【基于单片机的智能小车设计9600字（论文）】

I基于STC单片机的智能小车设计与实现目录TOC\o"1-3"\h\u20926目录 II22693第1章绪论 1283971.1课题背景和意义 1183181.2课题研究现状和发展趋势 1219961.2.1研究现状 1250911.2.2发展趋势 2226171.3课题内容和要求 29466第2章各模块硬件电路设计 3291442.1红外遥控发射器模块 3281372.1.1红外遥控模块的工作原理 384242.1.2HT6221编码芯片简介 3257982.1.3红外遥控发射器 4192762.2单片机控制模块 5264402.2.1单片机模块电路 5130202.2.2复位电路 717882.2.3晶振电路 7260382.3红外接收器及解码 7310152.4电机驱动模块 9115622.5避障循迹模块 1037242.6转速检测模块 12227442.7数据显示模块 13149892.8电源模块 1328624第3章系统软件设计 15113393.1系统总体程序流程图 15245123.2避障循迹模块程序设计 15208983.3红外遥控模块程序设计 17170023.4数据显示模块程序设计 176971第4章系统调试 19214994.1驱动电机的调试 19210094.2红外探测的调试 19186884.3测速及显示模块 1946214.4红外通信的调试 2026886结论 2223216参考文献 23 第1章绪论1.1课题背景和意义自从进入信息时代，高新技术发展的十分迅速，未来的社会朝着智能化的方向发展。意思是我们可以先设定一个目标，不需要人去操作就可以达到目标。本设计的智能小车采用的技术可以为运输和探险领域提供相关的技术参考。相信大家都清楚，小车是可以作为玩具的，所以本设计也可以为玩具行业所借鉴。智能小车一般选择超声波来实现避开障碍物的功能，在将来的智能汽车行业中将会大量使用。我国科技发展很快，在超声波应用在汽车的研究有大量的研究成果。我国汽车保有量巨大，每年发生的车祸带走了很多人的生命，除了意外车祸，还有大部分的酒驾，所以智能车可以代替醉酒的人驾驶，可以减少醉驾死亡率，还有一些疲劳驾驶，也可以提醒驾驶人员或者代替驾驶，可以拯救不少人的生命，这种类型的小车可以用来去探测外太空，还可以去一些环境十分恶略的地方，人们去的话会有生命危险，比如喜马拉雅山、南极、海底世界等地方，既能完成目的，也能减少人们的生命危险，所以说，本次研究的课题具有较大的意义以及广阔的应用前景。1.2课题研究现状和发展趋势1.2.1研究现状早些年的时候，人们仅能制造出模拟人类动作的机器人，之后诞生了一款能自己移动的机器人，经过了几十年的大力发展，智能化产品的功能越来越多，这些功能大部分都很实用，人们的需求越来越大，所以很多国家都投入大量科研人员和资金来研发智能领域。想要让机器人跟人一样，就必须有人的感知功能，所以法国提出了这样的计划去研究这样的功能，让机器人模仿人所处的环境，能自己去认知事物并且做出处理。但是美国人做出来的机器人更有趣味性了，它就像一个保姆，帮主人扫地、开门、送东西、洗衣服等等家务事，甚至还可以陪孩子们交流和读书，可以作为孩子们有烦恼时的倾诉对象。现在的医疗事故频发，由于医生的疏忽造成手术失败导致病人死亡是不能让人接受的，所以智能机器人可以精确的为患者做手术，安全性会大大提升。中国经历了几十年的发展，智能领域硕果累累，在军事领域尤为突出，已经开发出危险作业机器人、仿人机器人等等在军事上实用性很高的机器人。同样国内很多大学也有相关的研究，并且取得了傲人的成绩，比如中国科学院研究的对话机器人，上海交通大学做出了具有很强翻越障碍物的机器人等等，我国正努力加大研发力度，超越其他国家争第一指日可待。