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1、毕业设计正文22020年4月19日文档仅供参考目 录引 言1第一章小车总体系统方案的设计31.1械部分方案的拟定与比较31.1.1实现方法31.1.2行走机构31.2控制单元方案的拟定与比较41.3传感检测部分方案的拟定与比较51.3.1 遥控模块51.3.2路径检测模块61.3.3 避障模块61.4电机方案的拟定与比较71.4.1电机驱动71.4.2电机驱动芯片71.5 电源模块方案的拟定与比较71.6 系统方案的总体确定8第二章硬件电路的设计92.1 电源模块电路设计92.2 控制单元电路设计92.2.1 时钟电路102.2.2 复位电路112.2.3 并口下载线电路122.3 电机驱动电
2、路132.4 红外遥控电路162.4.1 发射部分162.4.2 接收部分172.5 路经检测电路182.6 避障电路19第三章系统软件设计203.1 模糊控制算法203.1.1 模糊理论的发展203.1.2 模糊控制算法原理203.2 智能小车的模糊控制算法213.2.1 模糊化213.2.2 模糊规则库的建立223.3 编程软件Keil C51简介233.4软件设计243.4.1 软件设计思路243.4.2 各模块流程图和程序设计25第四章软硬件系统调试344.1 路径检测调试场景344.2 调试结果344.3 结果分析35参考文献36辞 谢37附 录38引 言随着控制技术、计算机技术、信
3、息处理技术和传感器检测技术以及汽车工业的飞速发展，智能小车在工业生产和日常生活中已经扮演了非常重要的角色，近年来，智能车在野外、道路、现代物流及柔性制造系统中都有广泛应用，已成为人工智能领域研究和发展的热点之一。智能小车作为移动式机器人的一个重要分支，具有环境感知、规划决策、自动行驶等功能，它是计算机控制与电子技术的融合，集传感探测（光源、障碍物）、单片机自动控制、电机调速等一体、能够说是计算机、传感器、信息、通讯、导航、人工智能及自动控制等技术于一体高新技术综合体1。现在，机械、电气和电子信息已经不再明显分家，自动控制在工业领域中的地位已经越来越重要，特别是作为机械行业的代表产品汽车，其与电
4、子信息产业的融合速度也显著提高，呈现出两个明显的特点：一是电子装置占汽车整车（特别是轿车）的价值量比例逐步提高，汽车将由以机械产品为主向高级的机电一体化方向发展；二是汽车开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展，使其不但作为一种代步工具、同时能具有交通、娱乐、办公和通讯等多种功能2。另外，大学生各种大型的创新比赛中，智能车已是一个不可缺少的部分，比如：亚洲广播电视联盟亚太地区机器人大赛（ABU ROBCON）、全国大学生“飞思卡尔”3杯智能汽车竞赛等众多重要竞赛都有智能车的登场，设计与制作智能车能很好的培养大学生对于机电一体化的兴趣与强化机电一体化的相关知识。为了适应机电一体化的发展和自己所学知
5、识的有机结合，提出寻迹避障遥控于一体智能小车的构想，目的在于经过设计并制作一辆具有寻迹避障遥控智能化小车，获得项目整体设计的能力，并掌握多通道多样化传感器综合控制的方法。此次设计的智能小车车体部分由PVC线槽为材料制作而成，采用4轮支撑结构，来增强整车的承载能力。其中小车小车的转向机构是本设计的一大创新点，既有三轮车转向灵活的特点，又有四轮车承载能力强的特点。控制部分由硬件和软件两大部分组成。其中硬件有：AT89S52单片机最小系统；TCRT5000红外光电传感器模块4；红外遥控器收发模块；电机驱动模块以及其它指示外围电路组成。软件中应用模糊控制算法控制小车的运行速度，使小车能够在不同条件下，
