【独创】智能小车毕业论文

1、毕业设计（论文）（2008 届）论文题目 多功能智能小车的设计与制作（英文）the design & fabrication ofmultifunctional intelligent vehicle摘要智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预 先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可 以完成预期所要达到的或是更高的目标。本设计主要体现多功能小车 的智能模式，设计中的理论方案、分析方法及特色与创新点等可以为 自动运输机器人、采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人等自动半自 动机器人的设计与普及有一定的参考意义。同时小车可以作为玩具的 发展对象，为中国玩具

2、市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经 济收益，形成商业价值。整个小车平台主耍以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，分析整理岀有关信息，在此基础上列岀不同的 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

3、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。关键词：智能，红外线传感器，自动寻迹，语音控制，综合处理abstractas a new product of modern society, intelligence is the trend in future development. it can work in some specific environment according to the mode which sets in advance. dispensing with behavior adjustment manag

4、ement,but it can achieve the expected, even higher goal. the design mainly reflected a smart-car model, the theoretical scheme, analysis method, uniqueness and innovation etc. that pointed in this paper, i think they are will be certain reference value in design and popularity of automatic or semi-a

5、utomatic robot such as automatic transportation robot, prospecting robot, cleaning household robot etc. this car can be used as a model of development of toy, to make up the deficiency of technical content in the chinese toy market,to realize economic profit and to form commercial value.the design t

6、akes micro-controller 51 as control center, use wireless control to make car go forward, go backward or turn around; use infrared sensor to achieve the function of adaptive cruise and avoiding barriersusing methods of contrast selection, module independence, integrated treatment; consulting a large

7、number of related literature and data; and listing differnet solution; according to practical situation and choose the best scheme to design.the motor car body, the minimum system and wireless control, the auto-guiding of infrared diode or auto-avioding barriers and voice-control, step by step, the

8、design is forming gradually. and then, debugging and checking every single module, getting the correct signal output. finally, combining program, conforming every module efficiently to make it work.key words: intelligence, infrared sensor, auto-guiding, voice- control, combined processing.第一章项目概述单片机

9、以其价格低廉、功能强大、体积小、性能稳定等优点，深受广大电子设计爱好者喜爱。目前，各类产品中都能看到单 片机的身影，如门铃、报警器、玩具，以及各类数据采集系统 和控制终端等。单片机是现代电子设计中使用最广泛的电子元 件。而其中的51系列单片机是最早兴起的一类。51系列单片 机功能完备、指令系统丰富，发展的最为成熟。 51系列单片机是指intel的mcs-51系列以及和其具有兼容内核 的单片机。mcs-51系列单片机是最早、最基本的单片机，功 能也最简单。intel公司生产的mcs-51系列单片机包括8031、 8051、8032、8052、8751、8752 等。现在集成电路的飞速发展，各大芯

10、片厂商提供了很多与其兼容 的单片机。比如atmel公司的at89c系列 at89s系列，silicon laboratories 公司的 c8051f 系列，还有 philips 公司的 8xc552 系列等。这些单片机采用兼容的mcs-51的结构和指令系统， 只是对其功能和内部资源等方面进行了不同程度的扩展。51系列单片机以其高性能、高速度、体积小、价格低廉、可 重复编程和方便功能扩展等优点，在市场上得到广泛的应用。 其主要应用于如下几个领域。家电产品及玩具。由于51系列单片机价格低、体积小、控制 能力强、功能扩展方便等优点，使其广泛应用于电视、冰箱、 洗衣机、玩具、家用防盗报警器等方面。机

11、电一体化设备。机电一体化设备是指将机械技术、微电子技 术和计算机技术结合在一起，从而产主具有智能化特性的产 品，它是现代机械及电子工业的主要发展方向。单片机可以 作为机电一体化产品的控制器，从而简化原机械产品的结构, 扩展其功能。智能测量设备。以前的测量仪表体积大、功能单一，限制了测 量仪表的发展。采用单片机改造各种测量控制仪表，可以使 其体积减少、功能扩展，从而产生新一代的智能化仪表，如 各种数字万用表、示波器等。自动测控系统。采用单片机可以设计各种数据采集系统、自适 应控制系统等。例如温度的自动控制、电压电流的数据采集。计算机控制及通信技术。51系列单片机都集成有串行通信接 口，可以通过该

