基于单片机的智能小车设计-传感器电路的设计和相关程序设计和调试

基于单片机的智能小车设计传感器电路的设计和相关程序设计和调试摘要80C51单片机是一款八位单片机，他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。这里介绍的是如何用80C51单片机来实现智能壁障寻迹小车，该设计是结合科研项目而确定的设计类课题。本系统以设计题目的要求为目的，采用80C51单片机为控制核心，利用红外传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。关键字电动小车、80C51单片机、光敏检测器、PWM调速ABSTRACT80C51ISA8BITSINGLECHIPCOMPUTERITSEASILYUSINGANDMULTIFUNCTIONSUFFERLARGEUSERSTHISARTICLEINTRODUCESINTELLIGENTVEHICLEWITHTHE80C51SINGLECHIPCOMPUTERTHISDESIGNCOMBINESWITHSCIENTIFICRESEARCHOBJECTTHISSYSTEMREGARDSTHEREQUESTOFTHETOPIC,ADOPTING80C51FORCONTROLLINGCORE,REDSENSORFORTESTTHEHINDERITCANRUNINAHIGHANDALOWSPEEDORSTOPAUTOMATICALLYITALSOCANRECORDTHETIME,DISTANCEANDTHESPEEDORSEARCHINGLIGHTANDMARKAUTOMATICALLYTHEELECTRICCIRCUITCONSTRUCTIONOFWHOLESYSTEMISSIMPLE,THEFUNCTIONISDEPENDABLEEXPERIMENTTESTRESULTSATISFYTHEREQUEST,THISTEXTEMPHASIZESINTRODUCEDTHEHARDWARESYSTEMDESIGNSANDTHERESULTANALYZEKEYWORDELECTRICITYMOTIVESMALLCAR80C51SINGLECHIPCOMPUTER,LIGHTELECTRICITYDETECTOR,PWMSPEEDADJUSTING,目录第一章概述111课题研究背景与意义112课题设计内容2第二章方案设计与论证321总体方案设计322系统方案设计与比较4221寻迹模块选择方案4LM324芯片介绍5222语音识别模块6223电源模块7224电机驱动系统7第三章系统硬件设计831总体硬件原理图832单片机模块932180C51单片机硬件结构9322最小应用系统设计1033前向通道设计1134后向通道设计14第四章软件设计1641软件设计框图1642模糊控制算法17421模糊控制算法的发展17422模糊控制算法的原理17423智能小车中的模糊控制算法1843寻迹的相关程序18第五章制作安装与调试2151使用的仪器仪表及软件2152系统制作2153系统调试21531硬件调试21532软件调试22533联合调试22设计总结23致谢辞24参考文献25附录27第1章概述11课题研究背景与意义随着控制技术，计算机技术，信息处理技术和传感器检测技术以及汽车工业的飞速发展，智能小车在工业生产和日常生活中已经扮演了非常重要的角色，近年来，智能小车在野外，道路，现代物流及柔性制造系统中都有广泛应用，已经成为人工智能领域研究和发展的热点之一。智能小车作为移动式机器人的一个重要分支，具有环境感知规划决策，自动行驶等功能，它是计算机控制和电子技术的融合，集传感器探测（光源，障碍物），单片机自动控制，电机调速等议题，可以说是计算机，传感器，信息，通讯，导航，人工智能及自动控制等于一体高新技术综合体。现在，电子，机械，电子信息已经不在明显分家，自动控制在专业领域的地位已经越来越重要。特别是作为机械行业的代表产品汽车，与电子信息产业的融合速度也显著提高，呈现出两个明显的特点1，电子装置占整车的价值量比例逐步提高，汽车将由以机械产品为主向高级的机电一体化发展，2，汽车开始向电子化，智能化和多媒体化方向发展，使其不仅作为一种代步工具，同时还具有交通娱乐等功能。另外，大学生各种大型的创新比赛中，智能车已经是一个不可缺少的部分。比如，亚洲广播电视联盟亚太地区机器人大赛，全国大学生“飞思卡尔”智能汽车竞赛等众多重要竞赛都有智能车的登场，设计和制作智能车能很好的培养学生对机电一体化的相关知识。为了适应机电一体化的发展和自己所学知识的结合，提出循迹与遥控与一体的智能车的构想。