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jl090
智能
小车
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【JL090】智能小车控制系统的设计,jl090,智能,小车,控制系统,设计
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专业：自动化 学生：李嘉涛 指导老师：王卫军 课题：智能小车控制系统的设计 1. 选题背景 市场上随处可见智能遥控小车 ， 遥控直升机 ， 智能玩偶之类 ， 智能玩具市场前景广阔 。 相比较 51单片机成本低廉 ， 性能可靠 ， 作为小车控制器市场潜力巨大 。 使用 51单片机作为微控制器可以降低消费者对其二次开发的难度 。 电子爱好者可以依据自己兴趣对其进行二次开发 ， 特别是能激发儿童对电子技术的兴趣 。 项目概述 功能介绍 2. 设计要求 成前进、后退、左转，右转的任意动作。 小车总体结构 3. 总体设计方案 单片机模块 红外检测模块 电源模块 电机驱动模块 直流电机 无线控制模块 4. 传感器 &电机驱动设计方案 循迹探测模块方案的论证和比较 用光敏电阻组成光敏探测器 采用反射式 红外 探测器 专用芯片 电机驱动电路的论证与分析 继电器对电动机进行开关控制 步进电机 执行器模块论证与分析 微控制器模块的论证与分析 1、 2、 直流减速电机 5. 执行器 &控制器设计方案 设计车体的论证与分析 1、采用三轮小车 2、采用四轮小车 6. 车体设计方案 7. 循迹传感器介绍 循迹模块 : 循迹模块由 4对红外光电对管组成，红外对管采集回来的信号 通过较器 比较后 输出高 或 低电平，从而实现 对黑色寻迹线的 的检测 和模拟信号到数据信号的转换 。 红外对管设计电路图 做电压 比较时， 限电压），另一端则直接接需要比较的信号电压。当 “+”端电压高于 “ ”端电压时，输出正电源电压，当 “ ”端电压高于 “+”端电压时，输出负电源电压。 如用电平的高低来描述上面两种现象就会出现所谓的 0和 1两种状态，此时再将此 信号 送到单片机的 I/片机就可以判断是黑白路面，进而完成相应的功能，如循迹、避障等。 8. 循迹传感器电路 9. 电机驱动电路介绍 直流电机驱动模块： 桥的高电压、大电流双全桥式驱动器， 接收标准 辑电平信号 ,可驱动大功率电机。 10. 系统软件流程图 主程序流程图： 11. 软件设计思路 系统软件设计思路 小车正常行驶 if(0) /检测到黑线 ,输出为低电平 0 ,直走 ; /直走 ,速度 10级 / 0111,右压线 ; /小车左转矫正姿态 ,速度 7级 ,左压线 ; /小车右转矫正姿态 ,速度 7级 小车姿态矫正示意图 系统软件设计思路 12. 软件设计思路 if(0) /检测到黑线 ,输出为高电平 0 /控制黑线中央两个传感器 (); /右转以矫正姿态 ,速度 :9 (); /左转以矫正姿态 ,速度 :9 13. 小车实物 图 A 小车大弯道左转向 图 B 小车大弯道右转向 图 C 小车走 图 D 小车走 大学的生活即将结束，在此，我要感谢所有曾经教导过我的老师和帮助过我的同学，他们在我大学的生涯中给予了我很大的帮助。 这里要特别感谢我的导师王卫军老师， 无论是论文的选题、构思还是研究方法 ， 我都得到了王老师无私的帮助， 和悉心的指导， 特别是 他 严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益 。 在此表示真诚地感谢和深深地敬意 。 致谢 1 毕业（设计）论文 英文翻译 系 别 自动化系 专 业 自动化 班 级 191001 学生姓名 李嘉涛 学 号 103551 指导教师 王卫军 报告日期 2014 2 is an on a a of in a it a to of At as on a as it in of by PU is by a of PU in a so on 80 is of in of CU of a or of of s 8031, of a to a of 031 to a on of is As of in of a 160s is a RM in a of 26in to 0s to a At 200of s on of a of to 0 is no in of a of is in of as of or a a so it up to In of is s in of a as a in -2 a of in 0 of of at is C of 051 of is on an is It is in a of to to on C. to 8in 051 of is in a of to 051 2C to of 051 up 0.5 of on 051 an as a s of it to of an 32 (4 ) be 6 6 128 of on 4K 051 of of is a by 051 as op of 051 be by 2, it by of by in if a is of by 2. an 21583 of by 4 of is a of a of 980 976. It to a of of 051, 8031, 8751, 8080 8051 1 An is up of ( 1) ( ( 2) At 128B/256B),it as of to ( 3) 4, is to in 031 , 8032, 80C , ( 4) by , as as ( 5) up in to to up a to or of of ( 6) of ( 7) (), is it or of to ( 8) 2 at is a of it is of up of as of LU of , 8s CC of as is it is it to go on to CC In is as of 051 as it is in is is up of 6. It is a of in is A C. it 051 to is 2051 of of 8051 is as in of an to is AM 051 is it to to be of 051 751 000H, 051- 8751 8031 of 28B, 0to AM of 28B, is 2 be as is 8051 AM to It is in AM in of at OM in a an it AM by of is 8051 on in in in of of 8051 is (1) In 0000H of in 6 (2) 4is 000H 646 to (3) 56B ( of in 051: AM OV to in 8051 , 0, P2 3. 2 6 (, a of of as , P2 P0 is a in P3 of P1 1 , of of S to As TL 1 051 3 in a on of a or is it to a do to of is As 0of is it go of to a in to 1to is of of an is to C 000H to 000H. as it or t in to a to be to It is an is to 051 ST to 4 of of to to to to of is to to in to to s to to of in 5 of in to to of to is it to to to in is is of it to s is to is is it to on to 8 单片机原理 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件： 存、内部和外部 总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。 单片机也被称为微控制器（ 是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有 专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。 最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用 处理器的发展便分道扬镳。 早期的单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在 8031 上发展出了 列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了 16 位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。 90 年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着 列特别是后来的 列的广泛应用， 32 位单片机迅速取代 16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统 的 8 位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起 80 年代提高了数百倍。目前，高端的 32 位单片机主频已经超过 300能直追 90 年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至 1 美元，最高端的型号也只有 10 美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的 作系统。 单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最 多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有 1单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备 40 多部单片机，复杂的工业控制系统上9 甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过 和其他计算的综合，甚至比人类的数量还要多。 单片机硬件介绍： 8051 系列微控制器是建立在一个高度优化的嵌入式控制系统的结构上。它的运用范围比较广，从军事装备到汽车再到你的 的键盘。仅次于 摩托罗拉68 8 位处理器销售， 8051 家庭的微控制器 , 在制造商上有各种各样的变化 ,如因特尔公司、西门子、飞利浦。这些厂家已经增加了许多功能及外设，如总线接口 ,模拟到数字转换器 ,看门狗定时器、脉冲宽度调制的输出。 8051 的变化 ,达到 40钟频率下降到 150 伏电压条件是可得到的。