【《基于单片机的智能循迹小车设计》12000字】

相关技术2.1单片机技术单片机全称为单片微型计算机，主要组成部分是中央处理器(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)等，将这些重要组成部件集成到一块芯片上，单片机便就此诞生[3]。因为单片机的本身功能较强的特点，所以其广泛用于各种行业，如机械工业化、农林、国防军事力量、科研探索以及学校教育等遍及人类生活领域，单片机推动电子行业发展的同时，也推动其相关电子产品的更新换代。因为单片机系统需要完成许多功能处理，导致CPU超额负荷，此外，其内部的定时器、中断程序以及I/O口位置有限，一片单片机难以满足这些要求并且给设计人员带来研究阻碍。据此，可以采用两个单片机，将其做成主从式结构，每个部分承担一定的控制运算，避免单个单片机超负荷工作。上述的主从式结构是将内部两个单片机分主次，从单片机依据主单片机发布的指令进行工作，又将其工作结果反馈给主单片机，该结构可以有助于设计人员简化单片机的系统。主单片机主要完成智能小车行进运动、红外线躲避障碍物以及小车轨迹反馈；而从单片机主要通过WiFi接收到主单片机的信号来进行远程控制。本文采用STM32单片机，这一单片机性能高、外设足够、软件支撑强大、技术方面的文件较为完整、芯片类型多、芯片的覆盖范围广泛，并且深受广大用户的喜爱。2.2模数转换技术通过ADC0832芯片实现转换，转换芯片ADC0832具有双通道功能，分辨率较高，可以达到256级。具有效率高、成本低、功耗低的显著优势，受到开发者的广泛关注与喜爱哎，被广泛应用于科学研究与工业工程领域。ADC0809转换芯片相比较ADC0832要快得多，但其引脚电路比较复杂，并且价钱是昂贵的。2.3无线遥控技术无线遥控是一种可以远程控制机器的装置，其主要组成部分为集成电路电板以及可以产生不同信息的按钮。无线遥控系统可以按不同的分类方式进行区分，主要有：按传输控制指令信号的载体分为：无线电遥控、红外线遥控、超声波遥控；按信号的编码方式分：频率编码和脉冲编码；按传输通道数分为：单通道和多通道遥控；按同一时间能够传输的指令数目分为：单路和多路遥控；按指令信号对被控目标的控制技术分为：开关型和比例型遥控[4]。遥控系统主要的组成部分为发射器和接收器。发射器由指令键、指令编码电路、调制电路、驱动电路、发射电路等几部分组成。指令编码电路产生相应的指令编码信号，编码指令信号对载体进行调制，再由驱动电路进行功率放大后由发射电路向外发射经过调制的指令编码信号。接收器一般由接收电路、放大电路、解调电路、指令译码电路、驱动电路和执行电路几部分组成。接收电路将发射器发射的已调制的编码指令信号接收下来，并进行发大后送解调电路。解调电路将以调制定编码解调下来，即还原为编码信号。指令译码器将编码指令信号进行译码，最后由驱动电路来驱动执行电路实现各种指令的操作。2.4本章小结本章节主要阐述智能小车的基础理论以及其先进的科技技术，先对单片机的定义以及种类、特点进行阐述，其次对特定选用的STM32单片机进行全面讲述，然后通过数模转换来对具体操作作了说明，最后详细诠释了无线遥控技术的定义及其分类。3系统需求分析3.1功能分析由于机械工业化以及高科技技术的创新，智能技术将传统的控制模块以及现有的智能管控相融合，发挥其长处，优化整个系统，以此满足客户的各种要求。所以，智能技术的研发以及应用在目前的高科技时代，具有较高的研究意义以及指导意义。按照上述要求以及相关设计要求，如图3.1所示。以单片机为控制原理，设计了适用图3.1系统框图于其系统智能运行的框图。其运动模块主要包括主控、检测、启停、复位、电机驱动等模块，形成整个系统。图3.1系统框图3.1.1主控本设计采用了STM32F103单片机微型处理器作为单片机处理芯片，是一种小规格的超级计算机。