1.2.2发展趋势现在各大高校相继开设智能机器人的专业课程，培养了大批智能领域的人才，将来的技术会越来越成熟，研发的机器人具备生物机电系统，所以也将会越来越智能化，更具有实用性和趣味性，为了方便使用，机器人会越来越轻盈和小巧，能无限接近人类的思想，但是无论如何发展，人类只会统治机器人，不会被机器人操控人类，这是我们人类的底线和原则，不可侵犯，期待未来的机器人能实实在在得提高社会生产力，为人类创造更高的价值，并且会极大改变人们的生活方式，是人类的好朋友。1.3课题内容和要求采用单片机作为智能小车的中心控制器，小车的系统由控制系统、遥控系统、躲避障碍系统、循迹系统以及显示系统构成。智能小车应当具备下面几个功能：（1）遥控功能，可以使用遥控装置对小车发出启动、停止、转向等指令，小车应当执行相应的指令。（2）自动躲避障碍的功能，小车在运行时前进方向上遇到障碍物的时候，能够自动做出规避动作，例如转向、停止等，避免撞上障碍物。（3）自动循迹功能，智能小车能够按照指定的轨迹运动。（4）能够实时显示小车行驶的速度。经过本次设计实践进而掌握下面几个基本技能：（1）熟悉电子产品的设计和开发流程；（2）掌握单片机原理、稳压原理、循迹原理等等；（3）能独立设计硬件电路和系统软件；第2章各模块硬件电路设计本小车硬件电路是由红外遥控发射器模块和智能小车部分硬件模块组成，其中红外遥控发射模块包括编码芯片、遥控按键和红外发射。智能小车部分硬件包括单片机控制模块、电源模块、直流电机驱动模块、显示模块、红外接收器模块和最重要的循迹避障模块。2.1红外遥控发射器模块2.1.1红外遥控模块的工作原理对于红外线遥控装置而言，其应用范围相当广阔，控制设备的是波长为0.76-1.5μm的红外线。其体积小、实惠、便捷等有点，普遍应用于家用电器中，例如电视机、空调、电风扇等，在许多小型电动玩具中也普遍使用。然而红外线装置也有明显的缺陷，例如使用空间范围较小，传输路径上不能有障碍物等，一般而言有效的传输距离为七米。就本次设计本设计的智能小车来说已经能够满足要求。红外遥控系统是由红外发射部分和红外接收部分组成的。其原理如图2.1所示：图2.1红外遥控系统原理图当按了按键之后，遥控器内的编码芯片将会对按键信息进行编码操作，大家都知道遥控器的头部都会有个类似LED灯的东西，这就是LED红外发射器，它发射出来的脉冲编码会被红外接收头接收，然后输出到单片机的外部中断系统，依据具体接收到的信号，单片机将调用对应的子程序进而控制智能小车的运行。2.1.2HT6221编码芯片简介HT6221是合泰公司生产的多功能遥控编码芯片，工作电压在1.8V-3.5V，其采用PPM（PulsePositionModulation）进行编码，周期能编码16位地址码和8位数据码，最多能同时支持32个活动键。其引脚结构如图2.2所示：图2.2HT6221引脚图其各引脚说明如下表2.1所示：表3-1HT6221芯片引脚说明引脚号引脚名称描述0AIN低8位地址码输入1-8C1-C8键盘列控制9LED按键指示灯10-13R1-R4键盘行控制，高电平有效14DOUT串行数据输岀引脚，38KHz发射频率15VDD1.8V-2.5V16DT最重要数据位(DT)代码设置17、18X2、XI455KHZ振荡器输岀，455KHZ振荡器输入19VSS接地其波形如图2.3所示：图3.3遥控码的“0”和“1”2.1.3红外遥控发射器市面上的遥控发射芯片种类繁杂，数量庞大，本设计采用HT6221芯片。其电路如图2.4所示：图3.4遥控发射器电路原理图在上图中，随便一个按键按下后，按键指示灯（D1）发光，HT6221芯片能够产生脉冲编码，脉冲编码会被调制成38KHz的脉冲信号然后通过图中的红外发射安键有两种类型：一种是独立的按钮，另一种是矩阵。