这种广泛的部分基于一个核心使 8051 系列的一个很好的选择作为基础架构的一个公司产品 ,因为它可以执行许多功能和开发者只会有这样的一个平台。 基本结构由以下特点 : 一个 8 为的算术逻辑单元 32 个离散输入输出端口（ 4 组 8 位）可 单独访问 二 16 位 定时器 /计数器 全双工通用异步接收 /发送装置 6 个中断源与 2 个优先级别 128 字节的随机存储器 64K 分开字节地址空间的数据和代码的记忆 一个数字处理器周期共有十二振荡器的时期。他本是十二门徒里的每一个阶段是用于振荡器的特殊功能的核心 ,如凤凰社代码的数字和样品中的全部中断菊花链未决的中断。所需的时间任何 8051 指令可以除以 12 例 ,时钟频率通过反演结果和增殖它的数字处理器周期所指示的问题。因此 ,如果你有一个系统 ,使用一个 可以计算出的指令数除以这个值每秒 12分。这给出 了 921583指令每秒指令频率。反相这将提供每个指令周期（ 秒）采取的时间。 51 系列单片机是 司设计的单片机产品。 这家公司 于 1976 年推出 8位 列之后又在 1980 年推出了 列单片机 。它属于这一类型很多行一个芯片的电脑芯片都如 8051、 8031、 8751、 800 ,其基本组成、性能和基本教学制度 ,都是一样的 . 8051 通常是 51 系列的代表。 10 每个单片机 系统是由以下几个方面 构成 : (1)18 微处理器 ( (2)片中内数据存储 器 28B/256B)中如果结果不在操作过程中 ,结果也要显示出来 (3)存储器存储程序 /可擦写可编程只读存储器 (4用于保存程序和数据 ,初步形成片 . 但并不存储器 /可擦写可编程只读存储器在一些人的电脑芯片 ,如8031、 8032、 80c 等 . （ 4)四个 8 路运行的 I/O 口， p0,p1,p2,个口既可用作输入也可用作出口 (5)两个定时 /计数器 ,每个计时器 /计数器 可设立 不同计数方式 ,用来 计数 外部事件 ,可以 设置定时 方式也可以和根据计算结果或 定时控制实现控制计算 (6)五 个中断 控制系统 . (7)一 个全双工串行 步接收世界 /发送 (,它是实现一个计算机芯片和一个计算机芯片 之间 通讯 的一种串口 . (8)振荡器 和时钟产生电路，需要考虑石英晶体微调能力，允许震荡平率位12述每个部分都是通过片内数据总线连接。其中 计算机芯片的核心，他是计算机的指挥中心，由算数单元和控制单元组成算术单元可进行 8 位算术运算和逻辑运算， 元是一种运算器， 18 个存储设备，暂存设备进行存储协调， 累了两个输入端等检查时作为一个操作 由人来操纵存储，另有一个操纵的结果回环协调。此外，协调往往 是作为对 8051 的数据传输运转站考虑。作为一般的微处理器，他是最繁忙的。振荡器和定时器是由 2 个 8 位计数器组成，总位数为 16 位。这是一个字节的地址，其实是程序计数器，将在个人电脑内部有运行，从而改变程序的运行顺序。在 8051 的电路中，只需增加外部石英晶体和频率微调电容，这就保证计算机各部件的工作就像管弦乐队和谐工作。 在 8051 中有 序存储器，只能读取 )和 据存储器，可读可写 )，他们有各自独立的内存地址空间，也有相同的处理方式。 8051 和 8751 的程序存储器的存储容量为 4址从 0000H 开始，在使用过程中其中数据不变。8051,8751,8031 数据存储器的内存为 128B，默认地址是 00于保存中间数据和缓存。在这 128B 的内存中，有 32称作工作寄存器，和常用的微处理器不同的是， 8051 的 按功能来划分模块的。 51 系列单片机和和一般电脑的处理方式不同。一般电脑会自动分配地址空间， 计算机可以安排在不同的空间内，地址范围会根据 位置分配不同的地址空间。在访问的内存，不管是 有一个地址对应一个内存单元，都要 按这个顺序访问。这种内存结构是所谓的普林斯顿结构。 8051 的存储结构按11 物理结构划分可分为程序存储空间和数据存储空间，共有四个内存空间，按结构位置的不同分为内部程序存储空间，外部程序存储空间，内部数据存储空间，外部数据存储空间。但从用户的使用角度来看， 8051 存储器地址空间可分为三类：（ 1）片内，安排 块，片外的（使用 16 个地址）串口 0000H 地址。（ 2）外部数据存储器地址空间为 64址从 0000H 到 16 个地址）的位置排列。（ 3） 256B 的数据存储器（使用 8 个地址）的地址 空间。上述三个重叠的内存空间地址，用 8051 指令系统的传输不同的数据和使用的功能区分。访问内存时，访使用语句，访问块顺序使用片外操作的语句，访问内存片段使用语句。 8051 单片机有四个 8 并行的 I/O 端口，分别为 p0,p1, 精确的双向口，共占 32 针。每个 I/O 线可作为独立的入口和出口。每个端口包括一个锁存器，一个出口驱动器和引进缓冲器，是数据能够锁存输出，数据可以及时缓冲，其余四个具有相同的功能。接外部存储扩大他们的内存时，这四个口就可作为双 向口常用的 I/O 口，这时 看到高 8 位地址， 是一个公共两用口，传送输出低 8 的地址和数据。 输出级别小于小于 ，可以在里面绘制负载电阻，每一个能驱动 4 个 载输出。作为输入口时，所有的 路都可以驱动一个正常的方式。 作为单片机的 。可以利用改变电阻的输出大小，直接的充当震荡开路，不需要添加外部电阻。其中每个口都是标准的双向口。当在当做输入口时，必须把相应的端口置 1 来锁闭输出。