【基于单片机控制的无人智能电动小车设计10000字】

基于单片机控制的无人智能电动小车设计第1章绪论1.1本课题研究的背景与意义现有智能无人驾驶电动小车和现有智能无人驾驶电动小车的技术在基础上进行创造性地进行开发的产品正在逐渐发展成为实现完全自动化制造汽车生产线系统过程中的一个关键集成装置。移动机器人工程科学领域是我国移动机械工程科学领域中的一个重要研究领域。进入斯坦福科学研究院(sri)的仅有nilsnilssen和ilcharlesrosen等机器人,其研发目的之一的也就是把移动人工聪慧智能等新技术广泛应用于复杂的工业环境中,完成对移动机器人系统的全部自主移动推理、规划和运行可视化自动控制。从此,移动机器人由无到有,数量也在不断扩大,智能无人驾驶自动车辆系统作为移动机器人的一个重要基础部件和组成分支正在逐渐得到我国愈来愈多的社会重视。智能无人驾驶机的小车也可以称为智能无人驾驶小车。智能驾驶的小车在一些特殊复杂的道路条件下，仍然可以自动操纵小车并且使驾驶的小车绕开有障碍物的道路从无障碍物区顺利行驶。本文的课程设计题目也正是在这种背景下明确地提出了起来的,本课程设计中的题目一般也就是要求学生根据自己的教育科研工作以及项目的具体情况来进行选择和确定的。搭建一套智能小车控制系统,培育通过设计和制造实现全新的智能小车该设计主要是通过控制管理系统使小车自动化。在学校学习的过程中获取了很多知识,掌握了该设计智能小车的单片作为设计的内部控制电路芯片并且该芯片在本设计中是重中之重,在掌握基本原理下设计了一辆智能化的小车主要是用于检测、驱动和小车显示等控制电路,经过思考决定采用自动智能控制算法应用去实现了一辆小车的自动智能控制行驶的智能循迹避障系统。灵活地结合运用专业相关学科专业和本学科的基础理论专业知识,联系实际理论分析了电路设计的具体实施管理方法,达到了教学理论和实践两个完美的高度统一。在此次课题研究活动过程中,加深了对于自动控制系统原理的基本认识和理论基础。1.2国内外发展现状中国目前正在深入开展的关于小车智能化技术应用领域的相关研究指导工作大多从20世纪80年代中期开始,许多技术研究还是处于专门针对特定的小车单项应用技术领域进行深入研究的关键时期。国家已经成功地研制了一系列的先进工业技术成果,同时也成为了中国第一辆电动自主无人驾驶小型电动车。吉林大学设计并生产了一辆智能小车。做好具有道路事故追溯与安全避障的车辆自主安全驾驶。现在智能小车的应用技术已经在我国发展很快,其在此基础上已经能够轻松直接实现智能小车的循迹功能、避障功能等多种技术智能的功能,电子学和计算机技术竞赛应用中的各种智能电动小车又正在向着声控启动制度等技术各个方面快速发展。而且比较著名的就是飞思卡尔这款智能遥控单座电动汽车更是一直往前走着排在了世界前列。此次避障装置的设计主要是为了同时具有两种循迹功能和避障功能1.3研究主要内容本课题主要研究的是智能循迹避障小车的系统设计并实现，本设计系统的最主要功能是实现智能循迹避障两个功能，通过红外探测循迹红外避障过程。具有非常广泛的市场使用价值。本课题的主要研究内容有：第1章绪论：主要简洁的介绍了智能循迹避障小车的研究背景及智能循迹避障小车的意义，阐述了现阶段国内外智能循迹避障小车发展的现状；第2章系统总体设计：主要介绍了智能循迹避障小车的系统总体设计的结构并对系统的工作原理进行了说明，然后进行了系统各个模块的对比与选择；第3章系统硬件设计：主要是介绍了智能循迹避障自动驾驶小车系统中各个模块的设计方案并且详细地介绍它们不同的功能和连接形式第4章系统软件设计：首先简单介绍了一个基于智能循迹避障小车系统的主要软件开发的工作以及环境,然后对整个该系统软件进行了一个总体的解决问题方案设计,并且详细绘制了该系统的各个功能模块的主要程序段、循迹式小车的程序段,避障小车程序流程线框图与此同时针对各个系统主程序段的流程图特点进行了具体的设计分析和介绍;第5章总结与展望：对智能循迹避障小车的内容及设计方向进行了概括，期望以后智能循迹避障系统设计能够更加完善。1.4本章小结本章主要是简略的介绍了我国智能循迹避障小车的技术发展背景及智能循迹避障小车的意义,并且还详细介绍了我国目前的智能循迹避障小车技术及其应用现状;整体描述了这次设计课题的研究重点。