6、不同的环境中能够灵活稳定的运行，使其具有一定的自适应能力。编程语言选用C语言进行模块化函数编程，主要有外部中断0红外解码程序，PWM波定时中断T1函数，路径检测函数，遥控函数，避障函数以及小车运行控制函数等组成。最终经过硬件和软件的有效结合，以红外遥控为载体进行人机交互，当按下路经检测功能键时，小车根据引导线作出相应的判断并按照规定的路线自主行驶使其具有自主寻线能力；当按下避障功能键时，小车由避障模块返回的信息确定周围物体的方位，简易避开前方障碍物体的能力；当按下红外遥控功能键时，小车进入手动驾驶状态，能够前进、后退、左转、右转、左后转和右后转等功能，而且在前进时可高速、中速、低速三档运行。第
7、一章 小车总体系统方案的设计本设计中的智能车主要由机械部分、控制单元、传感检测部分、电机模块以及电源部分等五部分组成。本章对这五部分进行方案的初步拟定、比较和论证。加之现有情况最终确定一种灵活地、可靠地、实时地控制方案，来满足系统的各项要求。使其具有一定的自主性和智能化。1.1械部分方案的拟定与比较从车体的实现方法和行走转向机构两方面进行分析：1.1.1实现方法方案一：购买现成的小车车体，如玩具小车，淘宝网上出售的智能车车模等。这些车体外观好看、机械强度好、运行稳定、能满足多种设计要求。但其价格昂贵，整体已成型，不利于改装和个人设计的发挥，具有一定的局限性。方案二：自己手工制作车体。这种方法有
8、利于个人设计的发挥，便于创新设计，且价格低廉成本较低，适合在校大学生的创新设计。不过其外光丑陋，材料的选取比较繁琐。1.1.2行走机构方案一：采用三轮式支撑结构。典型的配置方法是后两轮独立驱动，再加一个万向轮作为支撑，并靠两轮的转速差来改变移动方向。这种小车结构简单紧凑，转向灵活，控制简单，能满足一般的设计要求。但由于其结构的原因其承载能力和运动速度受到一定的限制。方案二：采用四轮式支撑结构。其典型的配置方案有两种形式：一种是左边两个轮共同驱动，右边两个轮共同驱动，转向和三轮车类似也靠左右两边轮的速度差来改变移动方向。另一种是和汽车行走转向机构相同的四连杆机构，后两轮用差动齿轮装置驱动，前两轮
9、用舵机的转角大小控制四连杆实现转向。这两种行走一般用于承载能力强，运动速度快等的场合。特便是后一种，其控制精度高，转向误差小，运行稳定，在各大智能车竞赛中得到了广泛的应用。但其机械结构复杂，控制繁琐，成本也较高，在控制精度要求不高的场合不宜使用。方案三：该方案小车的行走结构简图如图1-1所示。采用前两轮作驱动轮，后轮作随动轮5。其最大的特点是控制前两轮的速度能够独立的进行左、右转向，这样能够减小转弯半径，提高回转精度。故其既有三轮车转向灵活的特点，又有四轮车承载能力强，运行稳定的特点，适合转弯频繁转弯半径较小的场合。但其有个的缺点是转向时对驱动轮的速动控制要求较高，转向完成后对两轮进行适当的修
10、正。图1-1 方案三小车行走机构简图根据以上方案的拟定和比较，确定小车的机械部分实现的方法采用方案二手工制作。行走机构选用方案三，这是本设计的一大创新，在同类制作中属于首例。1.2控制单元方案的拟定与比较方案一：采用各类数字电路来组成小车的控制系统，对外围路经检测信号，红外遥控信号，避障信号进行处理。本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于小车智能化的扩展，对各路信号处理比较困难。方案二：采用AT89S52单片机来作整车的控制单元。AT89S52单片机是一款低功耗，高性能的8为单片机，32个I/O口，3个可编程16位定时器/计数器和8个中断源。采用软件方法解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简
11、洁、灵活，各类功能易于实现，能很好的满足设计的要求。方案三：采用PIC系列单片机，具有体积小，驱动能力强、集成度高、易扩展、可靠性好、低功耗、系统功能强大、片上集成度密集、处理速度快、稳定性强等特点。适合作为大规模实时系统的控制核心。比较以上三种方案，方案二简洁、灵活、可扩展性好。能达到设计的要求，且有一定的智能化，故采用方案二来实现。1.3传感检测部分方案的拟定与比较传感检测部分由遥控模块、路径检测模块和避障模块组成。1.3.1 遥控模块方案一：采用红外遥控，红外遥控是利用波长为0.761.5之间的近红外线来传达控制信号的，一般由发射和接受两部分组成6。其特点是方向性好，不受电磁干扰，不影响
