第一篇：智能小車跟隨系統(tǒng)的設計與制作分析
本科畢業(yè)論文(設計)
題目： 智能小車跟隨系統(tǒng)的設計與制作
學院： 物理與電子科學學院
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完成日期： 年 月 日
智能小車跟隨系統(tǒng)的設計與制作
摘要:
現(xiàn)在，小車跟隨系統(tǒng)正處于研發(fā)與試用階段，它有著多方面的優(yōu)勢：一方面,充分利用現(xiàn)有的道路資源，有效緩解交通阻塞；另一方面，可以大幅提高駕駛的安全性，減少交通事故的發(fā)生。因而推廣和應用小車跟隨系統(tǒng)已經(jīng)成為解決交通問題的一個重要途徑。
本文的主要研究工作是設計和制作智能小車跟隨系統(tǒng)，整個系統(tǒng)包括硬件及軟件兩個部分。硬件部分包括控制電路，藍牙通信電路，路徑循跡電路，電源驅(qū)動電路，電機驅(qū)動電路等。軟件部分主要包括通過編程使得小車按設定路徑實現(xiàn)前進，左拐，右拐，加速，減速，并在小車前進的過程中不斷調(diào)整小車所在位置等功能。
本文是以電動小車為基礎，增加紅外傳感器，藍牙等。利用傳感器來有效地確定小車前進路徑、小車所在位置等信息。單片機接收并處理傳感器所產(chǎn)生的信號并加以一定的算法來判斷兩個小車的狀態(tài)及其相互間距。最后通過藍牙來進行小車間的通信，從而控制兩個小車加、減速度來使得小車間距相對恒定。該智能小車跟隨系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有：自動循跡；保持車距；緊急停車等。
關鍵詞：智能小車跟隨系統(tǒng)；藍牙通信；單片機；軟件設計
目 錄 引言..............................................................1 1.1 研究背景及意義..............................................1 1.2 智能車輛研究現(xiàn)狀............................................1 1.3 研究內(nèi)容....................................................1 2 功能分析..........................................................2 2.1 主控模塊....................................................2 2.2 循跡模塊....................................................3 2.3 電機驅(qū)動模塊................................................3 2.4 電源模塊....................................................3 2.5 通信模塊....................................................3 3 硬件設計..........................................................3 3.1 主控硬件設計................................................4 3.2 循跡硬件的設計..............................................4 3.3 驅(qū)動硬件設計................................................5 3.4 電源硬件設計................................................5 3.5 藍牙通信串口硬件設計........................................6 3.6 本章總結....................................................6 4 軟件的設計與實現(xiàn)..................................................6 4.1 概述........................................................6 4.2 軟件的結構設計..............................................7 4.3 主要模塊的實現(xiàn)..............................................8 4.3.1循跡流程圖.............................................8 4.3.2 電機驅(qū)動流程圖.........................................9 4.3.3 位置判斷流程圖........................................10 4.3.4 藍牙通信流程圖........................................11 4.4 本章小結...................................................11 5 系統(tǒng)功能測試.....................................................11 5.1 系統(tǒng)功能測試...............................................12 2 5.2 測試結果分析...............................................13 6 結論與展望.......................................................13 6.1 結論.......................................................13 6.2 展望.......................................................13 參考文獻...........................................................14 致謝...............................................................15
1 引言
1.1 研究背景及意義
隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市的人口不斷增加，從而城市的交通壓力也越來越大。在中國的一些大中型城市，由于嚴重的堵車問題，上、下班路途中所消耗的時間可能會長達數(shù)個小時。此外，近些年來，交通事故頻繁發(fā)生，這已經(jīng)危害到了許多人的生命和財產(chǎn)。因此，想要解決交通問題已經(jīng)不能僅僅依靠交通管理部門，更需要從科技的角度來解決這一問題。幸運的是，在最近幾年傳感器、單片機技術突飛猛進，受此影響，智能小車跟隨技術正在逐步從可能轉(zhuǎn)為現(xiàn)實。智能小車跟隨技術是指通過車載傳感系統(tǒng)感知道路環(huán)境，通過現(xiàn)代通信技術使車間進行通信，同時加以一定的算法分析，使得后車緊跟前車行駛。這一特點使得它具有如下優(yōu)點：首先，充分利用道路資源，減少堵車事件發(fā)生的概率。此外，它還能夠在行駛過程中探測可能發(fā)生危險事故，由于計算機有著比人腦更快的反應速度，從而能夠避免交通事故的發(fā)生。1.2 智能車輛研究現(xiàn)狀
智能車輛的發(fā)展過程可以分為以下三個階段：
第一階段：20世紀50年代。在這一時期，人們剛剛開始接觸研究智能車輛。盡管這一時期的智能小車系統(tǒng)僅能在一個固定的軌道上運行，自動化水平比較低，但已經(jīng)符合智能車輛的基本要求。
第二階段：80年代中后期。在這一階段，隨著計算機的應用與傳感器技術的不斷發(fā)展，智能車的研究有了較大的進展，尤其在一些發(fā)達國家，取得了巨大的進步，促使智能車輛不斷深入各個實用領域。