虽然单片机的功能不像电脑那么强大，但是足以处理绝大部分的控制工作，比如家庭中的冰箱、电视机、洗衣机、空调和电风扇等家电，都是采用单片机作为处理器，进行工作。在工业领域中一些机械的控制和环境信息的采集控制也都是用单片机进行控制，在医疗设施和航空航天等高精度领域单片机也被广泛应用。单片机是微型计算机中极其重要的部分，通常被应用在控制领域，STM32F103单片机使用MCS-51内核，具有32个I/O口，8K字节的FLASH存储器，512字节的RAM，只需要使用相应的编译器烧写程序就可以实现对外围器件的控制。它采用了一个较低的电压，性能很强而且是微小型处理方式，使用起来非常方便的芯片。F013是在F101的基础上进行的增强，是32位的处理核心中功能最好的，它含有特殊的控制端和一些通讯端，十分匹配低消耗的使用场景。103型号的板子采用的内核时M3型的，这种嵌入式的处理核心具有很高的性能并且价格很低耗能又少，频率还达到了72MHz，在同一类型的产品中它的能力是最好的，十分符合这次的设计。它的内部还有128K的快速存储，从而能够执行很多的程序。它的功能消耗量也很少，相当于0.5mA/MHz。图3.2数字电压表头3.1.2显示图3.2数字电压表头我们采用数码管作为显示设备。数码管价格便宜使用简单，对不同管脚输入相对流通的电流就能发亮，通过数字能显示出多种参数，把温度、时间、日期等能用数字表现的数据输入进去就能利用数码管显示出来。它在家电电器以及工业电器上非常普遍，能用到它的地方太多了，比如热水器、电冰箱、显示屏、空调等等都能发现它的身影。LED数码管（）就是很多个发光二极管组合在一起形成“8”型的数码管器件，在内部将引线布局完整，再引出各自的笔划和公用电极就能完成一个封装。其实数码管就是由7个发光管组成的8字型，分段一般用字母a,b,c,d,e,f,g,dp（dp表示点）来表示。把数码管特定的分段加入电压，相应的段能够发光，然后形成肉眼看到的数字。3.1.3避障方案1:使用超声波模块超声波模块通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标进行探测，通过计算从发射超声波到接受到超声波所用的时间，换算出距离，超声波探测器探测距离远，测距方便。但由于声波易受环境的影响，如风速、温度等，且使用复杂，故不采用该方案。方案2：使用红外避障模块其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，绿色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号），可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离范围2～30cm。该传感器模块对环境光线适应能力强，且探测距离可以通过电位器调节，具有干扰小、便于装配、使用方便等特点，因此采取这一方案。图3.3HI-IR2红外避障模块为了实现在发现障碍物后能自动避让，需要智能小车能够实时的监测路面状况信息，在遇到障碍物之前，能够通过小车的红外接收装置发射红外信号，并将路面的情况以数据信息的形式反馈给小车的控制系统，单片机根据得到的电平信号内容进行处理，并让其判断路面情况进行处理。这两部分的路面信息采集使用到了图3.3中HJ-IR2红外避障模块图3.3HI-IR2红外避障模块3.1.4循迹智能小车的循迹功能也是通过红外线探测系统收集路面的轨迹线信息的，具备较强的适应能力，能够在光照条件不好的状态下准确检测地面的轨迹线，并实现自动化的循迹功能，循迹传感器模块在智能小车和机器人等众多自动化装置中被广泛应用。