基于ZigBee技术的无线智能小车硬件设计毕业论文

北京邮电大学毕业设计北京邮电大学毕业设计（论文）任务书第1页毕业设计（论文）题目：基于ZigBee技术的无线智能小车硬件设计毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）：1.综述无线智能小车的应用前景；2．深入了解无线智能小车的硬件设计的相关技术以及相关设备模块的使用；3．熟练掌握无线中小车中单片机烧写和擦除程序的能力；4．设计并实现对小车的移动功能以及红外智能避障功能；5．深入分析无线智能小车的关键技术与编写语言；6．训练检索文献资料和利用文献资料的能力；7．训练撰写技术文档与学位论文的能力。 第2页毕业设计（论文）主要内容：1．综述无线智能小车在各领域中的应用；2．熟练掌握AVRstudio的使用；3.熟悉无线智能小车的相关的设备模块的使用；4．通过对ATmega16的烧写，设计并实现小车的移动功能以及红外智能避障功能；5.组装各功能模块，实现上位机对智能小车无线操作以及红外智能避障功能；6.深入分析无线智能小车的关键技术与整个设计的流程；学生应交出的设计文件（论文）：1．内容完整、层次清晰、叙述流畅、排版规范的毕业设计论文；2．包括毕业设计论文、源程序等内容在内的毕业设计电子文档及其它相关材料。 第3页主要参考文献（资料）：1仝迪,张禾.基于ATmega16单片机的通用电机控制装置的设计[J].电子元器件应用，2010,12(7)2周海.机器人用直流减速电机的选用[J].电子制作,2005,9(3)3葛广军,杨帆.基于单片机的智能小车控制系统设计[J].河南城建学院学报,2011,20(3)4丁立军,华亮,陈峰.基于超声波传感器与红外传感器的移动机器人感测系统研制[J].南通大学学报(自然科学版),2008,7(2)5汤阳,戴光智,王锐鹏.家用自主吸尘机器人的研究和开发[J].计算机测量与控制,2006,14(11)6林少帅,谢勇,赵齐齐,郭志波.基于Atmega16的太阳能智能小车[J].科技视界,2012,(04)7孙绪才.L298N在直流电机PWM调速系统中的应用[J].潍坊学院学报,2009,9(04)8BonhyunKoo,KyusukHan,JamesJ.(JongHyuk)Park,TaeshikShon.Designandimplementationofawirelesssensornetworkarchitectureusingsmartmobiledevices[J].TelecommunicationSystems,2013,Vol.52(4),pp.2311-23209BojanKuljić,JánosSimon,TiborSzakáll.PathfindingBasedonEdgeDetectionandInfraredDistanceMeasuringSensor[J].ActaPolytechnicaHungarica,2009,Vol.6(1),pp.103专业班级软件1022班学生李卓要求设计（论文）工作起止日期2014年3月17日~2014年6月27日指导教师签字日期2014年3月17日教研室主任审查签字日期系主任批准签字日期10Kaewnopparat,A.,Sooraksa,P.Trackingproblemandobstacleavoidanceofmobilerobotsusingsimplefuzzycontrol[J].SongklanakarinJournalofScienceandTechnology,2004,Vol.26(5),pp.671绪论1.1课题研究背景及意义当今社会，科学技术日新月异，时代前进的步伐越迈越宽，自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及国防、机械、电子、宇航等各个领域，智能机器人也在改变着人们的生活方式。智能车辆，作为智能机器人家族中的一员，也已经成为自动化物流、柔性生产等系统中的关键设备。在建设以人为本的和谐社会的过程中，智能服务机器人同样能够完成许多危险作业，如宇宙探索、考古发掘，海底揭密等。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》一文指出：智能服务机器人是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备。以服务机器人和危险作业机器人应用需求为重点，研究设计方法、制造工艺、智能控制和应用系统集成等共性基础技术。如今许多领域诸如计算机科学、知识工程、工业一体化和机电一体化等都在讨论机械智能化，人们对于智能系统的要求也变得越来越强烈。对于人们的需求，传统的控制理念已经无法满足。而传统的控制与智能控制的有机的结合，才能取到取长补短、相辅相成的作用，才能提高整体的优势以便更好的满足人们的需求。随着自动控制技术、人工智能技术、计算机技术的迅速发展，智能控制必将开拓它的发展新道路。同时，计算机控制与电子技术融合也为电子设备智能化开辟了广阔前景。因此，智能控制的技术研究与应用有着非常重大的意义而且也有很高市场价值的。1.2国内外研究现状及发展趋势自20世纪50年代以来，许多国家都对智能车辆进行了研究，起初主要用于军用目的。但是随着城市化进程的加快和汽车的加速普及，以及卫星导航、无线通信、电子、信息等技术的飞速发展，车辆导航和监控系统和智能交通系统取得了巨大的发展。美国开始组织实施智能车辆先导（intelligentvehicleini2tiative,IVI）计划，欧洲提出公路安全行动计划（roadsafetyactionprogram,RSAP），日本也提出超级车辆智能车辆系统等计划。在我国，对智能车辆的研究起步较晚，知道20世纪90年代才被重视起来。到现在为止，有很多大学学校和一些研究机构都在从事这方面的研究，为智能小车控制领域提供了环境。我国科技部于2002年正式启动“十一五”科技攻关计划重大项目，其中一个重要内容就是进行车辆安全和辅助驾驶的研究。预计在2020年之前进入智能交通发展的成熟期，人、车、路之间形成稳定、和谐的智能型整体。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。比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。随着我国航天事业的发展，宇宙勘探、星球矿石的采集、气候温度的检测等都将成为未来的课题。在未来，智能化的机器必将改变我们的生活。1.3设计概要该智能小车的主体是一辆双轮驱动的小车。部分机械结构和零部件都安装固定在电路板上。只需添加适当的模块就可以实现相应的功能，非常适合实验阶段小车的研制。本节简述了无线智能小车自无线遥控和智能避障的设计时所选择的个模块设备。其中，小车的左右轮分别由2只减速电机提供动力,作为驱动轮。通过ATmega16主控芯片控制传感器输入输出的信号，控制方式由软件代码来实现。使用L298N做为电机驱动。ZigBee作为无线通讯装置。HJ-IR2红外传感器安装于小车前方，用于发射和接收红外线，以实现智能避障功能。

