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1、毕业设计说明书（论文）中文摘要智能循迹小车是一个集单片机、传感器、电机调速技术于一体的可实现自动识别路线、测距、避障功能的智能运动载体。 本设计为单片机控制小车自动循迹、避障、测距的综合设计方案。STC12C5A60S2作为本次设计的主控制芯片。此次综合方案循迹模块采用TCRT5000红外反射式光电开关传感器，通过红外传感器感知黑线与地板反射光线的不同，并通过电压比较器获得数字量；执行部分由两个直流电机组成，采用PWM调速控制，PWM信号由单片机调制得到；距离检测模块由超声波传感器负责完成，距离显示由LCD液晶显示屏显示；避障模块由车子左前方的红外传感器负责检测距离，单片机做出判断并给予动作指
2、令，直流电机做出后退、右转等避障动作；本设计电路简单，可靠性高，能满足各种设计要求，且提升空间较大。关键词：智能小车；STC单片机；直流电机调速；超声波测距；LCD1602显示毕业设计说明书 第 II 页 共 II 页目 录1 绪论21.1智能小车的研究背景与市场价值21.2 智能小车的现状21.3 智能小车的设计思路21.4 主要功能22 方案的设计与论证32.1 主控系统32.2 循迹传感器模块32.3 测距避障模块42.4 显示模块42.5 电机驱动模块52.6 电源模块62.7 机械系统63 主要器件的介绍63.1 STC12C5A60S2 的介绍63.2 L298N 的介绍103.2
3、.1 L298N的引脚功能113.2.2 L298N的运行参数123.2.3 L298N的逻辑控制123.3 TCRT5000 的介绍123.4 LM324 的介绍133.5 超声波传感器的介绍133.5.1 HC-SR04 超声波测距模块的特性143.6 液晶显示器153.6.1 LCD1602 的各个引脚的功能说明153.6.2 LCD1602 的工作时序163.6.3 LCD1602 的指令集184 硬件设计及模块原理184.1 总体方案的概述184.2 STC单片机最小系统194.2.1 时钟电路204.2.2 复位电路204.3 电机驱动电路214.4 循迹检测模块225 软件设计2
4、35.1 程序设计流程图235.2 关键程序设计展示255.2.1 STC单片机内部单元的定义255.2.2 STC单片机PWM信号调制265.2.3 超声波测距模块的设计265.2.4 LCD液晶屏的初始化程序275.2.5 LCD液晶屏的写指令程序的设计285.2.6 LCD液晶屏写数据程序285.2.7 LCD 判忙程序296 系统调试306.1 调试的思路306.2 各个模块的调试306.2.1 LCD模块的调试306.2.2 超声波模块的调试306.2.3 报警调试316.3 调试心得32结束语33致谢34参考文献35附录A35相关程序39专科毕业设计说明书（论文） 第48页 共 5
5、1页1 绪论1.1智能小车的研究背景与市场价值随着微型计算机控制技术、信息感测技术、电力电子技术的迅猛发展，产品的小型化、可塑性、柔性化越来越受到人们的关注。人们越来越注意将现代科技融入到现实生活个个方面，将更多的事情交给机器执行，从而更大程度上解放人的双手，极大地丰富了人们的精神生活。另一方面，机器逐渐取代一些繁琐重复的工作过程，使人有更多时间和精力去开发更多人工智能，为社会生产力发展水平的提高做出更多贡献。目前，企业对提高生产技术、节约用人成本、车间自动化水平有着迫切要求。智能车辆基础上研发的自动物流运输设备受到了广泛关注。不光在工厂车间里智能小车有广大的前景，更重要的是，智能小车在军工产