12、接口和计算机的串行接口进行通信，实现计 算机的程序控制和通信等。自世界上第一片单片机诞生以来，51系列单片机不断推陈出 新，目前已有儿十个系列、上百种型号。这些新产品都基于 51内核，各个型号基本都兼容。以下是一些典型的51系列 单片机。美国intel公司的mcs48系列、mcs51系列、mcs96系列单片机;美国atmel公司的at89系列单片机；美国 motorola 公司的 6801、6802、6803、6805 和 68hc11 系列单片机；美国zilog公司的z8、super8系列单片机；美国fairchild公司的f8和3870系列单片机;美国ti公司的tms7000系列单片机；美

13、国ns公司的ns8070系列单片机；日本nec公司的h pd7800系列单片机；日本hitachi公司的hd6301、hd6305系列单片机单片机应用系统的开发是以单片机为核心，配合一定的外部电 路及程序，从而实现特定测量及控制功能的应用系统。其中 单片机的选型、资源分配以及程序设计是整个系统设计的关 键。一般来说，一个完整的单片机应用系统设计包括分析测 控系统、单片机选型、硬件资源分配、单片机程序设计、仿 真测试并最终下载到实际硬件电路中执行。单片机开发的整 个流程，如图所示。单片机开发流程.在51系列单片机应用系统开发过程中，单片机是整个设计的 核心，因此选择合适的单片机型号很重要。目前，

14、市场上的 单片机种类很多，不同厂商均推岀很多不同侧重功能的单片 机类型。第二章方案设计与论证根据题目的要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上， 加装光电检测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实吋测量, 并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各 种数据实现对电动车的智能控制。这种方案能实现对电动车的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。一直流调速系统方案一：串电阻调速系统。方案二：静止可控整流器。简称v-m系统。方案三：脉宽调速系统。旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机 给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的

15、励磁电流即可改变其输 出电压，从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的 极性和屯动机的转向都随着改变，所以g-m系统的可逆运行是很容 易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容 量和当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、 效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。v-m系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相 或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。v-m 系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可 逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。 最后，当系统处于低速运行

16、时，系统的功率因数很低，并产生较人的 谐波电流危害附近的用电设备。采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里 晶闸管不受和位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时, 电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开， 电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制(pulse width modulation),简称pwm。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间, 即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。与vm系统相比，pwm调速系统有下列优点：(1) 由于pwm调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤 波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的

17、低速运行平稳，调速范围较宽，可达1： 10000左右。市于电流波形 比v-m系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较 小。(2) 同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统 可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。(3) 由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小， 装置效率较高。根据以上综合比较，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调 速的发展方向，本设计采用了 h型单极型可逆pwm变换器进行调速。脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称pwm变换 器。脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能 力有限。为顺利实现电动小汽车的前行

18、与倒车，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。二检测系统检测系统主要实现光电检测，即利用各种传感器对屯动车的避障、位置、行 车状态进行测量。1 行车起始、终点及光线检测：本系统采用反射式红外线光电传感器用于检测路面的起始、终点 (2cm宽的黑线)，玩具车底盘上沿黑线放置一套，以适应起始的记 数开始和终点的停车的需要。利用超声波传感器检测障碍。光线跟踪, 采用光敏三极管接收灯泡发出的光线，当感受到光线照射吋，其c-e 间的阻值下降,检测电路输出高电平，

19、经lm393电压比较器和74ls14 施密特触发器整形后送单片机控制。本系统共设计两个光电三极管，分别放置在电动车车头的左、右 两个方向，用来控制电动车的行走方向，当左侧光电管受到光照时， 单片机控制转向电机向左转；当右侧光电管受到光照时，单片机控制 转向电机向右转；当左、右两侧光电管都受到光照时，单片机控制直 行。见图2.1电动车的方向检测电路(a)。行车方向检测电路(见图2.2电动车的方向检测电路(b)采用反 射接收原理配置了一对红外线发射、接收传感器。该电路包括一个红 外发光二极管、一个红外光敏三极管及其上拉电阻。红外发光二极管 发射一定强度的红外线照射物体，红外光敏三极管在接收到反射回