2技术简介2.1Proteus技术简介2.1.1Proteus软件介绍Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus软件具有其它EDA工具软件。这些功能是：原理布图、PCB自动或人工布线、SPICE电路仿真。Proteus软件已有20多年的历史，在国外应用较为普遍，尤其在教育界的口碑极佳。近年来Proteus软件被引入国内，在多所高等工科院校中得到成功应用。在单片机教学中采用Proteus软件，使单片机的学习过程变得直观形象，可以直接在基于原理图的虚拟模型上进行编程，并实现源码级的程序仿真调试，如有显示及输出，还能看到程序运行后的输出效果，配合各种虚拟仪表来展现整个单片机系统的运行过程，很好地解决了长期以来困扰单片机教学过程中软件和硬件无法很好结合的难题。采用PC进行虚拟仿真实验要比采用单片机实验箱更为有效，因为用户可以根据需要随时对原理电路图进行修改，并立即获得仿真结果。由于在PC上修改原理电路图要比在实验箱上修改硬件电路容易得多，而且还可以根据设计要求采用不同元器件，或者修改元器件参数以获得不同输出结果，在成功进行虚拟仿真并获得期望结果的条件下，再制作实际硬件进行在线调试，可以获得事半功倍的效果。学生普遍反映，在Proteus软件平台上学习单片机知识，比以往单纯学习书本知识更易于接受，以原理图虚拟模型进行程序仿真调试，更易于提高单片机编程能力，还可以通过绘制和修改原理电路图增加很多实践经验。2.1.2Proteus特点1.互动的电路仿真。用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。2.仿真处理器及其外围电路。可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。2.1.3功能模块智能原理图设计（ISIS）(1)丰富的器件库：超过27000种元器件，可方便地创建新元件；(2)智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；(3)智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；(4)支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；(5)可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。2.完善的电路仿真功能（Prospice）(1)ProSPICE混合仿真：基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；(2)超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件；(3)多样的激励源：包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入；(4)丰富的虚拟仪器：13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等；(5)生动的仿真显示：用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动；(6)高级图形仿真功能（ASF）：基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析。3.独特的单片机协同仿真功能（VSM）(1)支持主流的CPU类型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等，CPU类型随着版本升级还在继续增加，如即将支持CORTEX、DSP处理器；(2)支持通用外设模型：如字符LCD模块、图形LCD模块、LED点阵、LED七段显示模块、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、RS232虚拟终端、电子温度计等等，其COMPIM（COM口物理接口模型）还可以使仿真电路通过PC机串口和外部电路实现双向异步串行通信；(3)实时仿真：支持UART/USART/EUSARTs仿真、中断仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真；(4)编译及调试：支持单片机汇编语言的编辑/编译/源码级仿真，内带8051、AVR、PIC的汇编编译器，也可以与第三方集成编译环境（如IAR、Keil和Hitech）结合，进行高级语言的源码级仿真和调试。4.实用的PCB设计平台(1)原理图到PCB的快速通道：原理图设计完成后，一键便可进入ARES的PCB设计环境，实现从概念到产品的完整设计；(2)先进的自动布局/布线功能：支持器件的自动/人工布局；支持无网格自动布线或人工布线；支持引脚交换/门交换功能使PCB设计更为合理；(3)完整的PCB设计功能：最多可设计16个铜箔层，2个丝印层，4个机械层（含板边），灵活的布线策略供用户设置，自动设计规则检查，3D可视化预览；(4)多种输出格式的支持：可以输出多种格式文件，包括Gerber文件的导入或导出，便利与其它PCB设计工具的互转（如protel）和PCB板的设计和加工。2.1.4Proteus所提供的资源1.Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。2.Proteus可提供的仿真仪表资源：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。3.除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。4.Proteus可提供的调试手段Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。2.1.5仿真功能在Proteus绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在Proteus的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。Proteus不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能。课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于Proteus提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中Proteus也能茯得愈来愈广泛的应用。使用Proteus软件进行单片机系统仿真设计，是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力；在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用Proteus开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用Proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。因此，Proteus有较高的推广利用价值。目前Proteus的最新版为7.7sp2，今年将推出8.0版本，增加DSP系列及ARMcortex处理器。