由于独立按键一端的电源，使设计更加方便和稳定二极管（D2）发射出去。安键有两种类型：一种是独立的按钮，另一种是矩阵。由于独立按键一端的电源，使设计更加方便和稳定。对于按键而言，不同的按键其能够发出的信号不相同，意味着能够实现不同的功能，各个按键所代表的功能详见下表：表2.按键功能K1控制小车的启动K2控制小车的停止K3控制小车的加速K4控制小车的左转K5控制小车的右转K6控制小车的倒退2.2单片机控制模块2.2.1单片机模块电路本设计我选用STC89C52单片机来控制系统核心，STC89C52单片机是STC89系列的标准型8位单片机，其与标准MCS-51指令系统和8052产品引脚兼容，功耗低、性能可靠、价格低廉应用在复杂的环境。STC89C52单片机的内部结构如下：一个以ALU为中心的8位中央处理器，256字节内部数据存储器（RAM），8K字节用来存储程序的Flash内部程序存储器即片内ROM(可反复擦写1000次)，4个8位可编程I/O口（P0、P1、P2、P3），3个16位定时/计数器，8个中断源，两个中断优先级的中断控制系统，一个全双工串行通信口，一个片内振荡器和时钟电路[1]。STC89C52单片机最小应用系统主要由单片机、复位电路、晶振电路等部分组成。本设计的单片机控制模块原理图如图2.5所示：图2.5单片机控制模块本设计中我们运用了STC89C52单片机的很多引脚，具体的引脚功能分配如下表2.3所示：表引脚功能分配P0.0-P0.7接LCD1602的D0-D7引脚，作为数据信息的输岀引脚P1.0-P1.2接LCD1602的RS、RW、E引脚，作为数据信息的控制端P1.2.P1.5、Pl.7连接避障循迹电路的输岀端Pl.6连接转速测量电路的脉冲输出端P2.4-P2.7连接电机驱动芯片的脉冲信号输入端P2.2外部中断，连接红外接收器的输出端VCC接+5V电源GND接地2.2.2复位电路对于单片机而言，进行复位操作的目的在于初始化。也就是说，当程序出现逻辑上的错误，或者因为错误的操作指令，使得系统出现错误、假死、被锁定等状况时，能够闭合复位开关使得单片机初始化，重新启动，进而能够正常工作。RST引脚是复位信号的输入。为了完成复位这一个操作，RST引脚必须保持在至少两个机器周期的高电平，然后从高电平复位到低电平。复位电路由按钮复位和上电复位组成。本次设计的智能小车使用设置复位键的形式，通过按下复位键便可初始化智能小车的系统。小车的复位按键电路详见下图2.6。图3.6复位电路通过焊接引脚复位以及电阻R0、VCC，进而实现按键复位功能，当按下复位键，REST引脚此时是高电平，松开按键后变为低电平，这是按键复位的原理。2.2.3晶振电路STC89C52单片机内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为芯片引脚XTAL2。只要在片外通过XTAL1和XTAL2引脚跨接振荡元件，就能组成一个稳定的自激振荡器，给单片机上电后就可以运行了。其外部晶振电路如图2.7所示。图2.7晶振电路2.3红外接收器及解码对于红外接收器而言，它的组成部分为放大器、红外监测二极管、放大器、限幅器、带通滤波器等。红外监测二极管是红外接收器的一个重要部件，当它受到红外线携带的信息后，经过放大器等装置的作用后，把信号强度限制在某个区间内。对于带通滤波器而言，当信号流入该设备时，只有30kHz负载波60kHz的频段能够顺利通过。然后脉冲信号通过解调电路和积分器电路到达比较器。比较器输出高低电平信号来复原出发射端的信号波形。红外接收器种类多样，通常具有电源引脚、信号输出引脚和接地引脚。