20、来 的红外线后导通，发出一个电平跳变信号。此套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80c51单片机处 理，判断执行哪一种预先编制的程序来控制玩具车的行驶状态。前进 时，驱动轮直流电机止转，进入减速区时，由单片机控制进行pwm变 频调速，通过软件改变脉冲调宽波形的占空比，实现调速。最后经反接 制动实现停车。前行与倒车控制电路的核心是桥式电路和继电器。电 桥上设置有两组开关，一组常闭，另一组常开。图2.1电动车的

21、方向检测电路(a)寻谨图2.2电动车的方向检测电路(b)电桥一端接电源，另一端接了一个三极管。三极管导通吋，电桥通过 三极管接地，电机电枢中有电流通过；三极管截止时，电桥浮空，电 机电枢中没有电流通过。系统通过电桥的输出端为转向电机供电。通 过对继电器开闭的控制即可控制电机的开断和转速方向进而达到控 制玩具车前行与倒车的目的，实现随动控制系统的纠偏功能。如图2.3前行与倒车控制电路所示。图2.3前行与倒车控制电路 检测放人器方案：方案一：使用普通单级比例放大电路。其特点是结构简单、调试 方便、价格低廉。但是也存在着许多不足。如抗干扰能力差、共模抑制比低等。方案二：采用差动放大电路。选择优质元件

22、构成比例放大电路， 虽然可以达到一定的精度，但有时仍不能满足某些特殊要求。例如， 在测量本设计中的光电检测信号时需耍把检测过来的电平信号放大 并滤除干扰，而且要求对共模干扰信号具有相当强的抑制能力。这种 情况下须采用差动放大电路，并应设法减小温漂。但在实际操作中， 往往满足了高共模抑制比的要求，却使运算放人器输出饱和；为获得 单片机能识别的ttl电平却又无法抑制共模干扰。方案三：电压比较器方案。电压比较器的功能是比较两个电压的大小,例如将一个信号电压ui和一个参考电压ur进行比较，在ui>ur 和uivur两种不同情况下，电压比较器输出两个不同的电平，即高电 平和低电平。而ui变化经过5

23、时，比较器的输出将从一个电压跳变 到另一个电平。比较器有各种不同的类型。对它的耍求是：鉴别耍准确，反应耍 灵敏，动作要迅速，抗干扰能力要强，还应有一定的保护措施，以防 止因过电压或过电流而造成器件损坏。比较器的特点：(1) 工作在开环或正反馈状态。放人、运算电路为了实现性能稳 定并满足一定的精度要求，这些电路中的运放均引入了深度负反馈；而为了提 高比较器的反应速度和灵敏度，它所采用的运放不但没有引入负反 馈，有时甚至还加正反馈。因此比较器的性能分析方法与放大、运算 电路是不同的。(2) 非线性。由于比较器中运放处于开环或正反馈状态，它的两 个输入端之间的电位羌与开环电压放大倍数的乘积通常超过最

24、大输 出电压，使其内部某些管子进入饱和区或截止区，因此在绝大多数情 况下输出与输入不成线性关系，即在放大、运算等电路中常用的计算 方法对于比较器不再适用。(3) 开关特性。比较器的输出通常只有高电平和低电平两种稳定 状态，因此它相当与一个受输入信号控制的开关，当输入电压经过阈 值时开关动作，使输出从一个电平跳变到另一个电平。市于比较器的 输入信号是模拟量，而它的输出电平是离散的，因此电压比较器可作 为模拟电路与数字电路之间的过渡电路。由于比较器的上述特点，在分析时既不能象对待放大电路那样去 计算放大倍数，也不能象分析运算电路那样去求解输出与输入的函数 关系，而应当着重抓住比较器的输出从一个电平

25、跳变到另一个电平的 临界条件所对应的输入屯压值(阈值)来分析输入量与输出量之间的 关系。如果在比较器的输入端加理想阶跃信号，那么在理想情况下比较 器的输出也应当是理想的阶跃电压，而且没有延迟。但实际集成运放 的最大转换速率总是有限的，因此比较器输出电压的跳变不可能是理 想的阶跃信号。电压比较器的输出从低电平变为高电平所须的时间称 为响应时间。响应时间越短，响应速度越快。减小比较器响应时间的主要方法有：(1) 尽可能使输入信号接近理想情况，使它在阈值附近的变化接近 理想阶跃且幅度足够大。(2) 选用集成电压比较器。(3) 如果选用集成运放构成比较器，为了捉高响应速度可以加限 幅措施，以避免集成运

