智能玩具小车毕业设计.doc

北华大学毕业设计（论文）摘要随着科学技术的进步，智能化和自动化技术越来越普及，各种高科技技术也广泛应用于智能小车河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新技术的集成体，融合了机械，计算机硬件，软件，电子，人工智能等多种科学技术的知识，可以涉及到当今许多前言领域的技术。利用红外对管来检测黑线，利用超声波实现避障，并以STC89C51单片机为主控芯片控制小车的转向和速度，从而使小车实现自动循迹避障的功能。其中由L298N驱动电路对小车驱动，单片机输出的PWM波控制速度。由内置程序分别控制位于小车左右的直流电机的运转，实现小车的自动识别路线的功能，能够有效的控制小车遇到障碍物时能够转弯角度与循迹行驶。本设计的结构相对简单，比较易于实现，体现了一定程度的智能。关键词：智能小车；红外对管；STC89C51单片机；超声波；L298NAbstractWith the progress of science and technology, intelligent and automation technology is more and more popular, various high-tech technology is also widely used in the field of intelligent car river robot toy manufacturing, make intelligent robot has become more and more diversified. Smart car is an integration of a variety of high technology, the integration of mechanical, computer hardware, software, electronics, artificial intelligence and many other kinds of scientific and technological knowledge can involves to many of todays introduction in the field of technology.Using infrared tube to detect the black line, in order to avoid obstacles by using ultrasonic wave, and the STC89C51 MCU as the main control chip to control the cars steering and speed, so as to enable the car to achieve the function of automatic tracking and obstacle avoidance. Which is driven by the L298N driver circuit, the output of the microcontroller PWM wave control speed. By the built-in program control located in the car about DC motor running, the car automatic recognition route function, can effectively control the car encountered obstacles to the steering angle and tracking road. The structure of the design is relatively simple, the comparison is easy to realize, and it embodies the intelligence of a certain degree.Keywords:intelligent vehicle;infrared tube;STC89C51 MCU;ultrasonic;L298N目录摘要1Abstract2引言11绪论21.1 智能玩具的意义和作用21.2 智能小车的现状31.2.1 国外移动机器人的状况31.2.2 国内移动机器人的状况32 方案设计与论证52.1 主控系统52.1.1 AT89C52单片机简介52.1.2 单片机的发展62.2 电机驱动模块72.2.1 H桥式电路工作原理92.2.2 PWM调速技术92.3 循迹模块92.3.1光电传感器的工作原理92.3.2光电传感器的分类和工作方式102.4 避障模块112.4.1 超声波测距的原理122.4.2 超声波传感器的分类122.4.3 超声波测距特点132.5 显示模块142.5.1 数码管的结构及工作原理142.5.2 数码管的选择152.6 机械系统152.6.1 电机驱动部分：152.6.2 电池的安装：152.7 电源模块163 硬件设计173.1 总体设计173.1.1 主板设计框图如图3.1173.2 驱动电路173.2.1 电机驱动电路设计183.2.2 信号检测电路设计183.2.3 主控电路设计193.3 显示模块电路设计204 软件设计224.1 主程序设计224.1.1 主程序框图224.1.2 主程序流程图234.2 循迹模块程序设计244.3 避障模块程序设计254.4 显示模块的程序设计265 制作安装与调试275.1 小车的安装275.2小车的调试275.3智能小车的功能28结 论29参考文献31- 5 -北华大学毕业设计（论文） 引 言随着微电子技术的不断发展，单片机不但集成程度越来越高，已可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器、AD 转换器、DA 转换器等多种电路，而且体积越来越小，功耗越来越低，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统8。