2.2Proteus6Professional界面简介安装完Proteus后，运行ISIS6Professional，会出现以下窗口界面。图2-1SIS6Professional窗口界面为了方便介绍，我分别对窗口内各部分进行中文说明，如图2-1。下面简单介绍各部分的功能：2.2.1原理图编辑窗口它是用来绘制原理图的。蓝色方框内为可编辑区，元件要放到它里面。注意，这个窗口是没有滚动条的，你可用预览窗口来改变原理图的可视范围。2.2.2预览窗口它可显示两个内容，一个是：当你在元件列表中选择一个元件时，它会显示该元件的预览图；另一个是，当你的鼠标焦点落在原理图编辑窗口时（即放置元件到原理图编辑窗口后或在原理图编辑窗口中点击鼠标后），它会显示整张原理图的缩略图，并会显示一个绿色的方框，绿色的方框里面的内容就是当前原理图窗口中显示的内容，因此，你可用鼠标在它上面点击来改变绿色的方框的位置，从而改变原理图的可视范围。2.2.3模型选择工具栏主要模型（MainModes）(1)选择元件（components）（默认选择的）(2)放置连接点(3)放置标签（用总线时会用到）(4)放置文本(5)用于绘制总线(6)用于放置子电路(7)用于即时编辑元件参数（先单击该图标再单击要修改的元件）2.配件（Gadgets）：(1)终端接口（terminals）：有VCC、地、输出、输入等接口(2)器件引脚：用于绘制各种引脚(3)仿真图表（graph）：用于各种分析，如NoiseAnalysis(4)录音机(5)信号发生器（generators）(6)电压探针：使用仿真图表时要用到(7)电流探针：使用仿真图表时要用到(8)虚拟仪表：有示波器等3.2D图形（2DGraphics）：(1)画各种直线(2)画各种方框(3)画各种圆(4)画各种圆弧(5)画各种多边形(6)画各种文本(7)画符号(8)画原点2.2.4元件列表用于挑选元件（components）、终端接口（terminals）、信号发生器（generators）、仿真图表（graph）等。举例，当你选择“元件（components）”，单击“P”按钮会打开挑选元件对话框，选择了一个元件后（单击了“OK”后），该元件会在元件列表中显示，以后要用到该元件时，只需在元件列表中选择即可。2.2.5方向工具栏(1)旋转：旋转角度只能是90的整数倍。(2)翻转：完成水平翻转和垂直翻转。(3)使用方法：先右键单击元件，再点击（左击）相应的旋转图标。2.2.6仿真工具栏仿真控制按钮(1)运行(2)单步运行(3)暂停(4)停止2.3操作简介1、绘制原理图：绘制原理图要在原理图编辑窗口中的蓝色方框内完成。原理图编辑窗口的操作是不同于常用的WINDOWS应用程序的，正确的操作是：用左键放置元件；右键选择元件；双击右键删除元件；右键拖选多个元件；先右键后左键编辑元件属性；先右键后左键拖动元件；连线用左键，删除用右键；改连接线：先右击连线，再左键拖动；中键放缩原理图。具体操作见下面例子。2、定制自己的元件：有三个个实现途径，一是用PROTEUSVSMSDK开发仿真模型，并制作元件；另一个是在已有的元件基础上进行改造，比如把元件改为bus接口的；还有一个是利用已制作好（别人的）的元件，我们可以到网上下载一些新元件并把它们添加到自己的元件库里面。由于我没有PROTEUSVSMSDK，所以我只介绍后两个。3、Sub-Circuits应用：用一个子电路可以把部分电路封装起来，这样可以节省原理图窗口的空间。

