基于單片機的智能小車的設(shè)計與制作-大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽

1、<p>　　序號： 編碼： </p><p><b>　　第xx屆“挑戰(zhàn)杯”</b></p><p>　　xxx省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽</p><p><b>　　作 品 申 報 書</b></p><p>　　作品名稱：

2、 基于單片機的智能小車的設(shè)計與制作 </p><p>　　學(xué)校全稱： xxx學(xué)院 </p><p><b>　　個人申報者姓名</b></p><p>　　（集 體 名 稱）： xx

3、 </p><p>　　指導(dǎo)老師姓名： xx </p><p><b>　　類別：</b></p><p><b>　　自然科學(xué)類學(xué)術(shù)論文</b></p>

4、<p>　　□哲學(xué)社會科學(xué)類社會調(diào)查報告和學(xué)術(shù)論文</p><p><b>　　□科技制作</b></p><p><b>　　小發(fā)明創(chuàng)造</b></p><p>　　基于單片機的智能小車的設(shè)計與制作</p><p>　　摘要：隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)和制造技術(shù)的飛速發(fā)展，智能技術(shù)必將

5、迎來它的發(fā)展新時代，我們想如果能將其運用到煤礦勘測，環(huán)境信息采集等方面，將會更好地滿足人們的需求。因此，我們設(shè)計了這款智能小車。該設(shè)計采用STC89C52單片機為控制核心，采用驅(qū)動芯片L298N構(gòu)成雙H橋控制直流電機，利用傳感器檢測道路上的障礙，控制電動小汽車的自動避障，快慢速行駛，自動尋跡和尋光等功能。在軟件設(shè)計方面,則分為三個模塊,即數(shù)據(jù)采集模塊,信號處理模塊,控制器控制電機模塊。其中軟件系統(tǒng)采用C程序，整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，容易

6、實現(xiàn)，可靠性能高。此設(shè)計實現(xiàn)了小車的無人駕駛，通過對路面的檢測，由單片機來判斷控制小車，使其變得智能化，實現(xiàn)自動的前進，轉(zhuǎn)彎，停止功能.此系統(tǒng)完善后可以應(yīng)用到道路檢測，安全巡邏中，同時，可以以此為基礎(chǔ)，將其應(yīng)用到生活或者工業(yè)制造中去，即增添我們的生活樂趣也提高了工業(yè)效率，最重要的是能降低工作中的危險性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：單片機；自動循跡；驅(qū)動電路</p><p><b&g

7、t;　　目 錄</b></p><p><b>　　1緒論4</b></p><p>　　1.1本課題的研究的背景以及現(xiàn)實意義 4</p><p>　　1.2課題研究的目的和意義 6</p><p>　　1.3本設(shè)計的研究方向 6</p><p>

8、<b>　　2 方案設(shè)計7</b></p><p>　　2.1小車車體的選用7</p><p>　　2.2 主控芯片的選用7</p><p>　　2.3 PWM調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)8</p><p>　　2.4 系統(tǒng)原理圖9</p><p>　　3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計11</p>

9、<p>　　3.1單片機電路的設(shè)計11</p><p>　　3.1.1單片機的功能特性描述11</p><p>　　3.1.2晶振電路12</p><p>　　3.1.3復(fù)位電路13</p><p>　　3.2紅外線循跡避障模塊14</p><p>　　3.2.1黑線循跡模塊14</p&g

10、t;<p>　　3.2.2避障模塊設(shè)計15</p><p>　　3.3 聲控模塊16</p><p>　　3.4 比較模塊16</p><p>　　3.5 測速模塊和循光模塊17</p><p>　　3.6 電源模塊18</p><p>　　3.7 電機驅(qū)動模塊18</p>

11、;<p>　　3.7.1．L298N引腳結(jié)構(gòu)19</p><p>　　3.7.2．電機驅(qū)動原理20</p><p>　　3.7.3 小車運動邏輯22</p><p>　　3.8 紅外遙控23</p><p>　　3.8.1．紅外線遙控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)23</p><p>　　3.8.2．編碼方式與解碼

12、原理24</p><p>　　4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計25</p><p>　　4.1 Keil編譯器軟件25</p><p>　　4.2 外部中斷子程序流程圖27</p><p>　　4.3 主程序流程圖28</p><p>　　4.4 定時器中斷程序設(shè)計28</p><p>　

13、　5系統(tǒng)的總體調(diào)試28</p><p>　　5.1 硬件的測試28</p><p>　　5.2 系統(tǒng)的軟件調(diào)試29</p><p>　　6 結(jié)論..........................................................................................................