比如 8051 单片机，所有端口提供的输出电流只能几毫安，用作输出口时接一个普通的晶体管， 要稳定使用，还要接一定电阻。其主要功能是把初始地址设为 0000H，使单片机从 0000H 的地址开始运行程序。除了正常进入系统的初始化，由于操作失误或者操作过程错误，也要能够解决错误，重新运行。在 8051中 脚是一个输入复位键，复位键高电平信号有效，要保证 24 倍以上的 本科毕业设计论文 题 目 智能小车控制系统的设计 专业名称 自动化 学生姓名 李嘉涛 指导教师 王卫军 毕业时间 2014 年 06 月 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 毕业 任务书 一、题目 智能小车控制系统的设计 二、指导思想和目的要求 （ 1）掌握运用所学理论知识分析解决工程实际问题的一般方法； （ 2）培养分析问题、解决问题和独立工作的能力； （ 3）通过毕业实习、毕业设计及 毕业答辩全过程的训练，加强老师与学生之间、学生与学生之间知识的相互交流，互相渗透，培养学术研讨的好学风； （ 4）要求同学们以满腔的热情、科学的态度，严谨的作风、 高度的责任感从事毕业设计工作；不得敷衍了事、马马虎虎、得过且过；提倡周密思考、大胆创新，反对死搬硬套、墨守陈规；提倡共同研究，反对相互抄袭； （ 5）要求遵守学校的各项规章制度，确保毕业设计顺利地、高质量地完成。 三、主要技术指标 采用微控制器的智能小车无论是作为商品还是学科竞赛都很受青睐。本设计对小车的运动控制采用遥操作，并有手动和自动两种模式可选 ，分别实现小车的遥控运行和自动寻迹。这是一种有较高性价比的设计，可以在消费类电子产品上推广，产生较大的经济和社会效益。 （ 1）设计合理的技术方案； （ 2）选择适合本方案的 采用舵机和电机控制，实现手动和自动寻迹两种运动模式；手动模式实现对 “前进、后退、左转、右转 ”等遥控指令的实时执行，自动寻迹模式沿确定赛道完成前进运行； （ 3）选择合适的光电传感器，实现小车运行中的自动避障； 设计 论文 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 （ 4）功能完备、可靠； （ 5）系统的软硬件实现。 四、进度和要求 （ 1）第 1收集资料，根据需要学习相关的硬软件； （ 2） 第 4 周进行系统概要设计，提出设计的总体思想； （ 3）第 5 周，初步确定设计方案； （ 4）第 6，完成系统硬、软件的设计，针对设计中存在的缺点和不足，不断完善设计方案； （ 5）第 13，撰写并修改论文； （ 6）第 15 周，完成论文，准备答辩资料。 五、主要参考书及参考资料 单片机应用相关资料；小车运动控制相关资料； 学生 李嘉涛 指导教师 王卫军 系主任 史仪凯 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 I 摘 要 随着科技的发展 ， 由微处理器和电子元件开发的智能玩具越来越受到消费者的青睐 ，相比较传统玩具，智能玩具能更好的发展儿童的智力，想象力，甚至 能通过人机交流的方式为孩子的生活增添欢乐，作为智能玩具的一个品种，智能小车可以实现自动寻迹，遥控操作等功能，本设计 是由 高性价比的 制器加上寻迹传感器模块和无线遥控接收模块 搭配而成 ，这是一种非常好的硬件设计方案，其优势在于所用的器件成本较低，可靠性较高， 若进行 市场推广，将会产生巨大的经济和社会效益。 本文对智能小车概况做了阐述，并简要说明了寻迹和遥控的基本原理。在硬件设计方面，本论文以 司的 片机为控制核心，依靠光电对管传感器采集黑线情况，设计小车的寻迹算法，另外使用了无线接收器接收遥控信号来控制小车的前进、后退、转向等动作。软件方面，利用 C 语言编写小车的寻迹、遥控方案，设计出具有自动寻迹和无线控制功能的小车 ， 小车能够在铺设的赛道上自动完成循黑线环绕一周，用户通过无线遥控使小车在自动寻迹和无线控制两种模式之间自由切换，本论文首先对系统的理论支持做了概述，然后对各模块的硬件接口电路进行了阐述 ， 最后阐述了自动寻迹和无线控制的软件设计实现。 关键字 ： 红外寻迹，无线遥控，微控制器 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 of by of of of 51 is a in so it is In in of In of as on to to of on of a at of a to to of of 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 录 第一章 绪论 . 5 题研究背景 . 5 迹控制介绍 . 5 第二章 硬件模块的论证与分析 . 6 迹探测模块设计与比较 . 6 控制器模块论证与分析 . 6 机驱动模块论证与分析 . 7 机选型的论证与分析 . 7 体部分论证与分析 . 8 第三章 片机简介 . 9 片机详细介绍 . 9 处理器 . 9 据存储器 . 9 序存储器 . 9 断系统 . 9 时器 /计数器 . 9 行口 . 9 I/O 端口 . 10 殊功能寄存器 . 10 小应用系统设计 . 10 钟电路 . 11 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 复位电路 . 11 第四章 硬件模块详述 . 12 计方案介绍 . 12 迹模块的设计与实现 . 12 射式红外传感器电路详述 . 12 外传感器寻迹方法论述 . 14 迹探测算法设计详述 . 