12课题设计内容本课题是基于单片机智能小车的设计，本课题的任务主要是采用80C51为控制核心，利用光敏传感器自动寻迹，设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、避障功能，可程控行驶速度、准确定位停车。本系统以设计题目的要求为目的，采用80C51单片机为控制核心，利用光电等传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。第2章方案设计与论证21总体方案设计此系统是以单片机为控制核心，处理执行各个外部传感器检测得到的电平信号，其中外部信号有三部分得到寻迹模块，遥控模块和语音模块。最后把处理结果传递给小车电机，使得到相应效果。总体设计框图如下图21总体模块设计框图复位电路STC80C51光敏探测器电机驱动时钟电路22系统方案选择与比较221寻迹模块选择方案方案一采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，光线反射强烈，光线照射到黑线上时，光线反射较弱，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可以获得高低电平。方案二采用红外对管TCRT5000光电寻线传感器，TCRT5000由红外发射管和接收管两部分组成，红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色地面时，地面将红外线反射到接收管，接受三极管导通，输出低电平，当发出的红外线照射到黑色地面时，黑色地面将光线吸收。接收管没有接收到反射后的红外线而使三级管截止，输出高电平，这样外接一个比较器，可以与单片机连接，减少电路的连接，给设计带来了方便，但周围环境对其有一定的影响。方案三采用RPR220型光电对管，RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发射管，而接收器是一个高灵敏度硅平面光电三极管，其具有灵敏度高，体积小，工作性能稳定的特点，但是其价格高，购买不方便。综合各个方面的考虑，本次设计采用方案一。光敏探测器工作原理图为下图11寻迹电路分析方法V2的电压计算公式V2VCCR1R6R6VCCR6R1R6R6不变，有光照R1变小，则V2变大。无光照，R1变大，则V2变小1，有光照情况光敏电阻R1变小，V2变大假设V246VTV3电压4VV2V3反向端大于同向端，则OUT5输出低电平为0给单片机识别，单片机通过IF扫描OUT5的引脚2，无光照情况3，光敏电阻R1变大，V2变小假设V232V，V3电压不变还是4V。V2V3同向端大于反向端，则OUT5输出高电平1给单片机识别，单片机通过IF扫描OUT5给的引脚LM324芯片介绍LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到30伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“”、“”为两个信号输入端，“V”、“V”为正、负电源端，“VO”为输出端。两个信号输入端中，VI（）为反相输入端，表示运放输出端VO的信号与该输入端的位相反；VI（）为同相输入端，表示运放输出端VO的信号与该输入端的相位相同。LM324引脚排列如图所示LM324系列由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器，其中专为从单电源供电的电压范围经营。从分裂电源的操作也有可能和低电源电流消耗是独立的电源电压的幅度。应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器现在可以更容易地在单电源系统中实现的电路。例如，可直接操作的LM324系列，这是用来在数字系统中，轻松地将提供所需的接口电路，而无需额外的15V电源标准的5V电源电压。LM324引脚图222语音识别模块本模块为小车的附加功能模块，主要采用柱极式话筒接收声波信号，通过三极管放大电路放大信号，使信号经过电容和整流的二极管得到一个电压峰值为一伏的脉冲信号，并经过74HC04取反后供单片机控制，实现语音控制。如图31语音控制模块原理图。图31语音控制模块原理图电源其中图中P15为连接柱极式话筒的接口，P16为电源接口，R23的作用是调节话筒的灵敏度，C7则是用来滤除波形中的直流部分。中间电路为典型的三极管共E极放大电路，其放大倍数可以根据R24和R25来确定。但由于9013管的自身特性，使的其最大的放大电压为1伏，经过电容的整形形成直流电压输入二极管。