14、..........................31</p><p><b>　　參考文獻32</b></p><p><b>　　1 緒論 </b></p><p>　　1.1本課題的研究的背景以及現(xiàn)實意義 </p><p>　　目前 ，在企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高、對自動化

15、技術(shù)要求不斷加深的條件下，智能車輛以及在智能車輛基礎(chǔ)上開發(fā)出來的各種產(chǎn)品已成為自動化物流運輸、柔性生產(chǎn)組織等一些系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。世界上許多國家都在進行智能車輛的研究和開發(fā)設(shè)計。移動機器人是機器人學(xué)中的一個重要分支，出現(xiàn)在20世紀60年代。當(dāng)時斯坦福研究院的Nils Nilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年期間研制出了取名shakey的自主式移動機器人，目的是將人工智能技術(shù)應(yīng)用在復(fù)雜條件

16、下，完成機器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。從此，移動機器人從無到有，數(shù)量不斷的增多，智能車輛作為移動機器人的一個重要分支也會得到越來越多的關(guān)注。 </p><p>　　智能車輛，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動行駛等功能于一體的綜合性系統(tǒng)，它集中地運用了計算機、信息、傳感、通信、導(dǎo)航及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。它具有道路障礙的自動識別、自動制動、自動報警、自動保持安全距離和巡航控制等功能。

17、智能車輛主要的特點是在復(fù)雜的道路情況下，能自動地操縱和駕駛車輛繞開障礙物并且能沿著預(yù)定的軌跡行進。智能車輛在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一些智能化技術(shù)設(shè)備: </p><p>　　(1)計算機處理系統(tǒng)，主要完成對從攝像機所獲取的圖像的預(yù)處理、增強、分析、識別等工作; </p><p>　　(2)攝像機，用來獲得道路的圖像信息; </p><p&g

18、t;　　(3)傳感器設(shè)備，車速傳感器用來獲得當(dāng)前車速，障礙物傳感器用來獲得前方、側(cè)方和后方障礙物等信息。 </p><p>　　這種智能小車的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個方面: </p><p>　　(1)軍事偵察與環(huán)境探測 </p><p>　　現(xiàn)代戰(zhàn)爭對軍事偵察提出了更高的要求，目前各國普遍重視對軍事偵察的建設(shè)，采取各種有效措施預(yù)防敵方

19、的突然襲擊，并廣泛應(yīng)用先進科學(xué)技術(shù)，不斷研制多用途的偵察器材和探測設(shè)備，在車上裝配攝像機、安全激光測距儀、夜視裝置和衛(wèi)星全球定位儀等設(shè)備，通過光纜操縱，完成偵察、監(jiān)視敵情、情報收集、目標搜索和自主巡邏等任務(wù)，進一步的擴大偵察范圍，提高偵察的時效性和準確性。 </p><p>　　(2)探測危險與排除險情 </p><p>　　在戰(zhàn)場上或工程中，經(jīng)常會遇到各種各樣的意外。

20、這時，智能化探測小車就可以發(fā)揮很好的作用。戰(zhàn)場上，可以使用智能車輛掃除路邊炸彈、尋找和銷毀地雷等。民用方面，可以探測化學(xué)泄漏物質(zhì)，可以進行救援滅火，以及在強烈地震發(fā)生后到廢墟中尋找生還人員等。 </p><p>　　(3)安全檢測受損評估 </p><p>　　在工程建設(shè)領(lǐng)域，可以對高速公路自動巡跡，進行道路質(zhì)量檢測和破壞分析檢測;對水庫堤壩、海岸護岸堤、江河大壩等進行

21、質(zhì)量和安全性檢測。在制造領(lǐng)域，可用于工業(yè)管道中機械損傷、裂紋等缺陷的探尋，對輸油和輸氣管線的泄漏和破損點的查找和定位等。 </p><p><b>　　(4)智能家居 </b></p><p>　　在家庭中，可以用智能小車進行對家具、家用電器，室溫等進行遠程控制。對這種小車的研究，將為未來環(huán)境探測術(shù)上的有力支持</p><p&g

22、t;　　1.2課題研究的目的和意義 </p><p>　　科技的進步帶動了產(chǎn)品的智能化，單片機的應(yīng)用更是加快了發(fā)展的步伐，它的應(yīng)用范圍日益廣泛，已遠遠超出了計算機科學(xué)的領(lǐng)域。小到玩具、信用卡，大到航天器、機器人，從實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、過程控制、模糊控制等智能系統(tǒng)到人類的日常生活，到處都離不開單片機,此設(shè)計正是單片機的一個典型應(yīng)用。此設(shè)計實現(xiàn)了小車的無人駕駛，可以運用到煤礦勘測，環(huán)境信息采集等方面，并且該設(shè)計具