传感器中起到测量作用的硬件是红外线发射管和接收管，支持调节发射红外线的频率。3.1.5电源方案1：采用干电池组进行供电采用四节干电池降压至5V后给单片机及其他逻辑单元供电。干电池使用方便、体积小、价格低、可任意组合成所需要电压的直流电源，但它是一种一次性电池。正常工作的电池中,化学物质进行化学反应,不断地把正电荷运送到干电池的正极。干电池报废后,需要集中回收处理,否则会污染环境。因此放弃这一方案。方案2：采用18650锂电池组进行供电图3.4锂电池组智能小车采用锂电池组进行供电这一方案，电池对应的型号为18650（如图3.4），并通过变压装置将锂电池输出的电压降至单片机和其它元器件使用的电压规格，该单片机的电源规格为5V。采用锂电池供电的方案能够保证小车较长时间工作，且电池能够多次充电可以循环使用，具有能量密度高等优点，但是也存在价格高的缺点。3.2性能分析智能小车的设计之初需要进行性能分析，需要根据小车所需要实现的功能确定小车所需要的模块和硬件设备，通过方案对比择优选取。同时在设计过程中还需要考虑设计的经济性以及小车系统的可靠性，需要保证运行过程具有较强的抗干扰能力。而在实际工作情况中还有众多环境因素的影响，因此要求其具有较好的环境适应能力。该小车需要实现的功能是自动避障和循迹。3.3本章小结在这一章从小车所需要实现的功能开始分析，并以此确定设计方案，选择主要元器件的类型和型号，按照功能模块的划分对每一个部分的作用和硬件进行分析。4第4章电路设计4电路设计4.1主控电路设计4.1.1STM32F103单片机硬件结构图4.图4.1STM32F103ZET6这是一款以ARMCortex-M3为核心的芯片，采用的是LQFP-144封装技术，为32位微控制器。其主要特点有：片内闪存支持在线编程，方便程序的调试，其中Flash为512KB，RAM为64KBCPU运算速度较快，采用数据和指令分开传输的方式，系统频率高；能够在线烧写编码好的程序。提供8MHz和40kHz两种晶振频率。可以使用片外的晶振为单片机提供计数/计时功能，当单片机掉电后，其备用电源引脚可支持时钟行走。使用采用纽扣电池的后背寄存器，具有掉电数据保存功能。提供较为方便的调试功能。拥有丰富的接口，便于功能拓展。具有高效的数模转换能力；需要提供2.0~3.6V的电压给单片机。4.1.2最小应用系统设计以STM32单片机作为控制核心，并通过传感器模块采集路面信号，转向系统控制小车运动轨迹等组成最小智能小车系统。4.1.3主控电路在这个系统里面，主控模块就是一切零件的重中之重，是整个系统的核心部件，负责协调所有零部件和协同处理各个模块间的连接与数据处理，以此达到全系统的稳步运行。本设计中选用STM32F103ZET6单片机为主控模块来主导系统。智能小车能够目前自身的运行模式找到对应的函数，不同的函数具有不同的实际使用功能，比如路面信息采集函数就能让主控模块控制红外采集装置将监测的路面状况转换成数据信息发送给控制器，控制器对数据处理后给相应的电机驱动模块发送相对应的指令，小车的速度控制使用的是双极式H型PWM脉宽调制技术。4.2显示电路设计显示电路主要显示智能小车的状态信息，包括锂电池电量、传感器的工作状态等信息。4.3避障电路设计单片机的输入输出接口会接收小车上多个红外传感器发送的信号，并进行相应的处理和分析对小车运动执行机构发出控制指令。1.避障传感器为提高小车检测障碍的精度，并能够有效的做出反应，系统采用了多个传感器，该传感器为反射式红外光电传感器，具有发射和接收一体的功能。采用接收和发射一体，主要是因为这样做可以防止干扰，防止因为周围的可见光带来的干扰，使抗干扰性能增强。红外线的最大特点就是反射能力极强，应用广泛，利用红外发射管和接收管的特点我们可以很好的防止周围可见光的干扰，以便在系统抗干扰力上有较大的提升。