26、放内部的管子进入深饱和区。具体措施多为在 集成运放的两个输入端并联二极管。如图2. 4电压比较器电路所示:图2.4电压比较器电路在木设计中，光电传感器只输出一种高低电平信号且伴有外界杂 波干扰，所以我们尝试采用了一种滞回比较器。简单电压比较器结构 简单，而且灵敏度高，但它的抗干扰能力差，也就是说如果输入信号 因受干扰在阈值附近变化，则比较器输出就会反复的从一个电平跳到 另一个电平。如果用这样的输出电压控制电机或继电器，将出现频繁 动作或起停现彖。这种情况，通常是不允许的。而滞回比较器则解决 了这个问题。滞回比较器有两个数值不同的阈值，当输入信号因受干 扰或其他原因发生变化时，只要变化量不超过两

27、个阈值之差，滞冋比 较器的输出电压就不会来回变化。所以抗干扰能力强。但是，滞回比较器毕竟是模拟器件，温度的漂移是它无法消除的。 方案四：施密特触发器。综合考虑系统的各项性能，最后我们决定采用数字器件一一施密 特触发器。施密特触发器是双稳态触发器的变形，它有两个稳定状态，触发 方式为电平触发，只要外加触发信号的幅值增加到足够大，它就从一 个稳定状态翻转到另一个稳定状态。施密特触发器具有与滞回比较器 相类似的滞回特性，但施密特触发器的抗干扰能力比滞回比较器更 强。2 行车距离检测由于红外检测具有反应速度快、定位精度高，可靠性强以及可见 光传感器所不能比拟的优点，故采用红外光电码盘测速方案。具体电

28、路同图2.5行车距离检测电路所示：+5v o图2.5行车距离检测电路红外测距仪由测距轮，遮光盘，红外光电耦合器及凹槽型支架组 成的。测长轮的周长为记数的单位，最好取有效值为单一的数值（如 本设计屮采用0.1米），精度根据电动车控制的需要确定。测距轮安 装在车轮上，这样能使记数值准确一些。遮光盘有一缺口，盘下方的凹形物为槽型光电耦合器，其两端高 出部分的里面分别装有红外发射管和红外接收管。遮光盘在凹槽中转 动吋，缺口进入凹槽吋，红外线可以通过，缺口离开凹槽红外线被阻 挡。由此可见，测距轮每转一周，红外光接收管均能接收到一个脉冲 信号经过整形器后送入计数器或直接送入单片机中。为实现可逆记数功能，我

29、们在测距仪屮并列放置了两个槽型光电 耦合器，遮光盘先后通过凹槽可产生两个脉冲信号。根据两个脉冲信 号发生的先后顺序与两个光屯耦合器的位置关系，即可计算出玩具车 的行驶方向（前进或后退）。遮光盘及槽型光电耦合器均安装在不透光的盒子里,以避免外界 光线的干扰，使电路不能正常工作。测距原理：将光栅安装在电机轴上，当电机转动吋，光栅也随z 转动，同时安装在光栅一侧的红外发光二极管点亮，在光栅的另一侧 设有红外三极管，用于接收红外发光二极管发出的红外线信号。由于 光栅随电机高速转动，则红外线三极管接收到的就是一系列脉冲信 号。将该信号传输到80c51单片机的内部计数器计数，根据预先实测 的数据换算关系即

30、可计算出电动机车的行车距离。三显不电路本设计中用两片4位八段数码管gem4561ae作显示器，并具有双重功能,在小车不行驶时其中一片显示年、月，另一片显示时、分；当小 车行驶吋,分别显示吋间和行驶距离。四系统原理图简易智能电动车采用80c51单片机进行智能控制。开始由手动启 动小车，并复位，当经过规定的起始黑线，由超声波传感器和红外光 电传感器检测，通过单片机控制小车开始记数显示并避障、调速；系 统的自动避障功能通过超声波传感器正前方检测和红外光电传感器 左右侧检测，由单片机控制实现；在电动车进驶过程中，采用双极式 h型pwm脉宽调制技术，以提高系统的静动态性能；采用动态共阴 显示行驶时间和里