15 机驱动模块的电路设计与实现 . 18 机驱动芯片介绍 . 19 第五章 软件流程图的设计 . 22 件设计思路 . 22 件设计流程图 . 22 第六章 系统整体连线图 . 23 体连线图 . 23 体连线图说明 . 23 参考文献 . . 24 致谢 .业设计小结 . 27 附录 A: 小车实物图 . 28 附录 B：程序 . 29 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 5 第一章 绪论 题 研究背景 近年来，工业机器人，人工智能，无人驾驶汽车等 得到了 突飞猛进 的发展 ，科技的发展使得工业生产效率成倍翻番，同时， 伴随科技的进步， 人们的生活方式 也向着更先进，智能，人性的方向改善 ，智能玩具 作为高科技的产物自然 随之应用而生。 市场上可以见到的智能玩具品种各式各样 ，如 智能遥控直升飞机、智能玩具小车等，这些玩具投放市场， 一方面 对传统的玩具产业结构造成了不少的冲击，另一方面 也受到了人们的欢迎 。 本次课题选择了智能小车的设计并且能同时实现智能小车 自动寻迹和遥控控制 的 功能 ， 把自动寻迹和无线遥控两种模式融合 在 一款智能车上，这将是高性价比的设计方式 ， 预期将 会 产生很好的市场反响。 迹控制介绍 寻迹是指小车在白色地板上循黑线行走， 由于黑线和白色地板对光线的反射系数不同， 因此 可以 依据传感器 接收到反射光的强弱来判断 “ 道路 ” 。通常采用的方法是红外探测法。 红外探测法，就是利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同反射性质的特点，在小车行驶过程中 反射管 不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板发生漫反射， 这部分 反射光被装载在小车的接收管接收：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 就能 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。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 6 第二章 硬件模块的论证与分析 迹探测模块设计 与比较 方案一：用光敏电阻组成光敏探测器 光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化 ， 当光线照射到白线上面时，光线发射强烈， 而 光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。 方案二：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，在小车行驶过程中红外发射管 不断地 发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出 白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。 单片机就是通过接收到的高低电平为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。对于发射和接收红外线的红外探头，可以自己制作或直接采用集成式红外探头。经测试，第二种方法简单可靠。 本设计决定采用 方案二 。 控制器模块论证与分析 方案 一： 列单片机 片机是低功耗微控制器，适合应用在譬如 “ 便携式心率计 ” ， “ 电子血压计 ” 等对耗能和产品的体积非常敏感的应用环境 ， 其最大的优点是低功耗，但其缺点是端口的驱动能力较弱，并且 其内部集成的晶振频率较低，而且硬件 成本和 程序开发门槛 较高 ，不适合在此场景中应用。 方案二：采用 列单片机 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 7 片机是 51 单片机家族中的一款热销型号，与 片机完全兼容，拥有 8K 字节的系统可编程 储器， 256 字节片内 32 位I/O 口线，三个 16 位的定时器和计数器， 8 个中断源，具有成本低廉，程序开发门槛较低，适合市场普及推广的优点。 综上所述， 这里 采用方案二。 机驱动模块论证与分析 方案一：采用传统的功率三极管 组成电机驱动电路 来控制直流电机 线性型驱 动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻 R 的电流大，发热厉害，损耗 太大 。 方案二：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 缺点是继电器的响应时间慢 ， 易损坏 ， 寿命较短 ， 可靠性不高。 方案三：采用专用芯片 为电机驱动芯片 一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它响应频率高，一片以分别控制两个直流电机，额外还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良 。由 合单片机可实现对小车速度的精确控制。这种调速方式 的优点 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，可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等。 