第三階段：90年代至今，智能車輛的研究取得了更快的發(fā)展。尤其是近些年來，隨著各個國家在智能車輛的研究之中投入的人力、財力不斷加大，智能小車的發(fā)展越來越快。如今，智能車輛已經(jīng)不僅僅局限于科學研究和工廠使用，它也不斷地走入了許多人的日常生活中。1.3 研究內(nèi)容
本設計是基本AT89S52單片機的，通過藍牙使兩個智能電動車相互通信來組成智能小車跟隨系統(tǒng)。設計的主要內(nèi)容是對電動車進行硬件電路與軟件的設計。其中硬件電路主要包括控制電路，藍牙通信電路，路徑循跡電路，電源驅(qū)動電路，電機驅(qū)動電路等。其中，AT89S52單片機作為每個小車的控制核心，控制著電動車的各個模塊正常工作，并通過編程使得小車按照預定路徑實現(xiàn)前進，左拐，右 1 拐，緊急停車，加速，減速等功能。
本設計是以電動小車為基礎，增加紅外傳感器，藍牙等。利用傳感器來有效地確定小車前進路徑、小車所在位置等信息。單片機接收并處理傳感器所產(chǎn)生的信號并加以一定的算法來判斷各個小車的狀態(tài)及其相互間距。最后通過藍牙來進行小車間的通信，從而控制各個小車加、減速度來使得小車間距相對恒定。
綜上所述，本設計中整個系統(tǒng)電路結構簡單，性能相對較高。主要采用如下技術：首先是選擇適當?shù)膫鞲衅鳌＠脗鞲衅鱽韺崟r監(jiān)測小車位置并傳送給單片機，單片機根據(jù)傳感器所傳回的信息來控制小車的兩個電機運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)循跡行走功能。其次，利用藍牙設備在兩個小車之間進行通信，由其中一個小車的單片機來判斷兩小車的相對位置，從而產(chǎn)生控制指令，來改變小車的行駛速度。2 功能分析
根據(jù)設計內(nèi)容的要求，采用基于單片機的控制方式，使用藍牙設備進行通信。圖2-1為系統(tǒng)框圖。
圖2-1 系統(tǒng)框圖
2.1 主控模塊
目前，具有人工智能的電子產(chǎn)品、設備通常采用的控制器都是單片機。現(xiàn)在市場上的單片機廠商很多，單片機種類也不盡相同，功能更是各具特色。本文設計的是一個相對簡單的控制系統(tǒng)，無需采用一些特殊功能的單片機。因此，根據(jù)實際條件，最終選擇在兩輛小車上各搭載一片ATMEL公司的AT89S52芯片作為每個小車的主控器件。圖2-2為AT89S52控制原理圖。
圖2-2 AT89S52控制原理圖
2.2 循跡模塊
循跡裝置類型選擇：采用集成QTI傳感器DM-S53401，它是一種通過光電接收管來探測其下表面反射光強度的傳感器。根據(jù)反射光強度的不同，從而導致傳感器輸出的變化。由于它的體積較小、具有日光過濾器，因而在小車中使用性能較好。
循跡硬件數(shù)目選擇：采用4路QTI傳感器循跡。在小車行駛過程中，根據(jù)軌道的設計，小車會遇到直行或左、右拐彎的路段，因而可以使用中間2路來判斷小車與直行道的相對位置，而用外側(cè)2路來判斷小車是否在拐彎路段。因此，4路循跡可以完成任務的要求，且設備數(shù)目最少。2.3 電機驅(qū)動模塊
電機選擇：采用直流伺服電機，它主要通過接收脈沖來運轉(zhuǎn)。相比于步進電機，直流伺服電機有著一定的優(yōu)勢：精度更高，克服了步進電機中的失步問題；高速性能好；抗過載能力強；運行穩(wěn)定；反應時間短；發(fā)熱和噪聲都有著明顯的降低。2.4 電源模塊
電源選擇：采用干電池組加移動電源共同供電，即在采用4節(jié)1.5V干電池通過穩(wěn)壓單元降至5V后給單片機及其他設備（如傳感器、電機等）供電的基礎上，增加一個移動電源同時供電。一方面，可以保證小車電壓穩(wěn)定，設備正常運行而不會斷電。另一方面，也不像蓄電池所占體積那么大，安裝相對容易。2.5 通信模塊
通信設備選擇：采用藍牙裝置進行通信。盡管相比紅外通信，它的成本相對較高。但其有著諸多特有的優(yōu)點：通信距離相對較長，一般在10米左右，且可以轉(zhuǎn)彎，不用對準。傳輸速度快，且可以加密，更加安全。3 硬件設計
3.1 主控硬件設計
對于每個小車而言，主控電路的核心器件為AT89S52單片機，通過此單片機來控制小車完成預計的功能。其中，小車的啟動、復位、斷電都需要手動開關來控制。由QTI循跡模塊組成的循跡電路進行實時監(jiān)測，不斷判斷小車的位置，并將檢測到的信息發(fā)回給單片機，單片機經(jīng)過運算后，發(fā)送PWM波給電機，從而控制小車速度、啟停、轉(zhuǎn)彎、直線行駛等。除此之外，兩個小車的單片機還都需要連接一個藍牙設備，用于在兩個單片機之間傳遞信息。系統(tǒng)框圖如圖3-1所示。
圖3-1 主控電路連接圖
3.2 循跡硬件的設計
由于本設計在循跡模塊中采用的是集成的QTI循跡模塊，故循跡裝置內(nèi)部電路無需再重新設計，僅需將集成的QTI循跡模塊正確連入AT89S52單片機中集可。具體電路連接圖見圖3-2。
圖3-2 QTI設備連接圖
3.3 驅(qū)動硬件設計
電機選擇：采用直流伺服電機。伺服電機具有如下特點：它在接收到一個PWM波形脈沖時就會旋轉(zhuǎn)一定的角度，通過不斷接收脈沖就可以使得小車持續(xù)運動。對于本設計所選用的電機而言，當接收到的脈沖是高電平持續(xù)時間為1.5ms而低電平持續(xù)時間是20ms時，電機不發(fā)生轉(zhuǎn)動；當?shù)碗娖綍r間保持不變，高電平持續(xù)時間越接近1.7ms時，電機順時針轉(zhuǎn)速越快，在1.7ms時，電機順時針旋轉(zhuǎn)速度達到最大；反之，高電平持續(xù)時間越接近1.3ms時，電機逆時針轉(zhuǎn)速越快，在1.3ms時，電機逆時針旋轉(zhuǎn)速度達到最大。
在小車運行過程中，單片機AT89S52通過P1.1和P1.2口發(fā)送脈沖波形來分別控制左右電機運轉(zhuǎn)，即將左右電機分別與P1.1和P1.2口相連即可。3.4 電源硬件設計
本系統(tǒng)中的單片機所需的供電電壓為+5V工作電壓，而電路板的設計是采用6-9V的直流電輸入，再通過穩(wěn)壓芯片來為單片機輸入5V的工作電壓。每節(jié)干電池所提供的電壓為1.5V，采用4節(jié)干電池串聯(lián)后可以得到直流電輸入口所要求的最小電壓6V。因此，選擇4節(jié)干電池串聯(lián)后接入單片機的供電口。此外，由 于干電池所供電壓并不穩(wěn)定，容易造成小車傳感器、藍牙等設備的掉電，從而影響小車的正常工作，故再額外通過USB-ISP線將輸出為5V的移動電源連接至小車的ISP下載口即可。3.5 藍牙通信串口硬件設計
本系統(tǒng)中兩輛小車需要在一定情況下進行通信，因而需要使用一個近距離的無線通信裝置。在本設計中，選用藍牙通信裝置HC-05來實現(xiàn)此功能。HC-05的引腳原理圖如如圖3-3所示。
圖3-3 藍牙引腳原理圖
此藍牙在配對成功后的使用方法與串口的使用方法一樣，故同樣是將藍牙接口TXD、RXD分別連至單片機的P3.0、P3.1口，VCC接高電平，GND接地即可正常使用。3.6 本章總結
本章主要分析了小車實現(xiàn)各個功能所需的硬件設備，硬件選擇，硬件設備連接等問題，主要包括主控硬件、循跡硬件、驅(qū)動硬件、電源硬件、藍牙硬件等，通過對硬件的分析與設計，為小車能正常運行做好的硬件方面的準備工作。4 軟件的設計與實現(xiàn) 4.1 概述 在基于單片機的系統(tǒng)設計中，除了要對系統(tǒng)硬件進行設計外，還要對系統(tǒng)的軟件進行設計。在本設計之中，大量的執(zhí)行工作需要對程序進行設計，這一工作對于系統(tǒng)而言尤為重要。
在編寫程序時，要注意一下幾點要求： 1.實時性，即軟件反應、執(zhí)行速度快。
2.程序簡練，即要求既要完成目標，又要以最簡潔的方式表述出來。3.程序的靈活性與可拓展性，即程序擁有較強的適應能力，在功能需要拓展時可以方便的修改。
4.可靠性，即在系統(tǒng)運行過程中因為軟件方面的故障而造成的系統(tǒng)錯誤盡可能的少。
此外，在用C語言進行程序設計時，具體步驟如下： 1.明確要求，確定軟件所要實現(xiàn)的功能。2.分析具體問題，建立數(shù)學模型。3.繪制出各個程序模塊的流程圖。
4.將各個程序組合在一起，構成一個完整的程序。最后，在程序設計的過程中，應注意一下幾點要求： 1.各個功能、模塊盡量層次化。2.存儲空間合理，節(jié)省內(nèi)存。
3.軟件流程要合理，軟件布局要清晰。4.2 軟件的結構設計