31、程。80c51t1td顾卩xix2ri0汀15 亘24互rdwr31系统原理图如图2.6所示。看门狗电路77 rxd10 txd. 君一aij7p7二 pslin图2.6系统原理图光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束（红外、可见及紫外光辐射）的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线 的物体均可被检测。光电传感器的工作原理如下图所示:加汎剑信号的发駅行innr(a)眈财霑(匕)按收遥本产品是一种红外光漫反射式光电传感器，它是一种集发射器和 接收器于一体的传感器，当前面有被检测物体时，物体将发射器发出 的红外光线反射到接收器

32、，于是光电传感器就产生了开关信号。当被 检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电传感器 是首选的检测模式。漫反射式传感器的应用范围十分广泛，机器人避障碍物或走迷 宫、材料的定位剪切控制、流水线上产品的计数、液面的高低检测、 光 电测速、程控小车循黑线线和避悬崖等等。也许你会想，这样的一个传感器还不简单！用一个红外线发射管 接通电源发射红外光，然后用一个红外线接收管做接收，当前面有物体反射红外光时红外接收管导通，当前面没有物体时红外接收管 截止。在理论的环境下，这种做法是可以，但是实际上红外线光源无处不在，比如说人体能发岀红外光、日光灯光线下有红外光、太 阳光线下也有红外光，干扰源如此

33、z多怎能确保你的传感器能正常工作？这样的红外漫反射式传感器恐怕只能等晚上关灯了再用了 （汗！ ！）市面上的漫反射式传感器品种繁多，其性能也大有差别，从几元 到几百元不等。价格低的同类产品抗干扰能力非常的差，大多数没有 光信号的调制和解调电路，在普通的日光灯或者太阳光下容易受到干 扰输出错误的判断信号，在要求比较高的环境下无法采用。本红外线漫反射式光电传感器是本店自主研发的一利噺型产品， 抗干扰能力强，稳定性高，而且价格低廉。在同样性能的产品中难找 这样价格的了。创新的硬件设计思路：模块中用单片机作为38kiiz载波信号和基波信号的产生，并且把信号 调制之后再用红外光发射二极管发射出去；接收方面

34、用一体化红外接收头作信号接收、放大、解调、整形输出,发射与接收的过程如下图所示:一体化红外线接收头再将解调之后的信号送到单片机中，单片机再以每秒重复约50次的频率去检查接收到的基波信号是否与 发射前的一致，如果是一致就是出低电平“0”（0伏），如果不同 便输出高电平“1”（约+5伏）。这样的设计已经将可靠度提高到最高。当然，如果你要传感器在如此强烈的干扰下正常工作是不可能的事情，任何一款传感器都无法做到的，因为发射端的信号已经被干扰信号完全覆盖了。使用说明1室外使用时，应避免阳光直射，太阳光线中的红外光会覆盖掉红外 发射管发出的红外信号。为了获得更好的抗干扰能力，请在一体化红外接收头上绕2圈黑

35、色半 透明塑料袋，或者加装黑色遮光板，再将红外发射管发光亮度调大(调节可调电阻)。2.在红外线干扰比较小的室内使用时，为了获得更远的感应距离，可 以直接使用。3在单片机系统应用中，为了提高系统的可靠性，请增加“防抖”程 序，下面提供一段防抖程序：ttinclude <at89x51. h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit hongwai d=p1 0;/*延时子程序*/void delay(uint n)uint i, j;for(j=n; j>0; j)for (i=70;i>0;i一一)

36、;/*防抖例程*/void start(void)uchar a;aa:while(hongwai d) ;/如果红外传感器d端为高电平，程序将不断 循环执行/空白语句。/如果红外传感器d端为低电平，向下执行。for(a=0;a<50;a+)/规定时间内，重复检查50次d端是否为低 电平。delay (1)；while(hongwai_d)/规定吋间内出现了高电平，返回重新扫描。goto aa;第三章小车方案论证1总体设计根本本课题需要，我们主要是设计一款能进行智能判断并能做 出正确反应的小车。小车具有以下一个功能：前后驱动、自动壁 障、寻迹、超声波测距、自动显示行走距离与速度。2.各模