第2章系统方案设计与论证2.1系统总体结构目前国内拥有的玩具式电动车技术基础上,加装了光电式的检测仪,实现了对小车的转向，行驶情况的监视和测量,把需要检测的数据经信息通过传递至单片机然后进行处理,进而由单片机依据所需要检测到的一些数据,从而成功实现了对小车的智能化控制。本设计提出了一种解决方案可以轻松又简单地实现对性智能小车的正常行驶情况进行实时的观察,可以控制其灵活性、并且具有可靠精度高的特点，因此可以很好地满足设计系统的各种要求。本系统采用单片机作为整个系统控制中的核心,来控制汽车的性能指标。一个完整的分析系统,关键本设计是需要清醒地意识到对小车的安全性和自动化的控制,针对这两个特点综合考虑单片机更适合并会展示其最大的优势,其中单片机的主要有点就是在控制方面非常的方便简单,迅速。系统的硬件电路设计选用了两种分别是模块化的设计以及控制技术，模块化的设计分别选用的是智能循迹电路模块,避障小车模块,电机电源模块还有电机驱动控制模块,stc89c52单片发电机为系统控制驱动的主要核心。系统的主要硬件集成电路设计在此基础上它又采用了一种比较模块化的软件设计处理方式,系统程序框如图2.1所示。图2-1系统整体设计框图2.2主控系统设计的选择根据设计需求,此次设计是一个属于多输出量的复杂过程控制。据此,拟定以下方案。方案一:首先需要做的是选用一块CPLD作为系统的非常重要的电路组成部件，主要作用是用来完成控制功能还有处理功能。CPLD主要是编程简易轻松、资源极其丰厚、开发的时间非常的短及其他等优点。可以使用CPLD，但是CPLD在控制功能上与单片机相比是会存在很大的缺点并且无法解决。CPLD的数据处理速度是非常快的与本设计不符合，本设计要求小车的行进速度是不能太快这样并不符合要求。如果选用了这个方案，即将会在控制上遇到不必要增加的问题。因此，不选用这种方案，所以设计出了第二种方案。方案二:STC89C52单片机是一款低功耗并且具有高性能的控制器。，非常效的软件解决设计方案,主要是由于采用一种stc89c52作为一种嵌入主控制系统芯片,该种芯片已经具备了一个足够的数据内存和存储空间,能够很好地满足该控制系统应用软件的各种应用系统需要,对于所需要做的一个数据控制应用系统来说已经是非常足够,采用这种数据控制处理芯片就成为可以更加灵活地进行选择各种控制模块的数据控制处理芯片,能够准确地进行计算数据输出输入时刻,并且同时具有很好的数据实时性。因此,针对本文应用软件的系统设计基本特征处理多不同开关量和单输入的大型复杂程序控制处理系统,并且不可以直接使用精简带有程序控制存储器的小体积通用单片机。在经过进行多次综合分析考虑两部风力发电机的动力驱动等诸多直接影响设计因素后,决定综合选择设计方案二,充分利用了stc89c52单片机的主要资源。2.3探测路面障碍模块设计的选择 方案一：建议采用红外线或光电开关。由于指向红外线的精确指向性能比较好,在介质中可以蔓延较远,因而这种指向红外线通常被广泛地用来应用于对物体距离角度变化的精确测量、对交通障碍物等的探测。