在本設計中，軟件的結構設計采用了模塊化的結構設計，將整個系統(tǒng)分成五大模塊，包括主程序模塊、循跡程序模塊、電機程序模塊、藍牙通信程序模塊、位置判斷程序模塊等，依次設計系統(tǒng)整體軟件結構和各個模塊的軟件結構，最后再將其匯總成為一個完整系統(tǒng)。系統(tǒng)的軟件結構圖如圖4-1所示。
圖4-1系統(tǒng)軟件結構圖
4.3 主要模塊的實現(xiàn) 4.3.1循跡流程圖
循跡流程圖如圖4-2所示。
圖4-2循跡流程圖
小車在啟動后會直接進入循跡路段，正常直行情況下，有且只有中間兩路QTI裝置(中左與中右)將能夠探測到黑線。而在執(zhí)行前進過程中，會因為一些因素而造成略微偏離軌道，此時，小車的中間兩路QTI裝置可能將會存在其中一路脫離黑線。此時，則應向單片機發(fā)出調(diào)整指令，改變小車的行駛狀態(tài)，使其回歸黑線中央行駛。當小車來到拐彎路段時，外部兩個QTI裝置(左與右)將會探測到黑線，表明小車來到拐彎路段，則應向單片機發(fā)出調(diào)整指令，改變小車的行駛狀態(tài)，使其完成拐彎任務。而當小車到達定位處時，四路QTI循跡裝置將全部探測到黑線，此時則應向單片機發(fā)出計數(shù)自加指令后使小車繼續(xù)向前行駛。4.3.2 電機驅(qū)動流程圖
電機驅(qū)動流程圖如4-3所示。
圖4-3電機驅(qū)動功能流程圖
在兩個小車進行通信時，按照預期，隨著兩個小車的位置變化，兩個小車的行駛速度也應該隨之變化。在此設計中，整個軌道共有8個定位點。對于小車A，速度變化是從檢測到定位點時開始的，所以小車A的驅(qū)動流程圖應從檢測到定位點開始。而對于小車B，速度變化是在中斷中產(chǎn)生的，所以小車B的驅(qū)動流程圖應從中斷中開始。此外，本設計的要求是使小車B跟隨小車A行駛，使得小車A 與小車B的距離始終保持在大約等于兩個定位點間的距離。因此，想要確定兩個小車的速度，首先要計算兩個小車距離。本設計是通過計算兩小車共檢測到的定位點數(shù)之差來判斷兩個小車的距離。當兩個小車所探測到的定位點數(shù)相差為1，表示兩車距離適中，驅(qū)動電機使兩車都快速行駛；當兩個小車探測到的定位點數(shù)相同，表示兩車距離過近，驅(qū)動電機使前車快速行駛而后車慢速行駛，從而拉大兩車間距；而當兩個小車所探測到的定位點數(shù)相差大于1，表示兩車距離過遠，驅(qū)動電機使前車慢速行駛而后車快速行駛，以此來縮短兩車距離。另外，前車發(fā)生故障時，應使得后車在與其距離過近時自動停車，防止出現(xiàn)兩車相撞的情況。4.3.3 位置判斷流程圖
位置判斷流程圖如圖4-4所示。
圖4-4 位置判斷流程圖
本設計中，兩個小車需要構成一個協(xié)作的系統(tǒng)平臺，因此，需要不斷地判斷自己的位置。在此設計中，在完整軌道中平均選擇了8個定位點，在小車途經(jīng)這8個定位點時，單片機選擇一個變量來計算小車在行駛過程中所經(jīng)過的總點數(shù)，從而來大致判斷小車的所在位置。當計數(shù)達到8時，表示小車已經(jīng)運行了一整圈回到出發(fā)點，故計數(shù)清零。
軌道圖如圖4-5所示。
圖4-5 軌道圖
4.3.4 藍牙通信流程圖
在本設計中，兩個小車要通過相互協(xié)作來構成一個智能小車系統(tǒng)，因此，在小車運行過程中，兩小車需要在必要的時刻相互通信并發(fā)送指令。在此系統(tǒng)中，小車A為整個系統(tǒng)的中樞，一切信息要在小車A的單片機中進行運算處理，再將控制命令由小車A發(fā)出。藍牙通信流程圖如圖4-6所示。
圖4-6 藍牙通信流程圖
4.4 本章小結
本章首先介紹了針對軟件設計的要求、過程等注意事項，然后系統(tǒng)的介紹了針對本設計的軟件結構各個模塊的設計方案、思路，并列出了各個主要模塊的設計流程圖。5 系統(tǒng)功能測試
在完成系統(tǒng)的設計與制作后，必須要對所設計的系統(tǒng)進行測試。通過測試，檢測需要單片機所完成的功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)。5.1 系統(tǒng)功能測試
測試過程中，首先依次對各個小車進行單獨的模塊功能測試，然后再進行整個系統(tǒng)的功能測試。即首先分別對小車A、小車B進行單獨循跡功能的測試，查看小車A、B的性能。然后再將小車A、B通過藍牙連接相互通信，測試整個系統(tǒng)的性能。
小車A循跡功能單獨測試，結果如表5-1所示。
表5-1 小車A循跡測試結果
第一圈 第二圈 第三圈 第四圈 第五圈 1 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 6 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成
卡頓
完成 完成 卡頓
完成 完成 完成
卡頓
完成 卡頓
小車B循跡功能單獨測試，結果如表5-2所示。
表5-2 小車B循跡測試結果
第一圈 第二圈 第三圈 第四圈 第五圈 1 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成
卡頓
完成 完成 完成 完成
系統(tǒng)性能測試，結果如表5-3所示。
表5-3 系統(tǒng)功能測試結果
第一圈 第二圈 第三圈 第四圈 第五圈
運行正常 運行正常
小車A在定位點3處連續(xù)探測到2次定位標志，造成出錯
運行正常 運行正常
5.2 測試結果分析
小車A在運行過程中，由于傳感器、電機等設備問題，有時會造成中途卡頓，導致小車無法正常運行，但總體結果基本正確，不影響實驗結果。
小車B與小車A相比，運行較為流暢，基本可以正常運行，很少會出現(xiàn)故障，達到預期目標。
在整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行時，除了小車偶爾發(fā)生的卡頓意外，基本不會造成其他故障，基本可以達到預期的效果。
總體而言，主要是由于傳感器并不精確，在室內(nèi)光線、太陽光等燈光的影響下，偶爾會導致運行出現(xiàn)故障。但從整體來看，基本功能都可以正常實現(xiàn)，不影響觀測結果，系統(tǒng)基本能夠正常運行。6 結論與展望 6.1 結論
在本設計中，A、B兩個小車的控制核心都選用的是AT89S52單片機，這使得小車具有較好的穩(wěn)定性和持續(xù)性。循跡裝置選擇的是體積小、功耗低、應用方便、集成度高的QTI傳感器DM-S53401。電機選擇的是兩輪獨立的直流伺服電機，通過控制兩個輪不同的轉(zhuǎn)速來改變方向。車間通信選擇的是藍牙通信裝置HC-05，它具有較高的可靠性，可以保證兩車順利的完成通信功能。
在小車運行的過程中，利用QTI傳感器來實時監(jiān)測小車的路面信息，單片機接收并處理傳感器監(jiān)測到的信號，將運動控制指令發(fā)送給電機，使得小車正常行駛。此外，兩個小車還通過藍牙裝置進行車間通信，并根據(jù)兩車的狀態(tài)調(diào)整小車的運動狀況。該系統(tǒng)最終能夠完成的功能有：循跡、變速、保持兩車間距穩(wěn)定、緊急停車。6.2 展望
本智能小車系統(tǒng)最主要的前景是運用到無人駕駛汽車上。一方面，可以通過小車系統(tǒng)的車間通信規(guī)劃行車路徑，充分利用現(xiàn)有的道路資源，提高道路利用率，減少堵車事件的發(fā)生；另一方面，還通過安裝各種傳感器感知路面狀況來避免交通事故的發(fā)生。參考文獻：
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致謝
歷時四個多月的本科畢業(yè)論文即將完成了，心中有著許多感慨。這幾個月來，從最初的選題、查找資料、撰寫開題報告、選擇零件設備、學習軟硬件的使用、測試、撰寫初稿、以及后期的論文修改，無時無處不存在盧教授的幫助和指導，這一幕幕都在我的腦海中留下了深深的印象，這讓我的心中有著無限的感激和感動。
由于考研復試占用了一定的設計論文的時間，所以在開始畢業(yè)設計的時侯時間已經(jīng)有點兒緊張。在回到學校開始做畢業(yè)設計的前兩個月，幾乎每天都呆在實驗室。在此，我非常感謝仝老師提供給我的實驗環(huán)境。如果沒有一個理想的實驗環(huán)境，我的論文和設計根本無法在短短的幾個月內(nèi)完成。
同時，在這一年里，我也查閱了不少的資料，這些資料使我的論文更加完整。所以，非常感謝大同大學圖書館，感謝參考文獻中的每一位作者。
最后，還要感謝我的同學、朋友在我做畢業(yè)設計時為我提供的幫助和支持！
第二篇：基于單片機的智能跟隨小車的設計與實現(xiàn)