这种技术促使机器人技术也有了突飞猛进的发展，目前的机器人技术发展异常迅速，已经出现了各种各式的用于各种用途的机器人了，机器人的设计与制造已经不是很高难度的事情了，已经具有普及性了。本文设计以STC89C52 单片机作为检测和控制核心。采用红外光电传感器检测路面黑线及障碍物，应用超声波传感器测距，利用单片机控制电动机的转动方向和转速。通过软件编程实现小车的行进、绕障。通过对电路的优化组合，可以最大限度地利用51 单片机的全部资源。P0 口用于连接VCC，P1 口用于传感器的数据采集与中断控制，P2口用于电动机的驱动控制。这样做的优点是：简单有效，降低了总体设计的成本。1绪论1.1 智能玩具的意义和作用 自从第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经在机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域遍布。由于机器人的智能水平的不断提高，人们的生活方式迅速地改变着。在人们不断认识、改造、探讨自然的过程中，替代人劳动的机器的实现一直是人类的梦想。由于科学技术的进一步发展，机器人的感觉传感器种类逐渐增加，视觉传感器对自动行走和驾驶的功能的实现起到主要作用。自主式智能导航系统是视觉的典型应用领域，图像处理技术对于视觉的各种技术而言已相当发达，而基于图像的理解技术相对落后，需要通过大量的运算的机器视觉也只能识别部分结构化环境相对简单的目标。摄像管或CCD是视觉传感器的核心器件， CCD目前已能实现自动聚焦。但CCD传感器的使用方式、价格、体积上不占优势，因此在只需要粗略感觉不要求清晰图像的系统中的一种实用有效方法是使用接近觉传感器。机器人想要实现自动导引、避障功能需感知导引线和障碍物，感知导引线相当于给机器人添加一个视觉功能。自动导引小车（AVGauto-guide vehicle）系统使智能小车基于它实现自动识别、判定进而自动避开障碍，选择正确的行驶路径。传感器用于感知路线和障碍并且做出判定和相应的执行动作。智能避障小车可以分为三大组成部分：传感器检测部分、执行部分和CPU。机器人在实现自动避障功能的同时，还可以拓展循迹等功能，可以感知导引线和障碍物。使小车实现自动识别路线，选择正确的行进路径，检测到障碍物并自动避开。基于以上要求，考虑到小车不需要感知特别清晰的图像，传感检测部分只需要粗略感知便可，所以不使用昂贵的CCD传感器而考虑邮性价比高的的红外反射式传感器来替代。智能小车的驱动部分，是由直流电机来实现，主要控制小车的行进速度和方向。单片机驱动直流电机有两种可行方案：第一，选择有PWM功能的单片机不需要占用单片机资源，可以实现精确的调速；第二，PWM输出调制由软件模拟实现，需占用单片机资源，很难精确调速，但单片机型号的选择性比较大。综合考虑，我们选择第二种方案。CPU由STC89C52单片机配合软件编程实现。1.2 智能小车的现状1.2.1 国外移动机器人的状况到20世纪90年代，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，适应性强的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，展开了移动机器人更高层次的研究。随着技术的进步，移动机器入开始在更现实的基础上，开拓各个应用领域，向实用化前进。如1997年牛津大学机器人研究小组采用分布式滤波及局部智能控制代理的系统模式，利用卡尔曼滤波方法融合来自摄像机、激光测距、声纳的数据信息，设计出了在已知或未知的工厂环境下工作的移动机器人。美国国家航空和宇宙航行局（nasa）资助研制的八足行走机器人。丹蒂”，作为能实现远程探险的高性能移动机器人，于1994年在斯珀火山的火山口迸行了成功的表演。美国nasa研制的火星探测机器人“sojourner”于1997年登上火星，验证了自主移动机器人在火星表面运动和进行科学试验的可行性。2003年，美国nasa又派出两个火星着陆器，这两个着陆器上各带勇气号和机遇号火星漫游者，到火星上采集数据在任务期间，“勇气”创造了日行27.5米的纪录，打破了“sojourner”97年创下的日行7米的记录；“机遇”号也己成功地在火星上进行了多种科学实验。后来，美国宇航局又在研究另一种新型的火星探测器一火星科学实验室（MSL），是一种适用于所有地形的多用途机器人，乃执行任务。德国研制了一种轮椅机器人，并在乌尔姆市中心车站的客流高峰期的环境中和1998年汉诺威工业商品展览会大厅环境中进行了超过36小时的考验，所展现的性能是其它现存的轮椅机器人和移动机器人所不可比的。另外，自从1996年成功地举行了第一次世界机器人足球赛以来，现在一年一度的世界机器人足球赛已经吸引了越来越多的团体参加，极大地推进了多移动机器人技术的研究，成为研究和验证人工智能成果的实验床。