红外线检测绕过障碍物并且快速绕过其他一个障碍物的检测模块主要原理是通过电机利用一台红外线激光发射机向某个飞行方面的车发射一波红外线,红外线发射会在车内空气中快速产生光波传播,途中如果人们突然碰到了一个障碍物就马上转身返回了并站起来,红外线激光接收发电机会将反射光信号通过电机相应的激光控制电路信号接收后再对其进行激光处理,以便准确地快速测定绕过障碍物的物体移动转向方位和距离,并向其他一辆小车发送一个新的控制电路信号以便检测使得这辆小车完全可以绕过其他一个障碍物。方案二：系统采用一个超声波的信号穿感器,超声波信号传感器的作用主要是用于检测障碍物超声波的主要原理是通过系统利用一个超声波的信号发送到控制模块向某个移动的方向发出一个超声波信号,超声波在空气中就会快速的传播,在一定的移动距离内,如果遇到一个障碍物系统自动立即将其输送或传回一个超声波信号接受控制模块内,再由系统相关的控制电路模块进行信号处理,以便系统能够准确地进行检测障碍物的具体移动方位、距离。超声波强度传感器的使用成本也就是相对来说比较昂贵,以上两个成本解决办法方案均认为是比较可行的。经过综合考虑本系统结构采用红外线式的光电开关,更加合适本设计结构,更加的安全有利于快速检查前方的任何障碍物。采用红外探测,充分利用了红外线的指向性强,在介质中传播范围广的优点,这样在距离的测量，障碍物的探测中有着强大的操控能力，因此选择红外探测是一种较为理想的方案。2.4电机驱动模块设计的选择方案一：系统采用的是电阻或者是电位器用来调节电动机的分压，进而完成了分压的功能。但是这种电阻式网络仅仅能用来完成全部级别的调速,还有一个原因是采用数字电阻器件的价格相对其他的来说是比较昂贵的。存在一个更重要的问题就是一般电动机的分压的是电阻非常小的,但是其电流又是非常大的,分压不仅仅是会导致电力系统降低工作的效率,而且实现也非常困难。方案二：本设计选用的一款叫做L293D直流电机,这款L293D的直流电机可以作为智能循迹避障小车系统设计中极其重要的驱动部分，L293D智能化芯片有一个非常优秀的特点就是该类智能化芯片具有极其稳定性的H桥电机驱动系统，L293D的作用主要好处及用处就是可以针对两个直流电机进行控制，分别可以通过核心进行控制另一种使可以通过单片机进行控制软件。线性型驱动的电路结构是非常简单的，原理也是非常易懂的，加速能力也非常的强。采用L293D这种调速方式是有很多优点的具体为有调整非常的简单方便并且可以调速的区间范围非常大，过载的制动能力也是非常强的,也可以同时承受许多的过载负荷以及外力冲击,也能够具有对制动进行频繁的紧急启动制动。针对我们所要求的本设计特征选用l293d方案就是一个比较理想的选择。2.5循迹模块设计的选择方案一：探测方案是选用了简易版的光电强度传感器,还有外围探测电路结合在一起后才能进行电路探测,但是其探测效果却不是十分理想,行驶一段时间内小行驶稳定性也不高,简单的直接受到外围光线照射环境的影响及其他外围路面感光的直接影响。在使用的过程中也是非常容易出现一些棘手的问题，选用这个部件是很容易造成整个系统的稳定性下降。因此最终本设计没有采用该类方案。方案二:本次设计使用了红外信号传感器，因为红外信号是具有很好的稳定性，稳定性好的好处有很多其中一个就是可以有效的降低外界的干扰，减少对本设计的影响。控制驱动模块的指令生产可以很好的控制其中一个直流电机的工作状态，单片机的指令生产可以很好的控制另一个直流电机的工作状态，进而很好的完成了自动跟踪的程序。方案三:一共选用了三根红外对管，把选用的三根红外对管其中的一根红外对管置于轨道中间，将剩余的其他两根红外对分别管置于轨道的外侧，如果当智能小车脱离了轨道以后，这时置于中间的一根光电开关就会立刻脱离轨道，等到外面可以检测出一条黑线以后，小车这时就会自动做出转动方向的调整，如果中间的光电开关又重新进行并且检测到一条黑线时，这使得小车又重新恢复了正向行驶，尽管我们可以正确地进行路况变化,但是该方案的成本很高，稳定性不是特别的好所以将选择第二种设计方案。