基于單片機的智能跟隨小車的設計與實現(xiàn)
【摘要】本文設計了一種能夠通過傳感器實時采集信號、智能分析周圍環(huán)境以及路徑信息、自動控制方向等功能的智能小車。小車以STC89c52單片機控制為核心，利用車前三個反射式紅外發(fā)射―接收探頭檢測周圍信息，以及利用光電傳感器檢測前方物體，并將檢測信號反饋給單片機，實現(xiàn)小車的避障和跟隨功能。基于STC89C52單片機的智能小車系統(tǒng)結構簡單，性價比高，易于推廣和移植，具有廣闊的應用前景。
【關鍵詞】STC89C52；避障；跟隨；光電傳感器
引言
隨著科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，越來越多的智能車得到普及普及，和傳統(tǒng)汽相比，智能小車具有更好的安全性，機動性和廣泛的應用性。智能小車，也就是輪式機器的智能化成果，是一種集傳感器應用，智能芯片控制，驅(qū)動控制的高科技創(chuàng)意性設計。智能小車的功能是對指定的目標物進行跟蹤和實時的躲避障礙物，這是他與其他小車最大的區(qū)別也是最大的一個特點。小車通過紅外傳感器對目標物體進行實時識別和跟蹤，并且及時的躲避障礙物，具有靈敏性好，智能化程度高的特點。如果把它用在超市，將會極大地方便人們的生活。如果用在商城和機場，人們也不用提著沉重的行李箱滿地跑了。
1、總體方案設計
智能小車總體設計內(nèi)容：一是STC89C52芯片控制電路的設計；二是驅(qū)動電路的設計；三是光電傳感器電路的設計；四是避障系統(tǒng)的設計；五是電源穩(wěn)壓電路的設計；六是硬件的焊接組裝；七是軟件的編程調(diào)試。小車總共分為5個部分，以單片機為核心的主控模塊，電源模塊，紅外傳感模塊，驅(qū)動模塊，避障模塊。具體工作原理是：紅外傳感器在預設距離內(nèi)檢測前方是否有目標物體，如果有則自動進行跟隨。同時，紅外光電對管檢測前方障礙物，當檢測到前方有障礙物并且小于預設值時將把信息發(fā)回給單片機，控制驅(qū)動電路讓車輪停止轉(zhuǎn)動并后退繞過障礙物繼續(xù)跟隨。
2、系統(tǒng)的硬件設計
2.1主控模塊
主控模塊通過單片機利用程序來精確控制小車的運動，從而實現(xiàn)對小車的自動控制。STC89C52單片機具有控制簡單、方便、快捷等優(yōu)點，因此我們采用STC89C52單片機作為控制芯片。
2.2傳感器模塊
本設計所采用的傳感器是集發(fā)射與接收為一體的光電傳感器，具有很多其他傳感器所沒有的特性比如發(fā)射機距離遠，抗干擾能力強，結構簡單，可調(diào)節(jié)等優(yōu)良的特點[1]。紅外傳感器是利用物體對近紅外線光束的反射原理，由同步回路感應反射回來的光，據(jù)其強弱來檢測物體的存在與否。通過有無信號來輸出高低電平，然后把信號送給單片機處理，實現(xiàn)實時跟隨的功能。紅外探測法是避障模塊所使用的方法，就是利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同反射性質(zhì)的特點來進行避障[2]。由于紅外光遇到白光的時候會發(fā)生漫反射，光電傳感器就可以不斷向外發(fā)射紅外光，接收管就能接收到反射回來的信號，然后發(fā)送到單片機。若遇到黑色的物體將不會接收到信號而檢測到障礙物進而啟動躲避系統(tǒng)。傳感器模塊原理圖如圖2所示。
2.3驅(qū)動模塊
驅(qū)動模塊采用L298N驅(qū)動芯片，總共有四路輸入，四路輸出。INX均接單片機的P1口，IN1和IN3口控制輪子正轉(zhuǎn)，IN2和IN4口控制輪子逆轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)輸入信號的占空比來調(diào)節(jié)小車輪子轉(zhuǎn)動的速度。當小車左側(cè)遇到障礙物時，驅(qū)動電路控制右側(cè)輪子不動，左側(cè)輪子加速轉(zhuǎn)動，進行右轉(zhuǎn)；當小車右側(cè)遇到障礙物時，情況正好相反；當小車前方遇到障礙物時，驅(qū)動電路控制輪子停止，然后反轉(zhuǎn)后退，繞過障礙物繼續(xù)前進。
2.4電源模塊
電源供電模塊，使用的是直流穩(wěn)壓[3]電源，輸入的是直流+12V電壓，運用三線穩(wěn)壓器件7805，輸出+5V直流電壓。電源部分電路設計簡單方便，同時也充分發(fā)揮了穩(wěn)壓器保護電路的作用。
3、系統(tǒng)的軟件設計
軟件設計部分決定了智能小車能否實現(xiàn)其跟隨和避障的功能，是本次設計的關鍵部分。小車程序分為以下三部分：主程序部分，跟隨和避障程序部分，驅(qū)動程序部分[4]。主程序流程圖如圖3所示。
4、仿真測試
基于PROTEUS仿真軟件，我們設計了智能跟隨小車控制電路的仿真圖，如圖4所示。
由于PROTEUS軟件中沒有紅外傳感器，所以我們用從上到下編號1-6的六個開關代替?zhèn)鞲衅鳎瑏韺崿F(xiàn)探測目標的功能[5]。圖中四個電機的轉(zhuǎn)動方向代表四個輪子的轉(zhuǎn)動方向，同時速度的快慢也可以從圖中顯示出來。首先，閉合開關3，表示發(fā)現(xiàn)目標物體，四個輪子正轉(zhuǎn)，并且加速前進，閉合開關4，表示遇到障礙物，輪子停止轉(zhuǎn)動并且反向轉(zhuǎn)動直到障礙物離開檢測范圍。斷開開關3、4，閉合開關5，表示目標物體向左移動，此時左側(cè)輪子停止轉(zhuǎn)動，右側(cè)輪子正轉(zhuǎn)并且加速轉(zhuǎn)動，當小車右側(cè)出現(xiàn)目標物是動作與之相反。閉合開關6，表示左側(cè)有障礙物，這時右側(cè)輪子不動，左側(cè)輪子正轉(zhuǎn)，實現(xiàn)向右轉(zhuǎn)向的目的。當小車右側(cè)出現(xiàn)障礙物時動作與之相反。
5、系統(tǒng)調(diào)試
先進行硬件調(diào)試，通過仿真好的電路圖[6]，用萬用表檢測已經(jīng)焊好的電路板上每一個節(jié)點是否有短路、斷路和接觸不良的情況，看各個節(jié)點電壓是否正常。當硬件調(diào)試沒有問題，完成了以后進行軟件調(diào)試，通過修改各個接口對應的程序進行調(diào)試，最終完成軟件的修改，達到了預期的效果。
6、結束語
本次項目設計非常成功，通過老師的指導和我們的團隊合作，小車很好了實現(xiàn)了其跟隨和避障的功能效果。最然在開始我們對這個項目沒有任何的頭緒，但是經(jīng)過我們共同的努力成功完成了這個作品，每一個人都感到了團隊合作的艱辛和成功后的喜悅。通過實驗測試智能跟隨小車的靈敏性，效果良好，能夠很好的按照預期完成指定動作，并且運行穩(wěn)定。
參考文獻
[1]周繼明，江世明.傳感器技術及應用[M].長沙：中南大學出版社，2005.[2]馮博琴，吳寧.微型計算機原理與接口技術[M].北京：清華大學出版社，2011.[3]余錫存，曹國華.單片機原理及接口技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007.[4]李學禮.基于Proteus 的8051單片機的實例教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.[5]譚浩強.C++面向?qū)ο蟪绦蛟O計[M].清華大學出版社，2006.[6]周潤景，郝曉霞.傳感器與檢測技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.[7]來清民.傳感器與單片機接口及實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.作者簡介
張文霞，女，1982年生，鄂爾多斯市人，在讀博士，講師，工作于內(nèi)蒙古大學鄂爾多斯學院，研究方向為圖像處理及模式識別。
第三篇：智能小車嵌入式系統(tǒng)設計分析
前言
智能小車是在動態(tài)不確定環(huán)境下對人工智能的考驗，是以各種工控目的為載體的高科技對抗，是培養(yǎng)信息、自動化領域科技人才的重要手段，同時也是展示高科技水平的生動窗口和促進科技成果實用化和產(chǎn)業(yè)化的有效途徑。智能小車的研究融入了機器人學、機電一體化技術、通訊與計算機技術、視覺與傳感器技術、智能控制與決策等多學科的研究成果，反映出一個國家信息與自動化技術的綜合實力。所以本論文對智能小車的研究意義重大。
-0
一、總體設計方案
1.總體方案