对于小车遇到的障碍物，红外发射管就发出同样的光强，而红外接收管另一边所接收到的光强却不同，所以电压的输出值也就不同。当检测到障碍时，有红外光被反射回，光敏三极管导通，导致输出为低电平，这样不仅系统硬件电路简单，而且信号处理速度快，图4.2为红外传感器[8]。图4.2红外传感器为了能够保障小车能够及时检测到障碍物并防止出现盲区，系统采用型号为HJ-IR2的近程红外避障传感器，其检测范围为2-20cm，图4.3为HJ-IR2的电路图。图4.3HJ-IR2电路图智能小车前部的红外传感器始终处于工作扫描状态，对路面信息就行扫描，根据内部的算法判断路面是否有障碍物，障碍物出现后，前面的障碍接收头能够收到其反射的红外信号，将其处理后通过单片机I/O口传递特定的电平信号，这些信号经过单片机处理后会发出相对应的控制指令给驱动芯片，驱动芯片接收电平信号控制驱动模块停止工作，以此达到避障功能。图4.3HJ-IR2电路图4.4驱动电路设计4.4.1电机驱动电路小车采用的是锂电池供电方案，考虑到电机启动瞬间所需电流较大，所以无法由单片机进行驱动，因而设计单独的单机驱动模块，从而保证直负载较大的流电机获得足够的工作电流。能够根据实际的电压需求，从电源源头进行调节。改驱动芯片与单片机之间完全支持，直接连接到输入输出口即可，使用起来十分方便。4.4.2驱动电路的基本功能电机的启停以及正常运行都是由驱动电路提供稳定的电流，并且通过电流的大小来改变小车运行的速度，并利用单片机向驱动电路发送逻辑电平输出信号控制电机的正反转，从而实现小车的前进和后退动作。4.4.3驱动原理直流电机是由直流电源供电，输入电能，输出的是机械能。图4.4所示为一个典型的直流电机控制电路。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。如图所示，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[11]。要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。该流向的电流将驱动电机顺时针转动。另一对三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动。图图4.4H桥式电机驱动电路4.4.4驱动电路图45L293D驱动原理图驱动电路的设计决定了小车运动控制的准确性和稳定性，该方案中使用了L293D驱动芯片（图4.5为L图45L293D驱动原理图4.5循迹检测电路设计红外接收装置会一直处于工作状态，当小车在轨未偏离时，接受口收不到被完全吸收的反射光，小车就会一直保持直行运动，而如果脱轨，接收到红外光，小车会做以调整。例如向右偏移时，小车左端的接收端会受到红外信号，这些红外信号需要转化成单片机能够处理的电平信号，并根据这些信号经过处理后给驱动芯片发出控制让其左轮进行减速，利用左右轮的速度差使小车实现左转，重新入轨行驶。向左偏移时同理。该模块主要涉及到自动检测计数和自动转换技术。4.6电源电路设计图4.6LM2596S该智能小车的电源使用的是两节3.7V的锂电子电池，因为需要保证小车较长时间的工作，同时考虑到步进电机启动时所需的工作电流是正常工作电流的4-5倍，所以不再适合使用普通1.5V电池，否则会因供压不稳定导致单片机芯片烧毁，所以不采用。在确定供电方式后，考虑到避障、循迹系统中芯片的工作电压为5V，并且单片机工作时需要保持电压稳定，所以需要使用LM2596S稳压芯片（见图4.6）接收锂电池输出的电压，由于使用的步进电机的额定电压和电流较大，允许由驱动电源直接供应。图4.6LM2596S4.7本章小结从以STM32单片机为控制核心的最小单片机系统的组成开始设计，按照功能进行模块划分，并完成相应的电路设计，从而小车提供稳定的工作电源，实现信号检测、避障、循迹等一系列的功能。