根据发射端的不同调制载波，应该选择对应于解调频率的接收头。在本设计中，我们采用一体化红外接收头1838解调编码芯片HT6221编码。其实物图如图2.8所示。图3.81838红外接收头因为红外接收头内部放大器存在比较大的增益，会有极大的概率造成干扰，所以在接收头的电源引脚上加上容量超过22uf的滤波电容。本设计的红外接收电路如图2.9所示。图2.9红外接收电路图图中的U6元件指1838红外接收头，图中C4指滤波电容，DOUT指信号的输出端口，与单片机的P3.2引脚直连。对于整个解码过程而言，关键在于如何判别位0和位1，因为两者的低电平脉宽相同，但是高电平脉宽存在差异。因此可以利用高电平脉宽的差异进而判别是否为位0以及位1，如果从0.56ms低电平信号过后延时了0.56ms以后如果能读到低电平信号说明该位为0反之则为1，为了可靠起见延时必须介于0.56ms和1.12ms之间，否则如果该位为0读到的已是下一位的高电平，因此我们取其中间值即（1.12ms+0.56ms）/2=0.84ms。当按下遥控器的按键后，发出红外脉冲编码信号，在红外接收头接收和解码后，输出端检测到整形后的方波信号输出，然后直接输入到单片机的外部中断执行代码信息识别，再调用相应的程序执行操作。具体解码操作流程图如图2.10所示：图3.10红外接收解码流程图2.4电机驱动模块通常而言，由于有固定的环形磁铁的存在，电流流入转子上的线圈的时候由于磁场的原因进而会出现安培力。当转子产生的磁场与磁体的磁场平行的时候，在转向器的作用下，改变了转子产生的磁场，进而使得电机能够持续旋转。由于转向器的存在，不得不使用电刷这个构造，进而能够使转子流过的电流流向发生改变，保持电流在磁场中的受力方向恒定，使得电机的转动方向不改变。本设计中我们采用两个直流电机作为小车的驱动电机，用2个2.7V的锂电池供电。采用L298N和L293D芯片直接驱动直流电机，直流电机驱动电路如图所示：图2.11步进电机驱动电路图2.12L293D引脚2.5避障循迹模块对于本次设计的智能小车而言，使用的是红外线传感器、电压比较器和部分电阻构成障碍检测电路，直接连接到单片机的P1.4引脚，进而可以把接受到的模拟信号编译成高低电平信号，然后把信号发出至单片机，单片机基于具体的信号能够知道前方有无阻碍物，假如有阻碍物，单片机将调用相应的子程序进而发出指令，通过控制系统进而控制小车的行驶。判别是否有阻碍物的电路系统详见下图：图2.13障碍物检测电路上图中U3为红外线传感器，构成部分为发光二极管以及三极管。其中二极管用于发射红外线，光电晶体管接收反射的红外光。红外接收器/检测器具有仅允许红外光通过的内置滤光片和仅允许约38.5kHz的电信号通过的电子滤波器。这防止了外部光源与红外接收器的干扰。U4是一个电压比较器，它可以将输入的模拟电压信号转换成高电平和低电平信号。当3引脚电平大于4英尺时，输出引脚1输出为高电平，否则输出为低电平。检测装置设置在智能小车的车头的左侧以及右侧，进而能够提前发现行进方向是否有阻碍物。原理以及发现障碍物的流程为：由二极管发射红外线，当小车前进方向预见阻碍物的时候，红外线被障碍物反弹，进而使得三极管感应器接受到反射后的光信号。此时，光电晶体管被接通，并向输出端输出低电平信号。单片机，然后MCU调用跟踪避障子程序来控制步进电机做出相应的避障响应。当左边遇到障碍时，汽车向右拐，当右边遇到障碍时，汽车向左拐。当没有障碍物时，发射的红外光不被反射，光电晶体管被关闭，然后发出5V的电信号，进而控制小车继续按照原方向行驶。对于实现跟踪功能而言，其原理与避障原理是一样的。把跟踪设备放置在智能小车的地盘下，通过区分黑色以及白色进而实现跟踪。