当话筒没有接受到一定强度的声波时，由于二极管的管压降，使电压不能经过其到非门芯片而让芯片输出电平为数字“1”，但当话筒接收到的声波信号经放大后超过二极管的管压降，非门的输入端上有一个正电压，而使输出端为低电平“0”，实现跳变触发的产生，进而让单片机的中断口进行判断，作出响应，实现语音控制。223电源模块224电机驱动系统直流电机和步进电机都可以用于小车的驱动，故有两种方案。方案一使用直流电动机，加上适当减速比的减速器。直流电机具有良好的调速性能，控制起来也比较简单。直流电机只要经过直流电源就可以连续不断的转动，调节电压的大小可以改变电机的速度。直流电机的驱动电路实际上是一个功率放大器。常用的驱动方式是PWM方式，即脉冲宽度调制方式。此方法性能较好，电路和控制都比较简单。方案二使用步进电机。步进电机具有良好的控制性能。当给步进电机输入一个电脉冲信号时，步进电机的输出轴就转动一个角度，因此可以实现精确的位置控制。与直流电机不同，要使用步进电机连续的转动，需要连续不断的输入点脉冲信号，转速的大小由外加的脉冲频率决定，而且其转动不受电压波动和负载变化的影响，也不受温度，气压等环境因素的影响，仅与控制脉冲有关系。但是步进电机的驱动比较复杂，由控制器与功率放大器组成，具体差别见下表表32电机控制方式对比直流电机步进电机调速性能较好较差位置控制精度较差好驱动简单复杂稳定性较好好，仅仅与控制脉冲有关由上表可以看出步进电机和直流电机都有各自的优点。步进电机能进行精确的位置控制，但是驱动电路麻烦，鉴于本次设计中小车的位置控制要求的不是很精确，直流电机即可满足小车要求的精度。且直流电机易于控制，驱动电路十分简单第三章系统硬件设计31总体硬件原理图见附录132单片机模块此部分是整个小车运行的核心部分，起着控制小车所有运行状态的作用。控制的方法有很多，大部分采用单片机控制。单片机要完成电机控制，寻迹控制等工作。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。32180C51单片机硬件结构80C51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。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。7P1口、P2口、P3口、P4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，80C51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。MCS51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MCS51单片机在设计的精美之处。322最小应用系统设计80C51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80C51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3180C51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。1）时钟电路80C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。80C51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12MHZ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80C51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。时钟频率选用6MHZ时，C取22UF,RS取200，RK取1K。33前向通道设计单片机用与测控系统时，总要有与被测对象相联系的前向通道。因此，前向通道设计与被测对象的状态、特征、所处环境密切相关。在前向通道设计时要考虑到传感器或敏感元件选择、通道结构、信号调节、电源配置、抗干扰设计等。在通道电路设计中还涉及到模拟电路诸多问题。1）前向通道的含义当将单片机用作测控系统时，系统中总要有被测信号输入通道，有计算机拾取必要的输入信息。作为测试系统，对被测对象拾取必要的原始参量信号是系统的核心任务，对控制系统来说，对被控对象状态的测试以及对控制条件的监测也是不可缺少的环节。对被测对象状态的测试一般都离不开传感器或敏感元件，这是因为被测对象的状态参数常常是一些非电物理量，如温度、压力、载荷、位移等，而计算机是一个数字电路系统。