第七届智控智能小车控制器

本文是在第七届智能控制大赛背景下诞生的，介绍了基于C语言的STC90C51RD+开发的智能小车硬件软件系统使小车能够快速准确的对道路进行目标道路信息的获取是通过RPR220细叙述了轨迹记录系统的构造、控制系统的总体设计、驱动的选型等。：智能小车；路径识别；红外传感器 第一章绪 引 研究背 红外图像与处理技术的发展现 智能车路径技术及其发 小车智能控制技术的发 本文主要研究内容和章节安 第二章智能小车控制器概 智能小车控制器硬件电路总 智能小车控制器软件设计简 第三章控制器硬件电路设 5V电压电源模块设 传感器选 传感器布 传感器间隔距离确 径向探出距离的设 探测模块控制电路设 STC90C51RD+单片机简 STC90C51RD+的结 STC90C51RD+引脚结构及功能介 单片机STC90C51RD+最小系统设 电机驱动模块设 驱动电机介 电机驱动控制设 第四章总结和展 总 展 附录：高级组A题网格迷宫小车控制势如代码简短高效功耗低体积小巧和开发成本低可以升级到50MHZ，同时能够达到通常只有32位控制器才能达到的性能水平。而这些显著优点来源于增强CPU以及与XGATE协同处理器的结合S12是一个非常成功的系列，并具有为度身定造的相宜价格和性能它被广泛应用于以下中：引擎管理系统自动传送安全气囊；ABS；电动驾驶汽车网络群集/；红外图像与处理技术发展现红外图像系统是红外信息获取与处理系统的前端部分，也是整个系统ISA（IndustryStandardArchitecture）线、EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture)总线等的红外图像处理系统处理速度渐渐跟不上高速实时图像处理的要求国外的红外图像系的研究CPU时间，以适应高分辨率实时红外图像采红外探测技术可以说是于人们对响尾蛇的研究二十世纪四十年代末们研制出一种“响尾蛇”空对空。它是利用硫化铅作红外敏感元件，喷气式飞机机尾喷管发出的波长为1-3微米的红外辐射流，引导从飞机色的研究方向。尤其在军事领域，在欧美等国家的先进的系统，包括航空 、远距离的飞机等飞行物的自测技术成为成像制导告警系统和光电对抗的核能对红外成像系统的作用距离和智能化程度十分关键。未来，要求红外探测系统准确远距离发有的目标为指挥系统决策和系统赢得时间。但是由于红外探侧系统与成像系统相比，红外成像系统作用距离较短，飞机等飞行物离较远时，成像尺寸小而且信噪比低。另一方面由于光学系红外弱小目标检测与问题一直是红外探测领域的研究热点。国际SPIE每年组织一次小目标信号与数据处理(Signalanddataprocessingofsmalltargets)”会、智能车路径技术及其发智能车的路径技术与机器人的路径技术类似但是智能车的对决策，对其行驶方向与行车速度进行调整，从而达到准确快速道路的目的。根据道路信息的完整程度、路径标志等因素，智能车的路径技术主要分为基于机器视觉的路径、基于地图路径、基于特殊道路标志的路径以及基于感知器的路径等。了难题。为了提高路径识别的速度，可以对道路的路径标志线进行。若无路径标志线则通过检测路径边缘信息来得出目标路径的。路径的完整信 、基于路径感知器的路径是通过红外线或者是超声波来探测路标位、随着智能车控制系统的发展而发展起来的其研究单位主要集中在各和汽车生产企业当中。另外许多大学也将智能车作为重点研究项目。。，在，Basrrett电子公司在上世纪五十年代便开发了一种牵引式小车系统，能够对钢丝索导引的路径进行。Stanford在二十世纪六十年发了Shakey1973-1981年实现了自主驾驶。加州PATH系统具有较高的控制精度。它采用的路径检测技术是基后在其车前安装磁性检测装置来对道路实现此外还将智能汽车的研究用于军事上国防部采用无人车去执行地带的巡逻任务，第三代智Demom，能满足有路和无路条节下的车辆自动驾驶。stanley提出了基于神经网络的视觉导航技术。Reid通过处理视觉信息选择智能机械行走基线，ActiveMedia公司生产出的Pioneer系列机器人NASA火星探测智能移动机器人Spirit和Opportunity也都包含了路径的内容。。