23、有實際意義，可以應(yīng)用于考古、機器人、醫(yī)療器械等許多方面。尤其是在足球機器人研究方面具有很好的發(fā)展前景，在考古方面也應(yīng)用到了超聲波傳感器進行檢測。所以本設(shè)計與實際相結(jié)合，現(xiàn)實意義很強。</p><p>　　1.3 本設(shè)計的研究方向</p><p>　　單片機的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，無論是在生活，生產(chǎn)上，單片機無處不在。單片機可以廣泛應(yīng)用于計算機外部設(shè)備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通訊設(shè)

24、備、家用電器等各個領(lǐng)域。其應(yīng)用如此廣泛，所以有必要去學(xué)習(xí)和應(yīng)用單片機，以滿足實際產(chǎn)品開發(fā)的需要，也是適應(yīng)社會智能化、自動化的趨勢。 </p><p>　　通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計并實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力。在實踐過程中，熟悉以單片機為核心控制芯片，設(shè)計小車的各種檢測、驅(qū)動和顯示等外圍電路，采用智能控制算法實現(xiàn)小車的智能循跡、自動避障、循光和測速等功能。靈活應(yīng)用機電等相關(guān)學(xué)科的理論知識，聯(lián)系實際電路設(shè)

25、計的具體實現(xiàn)方法，達到理論與實踐的統(tǒng)一。在此過程中，加深對控制理論的理解和認識。</p><p><b>　　方案設(shè)計</b></p><p>　　2.1小車車體的選用</p><p>　　車體選用有兩種途徑，一種是自制車體，一種是購買玩具車體進行改裝。由于自制車體過程復(fù)雜，帶負載能力差，可謂既費時又費力。于是選擇市場上常用的小車底盤，質(zhì)量堅硬

26、，承載能力強，上面有很多可擴展的小孔，便于模塊的安裝和使用。本設(shè)計采用兩個直流步進電機直接與車輪相連，電機上裝有編碼盤，便于測速、測距試用。 </p><p>　　2.2 主控芯片的選用</p><p>　　一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含有兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元，如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定時/計數(shù)器﹑中斷系統(tǒng)等能量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時，必須

27、在片外進行擴展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)配置，既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤顯示器﹑打印機﹑A/D﹑D/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計合適的接口電路。</p><p>　　STC89C52單片機是把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、并行I/O口、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器

28、。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。</p><p>　　2.3 PWM調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)</p><p>　　PWM信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：一種是軟件的方法；另一種是硬件的方法。硬件方法的實現(xiàn)已有很多文章介紹，這里不做贅述。本次主要介紹利用單片機通過軟件設(shè)計產(chǎn)生PWM信號實現(xiàn)電機的

29、調(diào)速。本小車的PWM調(diào)速采用的是調(diào)寬定頻的方法，其原理是通過控制驅(qū)動電機電壓導(dǎo)通與斷開的時間比值得到電壓平均值來控制小車速度。</p><p>　　PWM調(diào)速系統(tǒng)與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點：由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流，低速特性好。同樣，由于開關(guān)頻率高，快速響應(yīng)特性好，動態(tài)抗干擾能力強，可以獲得很寬的頻帶，開關(guān)器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗小，裝置效率高

30、。</p><p><b>　　2.4 系統(tǒng)原理圖</b></p><p>　　智能循跡小車主要由STC89C52單片機電路、TCRT5000循跡模塊、L298N驅(qū)動模塊、直流電機、小車底板、電源模塊等組成。</p><p>　　圖2.1智能小車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　本設(shè)計智能小車采用STC89C52單片

31、機進行智能控制。開始由手動啟動小車，并復(fù)位，通過遙控切換模式，可以完成簡單的前進后退左右轉(zhuǎn)彎功能，采用雙極式H型PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，達到小車的慢速行駛狀態(tài)，同時遙控也可以切換到循跡模式、避障模式、循光模式和聲控模式。系統(tǒng)原理圖如圖2-1所示：</p><p>　　圖2.2智能小車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計</p><p>　　3.1

32、 單片機電路的設(shè)計</p><p>　　一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元，如ROM、RAM、I/O、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計相應(yīng)的電路；二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等。</p><p>　　3.1.1 單片機的功

33、能特性描述</p><p>　　單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜。單片機內(nèi)部也有和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲器件。</p><p>　　單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CP

34、U隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。</p><p>　　本課題選擇了STC公司的生產(chǎn)的STC89C52單片機。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，是帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲器。一個芯片上擁有8位CPU，并且在系統(tǒng)