3下位机中各个模块的工作原理3.1车体模型小车由车身、前轮、后轮、减速电机组成。本设计所有的小车和其他小车不同，其中，后轮为2个驱动轮，其是决定小车能否运动以及灵活拐弯的关键部分；前轮为1个万向轮，可以通过改变2个后轮的速度以及万向轮能随意改变方向的特性来控制方向。车体模型如图3-1。图3-1车体模型使用这种模型的目的是因为小车结构简单，易于设计的实现。而且小车并不是靠2个减速电机“拉”万向轮，而是用2个减速电机来“推”万向轮。这样走起直线来更加容易。3.2电机本设计所使用的电机是直流减速电机。它是在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是，提供较低的转速，较大的力矩。同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。这大大提高了，直流电机在自动化行业中的使用率。减速电机的特点是效率及可靠性高，工作寿命长，维护简便，应用广泛等。使用这种电机，控制比较简单，通过直流电源就可以连续不断的进行转动。电机的速度通过调节电压的大小进行改变。常见的驱动方式是脉冲宽度调制方式，即PWM方式。利用微处理器的数字输出对模块进行控制，具有控制简单、灵活和动态响应好等优点。3.2.1减速电机概述减速电机是指减速机和电机（马达）的集成体。这种集成体通常也可称为齿轮马达或齿轮电机。通常由专业的减速机生产厂进行集成组装好后成套供货。减速电机广泛应用于钢铁行业、机械行业等。使用减速电机的优点是简化设计、节省空间。第二次世界大战后，军事电子装备的迅速发展促进了美国、苏联等国家微型减速电机，直流减速电机的开发和生产。当前，在世界微型减速电机，直流减速电机市场上，德、法、英、美、中、韩等国保持领先水平。中国微型减速电机，直流减速电机产业创建于20世纪50年代，从为满足武器装备配套需要开始，历经仿制、自行设计、研究开发、规模制造阶段，已形成产品开发、规模化生产、关键零部件、关键材料、专用制造设备、测试仪器等配套完整、国际化程度不断提高的产业体系。1、减速电机结合国际技术要求制造，具有很高的科技含量。2、节省空间，可靠耐用，承受过载能力高，功率可达95KW以上。3、能耗低，性能优越，减速机效率高达95%以上。4、振动小，噪音低，节能高，选用优质锻钢材料，钢性铸铁箱体，齿轮表面经过高频热处理。5、经过精密加工，确保轴平行度和定位精度，这一切构成了齿轮传动总成的齿轮减速电机配置了各类电机，形成了机电一体化，完全保证了产品使用质量特征。6、采用了系列化、模块化的设计思想，有广泛的适应性，有极其多的电机组合、安装位置和结构方案，可按实际需要选择任意转速和各种结构形式。3.2.2减速电机的特点减速电机的特点是效率及可靠性高，工作寿命长，维护简便，应用广泛等。它的级数可分为单级、两级和三级齿轮减速电机，安装布置方式主要有展开式、同轴式和分流式。两级圆柱减速电机展开式里面，齿轮相对于支承位置不对称，当轴产生弯扭变形时，载荷在齿宽分布不均匀，因此轴应设计的具有较大刚度，并使得齿轮远离输入端或输出端。2、两级圆柱减速电机的分流式的特点：分流式减速电机的外伸轴位置可由任意一边伸出，便于进行机器的总体配置，分流级得齿轮均作成斜齿，一边右旋，一边左旋，以抵消轴向力，应使其中的一根轴能做稍许轴向游动，以免卡死齿轮。3、同轴式减速电机的特点：径向尺寸紧凑，但轴向尺寸较大。由于中间轴较大，轴在受载时的扰曲较大，因此沿齿宽上的载荷集中现象较严重。同时由于两级齿轮的中心必须一致，所以告诉级齿轮的承载能力难以充分利用，而且位于减速中间部分的轴承润滑也比较困难。减速电机的输入端和输出端位于同一轴线的两端，给传动装置的总体配置带来限制。3.2.3减速电机的特色1、同轴式斜齿轮减速电机结构紧凑，体积小，造型美观，承受过载能力强。2、传动比分级精细，选择范围广，转速型谱宽，范围i=2-28800。3、能耗低，性能优越，减速器效率高达百分之九十六，振动小，噪音低。4、通用性强，是用维护方便，维护成本低，特别是生产线，只需备用内部几个传动件即可保证整线正常生产的维修保养。5、采用新型密封装置，保护性能好，对环境适应性强，可在有腐蚀、潮湿等恶劣环境中连续工作。6、可批配普通Y系列、Y2系列、起重电机、防暴电机、制动电机、变频电机、直流电机、户外型专用电机等各种电机，可通过装置MB型无级变速器组成无级调速齿轮减速电机，满足各种不同的用途。3.3电机驱动本设计中使用L298N芯片作为电机的驱动芯片，其实物为图3-2所示。该芯片采用15脚封装，内包含4通道逻辑电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路；可以驱动46V、2A以下的电机。该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。内部功能模块为图3-3所示。图3-2L298N实物图图3-3L298N功能模块图使用直流/步进两用驱动器Z可以驱动两台直流电机。分别为M1和M2。引脚A，B可用于输入PWM脉宽调制信号对电机进行调速控制。实现电机正反转就更容易了，输入信号端IN1接高电平输入端IN2接低电平，电机M1正转。（如果信号端IN1接低电平，IN2接高电平，电机M1反转。）控制另一台电机是同样的方式，输入信号端IN3接高电平，输入端IN4接低电平，电机M2正转。（反之则反转），PWM信号端A控制M1调速，PWM信号端B控制M2调速。具体如表3-1所示.表3-1电机驱动信号控制表旋转方式控制端IN1控制端IN2控制端IN3控制端IN4输入PWM信号改变脉宽可调速调速端A调速端B正转高低//高/反转低高//高/停止低低//高/正转//高低/高反转//低高/高停止低低///高3.4ATmega16模块本设计采用的单片机为ATmega16，作为整个小车的核心部件，控制着小车的运动状态。单片机要完成的工作有电机操控、避障控制等。ATmega16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率。3.4.1ATmega16概述ATmega16是基于增强的AVR

RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。ATmega16

的特点：16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP

封装)的ADC

，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。

工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU

和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。ATmega16芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP

Flash允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(ApplicationFlash

Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot

Flash

Memory)的程序继续运行，实现了RWW操作。通过将8位RISC

CPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega16具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C语言编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板。3.4.2ATmega16引脚名称及其功能ATmega16引脚名称如图3-4所示，其各引脚的功能如表3-2所示。图3-4ATmega16引脚图表3-2引脚功能说明表引脚说明VCC数字电路和电源GND地端口A（PA7~PA0）端口A做为A/D转换器的模拟输入端。端口A为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。端口B(PB7~PB0)端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。端口B也可以用做其他不同的特殊功能。端口C(PC7~PC0)端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚PC5(TDI)、PC3(TMS)与PC2(TCK)的上拉电阻被激活。端口C也可以用做其他不同的特殊功能。端口D(PD7~PD0)端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。端口D也可以用做其他不同的特殊功能。RESET复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。门限时间见P36Table15。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2反向振荡放大器的输出端。AVCCAVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。AREFA/D的模拟基准输入引脚。3.4.3ATmega16内核介绍ATmega16内核结构如图3-5所示。为了获得最高的性能以及并行性，AVR采用了Harvard结构，具有独立的数据和程序总线。程序存储器里的指令通过一级流水线运行。CPU在执行一条指令的同时读取下一条指令(在本文称为预取)。这个概念实现了指令的单时钟周期运行。程序存储器是可以在线编程的FLASH。ATmega16内部框图快速访问寄存器文件包括32个8位通用工作寄存器，访问时间为一个时钟周期。从而实现了单时钟周期的ALU操作。在典型的ALU操作中，两个位于寄存器文件中的操作数同时被访问，然后执行运算，结果再被送回到寄存器文件。整个过程仅需一个时钟周期。图3-5ATmega16内核结构寄存器文件里有6个寄存器可以用作3个16位的间接寻址寄存器指针以寻址数据空间，实现高效的地址运算。其中一个指针还可以作为程序存储器查询表的地址指针。这些附加的功能寄存器即为16位的X、Y、Z寄存器。ALU支持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算。ALU也可以执行单寄存器操作。运算完成之后状态寄存器的内容得到更新以反映操作结果。程序流程通过有/无条件的跳转指令和调用指令来控制，从而直接寻址整个地址空间。大多数指令长度为16位，亦即每个程序存储器地址都包含一条16位或32位的指令。程序存储器空间分为两个区：引导程序区(Boot区)和应用程序区。这两个区都有专门的锁定位以实现读和读/写保护。用于写应用程序区的SPM指令必须位于引导程序区。在中断和调用子程序时返回地址的程序计数器(PC)保存于堆栈之中。堆栈位于通用数据SRAM，因此其深度仅受限于SRAM的大小。在复位例程里用户首先要初始化堆栈指针SP。这个指针位于I/O空间，可以进行读写访问。数据SRAM可以通过5种不同的寻址模式进行访问。AVR存储器空间为线性的平面结构。AVR有一个灵活的中断模块。控制寄存器位于I/O空间。状态寄存器里有全局中断使能位。每个中断在中断向量表里都有独立的中断向量。各个中断的优先级与其在中断向量表的位置有关，中断向量地址越低，优先级越高。