1.2.2 国内移动机器人的状况在国内，从“七五”开始，我国的移动机器人研究开始起步，经过多年来的发展，已经取得了一定的成绩。清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定。涉及到五个方面的关键技术：基于地图的全局路径规划技术研究；基于传感器信息的局部路径规划技术研究；路径规划的仿真技术研究；传感技术、信息融合技术研究；智能移动机器人的设计和实现。香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人。中国科学院沈阳自动化研究所得AGV和防暴机器人。中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统。哈尔滨工业大学于1996年研制成功的导游机器人等。自主移动机器人的研究虽取得了很大的进展，但是对于复杂的应用，仍不能令人满意。2 方案设计与论证2.1 主控系统根据设计要求，我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。据此，拟定了以下两种方案并进行了综合的比较论证，具体如下：方案一：系统的核心部件选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15），实现控制和处理的功能。CPLD具有速度快、资源丰富、编程容易、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行软件的编写开发。但CPLD在控制上和单片机有较大的差距。并且CPLD的处理速度特别快，而小车的行驶速度不能太快，从而系统处理信息的需求也就不是太高，由此，MCU可以胜任了。若采用这个方案，定会在控制上添加了很多没必要添加的难题。为此，我们不采用这种方案，并且提出了第二种设想。方案二：整个系统的核心由单片机来实现，用其来控制行驶中的小车，实现其性能指标。经过充分的分析这个的系统，发现关键在于小车自动控制的实现，单片机在这一点上就能显现出来它的优势控制简单、快捷、方便。这样一来使单片机资源丰富、控制功能强大及可位寻址操作功能、低廉的价格等优点就可以充分发挥。因此，这种方案是较为理想的。针对本次设计的特点多开关量输入的复杂程序控制系统，单片机需要处理多开关量，因此不能使用程序存储器的小体积和精简I/O口的单片机，也不必选用D/A、A/D功能。根据这些分析, 本设计选定P89C51RA单片机为的主控装置，51单片机有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，多达8K的程序空间，对于本设计也可以完全胜任，并且51单片机有着非常低廉的价格。经过综合考虑两部电机的驱动、传感器等因素后，我们决定应用一片单片机，对STC89C52单片机的资源充分利用。2.1.1 AT89C52单片机简介在众多的单片机系列中，AT89C52是一种低功耗，高性能CMOS8位微控制器，具有8K系列可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序储存器在系统可编程，也适应于常规编程。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超高效的解决方案。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。2.1.2 单片机的发展 1946年第一台电子计算机诞生至今，依靠微电子技术和半导体技术的进步，从电子管晶体管集成电路大规模集成电路，使得计算机体积更小，功能更强。特别是近20年时间里，计算机技术获得飞速的发展，计算机在工农业，科研，教育，国防和航空航天领域获得了广泛的应用，计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志14。 单片机诞生于20世纪70年代，象Fairchild公司研制的F8单片微型计算机。所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元(Center Processing Unit,也即常称的CPU)和数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛14。 20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，象Fairchild公司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器。 1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑20。 在MCS-48的带领下，其后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，象Zilog公司的Z8系列。到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，象INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell公司的6501及6502系列等等,此外,日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机20。