，在欧洲意大利帕尔玛大学研制的ARGO实验车配备有物避让和路径跟物检测避让和路径双重性能其控制器则是根据路径技术来进行设计和优化的。德国慕尼黑大学曾同奔驰公司合作开发VaMoRS实验车，实现了在高速公路及条件较好的乡间公进行自主驾驶。在亚洲，于60年始便开始了智能车的研究，比如自动导引小车的厂家在1988年便达到了20多家的Toyota公司2006年推出的LexuSLS460的智能泊车辅助系统可对后座和前座头的图像进行处理利用该结果去控制驾驶和辅助驾驶两种格式。各高校纷纷将学生智能车竞赛正在开展之中，智能车的路径识别与是重点研究对象。小车智能控制技术的发、2060年代起，由于空间技术、计算机技术及人工智能技术的发展，控制界学者在研究自组织习控制的基础上，为了提高控制系统的习能力开始注意将人工智能用于控制系统1965年著名控制论专家L.A.ZadehFeigenbaum着手研制世界上第一个专家系统；教授提出把人工智能中的知觉推理方法用于学习控制系统；1966年，Mendel进一步在空间飞行器的控制中应用了人工智能技术，并提出了“人工智能控制”的概念。1967年，Leondes和Mendel开始使用“潜能控制”一词，并把、目标分解等一些简单的人工、，、从20世纪70年代初开始Gloriso和Saridis等人从控制论角度进一步总结了人工智能技术与自适应、自组织习控制的关系，正式提出了智能，、在20世纪70年代中后期以模糊集合论为基础从模仿人的控制决策思想出发，智能控制在规则控制方面取得了重大的进展。1974年，Mam ni将模并成功地用于工业过程控制。1979年，他又成功地研制出自组织模糊控制器，2080年代以来，由于计算机技术的迅速发展以及专家系统技术的80重大进展，为智能控制的研究起到了重大的推进作用。19858月，IEEE在美1987年开始，每年都举行一次智能控制国际研讨会，形成了20901992年4月，国家自然科学基金和电力联合发出《智能控制》研究项目倡议书；1993年5月IEEE控制系统学会智能控制专业成立专家小组，专门探讨“智能控制”的含义。1994年6月在奥兰多召开了IEEE全球计算智能大会，综合讨论了模糊控制、神经网络、进化计算面的内容，1995年10月国际智能自动化学会筹委会第一次会议在温哥华召开。国际Dh过程中得到了广泛的应用但它们都是参数模型的控制方法因而自适应和鲁棒性差对模型的精确性要求高、能力差自整定D控制需要在对象模型精确已知的情况下实现D参数的整定当被控对象特性发生变h于157年，通过引入一个与被控制对象相并联的纯滞后环节，是补偿后的被控对象的等效传递函数不包括纯滞后项，但在实际操作中存在如下的问题:(l)完成复杂的任务时具有自行规划和决策的能力有自动躲避运动到期望目标研究被控对象的模型存在不确定性及未知环境交互作用较强情况下的控制时，迹控制时往往无法得到满意的效果近年来机器的智能控制在理论和应用本文主要研究内容和章节安该课题是以C语言，STC90C51RD+单片机为控制器的CPU而设计的“基于红外传感器的智能小车硬件设计。其主要任务是能够准 周围环境的第二能小车控制器概智能小车控制器硬件电路总能力强，工作频率最高达到40MHZ，从而保障了系统的实时性。为了使智能车能2.1所示。图 赛道示意2.22.2外传感器和电路、车速传感器电路需要5V电压，伺服电机工作电压范围4.8V6V7.2V2000mAh最常用的电源管理是7805和7806。考虑到由驱动电机引起的电压瞬间LM2940、LM2576RPR220红外传感器方案。直流电机驱动模块。直流电机的控制一般由单片机的信号来完成，驱动采用L298N。智能小车控制系统软件设计简2.3A/DA/D图 程序算法流程第三章控制系统硬件电路设第二章简绍了智能车系统主要的几个模块:控制(MCU)模块电源管理模5V电压电源模块设3.13.18V、2A/h的碱性电池。由于电路中的不同模1）5V电压。主要为单片机、红外传感器、电机驱动模块等提供电源，电压500mA。工作电压则需要从电池电压通过稳压变换稳压获取选择稳压时除了考虑输出电压和电流容量参数外还需要对稳压的工作最小压差留有一定余量，一些工作压差小的稳压。