6、业、消防器材上的不可估量的研发与投资价值。军工上，排爆机器人、侦查机器人已成为现代战争中的不可缺少的特殊军用设备。在遇到险情时，士兵不必亲自到前线查看敌情 ，而是通过车载摄像智能小车进入战场勘测敌情，小车可以受到遥控接收战场信号，甚至可以携带枪支或炸弹。以最小的成本获取信息、杀伤敌军。这种方式较为隐蔽。消防上，智能小车可以制作成抢险车辆，当发生地震等重大灾害时，人无法到达的地方都可以让小车展开探测搜救工作。智能小车，是一个集环境感知、规划决断、自动行进于一体的高新行动载体。其中广泛的应用了传感技术、系统自控技术、数模电子技术。1.2 智能小车的现状智能小车主要应用在工业现场货物运输，辅助驾驶系
7、统，以及车辆自动驾驶系统中。较为精尖的应用在军事领域,如军事侦察机器人，该机器人的工作环境诸如丘陵、山地丛林、开阔的野外环境，其中较为出名的轻型地面侦察机器人“背包”机器人，是由美国IROBOT公司研究开发的。该机器人装备了远距离光学摄像机并接装了延长杆，此外也加装了传声器、声波定位器、红外传感器、罗盘、激光扫描、微波雷达等传感设备。具有自动、遥控、智能自控制等功能。其它以此为基础开发的地面移动机器人分别具有侦察、探测险情、排爆等功能。“龙行者”(Dragon runner)布控式地面侦察机器人、欧弗洛（OFRO）室外安检机器人、“徘徊者”（PROWLER）地面武装机器人、MR-5排爆机器人等
8、等，都是走在智能地面移动机器人的前列。1.3 智能小车的设计思路小车的头部有两对红外传感器，发射器向地面发射红外线，黑线和地面之间反射的亮度会有差异（黑线会吸收大部分的红外光线），地板反射的红外光线由光电开关的三极管接收端接收，并使三极管导通，通过电压比较器获得单片机识别的数字量，以此来矫正小车方向；车头部分有超声波传感器和红外传感器，对小车前面是否有障碍物进行判断，并驱动两侧电机正转和翻转。STC特有的两路PWM脉冲信号输出，输出脉宽可调的方波，让信号输入到L298N驱动芯片。宽度可调方波控制三极管通断，以此实现直流电机的调速。的设计显示部分：LCD1602液晶显示器显示测距结果，实现对超声
9、波测的距离的实时监控。1.4 主要功能 功能：A. 智能车辆的主要功能是实现对黑线的智能循迹。B. 检测智能车辆与障碍物之间的距离，距离信息依靠LCD显示屏显示。C. 在距障碍物特别近时（大概十几厘米），车辆停止并名蜂鸣器，向右缓慢绕圆避障，最终回到轨道。2 方案的设计与论证方案如下：现有三轮玩具车一辆，前两轮为动力轮，后轮是转向轮，此为智能循迹小车的主体架构。在车上加装红外反射式光电开关、超声波传感器作为小车的感知部分。装置一套单片机控制系统作为小车主控部分。动力层面：两台直流电机组成，并配有调速电路。显示部分由LCD显示屏完成。各部分连接到单片机上，共同协同工作完成循迹避障工作。2.1 主
10、控系统方案一：选取89C51单片机作为智能车辆的控制核心芯片。 89C51是一个低功耗、高性能的8位单片机。片内4Flash ROM，片外最多可扩至64KB ROM因此，统一编址0000H-FFFFH，其中0000H-0FFFH是片内编址。4个8位並行口P0-P3，每个口既可以作为输入亦可当作输出。两个16位定时计数器。五个中断源。一个串行I/O口（单片机之间通信）。但是基本I/O不够多，无法满足需求。因此放弃。方案二：选取STC12C5A60S2单片机作为本次综合设计的主控制芯片。用它来完成信息的采集、处理，给执行元件输送动作指令。STC12C5A60S2芯片不仅兼容AT89C51的全部指令