35、可編程Flash。STC89C52提供給為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)高靈活、超有效的解決方案。 STC89C52具有以下標準功能:8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，兩個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。此外，空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直

36、到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。</p><p>　　表3.1 STC89C52單片機和AT89S52單片機的對比</p><p>　　3.1.2 晶振電路</p><p>　　在STC89S52單片機上內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。時鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。在1和XTAL2引腳上外接

37、定時元件，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。從XTAL1接入，如圖3.2所示。由于外部時鐘信號經(jīng)過二分頻觸發(fā)后作為外部時鐘電路輸入的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有要求。</p><p>　　本設(shè)計選用的是12MHZ無源晶振、2個22pF電容，使得一個機器周期是1μs。晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號，而兩個電容則是起到并聯(lián)諧振的作用，如果沒電容，振蕩電路會因為沒有回

38、路而停振，電路不能正常工作。</p><p>　　圖3.2 單片機晶振電路圖</p><p>　　3.1.3 復(fù)位電路</p><p>　　復(fù)位電路的作用是在上電或復(fù)位過程中，控制CPU的復(fù)位狀態(tài)：這段時間內(nèi)讓CPU保持復(fù)位狀態(tài)，而不是一上電或剛復(fù)位完畢就工作，防止CPU發(fā)出錯誤的指令、執(zhí)行錯誤操作，也可以提高電磁兼容性能。89系列單片機的復(fù)位信號是從RST引腳輸

39、入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。施密特觸發(fā)電路是一種波形整形電路，當(dāng)任何波形的信號進入電路時，輸出在正、負飽和之間跳動，產(chǎn)生方波或脈波輸出。不同于比較器，施密特觸發(fā)電路有兩個臨界電壓且形成一個滯后區(qū)，可以防止在滯后范圍內(nèi)之噪聲干擾電路的正常工作。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期(24個振蕩周期)以上，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。</p><p>　　如圖3

40、.3所示上電后，由于電容充電，使RST持續(xù)一段高電平時間。當(dāng)單片機已在運行之中時，按下復(fù)位鍵也能使RST持續(xù)一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電且開關(guān)復(fù)位的操作。</p><p>　　3.2紅外線循跡避障模塊 </p><p>　　3.2.1黑線循跡模塊　 圖3.4單片機復(fù)位電路圖</p><p>　　該模塊主

41、要利用紅外線收發(fā)管來檢測地面上的黑線。當(dāng)紅外發(fā)射管位于黑線上時， 發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線光被黑色吸收， 不能被反射回來， 此時， 接收端上的光電三級管基極電壓為零， 三極管不能導(dǎo)通， 輸出高電平， 與之相連的比較器同相端比較， 最終輸入單片機對應(yīng)引腳一個低電平。單片機檢測到輸入的低電平就會對電機進行相應(yīng)的處理， 驅(qū)動小車轉(zhuǎn)彎， 使得這個紅外發(fā)射管偏離黑線。一旦離開黑線， 紅外接收管就能夠接受到紅外線， 三極管導(dǎo)通輸出低電平， 給單片機引

42、腳輸入一個高電平， 單片機檢測到該高電平后給相應(yīng)電機正轉(zhuǎn)命令， 小車恢復(fù)直線行駛。依此循環(huán)，最終小車就能沿著黑線所設(shè)定的的軌跡行駛。</p><p>　　表3.4信號采集與電機工作狀態(tài)</p><p>　　光電傳感器實現(xiàn)循跡的基本電路如3.5所示</p><p>　　圖3.5循跡傳感器電路圖</p><p>　　3.2.2避障模塊設(shè)計<

43、/p><p>　　常用的避障方法有兩種：一是采用超聲波避障。超聲波受環(huán)境影響較大，電路復(fù)雜，而且地面對超聲波的反射，會影響系統(tǒng)對障礙物的判斷。二是采用紅外線避障。該方案電路簡單，檢測距離易調(diào)節(jié)，靈敏度高，故本設(shè)計采用紅外線避障的方法。</p><p>　　采用三個紅外線收發(fā)管，分別置于小車左前方、右前方和正前方。</p><p>　　若光電避障開關(guān)檢測到障礙物，輸出端會

44、輸出一個低電平，并將輸出端信號送至比較器比較。若低于設(shè)置電壓就向單片機單片機輸出高電平。單片機根據(jù)左中右三個光電避障開關(guān)輸入高低電平信號的組合來判斷障礙物的位置，從而控制電機做出合適的動作。紅外線避障的優(yōu)點是檢測障礙物距離的長短可以通過調(diào)節(jié)比較器的可調(diào)電阻來確定。</p><p><b>　　3.3 聲控模塊</b></p><p>　　本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，采用一個拾音器