80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机，功能越来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64kB，可以说，单片机发展到了一个新的平台。 单片机经历了SCM、MCU、SOC三大阶段21。 1.SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。 2.MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。 Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩14。 单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统13。2.2 电机驱动模块方案一：电动机的开或关由继电器对进行控制,对小车的速度通过开关的切换进行调整.该方案优点是电路简单,缺点是继电器的响应时间慢, 寿命较短，易损坏,可靠性不高。方案二：电动机采用数字电位器或电阻网络调节达到分压的目的。但电阻网络仅能实现有级调速，并且数字电阻的元器件价格较为昂贵。更关键的问题是一般的电动机的电阻很小，但电流却很大，导致不仅分压回降低效率，并且实现很困难。方案三：由功率三极管当作功率放大器的输出控制直流电机实现。线性型驱动电的路结构以及原理简单，加速能力较强，采用由达林顿管构成的H型桥式电路(如图2.1)。用单片机控制的达林顿管使它工作在占空比可调整的开关状态下，可以精确调整电动机的转速。由于此电路工作在管子的饱和截止的模式下，所以效率特别高，H型桥式电路确保了简单的实现控制转速和方向，并且电子管的开关速度非常快，同时稳定性也很强，是一种可以广泛应用的 PWM调速技术。现在市面上有很多款此种芯片，而我则选用了L298N(如图2.1)。此种调速方式的有优点调速特性优良、调速范围广、调整平滑、能承受频繁的负载冲击、过载能力大，并且可实现频繁地无级快速启动、反转及制动等。因此我决定使用功率三极管作功率放大器的输出控制直流电机。图2.1L298N2.2.1 H桥式电路工作原理电路得名于“H桥式驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。 H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。2.2.2 PWM调速技术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。2.3 循迹模块利用光电传感器实现循迹的基本原理2.3.1光电传感器的工作原理光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。2.3.2光电传感器的分类和工作方式1、槽型光电传感器 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。2、对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。3、反光板型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。4、扩散反射型光电开关它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。方案选择方案一：采用外围电路结合简易光电传感器探测，但是实际效果却并不理想，对于行驶过程中小车的稳定性要求非常高，并且误测的机率比较大、容易受到光线环境及路面介质的影响。所以在使用的过程中极易出现问题，并且容易由该部件导致整个系统的不稳定。所以未采用该方案。方案二：采用两个红外对管(如下图2.3)，分别放置于车身前的轨道的两侧，由两只光电开关接收到白线和黑线的情况控制小车的转向来调整车的方向，经测试表明，只需合理安装两只光电开关的位置就可以实现循迹的功能。方案三：采用三个红外对管，一个放置于轨道的中间，两个放置于轨道的外侧，当小车脱离轨道的时候，即当放置于中间的一个光电开关脱离轨道的时候，等到外面任一个检测到黑线以后，做出相对应的转向调整，一直到中间的光电开关再次检测到黑线（回到轨道时）再恢复至正向行驶。现场试验表明，小车在寻迹的过程中有一定的左右摇摆，虽然可正确的循迹但是其成本与稳定性都不如第二种方案。通过对比，我选取了第二种方案用以实现循迹。图 2.2红外对管对于标志线的检测，经过考虑和实验，最终选择了红外对管TCRT5000，TCRT5000它的测量距离近，但反应灵敏、准确。其体积较小,价格低,安装容易。2.4 避障模块方案一：采用一个红外对管放置于小车中央。其安装很简易，可以检测到障碍物，但是难以确定的是小车在水平方向上是否会撞到障碍物，也不易使小车做出精准的转向反应。方案二：采用二个红外对管分别放置于小车的前端的两侧，方向与小车的前进方向平行，对于小车与障碍物的相对距离与方位能作出比较准确的判断和及时的反应。但这个方案过于的依赖硬件、缺乏创造性、成本较高，并且置于小车的左方的红外对管使用的几率很小，所以最终并未采用。方案三：使用超声波传感器是探测障碍的最简单的方法，超声波传感器是利用向目标发射出超声波脉冲，计算他的往返的时间来判定与其距离的。这种方法被广泛的应用于移动机器人研究上。它的优点是价格比较便宜，易于使用，并且在10m以内都能给出比较精确的测量。通过比较我采用方案三。