I/O存储器空间包含64个可以直接寻址的地址，作为CPU外设的控制寄存器、SPI，以及其他I/O功能。映射到数据空间即为寄存器文件之后的地址0x20-0x5F。3.5红外传感器本设计中使用的是HJ-IR2不怕光红外传感器，在室外阳光直射下也能正常工作。模块主要由2个信号强度可调电位，一个电压比较器，2个红外发射头，LED信号指示灯组成。该传感器相当于红外电子开关，平时是高电平，当检测到障碍时，红外接收管接收到红外管发出的红外信号，经集成的芯片放大、比较后，输出一个低电平，并且点亮模块上的LED发光管，同时可以输出一个低平信号，信号可以作为单片机的信号输入检测控制外部各种驱动模块之用。模块是三线制，VCC为电源+5V，OUT为信号输出端，GND接电源负极。3.5.1红外传感器概述红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能可分成五类,按探测机理可分成为光子探测器和热探测器.红外传感技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。红外传感器根据探测机理可分成为：光子探测器（基于光电效应）和热探测器（基于热效应）。由于红外传感器的优越性能，人们越来越多的应用这种探测器，而且对它的要求也越来越高。它的红外吸收和探测率要高，相应时间要短，而且，随着越来越广泛的应用，我们要求增大红外传感器的响应波长，探测器波长趋向长波段。根据上述要求，红外传感器会随着微电子技术的发展和传感器的应用领域的不断扩大，从单一元件、单一功能向集成化、多功能化方向发展。另外，由于双色及多色探测器具有较好的抗干扰能力，能获得精确可靠的目标信息，今后这种探测器可能会更加引起人们的关注。此外，红外传感器还趋向于对原有探测器的改进、对新的制作材料的开发、以及向红外焦平面阵列的高密集度方面的发展。这方面的研究者和学者正在向这些方向努力研究，相信随着时间的推移会有更多更好的材料应用于红外传感器的制作中来，更多类型的红外传感器应用于更加广泛的领域。3.5.2红外线传感器的分类红外线传感器依动作可分为:(1)将红外线一部份变换为热，藉热取出电阻值变化及电动势等输出信号之热型。(2)利用半导体迁徙现象吸收能量差之光电效果及利用因PN接合之光电动势效果的量子型。热型的现象俗称为焦热效应，其中最具代表性者有测辐射热器(ThermalBolometer)，热电堆(Thermopile)及热电(Pyroelectric)元件。热型及量子型的一般特征如表3-3所示，在此仅就热型之热电型红外线传感器加以说明。也叫热释红外线传感器。表3-3红外线热型、量子型比较优点缺点热型常温动作波长依存性(波长不同感度有很大之变化者)并不存在便宜感度低响应慢(mS之谱)量子型感度高响应快速(μS之谱)必须冷却(液体氮气)有波长依存性价格偏高此传感器特别是利用远红外线范围的感度做为人体检出用，如图3-6所示红外线的波长比可见光长而比电波短。红外线让人觉得只由热的物体放射出来，可是事实上不是如此，凡是存在于自然界的物体，如人类、火、冰等等全部都会射出红外线，只是其波长因其物体的温度而有差异而已。例如图3-6中，人体的体温约为36～37℃，所放射出峰值为9～10μm的远红外线，另外加热至400～700℃的物体，可放射出峰值为3～5μm的中间红外线。图3-6温度不同红外线波长的差异3.5.3热电型红外线传感器原理首先介绍热电效果，如图3-7所示，感知组件系使用PZT(钛酸锆酸铅系陶瓷体)强介质陶瓷体，在感知组件施加高压电(3KV～5KV/mm)而分极之，藉这种方法，组件表面显现的正负电荷会和空气中相反之电荷结合而呈电气中和状，如图3-7（1）、3-7（2）所示。当组件的表面温度变化时，感知组件分极的大小会随着温度变化而变化，因此稳定时之电荷中和状态就崩溃，而感知组件表面电荷与吸着杂散电荷的缓和时间不同，所以会形成电气上的不平衡，而产生没有配对的电荷，如图3-7（3）所示。像这种因温度变化而产生电荷的现象称为热电效果，设若产生之电荷为Δθ，温度变化为ΔＴ，则Δθ／ΔＴ＝λ(库仑／℃)，就是热电系数。图3-7热电型红外线传感器的原理3.5.4红外传感的应用分析红外传感器技术是近年来发展最快的技术之一，红外传感器目前已广泛应用于航空航天、天文、气象、军事、工业和民用等众多领域，起着不可替代的重要作用。红外线，实质上是一种电磁辐射波，其波长范围大致在0.78m～1000m频谱范围内，因其是位于可见光中红光以外的光线，故而得名为红外线。任何温度高于绝对零度的物体，都会向外部空间以红外线的方式辐射能量。利用红外辐射实现相关物理量测量的传感技术，即为红外传感技术。光子式红外传感器是利用红外辐射的光子效应而进行工作的传感器。所谓光子效应，是指当有红外线入射到某些半导体材料上时，红外辐射中的光子流与半导体材料中的电子相互作用，改变了电子的能量状态，从而引起各种电学现象。通过测量半导体材料中电子性质的变化，就可以知道相应红外辐射的强弱。光子探测器类型主要有内光电探测器、外光电探测器、自由载流子式探测器、QWIP量子阱式探测器等。内光电探测器又细分为光电导型、光生伏特型和光磁电等类型。光子探测器的主要特点是灵敏度高、响应速度快，具有较高的响应频率，但缺点是探测波段较窄，一般工作于低温（为保持高灵敏度，常采用液氮或温差电制冷等方式，将光子探测器冷却至较低的工作温度）。任何温度高于绝对零度的物体，都会向外部空间以红外线的方式辐射能量。利用红外辐射实现相关物理量测量的传感技术，即为红外传感技术。