这里决定采用 制直流电机。 机 选型 的论证与分析 方案一：采用直流电机 直流电机 的优点是 速度快，价格便宜， 能 通过调节电压来改变速度， 它的 驱动电路简单，调速范围广，调速特性平滑。其 缺点是 转距小，带有大负载时很容易堵转；而且由于其速度较快，不易控制，精确度低， 所以不宜 在本课题 采用 。 方案二：采用步进电机 步进 电机是一种能将电脉冲转化为角位移的机构，通过控制脉冲个数来控制角位移量，通过调节脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，其 优点是 精确度西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 8 较 高，但 缺点是 控制相对较繁琐。 方案三：采用减速电机 减速电机是通过控制电压来改变速度的，其内部有减速齿轮箱，转距大，非常适合爬坡， 并且 容易控制，速度较步进电机快。 使用 减速电机 完全 可以达到题目 的要求 ，而且价格适中，控制简单。 综上所述， 这里 采用减速电机。 体部分论证与分析 方案一：采用三轮小车 用两独立电机分别带动两车轮，再加一个万向轮，机械加工简单，成本低，但该小车 不适合爬坡、倒退行驶。 方案二：采用四轮小车 采用四轮驱动，用四个独立电机分别带动前后轮，利用差动转向，控制时只需要考虑前后轮的转速比即可 ,不但控制简单 ， 而且灵活度高，适合转向和倒车，非常符合本题的要求。 综上所述， 车体设计 采用方案二。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 9 第三章 片机简介 片机详细介绍 按功能划分， 如下功能部件组成 ： 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 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。 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。 据存储器 片内为 256 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。 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。 断系统 具有 5 个中断源， 2 级中断优先权。 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。 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，扩展并行西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 10 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。 I/O 端口 为 4 个并行 8 位 I/O 口。 殊功能寄存器 共 有 21 个，用于对片内的功能的部件进行管理 ， 控制 和 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 。 由上可见， 80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 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 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。 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 片机在设计的精美之处。 小应用系统设计 片内有 单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单可靠。用 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，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 ， 如图 3示。 图 3片机最小系统 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 11 钟电路 形成时钟，必须外部附加电路。 80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 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 2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， 在 20 100间取值，但在 60 70振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中，振荡晶体选择 12容选择 65 在手工焊电路板时，晶体和电容应 尽可能靠近单片机芯片安放，以减少寄生电容 带来的影响 ，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。 位电路 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 上升时间不超过 1可以实现自动上电复位。