因此，在前向通道中，传感器、敏感元件及其相关电路占有重要地位。对被测对象的信号的拾取其主要任务就是最忠实地反映被测对象的真实状态，它包括实时性与测量精度。同时使这些测量信号能满足计算机输入接口的电平要求。因此，单片机应用系统中的前向通道体现了被测对象与系统相互联系的信号输入通道，原始参数输入通道。由于在该通道中主要是传感器与传感器有关的信号调节、变换电路,故也可称为传感器接口通道。在单片机应用系统中，对信号输入、传感、变换应作广义理解，例如开关量的检测及信号输入，在单片机的各种应用系统中有着广泛的应用。最简单的开关量输入通道就是一个具有TTL电平的状态开关，如水银温度触点、温度晶闸管、时间继电器、限位开关等。故只要反映外界状态的信号输入通道都可称为前向通道。并不是所有单片机应用系统都有前向通道，例如时序控制系统，只根据系统内部的时间序列来控制外部的运行状态；分布式测控系统中的智能控制总站完成上级主计算机与现场测、控子站计算机之间的指令、数据传送。这些应用系统没有被测对象，故不需要前向通道。2）前向通道的设计（1）传感器的比较识别障碍的首要问题是传感器的选择，下面对几种传感器的优缺点进行说明（见表1）。探测障碍的最简单的方法是使用超声波传感器，它是利用向目标发射超声波脉冲，计算其往返时间来判定距离的。该方法被广泛应用于移动机器人的研究上。其优点是价格便宜，易于使用，且在10M以内能给出精确的测量。不过在ITS系统中除了上文提出的场景限制外，还有以下问题。首先因其只能在10M以内有效使用，所以并不适合ITS系统。另外超声波传感器的工作原理基于声，即使可以使之测达100M远，但其更新频率为2HZ，而且还有可能在传输中受到它信号的干扰，所以在CW/ICC系统中使用是不实际的。表1传感器类型优点缺点超声波价格合理,夜间不受影响测量范围小，对天气变化敏感视觉易于多目标测量和分类,分辨率好不能直接测量距离,算法复杂,处理速度慢激光雷达价格合理,夜间不受影响对水,灯光,灰尘敏感MMW雷达不受灯光,大气影响价格贵视觉传感器在CW系统中使用得非常广泛。其优点是尺寸小，价格合理，在一定的宽度和视觉域内可以测量定多个目标，并且可以利用测量的图像根据外形和大小对目标进行分类。但是算法复杂，处理速度慢。雷达传感器在军事和航空领域已经使用了几十年。主要优点是可以鲁棒地探测到障碍而不受天气或灯光条件限制。近十年来随着尺寸及价格的降低，在汽车行业开始被使用。但是仍存在性价比的问题。（2）超声波障碍检测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。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。超声波传感器有透射型、反射型两种类型，常用于防盗报警器、接近开关、测距及材料探伤、测厚等。但由于光线对超声波传感器的影响太大，不适合在小车上应用。避障单元和循迹单元都采用脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于采用该有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外红外发射接受管的最大工作电流取决与平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50100MA），则大大提高了信噪比。并且其反映灵敏，外围电路也很简单。（3）元件介绍红外发光二极管的发射功率用辐照度W/M2表示。一般来说，其红外辐射功率与正向工作电流成正比，但在接近正向电流的最大额定值时，器件的温度因电流的热耗而上升，使光发射功率下降。红外二极管电流过小，将影响其辐射功率的发挥，但工作电流过大将影响其寿命，甚至使红外二极管烧毁。红外发光二极管的伏安特性与普通硅二极管极为相似。当电压越过正向阈值电压（约08V左右）电流开始流动，而且是一很陡直的曲线，表明其工作电流对工作电压十分敏感。因此要求工作电压准确、稳定，否则影响辐射功率的发挥及其可靠性。红外发光二极管辐射功率随环境温度的升高（包括其本身的发热所产生的环境温度升高）会使其辐射功率下降。红外灯特别是远距离红外灯，热耗是设计和选择时应注意的问题。红外发光二极管最大辐射强度一般在光轴的正前方，并随辐射方向与光轴夹角的增加而减小。辐射强度为最大值的50的角度称为半强度辐射角。不同封装工艺型号的红外发光二极管的辐射角度有所不同。光敏三极管具有两个PN结，其基本原理与二极管相同；但它把光信号变成电信号的同时，还放大了信号电流，因此具有更高的灵敏度。