第七章结论与展望5控制软件的设计与实现5.1引言小车的智能避障循迹系统设计包括硬件部分设计和软件设计，前面章节的工作内容主要是确定硬件的选型以及各个模块的电路设计，而实现真正的控制功能还需要设计相关的控制软件。5.1.1一般要求在设计控制软件之前需要理清软件控制对象和实现的功能，在此基础上还需要考虑用户对系统所提的要求以及程序实际的运行环境与影响。一个高质量的程序应具备以下几个特点：1.实时性在工业等众多领域中的控制系统一般都需求实时控制，因此对软件的执行速度有一定的要求，即程序运行所需速度需尽可能快。实时性即是指应用系统软件的这种需求。2.程序的简练性程序的简练性是指程序应精简、凝练，既能实现预定的目标，又能使程序简洁。在能够完成功能和技术要求的前提下，程序应当越简单，则程序占用的存储空间越小，这样可减少空间应用，降低成本，避免资源浪费。3.程序的灵活性、可扩展性该要求主要是指设计出的系统程序应该具有较强的适应能力，在设计的过程中应尽量编写子程序来增加程序的灵活性，当计算机应用系统的功能需要扩展时，程序在原有基础是否容易修改，即程序的扩展性。4.程序的可靠性在系统运行的过程中如果经常出现因为软件问题而产生的故障，那么就失去了程序应该具有的可靠性，系统的可靠性在整个系统中是至关重要的，是决定系统正常工作的保障。单片机应用系统的可靠性一方面取决于硬件系统，另一方面也取决于软件系统。5.1.2设计过程在确定了程序设计要求后，需要按照以下设计步骤依次完成单片机的程序设计：1.程序设计的第一步就是做好规划，明确要求，设计好程序以及显示模块的界面；2.根据控制问题建立对应的数学模型，完成问题向模型的转换过程；3.确定算法开展建模过程；4.按照功能划分模块进行设计，同时绘制对应的流程图；5.确定编程语言，为了尽可能缩短编程开发周期，尽量使用函数调用；6.将各个功能模块子程序组合，并对整体进行调试。5.1.3设计注意事项控制软件是根据已有硬件条件和设计方案进行的，相当于对硬件方案的表达，转化成单片机能够读懂的语言，但是软件程序设计的好坏同样会影响小车避障循迹功能实现的效果，所以需要在设计过程中注意以下细节：设计过程中需要注意不同功能模块之间的干扰作用，使得软件具有较强的抗干扰能力，提高系统运行的稳定性；软件程序要做到模块化和层次化，程序结构清晰；需要根据已有的存储空间，注意内存控制；软件布局要清晰易读；编程中需要注意语言的规范性，并做好软件备份工作。5.2结构设计按照结构将软件功能划分成数据处理部分和过程控制部分，其中信号数据采集后还需要经过相应的数字信号处理后进行信号的传输；当单片机接收到数据后经过分析处理后，向小车运动执行元件发送控制指令。图5.1系统软件流程图图5.1系统软件流程图5.3主要模块实现5.3.1电机和舵机驱动图5.2电机驱动流程图图5.2电机驱动流程图5.3.2避障小车在没有障碍物情况下快速前进，同时系统不停扫描I/O口检测红外信号，这些红外信号需要转化成单片机能够处理的电平信号，并根据这些信号经过处理后给驱动芯片，当出现障碍物小车停止前进并转为后退运动状态；当右侧出现障碍物时，发出控制让其左轮进行减速，利用左右轮的速度差使小车实现左转，然后重新入轨行驶。左侧出现障碍物同理。5.3.3循迹图5.3循迹流程图图5.图5.3循迹流程图5.4本章小结通过功能分析并在模块化设计原则下按照绘制的软法流程图完成各个部分的软件设计，同时列出了软件设计过程中的注意事项和程序编写细节。6系统功能测试6.1测试仪器及设备单片机系统设计完成后，虽然不同模块是根据具体的使用要求设计而出的，但是理论设计需要经过实际的功能调试才能保证各个模块之间的工作正常工作，也有利于在日后使用中出现问题能给出及时的处理，并给与及时的调整修正。