而且采用红外传感器的信号稳定性能够有效地降低了外界产生的干扰和影响。可以降低对小车行驶时的外部环境影响,，让设计更有说服力，因此选用红外传感器方案更适合本设计。2.6避障模块设计的选择方案一:采用红外线对管放置在一辆小车的中心。它既安装容易,又能够直接检测到是否存在一些障碍物体,现在面对的难题就是确定当时这辆小车行驶在水平面的时候,这辆小车是否有机会与其他的障碍物体发生碰撞,小车再面对这些障碍物时是否能够做出准确的转动和响应。方案二:采用新型红外线的对管将其安放在小车的车头前端两侧。但是目前本设计方案会严重依赖传统的软件、这样成本会比较高、同时也缺乏技术创造性,并且把其安装在一个置放于小车左方的红外针对性管线上，在使用过程中所发生的失误概率也非常低,因此这类方案最终就没有被该设计采用。方案三:本设计采用了一根红外对管置于小车车身的右边。通过这种设计方案就可以很好的达到小车避开障碍物体的设计要求，而且采用本设计方案还存在一些优点那就是可以很好的利用了资源不会存在浪费的情况。综合考虑。采用红外对管放置在小车右侧更有可能做到实现驾驶小车在路上避开障碍,充分利用资源不造成浪费。所以本设计中采用的方案三红外对管放置在小车的右侧更加适合本设计。2.7电源模块设计的选择方案一:该系统采用的是在实验室内部的有线电源,它通过稳压器芯片进行供电,其主要优点之一就是能够稳定地提供5v的电压,但是占用了较多的资源方案二:采用8支1.5v的蓄电池组分别为一台单片和整个发动器系统提供额定电力，这样既不仅可以彻底解决之前方案二设计中的耗电问题又可以有利于能够直接让一辆电动小车很容易地能够完成它们的所有功能。考虑不浪费资源，保证设计可以正常进行，可以同时给单片机与电机供电。因此选用方案二更适合本设计。2.8本章小结本章简要介绍了该系统的总体结构和系统的总体设计,首先阐述了一种智能小车循迹避障系统的总体结构和总体设计方案,并且详细地叙述了该系统的基本工作原理,之后又对各个模块进行了对比与选择,包括了单片机的芯片、驱动模块和循迹避障模块。注重系统的整体化，在考虑模块方案的选择时，充分考虑模块的数据参数和一些基本问题的控制，从而实现该系统的功能.第3章硬件方案设计3.1单片机最小系统本系统在工作过程中所要采取的主要器件是stc89c52这款单片机,这款单片机中的最小控制电路系统是主要由两部分电路分别组成分别是由一个晶振控制电路和一个信号复位控制电路两个小部分共同构成。3.1.2晶振电路XTAL1（19脚）：该芯片的一个输入输出终端接口用于自动控制整个芯片电路中的内部电源振荡。XTAL2（18脚）：集成电路主要的两个输出端将向对应的芯片内部信号控制这时会进行高频振荡。XTAL1是晶振电路中的输入反相放大器TAL2是晶振电路中的输出的反相放大器。于一个机器的生命周期大约是晶体生命周期的12倍，因此当我们在使用这种晶体时,机器的生命周期=1us。晶体与陶瓷片的电容在焊接过程中并不存在正、负极之间的差异。3.1.3复位电路复位电路的结构组成是由一个10pF的电解电容、还有一个10K的电路，复位电路的工作原理其实很简单具体如下：如果电路是在通电的情况下，那么电容的两端就等同于短路了，因此RST的引脚上是一个高电平，接下来电源会经过电阻对电容进行充电，这时RST端的电压将会平稳的降下来，并且电压会降到一定的程度不再下降，这就是低电平，单片机就可以正常的完成工作。程序就会开始正常进行。在本设计中将单片机资源分配如下：VCC：供电电压；GND：接地。P3.4-P3.7作为传感器信号的控制口P1.0P1.2P1.4P1.6为直流电机的驱动控制口如下图3.1所示。