4硬件电路4.1电机驱动电路本设计中的直流电机驱动电路如图4-1所示，其原理是：当MA点位低电平时，Q3，Q2截止，Q7、Q1导通，电机左端呈现高电平；当MB点位高电平时。Q8、Q4截止，Q6、Q5导通，电机右端呈现低电平。因此，当MA为1、MB为0电机正转。反之，当MA点为高电平时，Q3、Q2导通，Q7、Q1截止，电机左端呈现低电平；当MB点位低电平时。Q8、Q4导通，Q6、Q5截止，电机右端呈现高电平。因此，当MA为1、MB为0电机反转。当MA点和MB点同为低电平时，电机两端均为高电平，电机停止转动。同时，当MA点和MB点同为高电平时，电机两端均为低电平，电机停止转动。电路中左上角Q7、Q1与右下角Q6、Q5导通时电机正转；反之，当右上角Q8、Q4与左上角Q3、Q2导通时电机反转。如果左上角与右上角的Q7、Q1、Q8、Q4导通或左下角与右下角的Q3、Q2、Q6、Q5导通，电机停止转动。图4-1电机驱动电路OUT1~4分别接2个电机，IN1~4引脚从单片机接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。如图4-2所示。图4-2驱动电机引脚排列4.2红外传感器电路红外传感电路图如图4-3所示。1号接地，2号接单片机端口，3号接电源。图4-3红外传感电路图4.3处理器电路ATmege16最小系统电路图如图4-4所示。其中，PA0~PA5连接的驱动电机，PD0~PD5连接的zigbee模块，PB7连接红外传感模块。图4-4ATmege16最小系统电路图

5核心代码详解5.1小车下位机的控制代码#defineF_CPU8000000#include<avr/io.h>#include<util/delay.h>#include<avr/interrupt.h>typedefunsignedlongulong;typedefunsignedcharuint8;typedefunsignedintuint16;#definebaud9600#definebaud_setting(unsignedint)((unsignedlong)\F_CPU/(16*(unsignedlong)baud)-1)#definebaud_h ((uint8)(baud_setting>>8))#definebaud_l((uint8)(baud_setting))#definebegin_stx0xEE#defineend_stx0xFF#defineLS_ON()((PINB&_BV(PB7))==0)//电机控制端A，B操作定义#defineMA_0()(PORTA&=~_BV(PA0))#defineMA_1()(PORTA|=_BV(PA0))#defineMB_0()(PORTA&=~_BV(PA1))#defineMB_1()(PORTA|=_BV(PA1))#defineMC_0()(PORTA&=~_BV(PA2))#defineMC_1()(PORTA|=_BV(PA2))#defineMD_0()(PORTA&=~_BV(PA3))#defineMD_1()(PORTA|=_BV(PA3))uint8data;//让小车前进voidup(){ MA_0(); MB_1(); MC_0(); MD_1();}//让小车后退voiddown(){ MA_1(); MB_0(); MC_1(); MD_0();}//让小车左转voidleft(){ MA_0(); MB_1(); MC_1(); MD_1(); }//让小车右转voidright(){ MA_1(); MB_1(); MC_0(); MD_1();}//让小车停止voidstop(){ MA_1(); MB_1(); MC_1(); MD_1();}#definetx_size3uint8tx_buffer[tx_size];uint8tx_wr_index,tx_rd_index,tx_counter;uint8a=0;//定义保存接收消息的数组及相关标志位#definerx_size3uint8volatilerx_buffer[rx_size];uint8volatilerx_wr_index,rx_rd_index,rx_counter=0;uint8volatilercev_finish_flag=0x00;uint8getch(void);voidputch(uint8);voidusart_init(void);intmain(void){ DDRB=0x00; PORTB&=~_BV(PB7); DDRA=0xFF;PORTA=0xFF; usart_init(); sei(); uint8stat;//判断不同的消息做出相应的动作 while(1){ if(data==0xAA){ up(); if(LS_ON()){ down(); _delay_ms(500); stop(); _delay_ms(100); left(); _delay_ms(350); // up(); data=0xAA; } }if(data==0xBB){ down(); }if(data==0xCC){ stop(); }if(data==0xDD){ left(); _delay_ms(50); // up(); data=0xAA; }if(data==0xEE){ right(); _delay_ms(50); up(); data=0xAA; } } return0;}//对USART进行初始化voidusart_init(void){ UCSRA=0x00; UCSRB=0xD8; UCSRC=0x86; UBRRH=baud_h; UBRRL=baud_l;}5.2接收上位机发送的消息//获取接受的消息uint8getch(void){ returnUDR;}voidputch(uint8data){}ISR(USART0_RXC_vect)

{

uint8data;

data=UDR0;

if(rcev_finish_flag==0x00){

rx_buffer[rx_counter]=data;

rx_counter++;

switch(rx_counter){

case1:

if(data!=begin_stx){

rx_counter=0;

break;

}

break;

case3:

rx_counter=0;

if(data==end_stx){

rcev_finish_flag=0x01;

}

break;

default:

break;