HCSR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可高达3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。其工作原理如下:（1） 采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号；（2） 模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；（3） 有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间*声速（340m/s）/2;其实物图如2.5所示2.4.1 超声波测距的原理超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，结合不同的电路，可以制成超声波仪器及装置，在通讯、医疗及家电中获得广泛应用7。作为超声波传感器的材料，主要为压电晶体。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，故它分为发送器和接收器。通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。这与雷达测距原理相似。 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。（超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2）2.4.2 超声波传感器的分类 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制造了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电式、磁致伸缩型和电动型等。机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性不相同，因而用途也也不相同。目前，常用的是压电式超声波发生器。压电式超声波发生器实际是利用压电陶瓷晶体的谐振来工作的。超声波发生器的内部结构，有两个压电芯片和一个共振板。当两极外加脉冲信号，其频率等于晶体的固有频率时，压电芯片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电芯片做共振，把机械能转化成电信号，这时就成了超声波接收器。2.4.3 超声波测距特点 超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用7。 为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。超声波测距系统，就是为小车了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息8。 由于超声实现方便，技术成熟，成本低，且周围环境对于超声波的影响也不大，所以超声避障成为移动机器人常用的避障方法7。从国内外研究情况来看，超声波装置主要用作测距，通过测量声源与目标物之间的往返传播时间，求得目标物的距离。在有些情况下，超声波传感器是光学系统无可比拟的。超声波传感器的优点主要表现如下10： 1、对于黑暗的环境和物体，超声波传感器几乎不受恶劣环境的影响，仍然能够实时准确的探测障碍物信息，反馈给信息处理设备。 2、和光学传感器相比，超声波传感器不仅可以探测到障碍物的存在，而且能够得到障碍物距机器人的距离，便于机器人做出决策。 3、虽然光传播速度比声音快，但计算机控制器延时和电机响应速度等特点将限制机器人执行任务的速度，因此光速快的优势并不明显。图2.3HC-SR04S实物图2.5 显示模块 选用LED数码管用作显示2.5.1 数码管的结构及工作原理 LED数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等.，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。共阴和共阳极数码管，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。 LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 A、静态显示驱动： 静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O口进行驱动，或者使用如BCD码而是进位器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5*8=40根I/O口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O口才32个。故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。 B、动态显示驱动： 数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮19。通过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。2.5.2数码管的选择为节省单片机I/O端口，采用四位一体共阴极动态数码管。2.5.2 数码管的选择 为节省单片机I/O端口，采用四位一体共阴极动态数码管。2.6 机械系统本题目要求智能小车的机械系统简单、稳定、灵活，而三轮运动系统则具备以上的特点。