一般光敏三极管的基极已在管内连接，只有C和E两根引出线（也有将基极线引出的）。在使用光敏管时，不能从外型来区别是二极管还是三极管，只能由型号来判定。光敏电阻它的电阻值会随光照的变化而变化，入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达110M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。74LS14是74系列的非门，74LS14一般用于某些信号的整形或者异受干扰/关键信号的信号缓冲等。34后向通道设计在工业控制系统中，单片机总要对控制对象实现操作，因此，在这样的系统中，总要有后向通道。后向通道是计算机实现控制运算处理后，对控制对象的输出通道接口。根据单片机的输出和控制对象实现控制信号的要求，后向通道具有以下特点（1）小信号输出、大功率控制。根据目前单片机输出功率的限制，不能输出控制对象所要求的功率信号。（2）是一个输出通道。输出伺服驱动系统控制信号，而伺服驱动系统中的状态反馈信号通常是作为检测信号输入前向通道。（3）接近控制对象，环境恶劣。控制对象多为大功率伺服驱动机构，电磁、机械干扰较为严重。但后向通道是一个输出通道，而且输出电平较高，不易受到直接损害。但这些干扰易从系统的前向通道窜入。单片机在完成控制处理后，总是以数字信号通过I/O口或数据总线送给控制对象。这些数字信号形态主要有开关量、二进制数字量和频率量，可直接用于开关量、数字量系统及频率调制系统，但对于一些模拟量控制系统，则应通过数模转换成模拟量控制信号。根据单片机输出信号形态及控制对象要求，后向通道应解决（1）功率驱动。将单片机输出信号进行功率放大，以满足伺服驱动的功率要求。（2）干扰防治。主要防治伺服驱动系统通过信号通道电源以及空间电磁场对计算机系统的干扰。通常采用信号隔离电源隔离和对功率开关实现过零切换等方法进行干扰防治。（3）数/模转换。对于二进制输出的数字量采用D/A变换器；对于频率量输出则可以采用为顺利实现电动小汽车的左转和右转，本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。双极式PWM变换器的优点如下（1）电流一定连续；（2）可使电动机在四象限中运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通；5）低速平稳性好，调速范围可达20000左右。1）、脉宽调制原理脉宽调制器本身是一个由运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器。运算放大器工作在开换状态，稍微有一点输入信号就可使其输出电压达到饱和值，当输入电压极性改变时，输出电压就在正、负饱和值之间变化，这样就完成了把连续电压变成脉冲电压的转换作用。加在运算放大器反相输入端上的有三个输入信号。一个输入信号是锯齿波调制信号，另一个是控制电压，其极性大小可随时改变，与锯齿波调制信号相减，从而在运算放大器的输出端得到周期不变、脉宽可变的调制输出电压。只要改变控制电压的极性,也就改变了PWM变换器输出平均电压的极性,因而改变了电动机的转向改变控制电压的大小,则调节了输出脉冲电压的宽度,从而调节电动机的转速只要锯齿波的线性度足够好,输出脉冲的宽度是和控制电压的大小成正比的2）、逻辑延时环节在可逆PWM变换器中,跨接在电源两端的上下两个晶体管经常交替工作由于晶体管的关断过程中有一段存储时间和电流下降时间,总称关断时间,在这段时间内晶体管并未完全关断如果在此期间另一个晶体管已经导通,则将造成上下两管之通,从而使电源正负极短路为避免发生这种情况,设置了由RC电路构成的延时环节3）、电源的设计本设计的电源为车载电源。为保证电源工作可靠，单片机系统与动力伺服系统的电源采用了大功率、大容量的蓄电池；而传感器的工作电源则采用了小巧轻便的干电池。第四章软件设计软件设计是实现小车智能运转的关键所在，相当于人类大脑思维活动，通过软件设计可将各个变化信号数据有效的结合处理，产生相应的动作反应。在小车运行的控制过程中，我们采用模糊控制算法实现对小车样本训练。41软件设计框图本系统中通过遥控启动后，小车一直处于自动寻迹和寻找障碍信号的状态中，当避障信号和遥控信号任一信号给单片机收集到后都转入相应的状态停止和遥控方向行驶。另外中断控制程序语音控制则是实现当外部有一定强度的信号进入控制核心就对整个小车实现状态停止等待功能，其主程序流程如下。开始检测黑线启动电机左/右转继续前进YN停止42模糊控制算法421模糊理论的发展20世纪60年代，美国加利福尼亚大学著名教授扎德发表了一篇关于模糊集合的论文，由此提出了模糊理论。