37、块分析选择2.1主控单元方案比较和分析方案一：采用各类数字电路来组成小车的控制系统，对外围避障 信号，自动寻迹信号，无线遥控信号，语音控制信号进行处理。本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于小车智能化的扩 展，对各路信号处理比较困难。方案二 采用at89s51单片机来作为整机的控制单元。红外线探 头采用市面上通用的发射管与及接收头，经过比较芯片调制处理 后由控制系统接收。路线寻找采用红外线管对路面信号采集，送 到单片机系统处理，同样包括无线遥控信号和语音控制信号。此 系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系 统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。比较以上两

38、种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好， 更能达到题目的设计要求，因此采用方案二來实现。2.2电机驱动方案小车电机以两直流电动机为主驱动，带有齿轮组，考虑不需调速 功能，所以采用电机驱动芯片l293do l293d是著名的sgs公司 的产品。为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，设计 用来接收dtl或者ttl逻辑电平，驱动感性负载(比如继电器， 宜流和步进马达)，和开关电源晶体管。内部包含4通道逻辑驱动 电路。l293d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，用程序输入对应的码值，能够实现

39、对应的动作，有效控制电机运动。o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，用程序输入对应的码值，能够 实现对应的动作，有效控制电机运动，如图3-13电机驱动原理图。 j16和j17控制左边电机，j18和j19控制右边电机。取左边电机为 例，当j16输入数字电平“1” ,j17输入数字电平“0”时实现正转；当j16输入数字电平“0” ,j17输入数字电平“1”时实现反转;当j16输入数字电平“0 (1) ”，j17输入数字电平“0 (1) ” 时实现停止；最后结合左右电机通过单片机共同实现小车的前后左右 四个方向行驶。图3-13电机驱动原理图23

40、避障单元方案比较与选择方案一：采用超声波避障，超声波受环境影响较大，电路复杂, 而且地面对超声波反射，会影响系统对障碍物的判断。方案二：采用红外线避障，利用单片机来产生38kh7信号对红外 线发射管进行调制发射，发射出去的红外线遇到避障物的时候反 射回來，红外线接收管对反射回来信号进行解 调，输出比较 电平。外界对红外信号的干扰比较小，且易于实现，价格也比较 便宜。故采用方案二。红外线避障方法，利用一管发射另一管接收，接 收管对外界红外线的接收强弱来判断障碍物的远近，由于红外线 受外界可见光的影响较大，因此通过调制信号产生38khz的载波 来减少外界的一些干扰。只要障碍物在限定范围内就会产生相

41、对 的电平供单片机控制，实现避障功能。24寻迹单元方案比较与选择方案一：采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。由于光敏二 极管受可见光的影响较大，稳定性差。方案二：利用集成型红外对管作为寻迹单元的传感器，其中红外 线发射管发射红外线，红外线二极管进行接收。采用红外线发射, 外面可见光对接收信号的影响较小，再用射极输出器对信号进行 隔离。本方案也易于实现，比较可靠。因此采用方案二。当小车底部的某边红外线收发对管遇到黑带时, 可以检测到输入电平为高电平，反之为低电平。结合单片机查询 方式，通过程序控制小车哪边轮胎转动來改变方向。这样不断循 环检测，方向控制，使小车按黑线行走。2. 5超声波测距方案

42、的比较和选择随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展和广泛 应用，测距问题显得越来越重耍。目前常用的测距方式主要有雷 达测距、红外测距、激光测距和超声波测距4种。方案一：雷达测距受恶劣天气的影响比较人，且成本比较高，雷 达还必须满足电磁兼容要求。方案二：红外测距安全，但测量范围比较窄，若精度要求高的话 成本也会更高。方案三：激光测距速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力 强，但制作难度较大，成本较高，而且光学系统需要保持干净， 否则将影响测量。方案四：与上诉测距方案比较，超声波测距有几大优点。1、超声波测距对色彩和光照不敏感，可用于识别透明及漫反 射性的物体，可在黑暗，有灰尘或烟雾的

43、环境当中使用。2、超声波测距对电磁场及其他电磁干扰不敏感，可用于电磁 干扰强、有毒、有害等恶劣环境中。3、超声波传感器结构简单、体积小、成本低、技术难度小、 信息处理简单可靠、易于小型化和集成化。当然超声波测距也有一定的缺点，比如受温度、气流、材质的影 响。综上所述，再结合我们的设计目标，采用超声波测距最符合 设计要求。第四章硬件软件设计木系统硬件主要有六大模块组成：单片机控制模块、无线遥控模 块、红外对管寻迹模块、红外线避障模块、电机控制模块和语音控制 模块。4.1单片机控制模块本模块采用51系列单片机作为核心处理器。单片机控制系统基 木由最小系统和外围信号"0 口组成，其中最小系