智能小車可在自主行駛和人工控制兩種模式之間切換，并實現(xiàn)自動避障。通過PWM輸出驅(qū)動步進電機來實現(xiàn)小車的行駛，改變PWM的周期、占空比、正反則可以實現(xiàn)前進、后退、轉(zhuǎn)彎、加速、減速等行為。通過紅外探頭檢測前方障礙實現(xiàn)自動避障。外接紅外線接收器，可以通過自制的紅外線遙控來控制小車的行為。
2.平臺選取
EasyARM1138開發(fā)板
開發(fā)板搭載Luminary LM3S1138芯片，為32位ARM Cortex – M3內(nèi)核（ARM v7架構），50Mhz運行頻率。擁有7組GPIO，可配置為輸入、輸出、開漏、弱上拉等模式。4個32位Timer，每個都個拆分為2個獨立子定時器。6路16位PWM，通過CCP管腳能產(chǎn)生高達25Mhz的方波。
自制車架
3456789 SYSCTL_SYSDIV_10);// 分頻結果為20MHz */
TheSysClock = SysCtlClockGet();// 獲取系統(tǒng)時鐘，單位：Hz
}
int main(void){ jtagWait();/* 防止JTAG失效，重要！*/
SystemInit();
IR_Int_Init();
while(1){ if(IR_flag == 1){ IR_flag = 0;for(a = 18;a < 26;a++){ IR_code_8 = IR_code_8 << 1 + IR_code_32[a];}
if(IR_code_8 == 101){ SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOD);// 使能GPIOD端口
GPIOPinTypeGPIOOutput(GPIO_PORTD_BASE , GPIO_PIN_0);// 設置PD0為輸入類型 //forword GPIOPinWrite(GPIO_PORTD_BASE , GPIO_PIN_0 , 0x00);// PD0輸出低電平 }
IR_code_8 = 0;
//switch(IR_code_8)//{ //case /*00000*/101:SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOD);// 使能GPIOD端口
// GPIOPinTypeGPIOOutput(GPIO_PORTD_BASE , GPIO_PIN_0);
// 設置PD0為輸入類型 //forword //
GPIOPinWrite(GPIO_PORTD_BASE , GPIO_PIN_0 , 0x00);// PD0輸出低電平 //case /*0000*/1101://back //case /*0000*/1000://left //case /*0000*/1010://right //case /*0000*/1001://stop //case /*000*/10100://level_1 //case /*000*/10101://level_2 //case /*000*/10110://level_3 //default : //} //IR_code_8 = 0;} } }
/**************************************************************** ** Function name: GPIO_PORT_F_ISR
消除中斷 不正 if(gap >=10 && gap <=20)//接收數(shù)據(jù)“1” { data = 1;code_flag = 1;} else if(gap >=2 && gap <=8)//接收數(shù)據(jù)“0” { data = 0;code_flag = 1;} else if(gap >=40 && gap <=50)//正常的其實高電平時間 { start_flag = 1;}
if(start_flag
&& //code_flag和start_flag均為1 { IR_code_32[i] = data;i++;
if(I >= 32){ IR_flag = 1;break;} } } } //} GPIOPinIntClear(IR_PORT,ulStatus);//-14 ** Descriptions: 延時100us ** input parameters: 無 ** output parameters: 無 ** Returned value: 無 ** Created by:
張偉杰
** Created Date: 2014.05.18 ****************************************************************/ void Delay_100_us(void){ unsigned ulValue;
SysTickPeriodSet(600);SysTickEnable();do { ulValue = SysTickValueGet();} while(ulValue > 0);
SysTickDisable();}
3.紅外探頭模塊
#include
/* 定義按鍵 */ #define KEY_PORT SYSCTL_PERIPH_GPIOG #define KEY_PIN GPIO_PORTG_BASE , GPIO_PIN_5 #define keyGet()GPIOPinRead(KEY_PIN)
#define IR_PORT SYSCTL_PERIPH_GPIOF #define IR_PIN GPIO_PORTF_BASE , GPIO_PIN_1
// 定義全局的系統(tǒng)時鐘變量
unsigned long TheSysClock = 12000000UL;unsigned IR_flag = 0;unsigned long IR_code_32[32];unsigned long IR_code_8 = 0;unsigned a;
int Time_Get();void Delay_100_us();
/**************************************************************** ** Function name: jtagWait ** Descriptions: 防止JTAG失效,KEY=PG5 ** input parameters: 無 ** output parameters: 無 ** Returned value: 無 ** Created by:
張偉杰
** Created Date: 2014.05.15 ****************************************************************/ void jtagWait(void){ SysCtlPeripheralEnable(KEY_PORT);/*
使能KEY所在的GPIO端口 */ GPIOPinTypeGPIOInput(KEY_PIN);/* 設置KEY所在管腳為輸入 */ if(keyGet()== 0x00){ /* 如果復位時按下KEY，則進入 */ for(;;);/* 死循環(huán)，以等待JTAG連接 */ } SysCtlPeripheralDisable(KEY_PORT);/* 禁止KEY所在的GPIO端口 */ }
/**************************************************************** ** Function name: IR_Int_Init ** input parameters: 無 ** output parameters: 無 ** Returned value: 無 ** Created by:
張偉杰
** Created Date: 2014.05.18 ****************************************************************/ void IR_Int_Init(void){ SysCtlPeripheralEnable(IR_PORT);GPIOPinTypeGPIOInput(IR_PIN);GPIOIntTypeSet(IR_PIN,GPIO_LOW_LEVEL);GPIOPinIntEnable(IR_PIN);
IntEnable(INT_GPIOF);IntMasterEnable();}