其流程如下：有二极管发射红外线，黑色能够吸收红外光，比较器发出较高的信号；白色能够发射红外线，比较器输出较低信号。微控制单元依据输入的电压变化能够检测小车的前进方向是否出现偏差，进而调取相应的程序，校正行驶方向。例如，在左侧检测到白色时，控制器操控小车转向，车轮朝右转动；当右侧检测到白色时，控制器操控小车转向，车轮朝左转动；两侧均检测到黑色时，小车继续前进；而当两侧检测到白色时，汽车停止。2.6转速检测模块就施密特触发器而言，它具有独特的功能，当输入的电压达到一个特定的值，输出的信号马上变为低电平信号；输入的电压小于某个特定值，输出的信号马上转变成高平电信号。本设计采用直射式光电检测器、施密特触发器、三极管和若干电阻构成的电路与单片机的P1.6引脚相连来测量小车车轮的转速，具体的图例以及电路示意图详见下图：

图2.14光电开关图2.15透射式光电测速实物和电路图具体而言，其测定速度的过程为：在智能小车上设置具有透光槽的圆状叶片，叶片与车轴共同转动，在车轴的附近设置一个光电感应器。在车轴旋转的时候，叶片随之转动，刀片连续地切断红外发射管和红外接收管之间的光路。当刀片旋转到透光槽和光路重叠时，光路被打开，光电晶体管通过电流，输出端输出低电平信号，当刀片旋转以覆盖透光槽时，光路为光盘。输出和输出将输出高电平信号。随着车轮的连续转动，光路不断地接通和断开，输出端将输出连续的脉冲序列。将发现脉冲的数量知道由刀片转动的孔的数量。由叶片转动的孔数可以知道车轮所做的匝数，可以计算车轮的转速，然后可以根据车轮半径计算出车辆的速度和距离。2.7数据显示模块本设计中的汽车数据显示电路采用液晶显示器LCD1602，LCD1602具有8位并行2线或3线串行两种接口模式。对于采用LCD1602液晶屏的显示装置而言，整个装置的小巧，能耗少、显示画面丰富、轻薄等特点。其电路示意图详见下图：图2.16LCD液晶显示屏在电路中，LCD1602和AT89C52单片机采用并行数据通信。引脚1连接到电源的正端子，引脚0，14和15连接到电源电压的负端子，以向LCD1602提供功率和背光电源；2英尺连接到10K电位器来调节背光照明；3，4和5F。EET分别连接。P1.0、P1.1、P1.2引脚作为单片机输入输出信号的控制；6～13引脚连接到微控制器P0.0P0.7引脚作为单片机数据输入。数据显示的原理如下：首先，通过数据显示子程序计算汽车的速度、距离和其他数据信息，然后通过单片机的P0.0P0.7引脚直接将这些数据信息输出到LCD1602的DO-D7。。2.8电源模块此设计中，我们使用两个2.7V锂电池串联到8.3V的直流电源，直接用于直流电机，用于驱动汽车电机，也可以减少到5V到微控制器等逻辑单元。这两款电池体积小，重量轻，能够非常方便的固定在小车的底部，避免出现负荷太大的情况，并且十分便宜，电流稳定动力充沛。由于单片机以及其它电路系统的额定电压均为5V，因此需要降低电池的输出电压，采用LM7805芯片能够将电压降低至5V。图2.17电源电路第3章系统软件设计对于微机控制系统而言，在设计的过程中，不仅仅要做好硬件的设计工作，还要依据实际的需求，然后进行具有针对性的设计。汽车是否具备相应的功能以及功能是否达到要求，取决于软件的编程是否合理。本设计采用模块化程序设计方法设计系统软件，分别实现了汽车的两个功能（遥控和跟踪），主要包括主避障跟踪程序、遥控子程序和主程序下的速度测量。程序、数据显示子程序和其他程序模块。3.1系统总体程序流程图总体程序流程图详见下图：图3.1系统程序流程图在上图中，我们能够看出，若检测到功能键1被按下，小车选择循迹功能；若检测到功能键2按下，小车选择遥控功能；若检测按键无反应，则返回按键检测，知道检测为止。