11、，内部架构上还多了许多较好的补充。如；增加两路PWM信号电路；I/O接口的驱动能力增强达到20mA，每个输入输出口都有四种工作模式（见下文），还有部分增加的功能下文做介绍。输入输出端口较多，方便日后拓展功能。再者，本次设计需要两路PWM信号，选用STC12C5A60S2芯片可以使用现成的端口，因而可以节省出定时器计数器。方便更多功能的拓展。所以采用方案二2.2 循迹传感器模块方案一： 采用两只简易光敏电阻，但实际效果并不理想。行驶过程中对稳定性要求很高，方案一误测机率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使用的过程中极易出现各种问题，采取光敏电阻作为循迹传感器，利用不同光强下光敏的阻值变化这一特
12、性，感知地面光照的不同。但是，光敏电阻的反应不够灵敏，有一定的时滞，响应速度上跟单片机不在一个等级上，从而影响本设计中最重要的循迹功能。故放弃方案一。方案二：运用集成型红外反射对管作为寻迹模块的传感器。将两对传感器分别置于前部车身靠近黑线的两侧，两侧分别有红外发射端、接收端。采用红外线发射器有很大的优势，主要是，可见光对接收信号的影响较小。两对光电开关及相关电路根据地板和黑线反射光线强度的不同做出开关量的判断，并且键数字量传入单片机，单片机做出方向上的修正。测试表明，只要调整好两对红外光电开关的位置就能很好的实现循迹功能。经过多番测试，两对传感器之间距离是黑线的1.21.7倍之间效果较好。另外
13、，选好平整光洁的地板。本方案便很容易实现。故选用方案二。2.3 测距避障模块方案一:选用两对红外传感器置于智能车辆的头部两侧，正对前方。该装置能够对小车与障碍物的距离、方位做出准确判，可以判断障碍物是在左侧还是右侧。但是，该方案需要两对红外传感器，成本较高。另外，红外测距距离较近，一般为4-20cm。且室内混杂其它光线，容易扰乱红外端。如果是专门的避障车可以采用此方案，但本着简易稳定的原则，所以未采用。方案二：选用超声波传感器。超声波测距的优势:检测距离在0.1-4m之间，检测精度在1cm，它具备不易受外界干扰，成本低，检测距离远，不易受室内光线和黑线的影响等特点。配合一对红外反射对管实行避障
14、功能，将一个红外对管置于车子左前方，靠近物体后即标记停止位。故本设计选择方案二超声波检测。2.4 显示模块方案一： 选用LED数码管显示：它具有结构简单，电路简易、功耗低、寿命长的特点。但LED数码管显示的内容单一，只能显示数字和简单的字母。但是本设计用到的显示不止一位，如果显示多位数据就要使用多个数码管，就要用到动态刷新或是增加I/O口，就会浪费过多的输入输出口，复杂化电路。故不予考虑。 方案二： 选用LCD显示：显示的内容丰富，控制电路简单使用方便，较为美观，一个液晶显示器就可以满足不同功能的显示 对于本课题的要求，选择LCD显示方式，选择方案二。2.5 电机驱动模块方案一：使用步进电机。
15、步进电机具有优良的可控性和精确性。在精确控制场合，对电机转动速度、角度要求较为严格的情况下，当给电机一个电脉冲时，步进电机就会转动一个特定的角度，角度可转化成距离，这样可以实现精确控制。然则当步进电机需要连续转动时就需要持续地输入连续的脉冲信号。转动速度只与外加脉冲频率有关。转动速度不仅不受电压波动、负载情况影响，还不受温度、气压影响。但是步进电机的驱动电路较为复杂，价格也比较昂贵。方案二：采用直流电机。直流电机具有良好的调速性能，控制也较为简单，直要电机两端加电压就可以使电机转动，电压越高转速越快。改变正负极就可以改变旋转方向。所以，直流电机常用的PWM方式驱动，即将方波信号通入H桥三极管，通过时序控制改变成对三极管通断情况，这样就能改变电动机正反转。改变PWM占空比就可以实现调速。本设计中采用L298N集成双H桥芯片（图2.1），刚好控制两个电机。这种调速方法调速范围大，有续流二极管可以较好地保护电路。速度调节匀称、平缓