45、連接一個三級管的放大電路。在沒有聲音情況下三極管截止輸出高電平，而當(dāng)聲音分貝超過一定量的時候三級管導(dǎo)通，電路輸出低電平，單片機檢測到低電平后執(zhí)行預(yù)先編好的程序輸出。具體電路如圖3.6所示：</p><p>　　圖3.6 拾音器驅(qū)動電路</p><p><b>　　3.4 比較模塊</b></p><p>　　設(shè)計避障和循跡模塊時， 為了減小環(huán)境

46、自然光的干擾， 故在傳感器后接入一個比較器模塊，外接一個滑線變阻器， 通過調(diào)節(jié)電阻的大小， 改變比較器的閾值電壓， 從而改變傳感器的靈敏度。循跡模塊中當(dāng)較弱的紅外線進入到光電三極管的基極， 三極管的集電極會有電壓， 但只要調(diào)大滑線變阻器接入的阻值， 使得光照射時， 集電極電壓高于閾值電壓， 此時光電對管仍然輸出低電平， 這樣就達到了消除環(huán)境光的目的。該電路接入的阻值越大， 閾值越高， 就越不容易受環(huán)境光的影響， 但靈敏度也就越低， 反應(yīng)

47、越慢。相反，就越容易受環(huán)境光影響， 靈敏度越高， 反應(yīng)越快 。</p><p>　　圖3.7LM393內(nèi)部電路、外部引腳和外圍電路</p><p><b>　　3.5測速模塊</b></p><p>　　測速模塊主要是基于紅外線收發(fā)管檢測，它具有速度快、精度高、反應(yīng)比較靈敏等優(yōu)點，將一編碼盤連接在小車車輪上，另編碼盤隨車輪的轉(zhuǎn)動而旋轉(zhuǎn)。因此在編

48、碼盤兩側(cè)的紅外收發(fā)管會接受到不同的電平，根據(jù)電平變換的次數(shù)和車輪半徑來計算行駛距離。通過定時器來計算速度，并由單片機輸出到顯示模塊。具體電路如圖3.8所示：</p><p>　　圖3.8 測速模塊電路圖</p><p><b>　　3.6電源模塊</b></p><p>　　電源如果采用干電池，小車的電路功耗過大會導(dǎo)致后輪電機動力不足。本次設(shè)計

49、使用7.2V鋰離子可充電電池，給電機供電，然后使用7805穩(wěn)壓管來把高電壓穩(wěn)定到5 V分別給單片機和電機驅(qū)動芯片供電。電路接法如圖3.9所示：</p><p>　　圖3.9電源電路的降壓 </p><p>　　3..7電機驅(qū)動原理</p><p>　　本設(shè)計采用L298N電機專用驅(qū)動芯片帶動兩個直流電動機。</p><p>　　直流電機由定子

50、和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機進行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器等組成。</p><p>　　其中L298N是ST公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)

51、動電路?？梢则?qū)動兩個直流電機或驅(qū)動兩個二相電機，也可單獨驅(qū)動一個四相電機，輸出電壓最高可達50V。直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓，直接通過單片機的IO端口提供信號，使得電路簡單，使用更方便。L298N可接受標準的TTL邏輯電平信號VSS，VSS通常接4.5~7V的電壓。4腳VS接電壓源，VS可接電壓范圍VIH為2.5~46V。L298N芯片輸出電流可達2.5 A，可驅(qū)動電感負載。</p><p>　　L298N是一個

52、內(nèi)部有兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動芯片，可以用來驅(qū)動直流電動機、步進電動機。使用標準邏輯電平信號控制，直接連接單片機管腳，具有兩個使能控制端，使能端在不受輸入信號影響的情況下不允許器件工作。L298N有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作。</p><p>　　3.7.1 L298N引腳結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖3.10L298N 驅(qū)動芯片</p>&

53、lt;p>　　表3.11L298N引腳編號與功能</p><p>　　3.7.2 電機驅(qū)動原理</p><p>　　電路的形狀很像字母H。四個三極管就是H橋的四條垂直線，而電機就是H中的橫線。</p><p>　　圖3.12 L298N內(nèi)部H橋驅(qū)動電路</p><p>　　圖3.12為一個典型的直流電機的控制電路。被命名為“H橋驅(qū)動電