2.6.1 电机驱动部分：因为玩具小车的直流电动机功率比较小，而且小车上装有电机、电池、电子原器件等，使得电机负重较大。为了使小车能顺利的启动，且运行平稳，在轮车轴和直流电动机之间加装三级减速齿轮。2.6.2 电池的安装：把电池放置在小车车体的电机前后的位置，降低了车体重心，并且提高了稳定性，同时也增加了驱动轮的抓地力，并减小轮子空转时所引起的误差。2.7 电源模块方案一：采用实验室的有线电源通过稳压芯片进行供电，它的优点是可以稳定的提供5V电压，缺点是占用资源过大。方案二：采用4个1.5V电池单电源进行供电，但6V的电压太小因此不能同时给单片机和电机供电。方案三：采用8个1.5V电池双电源给单片机与电机分别供电，这样可以解决方案二的问题并且能让小车完成其功能。通过对比我选择方案三来实现供电。3 硬件设计3.1 总体设计智能小车由前轮驱动，前轮的左右两边各有一个电机驱动，调整控制前面两轮的转速和起停以达到控制小车转向的目的，小车的后轮是万象轮，做到支撑的作用。把迹光电对管分别的装在车体下的左右两侧。当车身左下边的传感器感受到黑线时，由主控芯片控制的左轮电机停止转动，车向向左修正，当车身右下边传感器感受到黑线时，由主控芯片控制的右轮电机停止转动，车向向右修正。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。3.1.1 主板设计框图如图3.1主控模块避障模块检测模块电机驱动模块 启停控制位移模块复位电路调速模块显示电路电源电路报警电路图3.1主板设计框图3.2 驱动电路电机驱动通常采用H桥式驱动电路，L298N的内部集成了H桥式驱动电路，所以可以采用L298N电路用来驱动电机。通过单片机发送L298N电路PWM信号来控制智能小车的速度和起停。其引脚图如3.2，驱动原理图如图3.3。图3.2 L298N引脚图3.2.1 电机驱动电路设计 没有对图的说明文字！下同图3.3 电机驱动电路图3.2.2 信号检测电路设计小车循迹的原理是小车在画有黑线的白纸路上行驶，因为黑线和白纸对光线的反射系数的不同，可以由接收的反射光的强弱来判定“道路”黑线。我在该模块中应用了简单和应用也较为普遍的检测方法红外探测法。红外探测法是利用红外线在不同的颜色物理的表面具有不同的反射特性的特点。在智能小车的行驶过程中不断的向地面发射出红外光，每当红外光遭遇白色地面时会发生漫发射，而反射光则被接收管接收；若遇到黑线时则红外光被吸收，所以小车上的接收管会接收不到信号，再由LM324作为比较器采集高低电平，实现信号的检测。同理避障也是如此。 图3.4循迹原理图3.2.3 主控电路设计 图3.5主控电路该模块主要是对采集的信号进行分析，并给出PWM波来控制电机速度和起停。以及检测和障碍报警等作用。其电路图如图3.5。该设计采用红外对管构成的红外传感器，具体电路如图所示：图3.6 红外传感器在小车的前端及左右安装俩对相同的红外对管，用来检测行驶路线的前方及左右的障碍信号，每个红外对管都有一个发射管和一个接收管，发射管发射红外线到地面前方和左右，如果遇到障碍物则光信号会反射回来，否则会被吸收。检测到障碍物接收管不导通，输出高电平，否则输出低电平。单片机根据接收到的高低电平来决定小车如何行驶。当然障碍的检测主要还是依靠在小车的正前端安装的一对红外对管，当小车前端的红外对管发射出的红外光线被反射回来时，说明前方有障碍物，此时小车会进行相应的反应。3.3 显示模块电路设计本设计采用四位一体动态共阴极数码管作为显示器，在小车行驶时显示小车行驶时间和行驶距离。本设计中采用芯片74HC245作为显示驱动器，245是方向可控的八路缓冲器，主要用于实现数据总线的双向异步通信。为了保护脆弱的主控芯片，通常在主控芯片的并行接口与外部受控设备的并行接口间添加缓冲器。当主控芯片与受控设备之间需要实现双向异步通信时，自然就得选用双向的八路缓冲器了，245就是面向这种需求的，它的管脚如图10所示，使用单片机控制，且用专用驱动芯片控制可以减少对CPU的利用时间，单片机将有更多的时间去完成其他功能。图3.6 74HC245管脚该芯片共有20个管脚，管脚B0、B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7分别接1000欧电阻后与四位一体动态共阴极的abcdefgdp相连，分别控制各段码和小数点。管脚A0到A7接单片机并行口，通过对单片机对芯片进行控制。管脚AB/BA接电源VCC，管脚CE接地。4 软件设计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地位。对于本系统，软件更为重要。在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。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，每一部分叫做一个模块。所谓“模块”，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。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调试； 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结构，由主程序定时子程序、避障子程序中断子程序显示子程序调速子程序算法子程序构成。