-***3 SysTickPeriodSet(600);SysTickEnable();do { ulValue = SysTickValueGet();} while(ulValue > 0);
SysTickDisable();}
三、程序調(diào)試
調(diào)試PWM信號時，由于板上晶振為6Mhz，裝載值和匹配值最大為65535，可以設置出需要的周期和占空比。如
TimerLoadSet(TIMER0_BASE , TIMER_BOTH , 60000);TimerMatchSet(TIMER0_BASE , TIMER_A , 6000);則對應的周期為6Mhz / 60K = 100Hz,占空比為0.6K / 6K = 1/10。配置PWM前要先配置GPIO口，定義為PWM輸出，并選擇Timer的輸出模式為16位PWM，經(jīng)過三重配置才能正確輸出PWM信號。紅外接收器解碼過程重點是對紅外碼內(nèi)間隔時間的判斷。調(diào)試紅外碼時應當設當?shù)卦O置flag幫助多個判斷。當引導碼時間參數(shù)符合標準時flag1置1,接收到正確的紅外碼，進入下一步。當用戶碼每個間隔符合標準的時間間隔時flag2置1，表示該一位碼正確，進入一下步。當接收到32位數(shù)據(jù)后flag3置1，表示紅外碼結束，開始進行解碼。解碼部分用case語句進行判斷。紅外碼用數(shù)組儲存，使用的時候會方便一點。例如: for(a = 18;a < 26;a++){ IR_code_8 = IR_code_8 << 1 + IR_code_32[a];} 這樣就可以隨意獲取某幾位碼進行下一步操作。
四、小結
本次課內(nèi)實驗把我?guī)нM了ARM的領域，通過動手編程和小組討論，讓我對項-25
第四篇：基于CMOS的智能小車視覺系統(tǒng)的設計
基于CMOS的智能小車視覺系統(tǒng)的設計
摘要：本文主要介紹了基于CMOS數(shù)字圖像攝像機在智能小車項目中構建視覺系統(tǒng)的應用。首先介紹了智能小車視覺監(jiān)控系統(tǒng)的硬件構成。再敘述了視覺圖像監(jiān)控軟件系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)從功能上主要分成六個模塊，整個軟件系統(tǒng)通過六個模塊協(xié)調(diào)工作，共同完成任務。實驗表明，本文所敘述方案設計的有效性和正確性，并具備一定參考和實用價值。
關鍵詞：CMOS；視覺監(jiān)控系統(tǒng)；障礙物識別
中圖分類號：S611文獻標識碼：A 文章編號：前言
智能小車，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系統(tǒng)。智能小車對環(huán)境的感知能力要求智能小車具有環(huán)境感知傳感器，隨著機器視覺理論的發(fā)展以及視覺系統(tǒng)本身具有的優(yōu)勢，視覺傳感器己是最重要的選擇。
智能小車視覺系統(tǒng)的總?cè)蝿帐黔h(huán)境感知。視覺感知是利用圖像輸入系統(tǒng)加上圖像處理分析系統(tǒng)來完成的。而其最主要和最基本的功能就是視頻圖像的檢測識別和預警，即確定智能小車所觀察各種復雜環(huán)境中是否出現(xiàn)障礙物，并對其安全行駛起到輔助作用。
本文主要針對自主開發(fā)的智能小車，選用新型高集成度的硬件設備，配合以VC++模塊化程序設計的軟件系統(tǒng)進行視覺系統(tǒng)的開發(fā)。智能小車視覺系統(tǒng)硬件的構成2.1 智能小車視覺系統(tǒng)硬件設計思想
智能小車的視覺系統(tǒng)是要為智能小車開發(fā)具有類似人類視覺能力。
智能小車視覺系統(tǒng)是模仿人類的視覺系統(tǒng)進行搭建。是以計算機為中心，由視覺傳感器、圖像采集卡等構成。
2.2 硬件選用
根據(jù)智能小車的自身特點，要求其視覺系統(tǒng)平臺的搭建滿足體積小、重量輕、功耗小、高適應性、成像速度快、可靠傳輸性強、性價比高等特點。經(jīng)過綜合考慮本實驗選用MVC1000SA數(shù)字攝像機，并同時選配LM12JCM的光學鏡頭。
MVC1000SA 數(shù)字攝像機是由CMOS數(shù)字圖像傳感器芯片、芯片外圍電路及集成的顯示控制器的圖像采集卡構成。通過Gigabit Ethernet數(shù)字接口，連接于計算機的千兆網(wǎng)卡和計算機進行數(shù)據(jù)的通信。
2.3 其他配件
智能小車動力采用36V直流充電電瓶，MVC1000SA數(shù)字圖像攝像機使用12V直流供電。因此需要設計專門的攝像機供電電源。
在要求輸出電壓是固定標準值，且技術要求不是很高的穩(wěn)壓電源時，可選擇三端固定輸出電壓式集成穩(wěn)壓器，本次設計選擇W78XX系列集成穩(wěn)壓器得到正電壓的輸出。7812，7824．是常用的固定正輸出電壓的集成穩(wěn)壓器，輸出電壓分別為+24V和＋12V，最大輸出電流為1A。它內(nèi)部含有限流保護、過熱保護和過壓保護電路，采用噪聲低、溫度漂移小的基準電壓源，工作穩(wěn)定可靠。
3智能小車視覺系統(tǒng)軟件設計
3.1 圖像處理顏色空間模型的建立
由攝像機獲取智能小車前方目標圖像，因彩色圖像能夠反映更多的空間信息,本系統(tǒng)采用HSI顏色空間模型進行圖像分析與識別，但由于COMS攝像機采集的圖像是RGB格式，所以需要把RGB模型轉(zhuǎn)換為HSI顏色模型，然后再進行相關的圖像處理。縮短其響應時間，更有利于對智能小車的實時控制。兩者轉(zhuǎn)換公式如下：
3.2 軟件設計的主要功能模塊
智能小車視覺系統(tǒng)，主要完成對小車行進時攝像機所拍攝到實時圖像的進行采集、實時顯示、圖像avi存儲及對視野內(nèi)是否有障礙物出現(xiàn)的進行分析判斷，對判斷出現(xiàn)的障礙物圖像信息進行圖片形式存儲以備后續(xù)的圖像分析使用。并將判斷結果傳送到智能小車控制總系統(tǒng)中，配合智能小車上安裝的紅外線測距傳感器、超聲波測距傳感器等多種傳感器進行信息分析處理，并依據(jù)對其處理結果對下位機發(fā)出指令，控制智能小車電機驅(qū)動器等執(zhí)行裝置，共同完成智能小車的避障。
（1）實時采集顯示模塊：
智能小車圖像實時采集在硬件上是通過攝像機完成的，將安裝在智能小車前端攝像機所拍攝到周圍環(huán)境的圖像傳輸顯示到視覺監(jiān)控軟件平臺上。在小車行駛過程中，這些圖像實時的反映了智能小車和周圍環(huán)境的關系。本模塊主要功能為打開設備，檢查設備是否正常連接；打開圖像實時采集，在軟件顯示屏上顯示實時圖像；可設置顯示幀率；關閉實時顯示，關閉設備，退出程序。
（2）障礙物判斷存圖模塊：
本模塊運行時打開判斷采集模式；可設置全屏模式障礙物識別；可設置區(qū)域模式障礙物識別；可設置判定障礙物的參數(shù)；可設置存圖路徑及存圖格式。本實驗中根據(jù)智能小車運行的特點：無固定場景，無指定路線等。本文提出了在非固定場景復雜背景下選用適用于彩色分割的HSI顏色模型，利用了受周圍整體環(huán)境影響較小，但對視野內(nèi)障礙物變化較明顯的H分量對障礙物進行判斷預警，提高了對視野內(nèi)障礙物判斷的實時性。
（3）通信預警模塊：
智能小車視覺監(jiān)控軟件與上位機組態(tài)軟件共用一臺處理器，故處理器的性能將受到很大的制約。當障礙物判斷模塊判斷出障礙物出現(xiàn)時進行存圖。此時激發(fā)預警模塊，將存圖的數(shù)目顯示在監(jiān)控軟件工作狀態(tài)欄內(nèi)。同時把信息寫入可控日志中。上位機通過定時掃描讀取日志，獲取信息，完成軟件間的通訊。
（4）AVI圖像錄制模塊：
試驗中錄制的AVI文件中的數(shù)據(jù)流只包含視頻流。通過設置默認對實時捕捉的頻率為每秒15幀。通過錄制視頻對話框，及視頻文件保存對話框進行視頻保存設置。保存模塊采用MPEG-4基于對象的壓縮解碼技術進行智能小車運動過程視頻信息的保存。
（5）工作狀態(tài)顯示模塊：
在整個系統(tǒng)運行過程中需要隨時顯示采集狀態(tài)以及所連接設備的狀態(tài)等，這樣可以使用戶只需通過屏幕就可以了解系統(tǒng)狀態(tài)，而不需要再分散注意力再去關注其它因素。本模塊顯示使用攝像機的硬件信息；顯示采集顯示狀態(tài)；判斷存圖狀態(tài)；顯示當前存圖數(shù)量。
（6）顯示圖像管理模塊：
顯示圖像管理模塊主要完成的是顯示參數(shù)的設置。主要完成白平衡調(diào)節(jié)；圖像采集參數(shù)調(diào)節(jié)；圖像顯示比例調(diào)節(jié)。
