 1 14 1 1 程序功能与设计思路程序功能与设计思路 1 当单片机接收到光电开关与避障信号后 控制电机左转右转 实现循迹 2 编制程序使单片机驱动超声波检测模块检测前方小车距离 调整后车的 车速 3 光电开关程序实现两小车之间的相互通信 实现超车 领跑功能 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 18 4 1 24 1 2 程序设计思路程序设计思路 1 循迹转弯设计思路 当左右两边光电开关都接收到检车信号时 两光电开关都输出低电平 小 车 直行 当左右光电开关分别为接收不到信号 接收到信号时 左右光电开关 分别输出高 低电平 小车右拐 当左右光电开关分别为接收到信号 接收不 到信号时 左右光电开关分别输出低 高电平 小车左拐 当检测到拐弯标志时 输出为高电平 并实现对标志线计数功能 作为小 车起始 拐弯 超车标志 实现小车的起始 拐弯与超车 4 24 2 程序流程图程序流程图 1 主程序流程图如图所示 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 19 图图 4 14 1 主流程图主流程图 2 循迹子程序流程图如图所示 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 20 图图 4 24 2 循迹子程序流程循迹子程序流程 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 21 3 单片机系统流程图如图所示 4 34 3 单片机系统流程图单片机系统流程图 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 22 第五章第五章 调试与总结调试与总结 5 15 1 调试调试 5 1 15 1 1 调试工具调试工具 仪器名称用途 电脑调试及下载程序 数字万用表测量各种电路工作情况 5 1 25 1 2 调试过程调试过程 我们尝试着先用 STC89C52 来控制小车的跑马灯 结果实验成功 证明单片 机运转正常 然后尝试寻迹 结果试验成功 小车能正常的跑动起来 这个小 试验 是为了检测小车的机械性能 达到了我们预期目的 湖南工业职业技术学院学生毕业设计 23 主板通电前检查 电路安装完毕 我们首先直观检查电路各部分生产线是 否正确 检查电源 地线 信号线 元器件引脚之间有无短路 器件有无接错 通电检查 给电机通电 观察电机是否工作正常 电机正常工作时 后驱 工作电流为 320 mA 电压为 5 4V 前驱电机工作电流为 180mA 电压为 5 41V 给主板通电 观察电路各部分器件有无异常现象 主板安装调试 在调试的过程中我们发现了原理图中有一个小小的错误 这个错误导致小车的稳压芯片过热 一起讨论之后决定 修改原理图 调换小 车驱动芯片的位置 改动之后 小车电源稳压芯片过热现象消失 小车也能实 现了基本的功能 在调试的过程中却发现小车不停车 经过了几天的努力 终于发现了问题 的所在 原来时程序设计有误 改正后调试 终于也能实现了循迹功能 5 25 2 总结总结 本设计方案按照任务书的要求 以 51 单片机为控制核心 结合无线遥控模 块 红外对管寻迹模块 红外线避障模块和电机控制模块实现小车的自动寻迹 功能 自动避障功能 无线遥控和语音控制功能 基本完成各项指标 实现小 车的智能化行驶 系统是通过软硬结合的方式 得到硬件检测信号后输入单 片机各个对应的 I O 接口 通过汇编程序控制过程 小车由遥控启动后 自动 寻迹 并不断检测遥控