4.1 主程序设计4.1.1 主程序框图启动检测黑线是避障否是否检测到障碍物循迹根据小车所要实现的避障循迹功能给出主程序框图，如图4.1图4.1主程序框图4.1.2 主程序流程图初始化是否开启开关是否检测到黑线显示距离是否偏离循迹子程序是否避障子程序有障碍是否否检测到黑线结束图4.2 主程序流程图根据流程图写出主程序（程序见附录）4.2 循迹模块程序设计开始 前进N检测到黑线Y判断处理程序左转右转 继续前进 图4.3 避障流程图根据循迹模块程序框图写出循迹模块程序（程序见附录）4.3 避障模块程序设计开始系统初始化小车前行N障碍判断？Y左边有障碍右方有障碍前方有障碍前方避障程序右方避障程序左边避障程序返回 图4.4 避障流程图根据流程图写出避障程序（程序见附录）4.4 显示模块的程序设计初始化否开启开关计里程、计时开始结束图4.5 显示流程图根据框图写出显示模块程序（程序见附录）5 制作安装与调试5.1 小车的安装小车的软硬件都已经设计，都做好，剩下的就是小车的组装与配置。将红外光电传感器固定在底盘前沿，贴近地面。正常行驶时，发射管发射红外光照射地面，光线经白纸反射后被接收管接收，输出高电平信号；电动车经过黑线时，发射端发射的光线被黑线吸收，接收端接收不到反射光线，传感器输出低电平信号后送89C52单片机处理，判断执行预先编制的程序来控制小车车的行驶状态。在实际制作电路的过程中，由于传感器对外界的灵敏性不同，需要在稳定电路的基础上，调试出合适的电阻电容。将超声波模块固定在小车车车头的左、前，右三个个方向，用于避障。当左侧超声波接收模块接收到信号时，单片机控制左侧电机后转；当右侧超声波接收器接收到信号时，单片机控制右侧电机后转；当前侧接收器接收到信号时，单片机控制左右两侧电机都后转。以实现小车的避障功能。5.2小车的调试小车完成组装后，使用数字万用表测试分立元件的电阻、压降、漏电流、截止/导通状态等参数，看是否存在差值，从而避免原件搭建错误和虚焊的发生。使用信号发生器与示波器用于测试各光电传感器信号的接收与传输，从而避免传感器的损坏影响小车的功能实现。通过改变循迹板滑动变阻器器的大小来调试红外对管的灵敏度，通过改变延时程序来改变速度的大小。开启小车开关，将其放在实验跑道上进行实地试验调试。首先是直道区加上弯道区的调试：通过两边固定的光电传感器对引导线检测来实现电动车沿着引导线到达指定的地点。障碍区的调试：应用车头的超声波传感器当接触到前方有障碍物的时候避开障碍物。运行状况见表1。表1小车运行情况表小车运行次数成功循迹次数成功避障次数111221332442554 从运行的情况看，运行效果比较良好，但是不可避免的还是出现了，出轨、原地旋转等状况，自己分析是由于小车的电压不够和小车的传感器收到外界的影响较大。在调试硬件模块时，将调试的各个电路模块综合起来，因易出现干扰情况，最好采取“逐步综合”的方法，将一个模块调试完成后，再结合另一个模块，这样更能逻辑的分析出综合时是哪个模块出现了问题。5.3智能小车的功能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） 当小车探测到前进前方的障碍物时，可以自动报警调整，躲避障碍物，从无障碍区通过。小车通过障碍区后，能够自动循迹。结 论 历时三个月的设计过程中，我边查阅资料，边在实验室焊接小车的线路板。在焊接过程中，我感觉到即使是一个简单的电路，要想很轻松的焊好，也不是很容易的事情。有时是“虚焊”的原因，有时可能是阻值选错。这使我深深感受到理论与实际间的差距。通过这样的设计，提高了我的动手能力。每天在实验室除了焊接线路板，还可以上机编程，使我软件调试知识也提高了。同时也使我发现了很多的问题本系统存在的问题尽管我们作了很大的努力，但是由于基础知识不扎实以及缺乏经验等原因，本系统仍然存在着一些问题，主要有以下几点：1、车模的检测宽度和前瞻距离都比预期减小，受到了限制。2、没有速度检测装置，故不能有效地控制车速。2、车模的检测装置及主板的机械安装部分为人工完成，没有使用精密的检测仪器辅助安装，安装精度受限。3、系统控制算法采用查询式算法。可以考虑更加高级的控制算法以改进系统性能。对于一些先进的控制方法没有做到深入的研究。本系统可行的改进措施在条件允许的情况下，本系统可以做以下几个方面的改进：1、研究更加可靠的激光管传感器电路，使路径识别模块的前瞻距离尽可能地增大。2、增加速度检测装置，提高速度控制精度。3、设计更加可靠的硬件电路。展望本智能小车系统最诱人的前景就是可用于未来的智能汽车上了。当驾驶员因疏忽或打瞌睡时这样的智能汽车的设计就能体现出它的作用。如果汽车偏离车道或距障碍物小于安全距离时，汽车就会发出报警，提醒驾驶员注意，如果驾驶员没有及时作出反应，汽车就会自动减速或停靠于路边。 这样的小车还可以用于月球探测等的无人探月车，帮助我们传达月球上更多的信息，让我们更加的了解月球，为将来登月做好充分准备。 这样的小车在科学考察探测车上也有广阔的应用前景。在科学考察中，有许多很危险且人们无法涉足的地方，这时，智能科学考察车就能够派上用场，在它上面装上摄像机，代替人们进行许多无法进行的工作。参考文献1 吴学伟; 刘文宇; 冯隽桃; 李传芳.智能电动玩具小汽车的控制M.实验科学与技术.2004，23(8):95-98.2 胡景单片机技术实用教程M北京：高等教育出版社，1993,29(1):42-45. 3 胡寿松自动控制原理M北京：国防工业出版社，2004,29(2):47-49.4 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