所以有必要对单片机系统的所有功能进行测试，从而检查出软硬件设计中的出现的错误。同时还需要展开上电、掉电测试，这部分主要是检查硬件中电源的可靠性。1.测试仪器信号发生器、秒表、万用表、仿真软件、示波器、直流稳压电源等。2.测试方法使用万用表检查电路设计的正确性，主要通过电阻的阻向、电压、电流等参数；信号发生器产生测试信号，检查传感器和硬件电路的正确性；系统供电检测（使用直流稳压电源）;电动小车的产品测试;对模块程序进行仿真测试查找软件漏洞。图6.1智能小车6.2系统功能测试思路图6.1智能小车系统功能测试主要围绕循迹功能测试和避障功能测试，观察小车实际运行时的循迹能力以及遇到障碍物时的紧急避让能力，智能小车的实物图如图6.1所示。循迹测试让小车跑“8”字型跑道。小车在自制的跑道上测试，跑道为在白色地面用黑颜料画出路线。小车需能够在跑道上沿着直线或弯道通过，并且能够自动辨别十字路向前通行。避障测试当小车在前方遇到障碍物时，可以自动向后于东；当其在左方遇到障碍物时，可以自动原地向右运动；当右方遇到障碍物时，小车能够自动原地向右运动。遥控测试按下前进或后退按钮时，小车会向前进或向后退；当按下左转或右转按钮时，小车会左右转弯；当没有按下任何按钮时，小车停止运动。6.3系统测试结果及分析1.按下开机按钮，显示模块显示电源电压为7.2V，在正常的电压范围内，电源电量充足，无异常。。2.进行小车遥控控制。将小车平置地面，在没有按下任何按键时，小车无任何运动。按下前进键小车保持前进；按下后退键小车开始后退；按下左转键小车向左转动；按下右转键小车向右转动。遥控器需对准小车，控制距离过近，不能远程控制，需改进。有遮挡物时，控制效果几近于无，无遮挡物时，控制灵敏度良好。3.进行小车避障试验。为前进小车设置障碍物，小车能够在碰撞之前停下并后退；当障碍物布置在小车左侧，小车能原地向右运动；当障碍物布置在小车右侧，小车能原地向左运动。小车无法在足够转弯的距离之下感知到前方障碍物，因此只能先后退，无法直接转弯以躲避障碍物。4、进行小车循迹实验。第一此实验，未设置遥控功能，小车无法停止，但可以根据线路自动循迹；第二次试验，加上遥控功能，小车可停止，但只能根据遥控命令进行运动，无法自动循迹。如何二者合一有待改进。6.4本章小结在完成小车软硬件方面的设计后，需要保证所设计小车能够实现智能避障和循迹功能，且控制系统在工作时保持稳定，所以展开了一系列的测试，并就测试结果进行分析和判断。结论与展望7.1结论本设计选用了稳定性比较好，简单易学的STM32F103单片机，利用传感器构成的信号检测电路实时检测电动小车的运行位置、运行状况，单片机接收并处理信号检测电路检测到的各种数据和遥控器发出的信号，然后由单片机发出指令，小车从而实现智能控制。该智能小车最终能够完成遥控器的无线控制，并且能够自动实现避障功能，且能够精确停车。7.2展望本智能小车可用于汽车，减少车祸事故的发生。当驾驶员因忽感不适或疲惫困乏而降低警惕忽视路况时，避障可有效阻止因驾驶员在此类状态下撞车等意外的发生，避障加循迹甚至可用于无人驾驶汽车，设置行程路线而后自动驾驶，如若加上远程遥控监视，可方便家人帮助行动不便的人外出且能实时了解状况。本智能小车可用于仓库无人搬运，减少人流量，增加效率；亦可用于探索开发海洋、月球及其他人类难以涉足之地，即其在科学考察方面具有很重要的应用地位。智能小车在众多领域将皆有重大的地位，具有诱人的前景和绝大的潜力。参考文献参考文献胡亚琦.单片机原理及应用系统设计[M].西安电子科技大学出版社,2010.郎建军.基于Proteus的单片机可视化软硬件仿真[M].北京航空航天大学出版社,2006.张毅刚.基于C51编程的Pr