四十多年来，在模糊理论算法、模糊推理、工业控制应用，以及稳定性理论研究方面，都有不少研究论文发表。80年代后，自动控制系统随着被控对象的复杂化，它不仅表现在控制系统具有多输入、多输出的强偶合性、参数时变性和严重的非线性等特性，更突出的是从系统对象所能获取的知识信息量相对的减少，以及与此相反的对控制性能的要求却日益高度化。如今，对模糊控制系统的结构、模糊推理算法，以及模糊控制稳定性等问题的研究成果已进入实用化时期，其成果应用主要集中于工业窑炉方面，如退火炉，电弧冶炼炉，水泥炉及造纸机的控制等。422模糊控制算法原理模糊控制的关键和核心是模糊控制规则，即用人的自然语言对操作者的手动控制策略加以描述，得到一些不精确的、定性的、判定的规则，这些规则就是模糊控制技术中的模糊控制规则。这些模糊控制规则的来源是根据操作者对被控制对象的动态性的认识、表达和对被控对象的控制经验，从这些抽出输入和输出关系，加以描述，实质上就是被控对象的数学模型。在实际应用中，特别是人工操作控制，并不需要建立被控对象的数学模型。为了模拟人工控制过程，对人工控制操纵的经验和策略进行归纳、总结，建立一系列的模糊控制规则，将这些规则进行一定的处理便产生相应的模糊控制算法，利用计算机来实现这些模糊语句，此时就构成了一个模糊控制器，而其中的模糊控制算法则描述了控制器的行为特征。对于模糊控制规则的建立方法很多，主要有以专家知识、经验为依据建立模糊控制规则；以熟练操作者的手动操作策略、经验和测试数据来建立模糊控制规则，根据被控对象的模糊模型建立模糊控制规则以及根据学习算法建立模糊控制规则等。模糊控制的控制过程，如果由人来实现，都是按照这样的一个顺序进行的感觉器官的观测（获取信息）人脑的思维、判断（存储和处理信息）手动的调整（信息的实施）。423智能小车中的模糊控制算法本设计的模糊控制规则的建立方法是智能小车通过经验和测试数据来建立模糊控制规则。其主要控制过程为寻迹与避障的红外发射装置发送信息，由收装置接收，接收装置相当于人的感觉器官获取信息传给单片机，单片机相当于人的大脑，可以存储和处理信息，通过训练样本库，测试出小车寻迹最佳偏转角度，最佳避障距离等，包括其他的遥控信号、语音信号等，从而命令智能小车执行相应的操作，完成智能行驶。43寻迹相关程序INCLUDE/包含51单片机相关的头文件SBITLEFTLEDP20/定义前方左侧指示灯端口SBITRIGHTLEDP07/定义前方右侧指示灯端口SBITLEFTIRP35/定义前方左侧红外探头端口SBITRIGHTIRP36/定义前方右侧红外探头端口SBITFONTIRP37/定义前方正前方红外探头端口SBITM1AP00/定义左侧电机驱动A端SBITM1BP01/定义左侧电机驱动B端SBITM2AP02/定义右侧电机驱动A端SBITM2BP03/定义右侧电机驱动B端SBITB1P04/定义语音识识别传感器端口SBITSB1P06/定义蜂鸣器端口DEFINERUNSHOWP1/定义数据显示端口VOIDDELAY/定义机器人调转子时间子程序UNSIGNEDINTDELAYTIME50000/定义机器人转弯时间变量WHILEDELAYTIME/机器人转弯循环SB1SB1/蜂鸣器闪响RETURNVOIDCONTROLCARUNSIGNEDCHARCONTYPE/定义电机控制子程序M1A0/将M1电机A端初始化为0M1B0/将M1电机B端初始化为0M2A0/将M2电机A端初始化为0M2B0/将M2电机B端初始化为0SWITCHCONTYPE/判断用户设定电机形式CASE1/前进/判断用户是否选择形式1M1A1/M1电机正转M2A1/M2电机正转BREAKCASE2/后退/判断用户是否选择形式2M1B1/M1电机反转M2B1/M2电机反转BREAKCASE3/左转/判断用户是否选择形式3M2A1/M2电机正转BREAKCASE4/右转/判断用户是否选择形式4M1A1/M1电机正转/M2电机反转BREAKCASE8/停止/判断用户是否选择形式8BREAK/退出当前选择VOIDMAIN/主程序入口BITRUNFLAG0/定义小车运行标志位RUNSHOW0/初始化显示状态CONTROLCAR1/初始化小车运行状态WHILE1/程序主循环STARTLEFTLEDLEFTIR/前方左侧指示灯指示出前方左侧红外探头状态RIGHTLEDRIGHTIR/前方右侧指示灯指示出前方右侧红外探头状态IFLEFTIR0/左侧红外探头没有接收到白色道路信号CONTROLCAR4/左侧没有信号时，开始向右转一定的角