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1、xxx 学院单片机原理及接口技术 课程设计说明书题题 目目 智能避障避险小车 院院 部部 机电工程学院 专业及班级专业及班级 机械设计制造及其自动化 11 级本 2 设设 计计 人人 学学 号号 指导教师指导教师 成成 绩绩 设计时间: 2013 年 7 月 4 日目录目录 设计题目设计题目22第一章设计目的第一章设计目的22第二章设计思路第二章设计思路442.12.1 主控系统主控系统442.22.2 电机驱动模块电机驱动模块442.32.3 循迹模块循迹模块662.42.4 避障模块避障模块772.52.5 机械系统机械系统772.62.6 电源模块电源模块88第三章硬件电原理图和连接图第
2、三章硬件电原理图和连接图883.13.1 总体设计总体设计883.23.2 驱动电路驱动电路993.33.3 信号检测模块信号检测模块10103.43.4 主控电路主控电路1111第四章程序流程图第四章程序流程图 12124.14.1 主程序模块主程序模块 12124.24.2 循迹模块循迹模块 13134.34.3 避障模块避障模块 1515第五章程序清单第五章程序清单 第第六章设计心得六章设计心得 18181919参考文献参考文献1919设计题目设计题目(选自 山东省大学生机器人大赛比赛-智能避障避险小车比赛)（一）比赛任务（一）比赛任务小车从出发区出发后，沿车道行驶一圈，并返回出发区。（
3、二）比赛场地（二）比赛场地图 4 比赛场地俯视图（注 1 有变化）1、比赛场地平面（即车道表面）俯视图如图 4 所示。2、比赛场地平面（即车道表面）由 2 块细木工板（尺寸规格：宽度122.0cm，长度 244.0cm，厚度不定）拼接而成。细木工板表面未进行任何特殊处理（如：抛光、刷漆和贴纸等） ，保持木材本身的材质和颜色。3、比赛场地下方的地面的颜色不确定（不作规定） 。4、车道表面距离车道下方的地面的高度不小于 6cm，可用垫高物垫在场地下方，垫高物不外露。5、在直行车道转入环形车道和环形车道转入直行车道处均有提示线（为直线） ，提示线由黑色防滑胶带（线宽 1.52.0 厘米，常规为 1.
4、7 厘米）粘贴而成。6、图 4 中的遮挡墙和遮挡柱的位置，在开始正式比赛前由裁判组协商后确定位置（所有参赛队采用相同位置） 。（三）车子规格（三）车子规格1、车体（安装传感器后）的长度和宽度均不得超过 20cm，高度不限。2、所用电压不超过 24V。3、所用处理器类型不限。（四）比赛规则（四）比赛规则1、车子必须按图 4 中指定的方向离开和返回出发区。2、车子通过车道中的环形区时，采用顺时针或逆时针方向均可。3、车子不能以任何方式人为遥控，如：使用激光束或通过无线通信遥控车子等。凡是违反此项规定者，取消其比赛资格。4、每队有 3 次运行机会。每次运行前有 1 分钟准备时间。5、比赛过程中，如果
5、车子出现以下异常表现，则认定运行失败：（1）车子启动运行后，未在 5 分钟内完成任务；（2）车子出现严重故障或失控；（3）车子掉下场地；（4）参赛队员未经裁判同意干预车子工作；（5）车子进行钻、挖等破坏场地（包括撞倒遮挡墙或遮挡柱属于破坏比赛场地的行为，判一次运行失败）活动。6、认定运行失败后，参赛队员可以向裁判提出重新运行的请求。经裁判同意，参赛队员可以将车子重新放回到出发区，重新启动运行。7、比赛过程中，只允许一名参赛队员进入场地操作。第一章设计目的第一章设计目的 整个系统的设计以单片机为核心，利用了多种传感器，将软件和硬件相结合。本系统能实现如下功能：（1） 自动沿预设轨道行驶小车在行驶
6、过程中，能够自动检测预先设好的轨道，实现直道和弧形轨道的前进。若有偏离，能够自动纠正，返回到预设轨道上来。（2）当小车探测到前进前方的障碍物时，可以自动调整，躲避障碍物，从无障碍区通过。小车通过障碍区后，能够自动循迹（3）自动检测号遮挡墙并自动入库停车。机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。该智能避障避险机器人可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分：传感器检测部分、执行部分、CPU。机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线
7、，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的光电开关和红外对管来充当。智能避障避险机器人的执行部分，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。单片机驱动直流电机一由软件模拟PWM输出调制，需要占用单片机资源，难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大。考虑到实际情况，本文选择第二种方案。CPU使用STC89C52单片机 ，配合软件编程实现。 现在智能机器人发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。其基 本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基
8、本功能，电子设计大赛 智能小车又在向声控系统发展。比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。 我此次的设计主要实现循迹避障避险这两个功能。第二章设计思路第二章设计思路根据要求，确定如下方案：购买小车组件和塑料板材进行改装制作小车，加装光电开关和红外对管，实现小车对道路和障碍物的检测，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。2.12.1 主控系统主控系统根据课题的设计要求，我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。据此，拟定了以下两种方案并进行了综合的比
9、较论证，具体如下：方案一：方案一：选用一片 CPLD（如 EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD 具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用 VHDL 语言进行编写开发。但 CPLD 在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD 的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU 就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。方案二：方案二：采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指
10、标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。针对本设计特点多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简 I/O 口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D 功能也不必选用。根据这些分析,我选定了 STC89C52 单片机作为本设计的主控装置，51 单片机具有功能强大的位操作指令，I/O 口均可按位寻址，程序空间多达 8K，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是 5
11、1 单片机价格非常低廉。在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片单片机，充分利用 STC89C52 单片机的资源。2.22.2 电机驱动模块电机驱动模块方案一：方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。方案二：方案二：采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。方案三：方案三：采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的 H 型桥式电路(如图2.1)。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H 型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的 PWM 调速技术。现市面上有很多此种芯片，我选用了 L298N(如图 2.2)。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还