LM2940该电路不仅能够获得理想的5V电压而且散热量也不大。开关电源的电3.2所示。3.25V5V，还有可调整输出的型号。其功耗非常低，一般只要很小尺寸的散热3A的开关电源。LM2940“IN”脚为降压开关稳压器的正向电源输入，接输入旁路电容C1(47μf)、（μ“GND6C1C2：47μF，50V铝电解电容；C3C4：0.1μF，16VR1：1K路径探测模块设案以及头寻迹与光电传感器寻迹结合在一起的寻迹方案下面依次具体介绍。进行路径识别的一种寻迹方法头有面阵和线阵两种。它的优点是可以更远记录的图像进行分割和识别，加快处理速度是头方案的难点之一。。3.4.1所示。以白色地面VoutX的函数，设反射面物质为同种物质时，XVout3.4.2所示。图 红外传感器检测原理4 3.4.2传感器选选择大接收灵敏度高的红外传感器是保证红外检测电路可靠工作可以选择的选择发射/接收管，如TCRT5000、ITR9908、RPR220。由于发射/接收管集成度高，能力强。结合本设计的特点，我RPR220传感器布3.5(a)所示。“V”3.5(b)所示。进行适当前置，从而形成“W”3.5(c)所示。传感器间隔距离确

图 红外传感器布局30mm，因此如果要求传感器间不出现同时感应现象（即每次只出现一个传感器值“那么传感器间隔就必须大于mm9种不同的情况（包括迷失，即传感器均为“”），2mm8径向探出距离的设探测模块控制电路设片机的I/O口，也可以通过单片机A/D端口直接。通过单片机的A/D口直接电压的变化量，可以简化单片机外部电路的化的RPR220，其采样得到的信号为单片机直接可采用的信号。因此在设计A/D口而言又减轻了软件设计的负I/O接口检测模块。3.8如图3.8每个红外传感器RPR220都由一个发射管和一个接收管组成。STC90C51RD+单片机本次设计使用的微控制器是STCSTC90C51RD+，其集成度高，片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、I2C、A/D、等，该系列单片机在领域有着广泛的应用。、STC90C51RD+16S12CPU,片内总线时钟频率最高可、；串行接口模块模块可设置成48216钟频率；它还提供2810位精度A/D转换器、控制器局域网模块CAN和增（BDM；STC90C51RD+的结STC90C51RD+3.103.1188164881645CAN2KB2SCI128KBSTC90C51RD+系统结构大致可分为MCU与MCU外设两部分，对应于3.5MCUEEPROM；功能的增强S12CPU；程序器的页面模式控制；具有中断识别、读/写控制、（SIM口，其中A口、B口可作为外扩器或接口电路时的复用地址/数据总线，E口MCUA/DTD1（ECTSPI、I2C、CAN、Byteflight等接口。S12S12：16位S12CPU；20位ALU，指令队列，增强型索引寻址；多种（MEBI（MMCINT（BKP（BDM（PPLwatchdog（RTI（CM84器：128KBFLASH；2KBEEPROM；8KBRAM5）286）8个 （SCI；2（SPIByteflightHCSHCS1228108KB8KB2SPI3.11STC90C51RD+STC90C51RD+引脚结构及功能介S12MCUI/O功能和特殊接口功能。在单片模式下，A口、BEI/O接口。这些I/OMCU内部，其体积、功耗、可一、的引脚描HMOSMCS-5140引脚的直插封装（DIP方式，制造工艺为OS的80C51/80C31除采用DIP封装方式外，还采用方型封装工艺，引脚排列如图。其中方型封装的OS有44只引脚，但其中4只引（NC的引脚、、、）是不使用的。在以后的讨论中，除有特殊说明以外，所述内容皆适用于OS。如图，是MCS-51的逻辑符号图。在单片机的40条引脚中有2条于主电源401VCCVSSVCC——（40脚）接+5V电压；VSS——（20脚）接地。HMOS单片机，此引脚应接地；对OS单片机，此引脚作为驱动端。HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信XHMOS，此①RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻VCC10μF的电容，以保证可靠地复位。VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。当VCCRAM提供备用电源。A（0脚当部存贮器时AL（许地址锁存的输出用于锁存地址的低位字节即使不外部器ALE端仍以不变的频率周期性地16或用于定时目的然而要注意的是每当外部数据器时将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8STL输入电路。8751（P（吸收或输出）8LSTTL④EA/VPP（引脚当EA端保持高电平时，内部程序器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对851/8751/80C51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序器内的程序。当EA保持低电平时，则只外部程序存储器不管是否有内部程序器对于常用的8031来说无内部程序器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序器。8751（VPP4、输入/输出（I/O）P0、P1、P2、P3（32根①P0口（39脚至32脚是双向8位三态I/O口，在外接器时，与地址总88LSTTL负载。②P1（1脚至8脚是准双向8位I/O口由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。对 ，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。③P2口（21脚至28脚是准双向8位I/O口。在外部器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期④P3口（1017脚8I/OMCS-518个引脚还用于专门功能，是复功能口。P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL作为第能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第能的输入输出或第二P3各口线的第二功能定义口线引脚第二功能P3.010RXD（串行输）P3.111TXD（串行输出口）P3.212INT0（P3.313INT1（P3.414T0（0外部输入P3.515T1（1外部输入P3.616WR（外部数据器写脉冲P3.717RD（外部数据器读脉冲二、STC90C51RD+IOIOC51/851外真正可完全为用户使用的I/O口线只有1口以及部分作为第能使用时的3口。IOSTC90C51RD+单片机片外三总线结构，即：（AB：A7；P28位地址（A8A15（DB③控制总（CBP3口的第二功能状态和4根独立控制线RESETEAALE、PSEN组成。3.12STC90C51RD+单片机STC90C51RD+最小硬件系统设3.133.13虽然单片机将CPU，ROM，RAM以及I/O统统集成在一个集成电路中，但仍需要一些外部电路的支持这些电路主要为单片机系统提供电源时钟，I/O驱动、通信口等，让单片机可以正常使用，这个最小系统，即人要能够与单BDM电缆等来实现)，包括发命令给单片机，下CPU工作的基础。STC90C51RD+微控制器的系统时钟信号由时钟振荡电路或时序脉冲信号提供。MCU内部的所有时钟信号都来源于EXTAL引脚也为MCU与其他外界之间的通信提供了可靠的同步时钟信号STC90C51RD+在内部集成了完整的振荡电路，XTATEXTAT分别为振荡器3.14C5C6可提高振荡器的稳定性。3.14STC90C51RD+加阻容电路，也可以加专门的复位。在该控制系统主板设计中，采取按钮加3.15所示。3.15S12MCUVDD出现正跳变或过低时，MCU自动3.12所示。