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1、第第 1 1 章章系统概述系统概述 智能化作为现代社会的新产物,是以后的发展方向,他可以按照预先设定的模式在一 个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的 目标。中国自 18 年把“智能模拟”作为国家科学技术发展规划的主要研究课题, 开始着力研究智能化。从概念的引进到实验室研究的实现,再到现在高端领域(航天航 空、军事、勘探等)的应用，这一过程为智能化的全面发展奠定基石。智能化全面的发 展是实现其对资源的合理充分利用,以尽可能少的投入得到最大的收益,大大提高工业 生产的效率，实现现有工业生产水平从自动化向智能化升级,实现当今智能化发展由高 端向大众普及。从先前的
2、模拟电路设计,到数字电路设计，再到现在的集成芯片的应用,各 种能实现同样功能的元件越来越小为智能 化产物的生成奠定了良好的物质基础。本设 计以智能化全面发展的普及与应用为目的，整体开发过程简单易懂,所选择的平台与各 电子元件恰当合理，无需花费过多的人力财力便可达到预期所要求各功能的实现，也 符合课题研究的意义。设计的理论方案、分析方法及特色与创新点等可以为国内自动 运输机器人、采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人等自动半自动机器人的设计与普 及有一定的参考意义。小车也可以作为玩具的发展对象,为中国玩具市场技术含量的缺 乏进行一定的弥补,实现经济收益,形成商业价值。同时作为高校毕业设计研究课题，
3、对学生的思维、动手能力以及总结论述等综合能力得到充分锻炼，有利于以后独立及 全面的发展。设计主要以简易智能机器人为开发平台，选择通用、价廉的 51 单片机为 控制平台,选择常见的电机模型车为机械平台，通过细化设计要求,结合传感器技术、 电机控制技术、无线通信技术等相关知识实现小车的各种功能。设计完成以由无线电 遥控、红外线对管的自动寻迹、红外线自动避障以及语音控制组成的硬件模块结合软 件设计组成多功能智能小车，共同实现小车的前进倒退、转向行驶,自动根据地面黑线 寻迹导航，检测障碍物后停止和语音信号的控制等功能,实现智能控制,达到设计目标。 1.11.1 智能小车的意义和作用智能小车的意义和作用
4、 自第一台工业机器人诞生以来,机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、 宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生 活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中,制造能替代人劳动的机器一直是 人类的梦想。 随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多,其中视觉传感器成为自 动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统,对于视觉的各 种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后,机器视觉需要 通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。视觉传感器的核心器件是摄 像管或 CC,目前的 CCD 已能做到自动聚焦。但
5、 CCD 传感器的价格、体积和使用方式上 并不占优势,因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是 一种实用有效的方法。 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。避障控制系统是基于自动导引小车（VG UTOGUDEVECLE)系统，基于它的智能小车实现自动识别路线,判断并自动 避开障碍,选择正确的行进路线。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。 该智能小车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、CU。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
6、障碍物。可以实现小车自动识别路线,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红外反射式传感 器来充当。智能小车的执行部分，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般有两种方案：第一,勿需占用单片机资源，直接选择 有 PWM 功能的单片机，这样可以实现精确调速；第二,可以由软件模拟 PM 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952RC
7、单片机，配合软件编程实现。 1.1.设计目标设计目标 本设计的主要任务就是设计一个以单片机为核心的智能小车，主要实现循迹及 简单的障碍物检测功能。通过装在小车前面的红外传感器，获取路面黑线位置信息,输 入到单片机中,再由单片机输出控制信号,由驱动模块驱动电机实现小车的自主循迹行 驶，同时当路线前方检测到有障碍物时,进行相应的避障措施。 1.31.3 设计工具简介及运行环境设计工具简介及运行环境 1电路原理图.DDB 文件,PROTEL99 SE 软件设计。其主要包含两大部分：电 路工程设计部分和电路仿真与 PLD 部分。 2程序代码.UVPJ 文件，EIUISO软件编写。KIL IIO2 是美
8、国 KIL SFTARE 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开 发系统，使用接近于传统 C 语言的语法来开发，与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、 可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用，而且大大的提高了工作效率和项 目开发周期,他还能嵌入汇编,您可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工 作效率。 3.运行环境:其程序,电路图部分在 W7 环境下完成。 第第 2 2 章章智能小车设计智能小车设计 根据要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装光电检测器,实现对 电动车的速度、位置、运行状况的实时测量,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