}

}

}

结论本设计采用的是单片机ATmega16对直流电机进行控制，采用ZigBee进行信号的采集和传输，同时采用红外传感器对周围障碍进行检测。在由ATmega16做出判断，执行另外左右转弯程序。现在小车已经能够独立完成无线操控和智能避障功能。它不仅能够单独完成这两个功能，而且还可将两者有效的结合起来，在小车行进时避障。设计之初，在网上搜集了大量的关于单片机ATmega16，电机及其驱动方面的资料。这次设计我学到了直流电机、红外传感器、单片机ATmega16、c/c++语言和AVRstdio仿真软件等的使用，整个设计的电路结构较为简单，但可靠性能高，测试效果良好。很好的满足了题目的要求。在这个过程中，我学会了与如何与他人进行沟通，养成了勤于思考的习惯，更加重要的是，我也意识到了团队合作的重要性。从资料的收集中，掌握了很多单片机的相关知识，让我对我所学过的知识有所巩固和提高，并且让我对当今单片机的最新发展技术有所了解。在整个过程中，我学到了新知识，增长了见识。在今后的日子里，我仍然要不断地充实自己，争取在所学领域有所作为。

参考文献[1]仝迪,张禾.基于ATmega16单片机的通用电机控制装置的设计[J].电子元器件应用，2010,12(7)[2]周海.机器人用直流减速电机的选用[J].电子制作,2005,9(3)[3]葛广军,杨帆.基于单片机的智能小车控制系统设计[J].河南城建学院学报,2011,20(3)[4]丁立军,华亮,陈峰.基于超声波传感器与红外传感器的移动机器人感测系统研制[J].南通大学学报(自然科学版),2008,7(2)[5]汤阳,戴光智,王锐鹏.家用自主吸尘机器人的研究和开发[J].计算机测量与控制,2006,14(11)[6]林少帅,谢勇,赵齐齐,郭志波.基于Atmega16的太阳能智能小车[J].科技视界,2012,(04)[7]孙绪才.L298N在直流电机PWM调速系统中的应用[J].潍坊学院学报,2009,9(04)[8]BonhyunKoo,KyusukHan,JamesJ.(JongHyuk)Park,TaeshikShon.Designandimplementationofawirelesssensornetworkarchitectureusingsmartmobiledevices[J].TelecommunicationSystems,2013,Vol.52(4),pp.2311-2320[9]BojanKuljić,JánosSimon,TiborSzakáll.PathfindingBasedonEdgeDetectionandInfraredDistanceMeasuringSensor[J].ActaPolytechnicaHungarica,2009,Vol.6(1),pp.103[10]Kaewnopparat,A.,Sooraksa,P.Trackingproblemandobstacleavoidanceofmobilerobotsusingsimplefuzzycontrol[J].SongklanakarinJournalofScienceandTechnology,2004,Vol.26(5),pp.671

致谢本课题是在陈学凯和张兴忠老师的悉心指导和帮助下完成的。在跟随老师进行毕业设计的过程中，他渊博的学识，严谨的治学态度时刻激励和影响着我，使我在短期内不仅学识水平有了较大提高，而且更重要的是从老师那里学到了从事研究工作的方法和态度，这必将使作者受益终生。在论文完成之际，特向老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。感谢王泽彬同学对我在整个过程中的鼓励和帮助。感谢我的父母和亲人对我一如既往的支持和鼓励。感谢所有曾经支持、帮助和关心过我的人！他们的激励和厚望一直是我奋斗的动力源泉，但愿我的点滴进步能给他们带来欣慰。在此，向评阅本篇论文的各位专家表示真挚的感谢。

外文资料

IntelligentVehicleOursocietyisawashin“machineintelligence”ofvariouskinds.Overthelastcentury,wehavewitnessedmoreandmoreofthe“drudgery”ofdailylivingbeingreplacedbydevicessuchaswashingmachines.Oneremainingareaofbothdrudgeryanddanger,however,isthedailyactofdrivingautomobiles.1.2millionpeoplewerekilledintrafficcrashesin2002,whichwas2.1%ofallglobaldeathsandthe11thrankedcauseofdeath.Ifthistrendcontinues,anestimated8.5millionpeoplewillbedyingeveryyearinroadcrashesby2020.infact,theU.S.DepartmentofTransportationhasestimatedtheoverallsocietalcostofroadcrashesannuallyintheUnitedStatesatgreaterthan$230billion.Whenhundredsorthousandsofvehiclesaresharingthesameroadsatthesametime,leadingtothealltoofamiliarexperienceofcongestedtraffic.Trafficcongestionunderminesourqualityoflifeinthesamewayairpollutionunderminespublichealth.Around1990,roadtransportationprofessionalsbegantoapplythemtotrafficandroadmanagement.Thuswasborntheintelligenttransportationsystem(ITS).Startinginthelate1990s,ITSsystemsweredevelopedanddeployed。Indevelopedcountries,travelerstodayhav