这里要强调的是，在该电路中，电容C41的大小不能太大，可以选择0.0luf，甚至也可以不用这个电容，在51单片机复位电这个电容可选10uF，但是在单片机的复位电这个电容却不能那么大。因为C7过大的话，会导致单片机无法进入BDM工作模单片机的供电是靠外部+5VI/O5VCPU运算速度快，功耗低；较I/O电平有利于抗外界干扰。由于单片机内部集成了电压调整器模块，电压+5V外部电luF、10uF1变0、0变1，即三极管导通、截止时的电流变化；另一类电容值较小的电容，如调试显示。在单片机的某个I/O接口上装上一些二极管对最小系统的调BI/O都引出来，这样方便单片机与外界电路的联接。S12单片机最常用的一种运行模式，单片运BDMCPU输入电平状态来确定的，在复位的时候，复位信号上升沿锁存MODA、MODB、MODC等引脚上的输入电平状态到运行模式寄存器(ModeRegister)中的相应位，随后单片机便进入相应的工作模式。因为STC90C51RD+有足够的器资源，所3.1所示，要使单片机工作在单片运行模式，MODAMODBMODC(BKGD)为MODC(BKGD)为高电平的时候就进入一般单片模式。通常，当单片机输入引脚浮空时，CPU默认高电平，BKGD引脚上的低BDMBDM头时，BDM头时，自动进入普通单片模式。3.1000001010011特殊，BDM不能被使100101110111电机驱动模块设驱动电机介0.5A3.3A14060r/min，工作效率最大。RS-380SH3.2围速度电流速度电流 输出 AAWA393.2RS-380SH3.19电机的驱动控制设

图 驱动电机特性曲线率元件进行脉冲调制(pulsewidthmodulation简称)控制方式己成为主流这3.20L298N种控制方式很容易在单片机控制中实现。采用集成电路可以很方便地组成单片机控制的小功率直流伺服系统本设计选用的驱动是L298N.0所示。L298NL298是SGS(通标标准技术服务)公司的产品，比较常见的是15脚机的驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL46V、2AL298N9LOGICSUPPLYVOLTAGEVss，SUPPLYVOLTAGEVs，即驱动部分输入电压。Vss4.5V，最大可达36V；Vs电压最大值也是36V，但经过我的实验，Vs电压应该Vss它的引脚2，3，13，14为L298N输入到电动机的输出端，其中引脚3和14也可控制一个直流电动机。引脚6和11脚为电动机的使能接线脚。引脚5，7，10，12为单片机输入到L298N的输入引脚。下表是其使能、输入引HHLHLH

控制使能引脚ENA或者ENB就可以实现脉宽速度调整L298NH46v,2A以下电引脚8为的接地引脚，它与L298N的散热片连接在一起。由于本的工作电流比较大，发热量也比较大，所以在本的散热片上又连接该的一些参数如下：逻辑部分输入电压最大耗散功率高电平：2.3V≤Vin≤Vss，低电平：-工作温度：-HL298N来驱动电机。如图3.21所示，电机驱动电路的电源可以直接用电池两端的电压。通过脉冲信号来驱动电机， 输出口电压，从而使得电机两端电压产生一个压差，MCU通过改变脉冲的占空启动冲击电生的影响在电源中增加了电容值较大的电解电容C9使其在启图 L298N驱动电机模块电第四结和展总已经成功的完成了本的设计与编写工作，相关工作总结如下：RPR220作为检测路径用传感器。通过对红外传感器的学习，了解外传感器的合理布局及安装，成功的利用了红行路径探测。利用STC90C51RD+单片机的P0口直接路径信息STC90C51RD+单片机的A口是通用输入引脚在设计中用于红外传感器到的信息充分利2路展8RPR220。从实际测试来看，并不能达到最好的检测精度，可以通过增加13个传感器可以达到最佳，因此，在下一步的设计中红外传感器的数量改为13个。设计一些辅助模块来增强系统功能，如:电池模块、小车故障诊断模块，LCD数据显示模块以及调试辅助模块。虽然这些模块不是小车运行所必须，电池模块:对电池电量进行实时，以便科学的利用，保护电池LCD目标是在此基础