54、路”主要是因為電路的形狀很像字母H。四個三極管就是H橋的四條垂直線，而電機就是H中的橫線。</p><p>　　如圖所示，H橋電機驅(qū)動電路包含四個三極管和一個電機。電機運轉(zhuǎn)，必須遵循導(dǎo)通對角線上的一對三極管?；诓煌龢O管對的導(dǎo)通情況可以控制電機的轉(zhuǎn)向，電流可可以從左至右流過電機，也可以從右至左流過電機。</p><p>　　如圖3.13所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1

55、從左至右流過電機，然后再經(jīng)Q4回到電源負極，該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動。</p><p>　　下面分析另一對三極管Q2和Q3，當(dāng)兩個三極管同時導(dǎo)通的情況下，電流將從右至左流過電機。從而驅(qū)動電機沿逆時針方向轉(zhuǎn)動。</p><p>　　驅(qū)動電機時，保證H橋上兩個同側(cè)的三極管不會同時導(dǎo)通非常重要。如果三極管Q1和Q2同時導(dǎo)通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負極。此時，電路中除了三

56、極管外沒有其他任何負載，因此電路上的電流就可能達到最大值，該電流僅受電源性能限制，可能燒壞三極管?；谏鲜鲈?，在實際驅(qū)動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關(guān)。</p><p>　　圖3.13所示就是基于這種考慮的改進電路，它在基本H橋電路的基礎(chǔ)上增加了四個二極管來保護電路。四個與門同一個“使能”導(dǎo)通信號相接，這樣，用這一個信號就能控制整個電路的開關(guān)。</p><p>　　圖3.1

57、3L298N驅(qū)動芯片和直流電機接線圖</p><p>　　3.7.3小車運動邏輯</p><p>　　圖3.14小車運動邏輯</p><p>　　電機控制邏輯如下：以電機A為例，當(dāng)使能端EN A為高電平時，如果輸入引腳IN1為低電平而輸入引腳IN2為高電平，電機A反轉(zhuǎn)；如果輸入引腳IN1為高電平而輸入引腳IN2為低電平，電機A正轉(zhuǎn)。</p><p

58、><b>　　3.8 紅外遙控</b></p><p>　　3.8.1．紅外線遙控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　紅外線遙控系統(tǒng)是由發(fā)射端和接收端兩部分組成，如圖3-10所示。紅外線發(fā)射端就是紅外遙控器，主要包括鍵盤、編碼調(diào)制芯片、紅外線發(fā)射管。當(dāng)按下某一按鍵后，遙控器上的編碼調(diào)制芯片便進行編碼，并結(jié)合載波電路的載波信號而成為合成信號，再經(jīng)紅外線發(fā)射二極管，將紅外

59、線信號發(fā)射出去。</p><p>　　圖3.15 紅外線發(fā)射、接收流程</p><p>　　紅外線接收端主要包括紅外線接收模塊、解碼單片機。其中紅外線接收模塊里包括光、電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)電路。當(dāng)紅外線發(fā)射信號進入接收模塊后，在其輸出端便可以得到原先的數(shù)字控制編碼，再經(jīng)過單片機解碼程序進行解碼，便可以得知按下了哪一按鍵，從而完成紅外線遙控的動作。</p><p>　　

60、3.8.2．編碼方式與解碼原理</p><p>　　紅外線遙控器的編碼與所使用的編碼芯片有關(guān)，不同的芯片編碼有所不同，但基本原理相似。一幀完整的發(fā)射碼是由引導(dǎo)碼、用戶編碼和鍵數(shù)據(jù)碼 3 部分組成。</p><p>　　圖3.16編碼的組成部分</p><p>　　引導(dǎo)碼由一個 4.5ms 的高電平脈沖及 4.5ms 的低電平脈沖組成。 八位的用戶編碼被連續(xù)發(fā)送兩次，

61、八位的鍵數(shù)據(jù)碼也被發(fā)送兩次，第一次發(fā)送的是鍵數(shù)據(jù)碼的原碼，第二次發(fā)送的是鍵數(shù)據(jù)碼的反碼，所以，整個數(shù)據(jù)編碼占用 32 位。</p><p>　　數(shù)據(jù)編碼方式是通過脈寬調(diào)制來實現(xiàn)的，以脈寬為 0.56ms，間隔為0.56ms，周期為 1.125ms 的組合表示二進制的“0” ；以脈寬為 0.56ms，間隔為 1.69ms，周期為 2.25ms 的組合表示二進制的“1” ，其接收端波形如圖3-13。</p>

62、;<p>　　圖3.17 二進制“0”的編碼方式 圖3.18 二進制“1”的編碼方式 </p><p>　　4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序﹑定時子程序、避障子程序﹑外部中斷子程序、顯示子程序﹑調(diào)速子程序﹑遙控子程序等構(gòu)成。</p><p>　　4.1 Keil編譯器軟件</p&