时钟频率用 6 C 取 22 取 1 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。 本文采用的 电平复位是通过 经电阻与电源 通而实现的。按键 手动复位电路见图 3 图 3位电路 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 12 第四章 硬件模块详述 计方案 介绍 图 4件系统图 本设计依照模块化设计的原则，把整体的系统分成三个部分： 1、前向信息采集模块。 2、后项电机输出模块。 3、中央处理模块，其中前向通道 采集模块以红外传感器配合 压比较器作为前向通道的核心器件，后向 电机输出 通道采用 流电机驱动模块驱动四路直流电机，另外前向还设计有无线接收模块用来接收无线信号。而中央处理模块使用了 片机 组成的最小系统。 迹模块的设计与实现 射式红外传感器电路详述 传感器使用了红外线发射探测 的 方案，探测模块使用红外线发射和接收管等分立元器件来组成探头，使用 压比较器等构成的中控电路。 探测黑线使用的红外光电管有两种，一种是无色透明的 为发射管，它通电后能够产生人眼不可见红外光，另一部分为黑色的接收部分，它内部的电阻会随着接收到红外光的多少而变化 ， 实物如图 4 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 13 图 4射式红外接收发射管 由于黑色物体表面吸收光线的能力较强，红外发射管照射在黑色物体上时反射回来的光就较少，接收管 接收到的红外光就较少， 因而 表现为电阻 增 大，通过外接电路就可以读出检测的状态；传感器的发射接收原理图如图 4示： 图 4射管和接收管电路原理图 左图为发射部分的电路图，图中 无色透明的红外发射管， 黑色的接收管， 出的红外光在物体表面反射后被 收 ， 然后会在 产生一个对应的电位。 右图为单路比较器组成的红外检测电路图，比较器有两个输入端和一个输出端，两个输入端一个称为同输入端，用 “ +” 号表示，另一个称为反相输入端，用 “ ” 表示。用作两电路 的 比较时，任意一个输入端加一个固定电压 作参考电压（也叫门限电压），另一端则直接接需要比较的信号电压。当 “ +” 端电压高于“ ” 端电压时，输出正电源电压，当 “ ” 端电压高于 “ +” 端电压时，输出负电源电压。 如用电平的高低来描述上面两种现象就会出现高低电平之分 ， 也就是会出现所谓的 0 和 1 两种状态 ， 此时再将此送到单片机的 I/O 口，单片机就可以判断是黑白路面，进而完成相应的功能，如寻迹、避障等。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 14 外传感器寻迹方法论述 安放传感器时需要注意传感器安放的位置和调整左右传感器之间的距离 ， 经过反复测试两探头距离约等于黑线宽度最合适，而黑线宽度选择范 围为 3 5 厘米比较合适。传感器的灵敏度是可调的，偶尔传感器会遇到黑线却不能送出相应的信号的情况，通过调节传感器上的可调电阻，适当的增大或减小灵敏度可以解决这个问题。另外，寻迹传感器的安放有很多种方法，在这里尝试了多种设计思路： 方式 一： 四组传感器都是放置在黑线内侧，其中两组贴黑线边缘，两组处于黑线中央，如图 4示： 图 4感器在寻迹线内侧 方式二： 两组传感器放在白线的外侧，紧贴白线边缘。另外两组传感器同样放在黑线中央 ，如图 4示： 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 15 图 4感器在寻迹线两侧 理论上这两 种方式都是可以的，在这次设计中我采用第二种设计。小车遇黑线时跟着黑线走。当小车向前前进时，如果向左偏离了黑线。那么右边传感器会产生一个低电平，单片机判断这个信号，然后向右拐。那么右边的传感器会回到白板输出高电平。如果小车向右偏离黑线，左边传感器产生一个低电平，单片机会 判断这个信号，然后向左拐。这样，小车 就 不会偏离黑线。左右两边的传感器输出信号为高电平，中间的传感器输出低电平，小车前进。在此过程中（直走）小车若遇 到偏离黑线的情况， 又 会 重复上面动作。 迹探测算法设计详述 为了检测路面黑线，车底的前 部安装了 一排 反射式红外传感器。其中 车体左右两边 各有一个传感器，中轴线上为 两传感器并联成为的 一组传感器。采用三组传感器的接法是因为若 只 采用中部的一组传感器的接法 ， 当 小车 驶出拐角时无法快速的 探测到转弯方向 ，设置 两旁的传感器，可以提前探测到哪一边有轨迹， 以便小车快速调整方向 。 黑色寻迹线中间两个传感器并联成为传感器组，其目的是快速的矫正小车的行进姿态，因为两个相同的直流减速电机即使加载相同的电压，其转速也不可能完全一致，再由于路面摩擦力的作用，小车走直线时会逐渐的偏向一边，因此需要对小车的行进姿态进行校正，而中间一 组传感器刚好就起到了这样的作用，再由于这两个传感器距离较近 。 当左边的传感器离开黑色循迹线，也就是小车跑偏时，程序会马上纠正错误的行进方向，使其恢复在轨状态。 黑线 红外传感器 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 16 图 4车超出寻迹线的状态 图 4示的 圆圈代表传感器，中间粗的线条是供传感器检测用的黑线，图示状态表示的是小车在行进过程中超出了黑线，所以三个传感器均输出高电平，这种状态需要小车进行后退动作以进行 姿态调整。 