3.3 軟件界面設計分布
實驗軟件系統(tǒng)采用基于MFC文檔的模塊化程序設計。采用VC++來進行圖像編程的主要原因是，VC++在程序運行的效率、內(nèi)存使用的可控性和編程的靈活性上具有優(yōu)勢。圖像處理需要進行大量的圖像數(shù)據(jù)運算，經(jīng)常使用復雜、費時的算法，因此圖像處理程序的運行效率非常重要。VC++代碼被編譯成匯編語言，可以直接在處理器上運行，效率很高。
圖1 軟件界面結論
本文對智能小車視覺系統(tǒng)進行了硬件方面和軟件方面進行設計，由此可以得出如下結論：
1)運用MVC1000SA-GE30攝像機，利用其低能耗、高速處理能力且安裝操作簡單方便。
2)提出了在非固定場景復雜背景下選用適用于彩色分割的HSI顏色模型，利用變化較明顯的H分量對障礙物進行判斷預警，提高了對視野內(nèi)障礙物識別的實時性。
3)視覺監(jiān)控軟件系統(tǒng)基于Window，操作簡便，界面友好。
參考文獻：
[1]張廣軍.機器視覺[M].北京.科學出版社，2005.[2]桑卡（美）.圖像處理、分析[M].北京.清華大學出版社，2009.作者：林靜(1982-)碩士
注：文章內(nèi)所有公式及圖表請用PDF形式查看。
第五篇：智能小車設計報告
機器人控制技術
實驗設計報告書
題
目：基于STC89C52的智能小車的設計 姓
名：李如發(fā) 學
號：073321032 專
業(yè)：電氣工程及其自動化 指導老師：李東京 設計時間：2010年 6 月
目
錄
1.引 言..............................................1 1.1.設計意義......................................1 1.2.系統(tǒng)功能要求..................................1 1.3.本組成員所做的工作............................1 2.方案設計...........................................1 3.硬件設計...........................................2 4.軟件設計...........................................7 5.系統(tǒng)調(diào)試...........................................7 6.設計總結...........................................8 7.附 錄A；源程序.....................................8 8.附 錄B；作品實物圖片...............................10 9.參考文獻..........................................11
16×16點陣LED室內(nèi)電子顯示屏的設計
單片機原理及應用課程設計
基于STC89C52的智能小車的設計
1.引 言
1.1.設計意義
本智能小車的設計，首先針對大學所有學習的知識是一個很好的回顧和總結。此智能小車是基于單片機所設計的，具有自動尋跡能力，在實際的很多方面有應用。當我們進一步的改進機器人系統(tǒng)時，可實現(xiàn)更重要的功能，如可設計出自動撲火機器人等。1.2.系統(tǒng)功能要求
此智能小車是基于STC89C52設計的具有自動尋跡能力的小車。系統(tǒng)可實現(xiàn)跟隨黑色引導線行走的能力，在行駛過程中，并能用測速傳感器和光電碼盤對小車速度實現(xiàn)實時監(jiān)測。小車在行駛過程中并能實現(xiàn)播放美妙的音樂。1.3.本組成員所做的工作
本組成員有李如發(fā)，汪航，黃建安，韓文龍，羅瑩，明菲菲，鄒珊，江銳，邵進。
李如發(fā)：驅(qū)動 073321032 汪航： 電源 073522036 黃建安：最小統(tǒng) 073521013 韓文龍：源程序 073522007 羅瑩： 傳感器 073522038 明飛菲：調(diào)試 073522012 鄒芬 ： 數(shù)碼顯示 073521025 邵琎 ： 焊接 073522017 江銳 ： 蜂鳴器 073522032
2.方案設計
智能小車主要分為傳感器部分，最小系統(tǒng)部分，電機驅(qū)動部分，電源部分。根據(jù)功能要求，提出合理的設計方案，畫出方案方框圖，并對系統(tǒng)工作原理進行闡述。
原理，本系統(tǒng)的重要部分是傳感器，它對整個小車的定位起到很重要的作用，由傳感器檢測黑線的位置，其中黑線對光能吸收，白線對光反射。利用此原
16×16點陣LED室內(nèi)電子顯示屏的設計
單片機原理及應用課程設計
理將紅外線傳感器采集到的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并送入單片機，單片機根據(jù)收到的信號實時的控制小車的方向。控制小車的方向主要是運用pwm原理來控制電機的平均電壓，從而來控制電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)小車對黑線的實時跟蹤。
3.硬件設計
硬件設計各模塊電路圖及原理描述 傳感器模塊
方案1：用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。
但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。
方案2：用RPR220型光電對管。RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。
方案3：用紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。我們選擇了此方案。
傳感器是整個系統(tǒng)的眼睛，這部分主要運用紅外線傳感器采集信號送給單片機處理。由于黑色車道對紅外線傳感器發(fā)出的光有吸收能力，白色地方對發(fā)出的光反射，從而當傳感器在不同的地方產(chǎn)生不同的信號，傳送個單片機。單片機根據(jù)采集的信號做出實時的處理。
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單片機原理及應用課程設計
最小系統(tǒng)
最小系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的心臟，我們采用的是AT89C52芯片。
80C52單片機是把那些作為控制應用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上[2]。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。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結構依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結構模式。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。
驅(qū)動模塊
方案1：采用專用芯片L298N作為電機驅(qū)動芯片。L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流
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電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。
方案2：對于直流電機用分立元件構成驅(qū)動電路。由分立元件構成電機驅(qū)動電路，結構簡單，價格低廉，在實際應用中應用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。
因此我們選用了方案1。
由于最小系統(tǒng)和電機驅(qū)動部分的電壓幅值不一樣，而且電機是感性負載，在制動時可能反饋電流，因此要在最小系統(tǒng)和驅(qū)動模塊之間采用光電隔離，所以用到了光電隔離芯片,TPL521-4
由于光耦芯片的引腳不夠所以在之后采用了一片反相器74HCT14，反相器圖如下