9、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 智能小车的智能小车的设计设计要求要求 本设计的主要任务就是设计一个以单片机为核心的智能小车,主要实现循迹及简单 的躲避障碍物功能。通过装在小车前面的红外传感器，获取路面黑线位置信息，输入 到单片机中,再由单片机输出控制信号,由驱动模块驱动电机实现小车的自主循迹行驶, 同时当路线前方以及左右方检测到有障碍物时，采取相应的避让措施。 2 2系统总体设计思路系统总体设计思路 智能小车采用前轮驱动,前轮左右两边各用一个电机驱动，调制前面两个轮子 的转速起停从而
10、达到控制转向的目的，后轮是万象轮，只是起支撑的作用。当循迹模 块左边的传感器检测到黑线时，主控芯片控制左轮电机停止,右轮继续向前转动，从而 将车向左修正，当车身下右边传感器检测到黑线时，主控芯片控制右轮电机停止,左轮 继续向前转动,从而将车向右修正。当全部的传感器都检测到黑线时,主控芯片控制左 右轮电机都停止，小车停止。如图 21 所示。 STC89C52RC 循迹红外对管 时钟电路 复位电路 电机驱动 避障红外对管 图 2.1 结构简图 避障的原理和循线一样，分别在车身右边左边以及前方装一个光电对管，当其检 测到障碍物时，主控芯片给出信号控制车子是继续向前还是左转或者右转,从而避开障 碍物,
11、在小车的转动角度的控制方面采用的时间电路的方法，通过不断的调试最终确定 一个中断时间,让小车在转弯时可以转出个 90 度角。这个时间的设定也不是一成不变 的,不同的路面由于路面的摩擦力不同,时间的设定也会有所不同。 通过对上面这句话的深入理解和建模转化,最后设计出以下方案。 本系统共分为块模块。 1：主控制模块,主要实现各个模块传输的数据处理,输出指令等功能。 2：电机驱动模块,主要控制小车电机的启动和停止,使小车的电机在配合下达到小车的 行走、停止、转弯等动作。 3：循迹模块，通过小车前方的 3 个红外对管寻找地上的黑线，从而让小车按着黑线行 走。 4：避障模块,检测小车的周围是否有障碍物，
12、向单片机传输信号,从而让小车避开障碍 物。 5:电源模块，分别用 2 个 6 伏直流电源给单片机和电机供电,并加大小车的重量,让小 车在行走过程中更加稳定。 2.2.3 3 系统的硬件选择系统的硬件选择 1、单片机的选择 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 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
13、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 SC89C5C 单片机作为本设计的主控装置,1 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，对于本设 计也绰绰有余，更可贵的是 51 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 ST952RC 单片机的资源。 2、驱动模块的选择 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
14、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 L98N。 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，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用 使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。 3、循迹模块的选择 采用红外一体化传感器。此方案可以降低可见光的干扰，灵敏度高，同时其尺寸 小、质量轻、价格也低廉。外围电路简单，安装起来方便，电源要求不高,用它作为近 距离传感器是最理想的. 、避障模块的选择 采用一只红外对管置于小车左右
15、侧。通过测试此种方案就能很好的实现小车避开 障碍物，且充分的利用资源而不浪费。 5、电源模块的选择 采用 2 个支 1.5V 电池双电源分别给单片机与电机供电可解决问题且能让小车完 成其功能。 第第 3 3 章系统硬件的设计章系统硬件的设计 3.3.驱动电路的设计与原理分析驱动电路的设计与原理分析 L298 是 SGS 公司的产品，比较常见的是 15 脚 MLIWTT 封装的 L29,内 部同样包含 4 通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机,或一个两相步进电机。 L8N 芯片可以驱动两个二相电机,也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可 达 50V，可以直接通过电源来调节输出电压;可以直
16、接用单片机的 IO 口提供信号；而且 电路简单,使用比较方便。 8N 可接受标准 T逻辑电平信号 VSS，VSS 可接57 V 电压。4 脚 VS 接电源电压,VS 电压范围 VIH 为+246V。输出电流可达5 ,可驱动电感性 负载。脚和 1脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感 信号。L298 可驱动 2 个电动机，OUT1，OUT和，OU之间可分别接电动机， 本实验装置我们选用驱动两台电动机。将引脚接输入控制电平,控制电机的正反转。 EA，ENB 接控制使能端，控制电机的停转。 在 L98N 的输出端分别正确的接上小车的左右两个直流电机，通过 L28N 的输 出电流控制左右两个直流电机的停止或者前进，例如左轮不转右轮向前就做左转的动 作,右轮不转左轮向前就做右转的动作，如图 3和图 3所示。 图 3. 28引脚图 3.3.2 2 信号检测模块信号检测模块的设计与原理分析的设计与原理分析 小车循迹原理是小车在画有黑线的白纸 “路面”上行驶,由于黑线和白纸对光线 的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”黑线。笔者在该模 块中利用了简单、应用也比较