图3-1单片机最小系统硬件原理图3.3电机驱动模块电机驱动芯片L293D是作为智能循迹避障小车的主要驱动芯片，同时是本设计很重要的一部分。L293D的主要特点是拥有一款稳定性特别高的H桥电机驱动系统的智能化芯片。这款L293D驱动芯片的电压的范围是很广的具体为从最小4.5V至最大36V的。而且L293D驱动芯片工作的功率范围是非常大的。直流电机:直流电机是可以分成一个在左侧一个在右侧两台直流电机的。和异步的电动机比较起来，直流电机的控制方法非常简单极其原理也是非常易懂的，只需要选择合适的电压就可以使电机正常的旋转起来，在正常工作电压的范围中，如果电压越高那么直流电机的旋转速度就会越快。3.3.1驱动原理设计直流电机由蓄电池经电机驱动供电，并将供给的电能转换为促使小车运动的机械能直流电机的优点是显而易见的，直流电机的加速时间是非常短的，并且可以任意启动或者关闭。因此非常适合作为本系统的电机。如果要是电机正常运转，那么在H桥式驱动电路中，当图中标注的T管还有T4管同一时刻导通时，电流就会从正极T1从左向右地逐渐流经电机，最终会经过T4流回到电源的负极，此时为电机的一种运转状态。反之，当另外一对三极管，就是在下图中所标注出来的T2、T3当T2,T3同时导通的时候，电流会从右至左地流过一台电机，再流回电源负极，电机的运转状态改变。IN1输入，IN2反向输入，T1,T2,T3,T4为四个三极管，VCC为5V电源电压。H桥式驱动电路图如下图3-3所示图3-3H桥式电机驱动电路3.3.2驱动电路设计本系统的设计主要采用L293D驱动控制模块，L293D传感器驱动工作的功率是非常大的可以满足本设计要求，可以按照不同的输入电压功率和输出电压功率的大小选择一个适合本设计的负载能力，其L293D具体见下表3-1.表3-1L293D参数3.4循迹模块本设计是利用由红外发射器和红外接受装置组成的一个红外对管来实现循迹。所谓红外循迹传感，其原理就是利用红外光线经过不同的物体反射会有相对不同反射性质的特点，并根据这些反射性质特点来进行循迹。在这辆小车匀速安全行驶的过程中,红外对管中的一个红外发射管就会向外界不停歇地发射出大量的红外光线,当这些发射出来的红外光直接照射到一条黑线上的时候,这些光线就会被吸收无法顺利的进行反射,因此红外接收管就无法接受到这些反射返回的大量红外光线。小车循迹方式如下图3-4所示。图3-4小车循迹方式本设计采用的红外对管型号为TCRT5000，由UPT333B红外接收管与UIR333C发射管组成。探测的周围环境都必须是完全处于阳光阴影之下，避免被任何太阳或者其他日光灯的照射所造成干扰。因此，探测的传感器都选用TCRT5000红外传感器。在本设计系统中当TCRT5000接收管会接收到红外光的时候，电阻就会逐渐的变小，等同于“导通”，+输入端电压将会变低，逐渐会低于-输入端，则称为输出低电平；若没有接收到光时那么电阻就会慢慢的变大，等同于“断开”，这时+输入端电压变高，逐渐会高于输入端，则称为输出高电平。此红外对管抗干扰能力较强，可以有效的防止可见光造成的干扰，可以很好的提升小车的系统性能。循迹电路部分是一共有四个红外对管的，四个红外对管分别安放在小车底盘下面，这时检测到的信号会经过LM324比较后送入单片机的P3.4-P3.7口包含LM324运算放大器、W1~W4四路红外对管，L293D驱动输入口。GND接地，VCC为5V。循迹传感器与运算放大器电路如下图3-5所示。图3-5循迹传感器与运算放大器电路图3.5避障模块本设计使用红外对管来循迹，红外对管是由红外发射器和红外接收线组成的。所谓红外循迹传感，就是利用红外光线经过不同物体的反射会有不同的反射性质的特点，并根据这些特点来进行循迹。