44、统包括电源（地）, cpu时序电路（一般使用11.0592m或者12m和30p电容组成），复 位电路。有了以上三块，单片机就能够正常工作。at89s51是一个低功耗，高性能cmos 8位单片札 片内含4k bytes isp（in-system programmable）的可反复擦右 1000 次的 flash 只读 程序存储器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术制 造，兼容标准mcs-51指令系统及80c51引脚结构，芯片内集成了通 用8位中央处理器和isp flash存储单元，功能强大的微型计算机的 at89s51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。其 应用范围

45、广，性能良好，可用于解决复杂的控制问题。利用at89s51 的1/o端口对传感器信号进行实时判断监控来控制步进电机做出相 应的反映。如图41是较为常见的带烧录接口的单片机最小系统图。j2j3si sw-pb10kc；2ufp5ci°i，uf anc2丁曲厂iotuf *3tvcc匕尹 "30in4004ji7j7titi'header 5x2a162 73 84 95 1020vccxtal1p0 0/ad0p0 1/ad1xtal2p0.2/ad2p0.3/ad3p0 4/ad4p0.5/ad5p0.6/ad6p07/ad7rste* a a rn nn 1 na

46、t'oea/vrrr i.u/rzpsenale/prog"d 1 1/towr 1.1/ 1 zitap1.2/ecip30/rxdp3 1/txdp1.3/cex0p1.4/cex1p1.5/cex2pl 6/cex3p3.2/int0p1.7/cex4p3 3/int1p3 4/top2 0/a8p3.5/t1p2 1/a9p3.6/wrp2.2/a10p37/rdp2.3/a11vssp24/a12p2.5/a13p2.6/a14p27/ai5p89c51rc2bn/01|vcc_39_j7 亶 j6 szzzj5 6 j4j3j2ji126j8j9j1ojllj12

47、j13j14j15图4-1带烧录接口的单片机最小系统4.1.1时钟电路单片机的时钟产生有两种方法：内部时钟方式和外部时钟方式。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡 电路。at89单片机内部有个用于构成振荡器的高增益反相放大器。 引脚xtal1和xtal2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器 与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶 体谐振器以及电容c1和c2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈冋 路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震 荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。 因此，此系统电路的晶体振荡器的值

48、为12mhz,电容应尽可能的选择 陶瓷电容，电容值通常取30pfo在焊接刷电路板吋，晶体振荡器和 电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保 证震荡器稳定和可靠地工作。4. 1.2复位电路复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚 rst通过一个触发器与复位电路相连，触发器用来抑制噪声，它的输 出在每个机器周期中市复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。所谓上电 复位，是指计算机加电瞬间，要在rst引脚出现大于1oms的止脉冲, 使单片机进入复位状态。按钮复位是指用户按下“复位”按钮，使单 片机进入复位状态。如图4-2是上电复位及按钮复位

49、的一种实用电 路。ulxtal1 xtaupovadopo 1/ad1rst eah/pp psem alerogp3 0/rxdp3 1/txdp3 2/imtbp3 j/ffrfip3 4rrop3 5tt1p3 6/wp3 7/rfp! qh7 pi 1h7ex p12/ec】 pi vcexo p14/cex1 pl5a7ex2 pi 6/cex pi/wcex4vssp89c5irc2bnahp2 0/a3p2 i/a9 p2 2/ai0 p2 3/ai1 p24/ai2 p2 5/ai3 p2 6/ai4p27ta15po 2/ad2p0 3/ad3p0 4/ad4p0 5/ad5

50、p0 6/ad6po wad7r_l-一_一 .ttl 一：f-vcc图4-2复位电路上电吋，+5v电源立即对单片机芯片供电，同吋经电阻r对电容c3充电。c3上电压建立的规程就产生一定宽度的负脉冲，经反向后, rst上出现正脉冲使单片机实现了上电复位。按钮按下时，rst上同 样出现高电平，实现了按钮复位。在应用系统中，有些外围芯片也需 要复位。如果这些芯片复位端的复位电平和单片机一致，则可以与单片机复位脚相连，因此，非门在这里不仅起了反向作用，还增大了驱 动能力，电容cl, c2起虑波作用，防止干扰窜入复位端产生误动作 o4.1.3烧写接口电路rst置高电平，然后向单片机串行发送编程命令。p1