63、gt;<p>　　目前，52系列單片機使用的編程語言主要有匯編語言和C語言這兩種。</p><p>　　最接近機器的語言是匯編語言，其常用來編制與系統(tǒng)硬件相關(guān)的程序，如訪問I/O口、中斷處理程序等，它是一種最快而又最有效的語言，在對于程序的空間和時間要求很高的場合中 使用匯編語言是最佳的選擇，然而匯編語言也有其自身的缺點，比如程序開發(fā)周期較長、浮點運算處理復(fù)雜、程序移植性差等不利因素。</p&

64、gt;<p>　　在程序設(shè)計過程中C語言編程設(shè)計思想被稱為模塊化程序設(shè)計思想。有的時候為了有效地完成任務(wù)，把所要完成的任務(wù)分割成若干個相互獨立但相互又仍然有所聯(lián)系的模塊，這些模塊使得任務(wù)變得相對簡單，對外的數(shù)據(jù)交換相對簡單、容易編寫、容易檢測，容易閱讀和維護。</p><p>　　本設(shè)計采用C語言來編譯程序。模塊化結(jié)構(gòu)程序的設(shè)計，可以使系統(tǒng)軟件便于調(diào)試與優(yōu)化，也使其他人更好地理解和閱讀系統(tǒng)的程序設(shè)計

65、。因此，軟件的設(shè)計上，運用了模塊化程序的結(jié)構(gòu)對軟件進行設(shè)計，使得程序變得更加直觀易懂。程序的主要模塊有：主程序、定時溢出中斷服務(wù)程序、外部中斷服務(wù)程序。</p><p>　　隨著單片機開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件，這從近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C編譯器

66、、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。掌握這一軟件的使用對于使用51系列單片機的學(xué)者來說是十分必要的，如果使用C語言編程，那么Keil幾乎就是不二之選，即使不使用C語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試工具也會事半功倍。</p><p>　　Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開

67、發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。</p><p>　　4.2外部中斷子程序流程圖</p><p>　　圖4.1外部中斷子程序流程圖</p><p>　　由于事先測試過按鍵的值，因此將收

68、到的數(shù)值與事先編好的程序?qū)Ρ?，與哪個按鍵匹配后就執(zhí)行相應(yīng)的操作。主要設(shè)置六個按鍵切換各個模式，九個按鍵來進行遙控控制，以便實現(xiàn)前進、后退、左右轉(zhuǎn)彎等各種功能</p><p>　　4.3主程序流程框圖</p><p>　　圖4.2 系統(tǒng)主程序流程圖</p><p>　　4 .4 定時器中斷程序設(shè)計</p><p>　　采用不斷改變定時器的初值來

69、實現(xiàn)電機的快慢轉(zhuǎn)彎等功能。小車快速行駛中需要轉(zhuǎn)彎時，程序會為定時器自動裝入初值，讓小車變?yōu)槁?，達到穩(wěn)定精確地轉(zhuǎn)彎。由于定時時間很短電機會平穩(wěn)減速，不影響小車正常行駛。</p><p>　　5 系統(tǒng)的總體調(diào)試</p><p><b>　　5.1 </b></p><p>　　按照之前設(shè)計好的智能循跡小車原理圖，詳細計算系統(tǒng)中各個元件的參數(shù)，

70、選擇相應(yīng)器件，制作實際電路板。然后選取萬用表的200歐姆檔來測試電路板。用紅、黑表筆來測試電路板上每條走線，如果測量的電阻值非常小時，證明走線沒有斷開，當(dāng)其電阻值很大時，證明該條走線斷了，應(yīng)該重新制作走線，使電路板在電氣上得到正確地連接。</p><p>　　(1)晶振電路的測試</p><p>　　在單片機正常運行的必要條件是單片機系統(tǒng)的時鐘穩(wěn)定正常。實際中，因為各種原因?qū)е孪到y(tǒng)時鐘不正

71、常而出現(xiàn)系統(tǒng)無法正常運行的情況時有，因此系統(tǒng)時鐘是否振是通電檢查的首要環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)通電的狀況下，用萬用表的直流電壓檔(20V)，分別測量XTAL1和XTAL2引腳的電壓，看是否正常，在調(diào)試過程中，測得電壓XTAL1引腳應(yīng)為2.05V,XTAT2應(yīng)為2.15V。</p><p>　　(2)復(fù)位電路的測試</p><p>　　復(fù)位不正常也會導(dǎo)致系統(tǒng)不能工作。如果復(fù)位引腳始終為高電平，系統(tǒng)將始終