12、周边环境，不干扰其它电气设备，解码容易，可进行多路遥控，在家用电器的遥控设备当中得到了广泛的应用。但其不能阻挡，遥控距离不能超出7m，在远距离控制中有一定的局限性。方案二：采用无线电遥控，无线电遥控是用无线电波来传送控制信号的，常见的编码方式有两种：固定吗和滚动码两种。它的特点是无方向性，能够不面对面控制，遥控距离远，可达数十米，甚至数公里，但易受电磁干扰。在工业控制领域中达到了广泛的应用。本设计遥控距离有限，选用红外遥控可达到设计要求，而且红外遥控编码程序已在遥控器中固化，不需要进行编程，给设计带来了方便。1.3.2路径检测模块方案一：采用光敏电阻组成光敏探测器，光敏电阻的阻值能够跟随周围环
13、境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线反射强烈，光线照射到黑线上时，光线反射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显变化。将阻值的变化值经过比较器可获得高低电平。但这种方案受光照影响较大。不能够稳定的工作。方案二：采用红外对管TCRT5000光电寻线传感器。TCRT5000由红外发射管和接收管两部分组成，红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色地面时，地面将红外线反射到接收管，接受三极管导通，输出低电平；当发出的红外线照射到黑色地面时，黑色地面将光线吸收，接受管没有接收到反射后的红外线而使三极管截止，输出高电平。这样外接一个比较器就能够与单片机连接，减少电路的连接，
14、给设计带来了方便，但周围环境对其有一定的影响。方案三：采用RPR220型光电对管。RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发射管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。其具有灵敏度高、体积小、工作性能稳定的特点，但其价格高，购买不不方便。综合以上三种方案：选择方案二作为路径检测模块。1.3.3 避障模块方案一：使用超声波探测器。超声波探测器探测距离远，测距方便。但由于声波衍射现象较严重，且波包扩散大，易造成障碍物的错误判断。同时，超声波探测具有几厘米甚至几十厘米的盲区。方案二：使用红外避障传感器，红外传感器是一种集发射与接收鱼一体的光电传感器。具有探测距离远、受可
15、见光干扰小、价格便宜、易于安装、使用方便等特点，广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。方案三：使用光电对管。光电对管价格低廉，性能稳定，反应灵敏，但其探测距离近，一般不超过5cm，要求小车制动性能好，对颜色比较敏感，反光物体的探测效果好于吸光物体的探测效果。虽然红外避障传感器有诸多优点，但由于手头只有光电对管，加之小车的运行速度慢，光电对管也能实现简单避障功能，选择方案三。1.4电机方案的拟定与比较1.4.1电机驱动方案一：选用步进电机，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的线位移的开环控制元件。电机的停止位置、转速和转向取决于脉冲信号的个数、脉冲信号的频率和通电的相序。其最大的特点是抗干扰能力强、无累积误差、控制性能好等特点，常被用作一般精度的开环控制系统中。但其运行速度慢，成本高、必须用驱动装置来驱动，不适应于小车等有一定速度要求系统。方案二：选用直流减速电机，直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电机提供原始动力源，带动变速齿轮组，能够产生较大的力矩。加之其具有调速方便、平滑，调速范围广，承载和过载能力强，能实现频繁快速、制动以及逆向旋转等特点，在高速的系