图 4车右转状态 图 4边的传感器检测到黑线而输出高电平，左边和右边的传感器没有检测到黑线输出低电平，在此状态下小车需要向右转弯 。 传感器 黑线 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 17 图 4车左转状态 图 4小车向左转弯的示意图，下面的传感器检测到了黑线，输出高电平，上面的传感器没有检测到黑线，输出低电平，中间的传感器输出高电平，所以小车在这个状态下需要向左转弯 。 图 4车正常行驶状态 图 4小车正常行驶时的状态图，左边的传感器输出低电平，中间的传感西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 18 器输出高电平，右边的传感器采集的数据为低电平 。 机驱动模块的电路设计 与实现 具体电路如图所示。本电路采用的是基于 理的 H 型驱动电路。采用 H 桥电路可以增加驱动能力，同时保证了 晶体管的安全 。 图 4 型驱动模块的设计 当 为高电平， 为低电平时， 、 管导通， 、 管截止，电动机正转。当 为低电平，为高电平时， 、 管截止， 、 管 导通 ，电动机反转。电机工作状态切换时线圈会产生反向电流，通过四个保护二极管 入回路，防止电子开关被反向击穿。 采用 法调整马达的速度，首先应确定合理的脉冲频率。脉冲宽度一定时，频率对电机运行的平稳性有较大影响，脉冲频率高马达运行的连续性好，但带负载能力差；脉冲频率低则反之。经试验发现，脉冲频率在 50上，电机转动平稳，但智能车行驶时，由于摩擦力使电机转速降低，甚至停转。当脉冲频率在 10下时，电机转动有明显的跳动现象，经反复试验，本车在脉冲频率为 15 20控 制效果最佳。为方便测量及控制，在实际中我们采用了 20 脉宽调速实质上是调节加在电机两端的平均功率，其表达式为： M X 01 （ 4 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 19 式中 P 为电机两端的平均功率； 电机全速运转的功率； K 为脉宽。 当 K=1 时，相当于加入直流电压，这时电机全速运转， ；当 K=0时，相当于电机两端不加电压，电机靠惯性运转。 当电机稳定开动后，有 (f 为摩擦力 ) （ 4 则， （ 4 所以， （ 4 由上式可知智能车的速度与脉宽成正比。 由上述分析， 、 这对控 制电压采用了 20周期信号控制，通过对其占空比的调整，对车速进行调节。同时，可以通过 、 的切换来控制电动机的正转与反转。 在实际调试中，我们发现由于桥式电路中四个三极管的参数不一致，使控制难度加大，因此我们用专用的电机驱动管 成，并且使用一片 可完成对两路电机的控制。 图 4298 内部电路 机驱动芯片 介绍 电机驱动芯片采用 一款承受高压大电流的全桥型直流 /步进电压西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 20 驱动器，如下图 图 4298N 芯片 引脚功能图 图 4298N 与电机连线示意图 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 21 表 4片功能表表 4机驱动 A/B 的控制逻辑表 表 4机驱动端口功能如下表 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 22 第五章 软件流程图的设计 件设计思路 软件设计的核心是在主函数中调用 数， 前向输入的信号进行分类，然后调用子函数 。 电机正转，翻转等动作都是写在子函数中以便程序进行调用，由于使用 了 数代替 if 数 ， 所以程序在结构上非常清晰，很有利于阅读。 件设计流程图 图 5统软件 流程图 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 23 第六章 系统整体连线图 体连线图 图 6统整体连线图 体连线图说明 图中央的器件为 控制器，它的 口接 口接的是反射式红外传感器的 4 个信号输出端， 次接两个 信号输入端 外部中断 0 端口，无线控制模块的 6 信号线输出端接 74非门然后接入 口，功能为控制自动寻迹和无线控制的遥控切换， 口接入无线控制模块的信号输出端口。四个引脚功能分别为遥控控制左转、右转、前进、后退。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 24 参考文献 1 周润景，徐宏伟，丁莉单片机电路设计、分析与制作 M北京：机械工业出版社， 2010 2 李国厚，王春阳，尹振宏，等自动化专业英语 M北京：中国林业出版社；北京大学出版社， 2006 3 王俊峰实用电路手册 M北京：机械工业出版社， 2009 4 汪晓军光电传感与检测技术 M北京 :机械工业出版社， 2011 5 李宜达控制系统设计与仿真 M北京：清华大学出版社 ， 2004 6 徐国华 主编，移动机器人的发展现状及其趋势 J机器人技术与应用，2001 7 党宏社 主编，智能车辆系统发展及其关键技术概述 J公路交通科技，2002 8 尹念东 主编，智能车辆的研究及前景 J上海汽车， 2002 9 王荣本 主编，世界智能车辆研究概述 J公路交通科技， 2001 10 王建农 主编自主移动机器人的导航研究 R机器人， 1999 11 姚 佳 主编，智能小车的蔽障及路径规
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