在小车匀速安全行驶的过程中，如果红外对管中的某个一个红外发射管向外不停止地发射出大量的红外光线的时候，那么当放射出来的红外光照射到这条黑线上的时刻，这时的红外光就会被完全的吸收并且不能再进行反射了，因此红外对管是不可以接收到反射回来的外光，再经过放大器将这些信号比较以后，输出的低电平到单片机当中，单片机就可以顺利的进行下一步的操作了。对于前方障碍物的检测应为距离较远，受到环境光源的干扰很大，因此在接受端采用滤波电容来阻止外界光源的干扰。本模块是采用的TCRT5000型红外对管。此红外对管抗干扰能力较强，能有效防止可见光干扰，适合远距离检测障碍物。避障电路部分用到两个红外对管，分别平行置于小车底盘左右两侧检测到的信号经过LM324比较后送入单片机的P34P35口。GND接地，VCC为5V电源。避障传感器与运算放大器电路如下图3-6所示。图3-6避障传感器与运算放大器电路图3.6本章小结本章针对系统硬件总体设计工作过程及其中的各项重要组成部分分别进行了详细的相关硬件系统设计包括单片机的最小系统、驱动电路，循迹电路，避障电路，对各个系统的工作方式进行了一个全面的了解，完成了硬件设计以及基本的设计要求。4.2系统总体结构在设计本次单片机控制系统时发现不只是有系统和硬件设计外，有大部分的时间是在想怎样按照每一种生产方式和对象的实质要求设计应用程序。经过思考认为软件设计技术在单片机控制系统的设计过程中的地位是非常重要的。在本次系统总体结构设计中，软件相对来说对于本系统是更为重要的。本系统软件采用模式的是结构式，可以称其为模块化结构，主要是由主程序﹑避障子程序还有循线子程序等构成。打开电源，小车选择运行模式。若小车选择混迹行驶模式，如果小车在安全行驶的过程中检测到了一条黑线的时候，那么这时红外传感器的输出就称为高电平，这种情况下小车会继续沿着黑线向前行驶。小车的车身一共装了两个红外传感器，这两个红外传感器装置的位置分别在小车两侧也就是小车的一左一右，由此可知传感器在本设计中的主要用途是用于探测黑线信号。如果左边的灯亮了起来，那么小车就会往左行驶，如果右边的灯亮了起来，小车就会向右继续前进。并且小车车身的左右两个红外传感器也会不停的修正小车的轨迹，最终小车还是会始终保持着继续沿黑线向前行驶。若选择小车继续运行，检测到小车车身的周围是否存在了一些障碍物，如果小车的前方存在了某些障碍物体的时候，那么避障模块这时就会给单片机输出一个信号，相同时刻小车安装的程序就会使小车继续向右匀速行驶，并且智能小车遇见障碍时会自动避开障碍物体，这时开始检测小车车身的右侧是否会存在一些障碍物，若没有小车继续前进，若有某些障碍物小车将会向左转行驶，这时开始检测小车的左侧是否会存在一些障碍物，若有小车将会向右转，若没有小车继续前进。系统软件结构图如下图4.1所示。图4-1系统软件结构图4.3循迹控制模块该程序开始时首先需要将单片机进行一个初始化的过程，这时的智能循迹避障小车首先会先向前继续前进一小段路程，如果小车车身的左侧的红外探头迅速的检测到了一条黑色的引导线，这时探头将会继续正常的工作，那么这使得智能循迹避障小车前方左侧的指示灯就会发出一阵光亮。相同的道理，如果小车右前的灯指示发出光亮。那么小车将会继续完成循迹模式，永不停歇地进行扫描1/0口，主要是为了检测任意一个1/0口是否存在了这类信号，顺利完成以后就会进入判断处理的第一步首先需要做的就是确定探测器中的哪一个探测器探测到了这条黑线，如果左面的第一级传感器探测到了一条黑线这时还有一种选择就是第二级的传感器探测到了一条黑线，并且这辆智能小车的车身左半部分压到了这条黑线，那么这辆智能小车小车的车身就会向右偏出，这时的小车就应该向左转然