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1、目录第一章 绪论11.1智能小车的意义和作用11.2智能小车的现状1第二章 方案设计与论证22.1 主控系统22.2 循迹模块22.3 避障模块32.4 电机驱动模块42.5 总体设计框图4第三章 硬件设计53.1 单片机控制模块53.1.1 时序电路83.1.2 复位及复位电路93.1.3 烧写接口电路103.2 寻迹模块113.3 避障模块123.4 电机驱动模块143.5 LCD显示模块163.6 电源模块183.7蜂鸣报警电路20第四章 控制算法21第五章 软件设计225.1 主程序流程图225.2电机驱动程序235.3 红外循迹程序流程图24第六章 硬件调试266.1 单元模块的测试
2、266.2 软件调试26第七章 结论27致谢28参考文献29第一章 绪论 1.1智能小车的意义和作用 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
3、单的目标。视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦。但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。1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（AVGauto-guide vehicle）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。2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
4、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，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
5、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。1.2智能小车的现状现智能小车发展很快，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、避崖等基本功能，这几届的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。3第二章 方案设计与论证 本设计主要是制作一款能进行智能判断并能做出正确反应的小车。小车主要具有以下几个功能：自动避障功能；寻迹功能（按路面的黑色轨道行驶）；显示当前运行状态功能。2.1 主控系统根据设计要求，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较
6、论证，具体如下：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：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
7、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。采用STC89C52单片机来作为整机的控制单元。红外线探头采用市面上通用的发射管与接收头，经过比较芯片调制处理后由控制系统接收。此系统比较灵活，采用软件来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好的满足题目的要求。比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁灵活可扩展性好，更能达到题目的要求，因此采用方案二来实现。2.2 循迹模块方案一：采用简易光电传感器结合外围电路探
8、测，但实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易出现问题，而且容易因为 该部件造成整个系统的不稳定。故最终未采用该方案。方案二：采用两只红外对管，分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只光电开关接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向，测试表明，只要合理安装好两只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。方案三：采用三只红外对管，一只置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当小车脱离轨道时，即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时，等待外面任一只检测到黑线后，做出相应的转向调整，直到中间的光电开关重新检测到黑线（即回到轨道）再恢复正向行驶
9、。现场实测表明，小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆不定，虽然可以正确的循迹但其成本与稳定性都次与第二种方案。通过比较，选取第二种方案来实现循迹。图2.1 红外对管2.3 避障模块方案一： 采用超声波避障，超声波受环境影响较大，电路复杂，而且地面对超声波的反射，会影响系统对壁障的判断。方案二：采用红外线壁障，利用单片机来产生38KHz信号对红外线发射管进行调至发射，发射出去的红外线遇到避障物的时候反射回来，红外线接收管对反射回来信号进行调制，输出比较电平。外界对红外信号的干扰比较小，且易于实现，价格也比较便宜综合比较采用方案二2.4 电机驱动模块方案一：采用继电器对电动机的开和关进行控制，通过开关
10、的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，实现容易；缺点是继电器的响应速度慢、机械结构易损坏、寿命较短。方案二：采用DSP芯片，配以电机控制所需要的外围功能电路，通过数控电压源调节电机运行速度，实现控制物体的运动轨迹。该方案优点是体积小、结构紧凑、使用便捷、可靠性提高。但系统软硬件复杂、成本高。方案三：采用专用芯片L298N。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。基于上述理论分析和实际情况，拟定选择方案三2.5 总体设计框图 此系统是以单片机为控制核心，处理执行各个外部传感器检测得到
11、的电平信号，最后把处理结果传递给小车电机，使其得到相应效果。Stc89c52循迹红外对管时钟电路复位电路报警电路电机驱动避障红外对管LCD1602图2.2 总体设计框图第三章 硬件设计3.1 单片机控制模块本模块采用52系列单片机作为核心处理器。单片机控制系统基本由最小系统和外围信号I/O口组成，其中最小系统包括电源，CPU时序（一般使用11.0592M或者12M和30P电容组成），复位电路。有了以上三块，单片机就能够正常工作了。STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memor
12、y ）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。5主要性能:与MCS-51单片机产品兼容 、8K字节在系统可编程Flash存储器、 1000次擦写周期、全静态操作：0Hz33Hz 、三级加密程序存储器 、 32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、 低功耗空闲和掉电模式 、掉电后中断可唤醒 、看门狗定时器 、双数据指针、掉电标识符 。功能特性描述STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储
13、器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 STC89C52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作
14、，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K字节在系统可编程 Flash。P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下， P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O
15、口，p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号第二功能P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI（在线系统编程用）P1.6 MISO（在线系统编程用）P1.7 SCK（在线系统编程用）P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P2 端