度DELAY/修改这里进行转弯角度的调整DELAY/同上DELAYGOTONEXTRUNIFRIGHTIR0CONTROLCAR3/右侧没有信号时,开始向左转一定的角度DELAY/修改这里进行转弯角度的调整DELAY/同上DELAYGOTONEXTRUNGOTOSTARTNEXTRUNCONTROLCAR1第五章制作安装与调试51使用的仪器仪表及软件数字万用表DT9203单片机仿真器WAVE6000示波器DF1641D画图制板软件PROTELDXP编译软件KEILC51电烙铁TLW3052系统制作根据系统设计方案，本系统的制作主要是硬件制作，包括三个部分面板上的调试，PCB电路板的制作，各元器件的焊接和模块的连接。面板上的调试是保证系统功能稳定实现的基础，在各个模块都能产生相应的信号后可以根据电路图制作集成PCB电路板，使系统电路美观而且更能保证稳定性，最后通过焊接元器件，实现有效功能后连接到小车平台上，形成完美整体。其中制作集成PCB电路板过程最为复杂，在面板上的调试过程完成后根据已有的电路，将其通过电路画图软件得到原理图并进一步转化生成PCB图。在得到PCB电路图后，通过11比例打印到热转印纸，热转印纸转印到已经截好的铜板上，放进三氯化铁溶液中腐蚀得到成型电路板，最后根据板上的焊盘进行钻孔，完成PCB电路板制作。53系统调试本系统的调试共分为三大部分硬件调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块设计法，所以方便对各电路模块功能进行逐级测试单片机控制模块的调试、红外对管寻迹模块的调试、红外线避障模块的调试以及电机控制模块调试，最后将各模块组合后结合软件进行整体测试。531硬件调试对各个模块的功能进行调试，主要调试各模块能否实现指定的功能。小车运行次数成功循迹次数112233532软件调试软件调试采用单片机仿真器WAVE6000及微机，将编好的程序进行调试，主要是检查语法错误并确认硬件完整无误。由于本系统是分模块进行程序设计的，所以调试时先分模块进行调试。如小车红外线寻迹程序，在调试时将它放在一个子程序里单独测试，看其是否能够完成预定的功能，如能，测试通过，否则，修改并反复测试直到通过533联合调试各模块都调试通过之后，将各个模块连接起来与硬件结合进行联合调试。在进行联合调试时，经过反复的实验，不断的来修改参数来完善结果。使程序按照要求设计的要求进行。44设计总结在老师的指导和本组成员的共同努力下，完成了本课题的设计任务，设计出了功能样机，经测试其功能已达到了本课题的要求，完全符合本课题的各项指标。历时几个月的设计的过程中，从查阅资料到实现系统功能的程序流程图，从原理图到印制板的设计、系统的硬件/软件设计、调试，到系统的最后焊接和功能样机的安装，在每一步中我都学到了许多以往在书本上无法学到的知识，一个完整的系统开发与我们平时做过的实验有着很大的不同，平时的实验只是单一地实现某一种功能或两种，而一个完整的系统开发则需要多方考虑各种因素实现众多功能。包括如何开发出一个完整的系统、系统软硬件的设计方法、系统设计、调试过程中如何发现并解决问题以及在系统设计过程中理论与实践相结合的重要性等。这些宝贵的实践经验将为我以后的工作和学习打下坚实的基础。在系统设计过程中，我们碰到过困难和挫折，但是在夏巍老师的精心指导和全组成员的共同努力下，终于使本设计获得了成功，这其中的苦与乐将会成为永远美好的回忆。在此特别感谢指导教师夏老师，在设计过程中遇到困难而使我们无法前进时，是他丰富的知识和系统开发经验带领我们走出了困境，我们的成功与他的悉心指导是分不开的。参考文献1夏美云，张鸿彦人工智能发展探讨J焦作大学学报，2005年4期，49662江晋剑，钱萌一种基于AT89S52的简易智能小车设计J科技论文，2007，7，971003船仓一郎，土屋尧，崛桂太郎（日）机器人控制电子学M北京科技出版社，2004，54陈继荣智能电子制作创新制作机器人制作入门M北京科学出版社，2007，105李建忠单片机原理及应用M西安西安科技大学出版社，2002，26赵负图无线电接收发射应用集成电路手册M北京化学工业出版社，2003，117赵负图光电检测控制电路手册M北京化学工业出版社，2001，18康华光电子技术基础数字部分（第五版）M北京高等驾御出版社，200619肖伟，武强，闫秀桃，刘根L293D在护士移动机器人主控电路板设计中的应用J国外电子元器件，2007年11期，646610吴黎明语音信号及单片机处理M北京科学出版社，2007，311张以和，陈敌北例说8051M北京人民邮电出版社，2006，112赵广林轻松跟我学PROTEL99S