L298是雙H橋高電壓大電流功率集成電路，直接采用TTL邏輯電平控制，可用來驅(qū)動繼電器、線圈、直流電動機、步進電動機等電感性負載。它的驅(qū)動電壓可達46V，直流電流總和可達4A。其內(nèi)部具有2個完全相同的PWM功率放大回路。由L298構成的PWM功率放大器的工作形式為單極可逆模式。12個H橋的下側(cè)橋晶體管發(fā)射極連在一起，其輸出腳(1和15)用來連接電流檢測電阻。第9腳接邏輯控制部分的電源，常用+5V，第4腳為電機驅(qū)動電源，本系統(tǒng)中為40V，第5，7，10，12腳輸入標準TTL邏輯電平，用來控制H橋的開和關，16×16點陣LED室內(nèi)電子顯示屏的設計
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第6，II腳則為使能控制端。當Vs=40V時，最高輸出電壓可達35V，連續(xù)電流可達2A。
L298可驅(qū)動2個電動機，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機，本實驗裝置我們選用驅(qū)動兩臺電動機。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。電動 機的轉(zhuǎn)速由單片機調(diào)節(jié)PWM信號的占空比來實現(xiàn)。
L298驅(qū)動電路圖
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PWM調(diào)速器的硬件組成
在整個PWM調(diào)速器中，CPU既是運算處理中心，又是控制中心，是最關鍵的器件。本系統(tǒng)中選用與MCS-51系列完全兼容的AT89C52單片機，它是一種低功耗、高性能、CMOS八位微處理器。片內(nèi)具有8K字節(jié)的在線可重復編程快擦快寫程序存儲器，128x8位內(nèi)部RAM，AT89C52可構成真正的單片機最小應用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)成本。
電源模塊
電源中我們采用LM7805穩(wěn)壓芯片將12v直流電源穩(wěn)壓成5v直流源。方案1： 采用10節(jié)1.5V干電池供電，電壓達到15V，經(jīng)7812穩(wěn)壓后給支流電機供電，然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。但干電池電量有限，使用大量的干電池給系統(tǒng)調(diào)試帶來很大的不便，因此，我們放棄了這種方案。
方案2：采用3節(jié)4.2V可充電式鋰電池串聯(lián)共12.6V給直流電機供電，經(jīng)過7812的電壓變換后給支流電機供電，然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。鋰電池的電量比較足，并且可以充電，重復利用，因此，這種方案比較可行。但鋰電池的價格過于昂貴，使用鋰電池會大大超出我們的預算，因此，我們放棄了這種方案。
方案3：采用12V蓄電池為直流電機供電，將12V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強的電流驅(qū)動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。雖然蓄電池的體積過于龐大，在小型電動車上使用極為不方便，但由于我們的車體設計時留出了足夠的空間，并且蓄電池的價格比較低。因此我們選擇了此方案。下:
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4.軟件設計
程序流程圖
5.系統(tǒng)調(diào)試
本系統(tǒng)的設計是首先完成每一小部分的設計，因此我們在沒完成一個模塊時就回檢測調(diào)試該模塊。在初次調(diào)試時我們采用的電源是又單片機開發(fā)板所帶的的電源來調(diào)試的。調(diào)試過程中我們就發(fā)現(xiàn)了很重要的問題，由于對本設計的很多模塊的沒有共同的接地使得很多模塊無法工作，我們的解決辦法是12v的直流源穩(wěn)壓來供給所以的模塊，然后將所以的模塊連接共同的地。在驅(qū)動模塊的調(diào)試中發(fā)現(xiàn)當光耦芯片給定信號時對lm298的輸出沒有反應。我們在檢驗時發(fā)現(xiàn)是由于在光耦芯片后部焊接沒有焊好，出現(xiàn)了虛焊。在重新焊接好后，芯片正常工作。分
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塊調(diào)試傳感器時，我們將傳感器導通，用黑色物體將傳感器發(fā)射部分蓋住檢測輸出，在將黑色物體移開，再檢測輸出。
6.設計總結
本文是關于基于單片機的智能小車的設計，在共同的努力下，各部分的設計均成功，在調(diào)試過程中都無誤。本次設計最終實現(xiàn)了直流電機的動態(tài)調(diào)壓，電源正常輸出供電，數(shù)碼管動態(tài)顯示數(shù)據(jù)，蜂鳴器播放美妙的音樂，小車實現(xiàn)簡單的轉(zhuǎn)彎功能。由于本次設計中尚存在些缺陷和對尋跡程序編寫困難，實現(xiàn)的功能不是很完美，但要求的所有功能基本實現(xiàn)。
本次設計中，從中的體會很多
1、本次的設計可以說設計到大學所學到的所有專業(yè)知識，是對大學所學知識的一個整體的回顧。
2、在設計中，不能一氣呵成，因為所有的電路圖都是自己設計的，圖中尚存在不足，所以要反復的琢磨和修改。
3、設計中要注意對每焊完一部分，都要獨立的進行檢查調(diào)試，及時的發(fā)現(xiàn)錯誤，及時的修改
4、本次最重要的收獲是從中我們看到了團隊合作的重要性，任何事都不是一個人所能完成的，需要大家的共同努力才能獲得最后的成功。
7.附 錄A；源程序
源程序代碼（主要語句要有注釋）。循跡的程序 #include
sbit R=P2^0;//右邊傳感器 sbit L=P2^1;//左邊傳感器 sbit RM1=P1^1;sbit RM2=P1^2;//右邊電機 sbit LM1=P1^3;sbit LM2=P1^4;//左邊電機 void main(){
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RM1=1;
RM2=0;
LM1=1;
LM2=0;
delay(5);
while(1)
{
if((L==1)&&(R==1))//小車前進 {
RM1=1;
RM2=0;
LM1=1;
LM2=0;
delay(5);
}
else if((L==1)&&(R==0))//小車右偏
{
RM1=1;
RM2=0;
LM1=0;
LM2=1;
//左邊的電機停止轉(zhuǎn)動，右邊的電機轉(zhuǎn)動，這樣就實現(xiàn)了左轉(zhuǎn)
delay(10);
}
else if((L==0)&&(R==1))//小車左偏
{
RM1=0;
RM2=1;
LM1=1;
LM2=0;
//右邊的電機停止轉(zhuǎn)動，左邊的電機轉(zhuǎn)動，這樣就實現(xiàn)了右轉(zhuǎn)
delay(10);}
else if((L==0)&&(R==0))//小車停車
{
RM1=0;
RM2=1;
LM1=0;
LM2=1;delay(5);
}
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else
//左右兩個電機同時啟動，直線前進
{
RM1=1;
RM2=0;
LM1=1;
LM2=0;
}
}
delay(10);
}
void delay(uint z)
{
uint a,b;for(a=z;a>0;a--)for(b=120;b>0;b--);}
8.附 錄B；作品實物圖片
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9.參考文獻
[1] Mark Nelson著.瀟湘工作室譯.串行通信開發(fā)指南[M].中國水利水電出版社，2002.[2] 王宜懷.單片機原理及其嵌入式應用教程[M].北京希望電子出版社，2002.[3] 張毅剛.單片機原理及應用.高等教育出版社，2009 [4] 康華光.電子技術基礎（模擬部分）.高等教育出版社.2006
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