72、處于復(fù)位狀態(tài)；如果始終為低電平，不能產(chǎn)生復(fù)位所需的高電平信號脈沖，則系統(tǒng)也可能無法正常工作。單片機正常工作時，RST復(fù)位引腳應(yīng)為0V，按下復(fù)位按鍵時，復(fù)位引腳為高電平5V左右[11]。</p><p>　　5.2 系統(tǒng)的軟件調(diào)試</p><p>　　在軟件調(diào)試中，使用功能強大且的WAVE 6000軟件進行軟件編譯與調(diào)試,使用Microcontroller ISP Software及其配套

73、的單片機對程序進行燒錄。軟件調(diào)試的流程是這樣的：先分別對主要的功能程序模塊進行模擬仿真調(diào)試；然后再將各程序模塊組織起來進行統(tǒng)調(diào)[12]。</p><p>　　軟件的燒錄：第一步：安裝并運行Microcontroller ISP Software軟件；第二步：點擊Options欄的select device選項；這時出現(xiàn)一個對話窗口，按圖選擇后，點擊OK按鍵，如出現(xiàn)所示窗口，則說明電腦與開發(fā)板沒連接好或單片機沒插好

74、等，需重裝檢查硬件連接，如果沒有出現(xiàn)則說明初始化成功。</p><p>　　第三步：點擊File欄的Load Buffer選項打開已經(jīng)編譯好的HEX文件。點擊載入，出現(xiàn)對話框點確定，再點擊圖“A”字圖標，出現(xiàn)對話框后，按軟件默認選項，點擊“OK”－“OK”―“OK”燒錄完成；否則重新檢查硬件連接后再重新燒錄。</p><p>　　通過軟件檢查出程序中出現(xiàn)了許多的問題。經(jīng)過多次的模塊子程序的

75、修改，一步一步的完善程序，來解決出現(xiàn)的問題。在軟件的調(diào)試過程中主要遇到的問題如下：</p><p>　　(1) 在測試中遇到小車遇到黑線電機不動.</p><p>　　解決：首先使用試測儀對電路進行測試,觀察是否存在漏焊、虛焊、或電子元件損壞。</p><p>　　(2)輸入程序后，小車循跡不靈敏，還有就是當(dāng)拐彎度數(shù)過大，小車速度過快的時候，小車偶爾偏離軌道。<

76、;/p><p>　　解決：首先通過調(diào)節(jié)傳感器上的可調(diào)電阻，適當(dāng)?shù)脑龃蠡驕p小電阻可改變靈敏度?？梢越鉀Q循跡不迅速的問題。</p><p><b>　　6.結(jié)論：</b></p><p>　　在學(xué)習(xí)智能控制原理，單片機及傳感器等相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，本課題對以單片機作為中心控制器的智能車控制系統(tǒng)進行了研究，從硬件和軟件兩方面對智能小車進行了設(shè)計。針對小車在

77、行駛過程中的不同要求，采用模塊化設(shè)計方案設(shè)計智能小車，從而實現(xiàn)了智能小車實時顯示速度和里程實現(xiàn)規(guī)定區(qū)域內(nèi)自動尋跡、避讓障物等功能。由于采用模塊化設(shè)計，本系統(tǒng)具有良好的可升級性和擴展性，在造價上也有一定的優(yōu)勢。采用單片機進行控制處理，它具有編程靈活自由、易于控制、穩(wěn)定性能好、擴展容易等優(yōu)點。作品可以作為高級智能玩具，也可以作為大學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式控制的強有力的應(yīng)用實例，對于移動式機器人的設(shè)計制作提供了一定的參考價值。</p>&

78、lt;p>　　在對智能小車的設(shè)計過程中，我了解到我國的機器人教育還處于初級階段而智能小車的研究為機器人控制理論的學(xué)習(xí)奠定了扎實的基礎(chǔ)，因此本課題具有一定的現(xiàn)實意義。</p><p>　　當(dāng)然，智能小車的“智能”是有限的，由于傳感器受到自身性能的影響，傳感器獲得的信息非常有限，隨著傳感器種類的增多，一個強大的智能系統(tǒng)應(yīng)該是一個多傳感器系統(tǒng)，也是信息感知的新的研究方向。</p><p>

79、<b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 羅志增,蔣靜坪編著.循跡小車感覺與多信息融合[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003:1-10.</p><p>　　[2] 蔡自興編著. 中國的智能循跡小車研究[J]. 莆田學(xué)院學(xué)報, 2002,9 (3):36-39.</p><p>　　[3] 吳林編著. 智能循跡小車主題型號工作的

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