51、7(sck)输 入移位脉冲，p1.6(m1so)串行输出,p15(mosi)串行输入。被烧写的 单片机一定是最小系统(单片机已经接好电源，晶振，可以运行)。 如图4-3烧写接口电路。wcximpoo ado pol. adipo : . ad?u：tpo人g popo mpo i.'adiipo 7/aippl 0 .12p；31tpl 1.12hxale/pz8p12.bcip3 02n 3.ch:plpl 5.cej2p3 l.ldpl i.cex)p： 2 dti0plt.chxip：: milp3 4/10p? o mp3 mlp2p3 "血p22/a10p3 7.

52、wp?3/a11 w v和pmabp?p：7?a15rripc$t,rli£2bw01图4-3烧写接口电路4. 3红外对管寻迹模块寻迹是指小车在口色地板上循黑线行走，木系统采取的方法是红 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，在小车行驶过程屮不断地向地而发射红外光，当红外光遇到 白色纸质地板吋发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；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w。由 此过程来改变接收管的输出电压，单片机以电压的变化为依据来执行 小车电机确定行走路线。4. 3.1模块系统分析图4-8为红外线寻迹安装图，图3-9为寻迹模块

53、实现原理图，分析如下：图4-8红外线寻迹安装图如图4-9是整个红外线寻迹过程实现的原理图。四针接口处p3, p4的1, 2脚是跟红外线发射管连接，3, 4则是跟接收管相连，放置插 针是为了更容易实现红外线管的放置。由于红外线接收光的变化可以 让接收管上的电压发生变化，相当于可变电阻，这种特性为设计提供 基本的保障。比较芯片lm358 (lm393)可以根据接收管的电压和参考 电压进行比较后输出相应电平。此图的比较接法为正接法，就是当红 外线管遇到黑线时，反射减少，“+”断输入电压增加，使的输岀端 输出电压为高，经上拉电阻r12 (r20)上拉后达到单片机有效接收电 平。小车进入寻迹模式后，即单

54、片机开始不停地扫描与探测器连接的 单片机i/o口，一旦检测到某个i/o口有信号，即进入判断处理程序, 先确定2个探测器中的哪一个探测到了黑线，如果左面传感器(红灯 亮)探测到黑线，即小车左半部分压到黑线，车身向右偏出，此时应 使小车向左转；如果右面传感器(黄灯亮)探测到了黑线，即车身右半部压住黑线，小车向左偏出了轨迹，则应使小车向右转。在经过了 方向调整后，小车再继续向前行走，并继续探测黑线垂复上述动作, 实现方向控制，按照黑线行驶。其中，r11和r19为限流电阻，防止红外线发生管因电流过大而 烧坏；由r14和一个可变电阻组成的电路为参考电压电路，由于检测 小车行驶的过程会因环境或则黑线材料的

55、改变使输出电压成一个变 化值，所以通过可变电阻来改变参考电压，使能止常运行；同时r12 和r20为上拉电阻，让输入单片机的电压达到高电平；发光二极管则 是能更直观的判断出哪对传感器在起作用。4. 3. 2 lm393芯片介绍双电压比较器电路lm393,如图3-10 lm393原理结构图和表3-1引脚功能表。表3-1引脚功能表引出端序 功能 符号 引出端序 功能 符号输出端1 0ut1正向输入端ln+(22)2反向输入端1n-(16反向输入端1n- (21)2)3正向输入端1n+(17输出端20ut21)续表3-14地gnd8电源vcc4.4红外避障模块红外避障模块主要实现小车的避障处理，当小车

56、检测到前面有障 碍物时，由单片机发出指令实现小车停止功能。其实现原理与红外线 对管寻迹模块基本一致，只是为了实现更好的避障效果（主要是距离 问题），所以采用了自制红外接发电路。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。4. 3模糊控制算法4.3.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徳发表了一篇 关于模糊集合的论文，由此提出了模糊理论。四i-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，以及与此和反的对控制性能的要求却口益高度化。如今，对模糊控制系统的结构、模糊