3.2避障循迹模块程序设计避障循迹模块程序流程图如下。图3.2避障循迹模块程序流程图检测装置设置在智能小车的车头的左侧以及右侧，进而能够提前发现行进方向是否有阻碍物。小车的规避过程为：由二极管发射红外线，当小车前进方向预见阻碍物的时候，红外线被障碍物反弹，进而使得三极管感应器接受信号，然后感应器向单片机输入低电平信号，单片机调用相应的程序，向控制系统发出指令，控制系统控制小车停止、前进、拐弯等，避开前方物体。当左边遇到障碍时，汽车向右拐，当右边遇到障碍时，汽车向左拐。当系统发现按键输出的信号改变，小车便会立即退出红外循迹模式。详细的过程详见附录B避障子程序。3.3红外遥控模块程序设计图3.3遥控程序设计小车红外遥控程序流程图，在遥控功能开始时系统初始化，包括LCD1602显示初始化，定时器初始化，中断初始化。然后开始红外接收头信号的持续检测。若检测到相应的信号，则调用相应的子函数，包括左转，右转，直行，后退，停止和加减速，具体程序请见附录B的红外通信模块程序。3.4数据显示模块程序设计图3.4数据显示程序流程图在图3.4数据显示程序流程图中，首先初始化LCD1602，然后在液晶的第一行显示“speed(m/s)：”然后由主程序不断调用数据显示程序不断刷新m/s后面的数字实现实时显示的目的。具体的程序请见附录B速度显示模块。第4章系统调试4.1驱动电机的调试在驱动电机的过程当中，使用PWM脉宽调制方法对小车的速度进行控制。在给电机7.2V的电压的条件下，小车的最快速度可以达到0.4m/s。起初，将每个周期中的高低电平时间划分为10个档位，但在小车的运行状况而言，占空比在30%及以下，小车会有严重的抖动，不适合行驶和较为粗糙的路面，所以在综合了速度档和小车行驶效果之后，本设计设置8个速度档位。在便于调节速度的想法下，本设计还设置了按键调速，红外遥控调速，使用者可自由地根据路面情况来调节速度。本设计还具有转弯角度的按键控制，在红外循迹的功能中，转弯的角度需要轨道的弧度进行调节，以成功地通过转弯道路，具体情况如图4.1所示。图4.1小车驱动电机模块4.2红外探测的调试本设计本着节约成本的理念，只采用了两对红外线发射接收装置。在LM393电压比较器中，设置合理的标准对比值，以正确地辨别小车是否检测到黑线。设计者在多种路况的调试下，发现检测到黑线时，对应的电压始终在4.8V左右；未检测到黑线时，对应的电压始终低于1.0V，说明所选的红外发射接收装置的灵敏度足以让小车检测出黑线做出反应，所以设计者将标准电压对比值设置为1.5V。图4.2红外探测模块4.3测速及显示模块本设计的测速模块采用了中断计数的方法，对左右电机的路程进行计算；采用了定时器定时的方法计算时间，结合两者的关系和单位转换，得出速度与路程，时间的表达式，从而计算出速度。本设计的显示模块采用的是八线驱动模式，无光标，两行显示。显示模块是嵌在电机驱动程序中直行的，为了电机不发生电机抖动的现象，直行一次显示模块的时间不能太长，所以去除不必要的延迟函数和不影响显示操作的语句。但若显示函数的时间太短，LCD显示屏会发生闪烁现象。综合直流电机的运行状况和LCD1602显示屏的显示情况，软件调试时，将显示内容写入在第一行，第二行留空，以保证显示内容的清晰；将多余的语句减少，以保证电机的正常转动和调速，如图4.3所示。图4.3测速及显示模块4.4红外通信的调试本设计采用已有的监控器，并已知其发射的红外编码方式，将1838的红外接收头接入中断，在中断中采集用户码，用户反码，数据码，数据反码。通过判断起始位，“0”，“1”的高低电平时间不同进行判断。选择遥控器上的功能按键，通过软件调试知道每一个按键的数据码，如0x180x080x5a0x520x1c0x0c0x5e分别对应着遥控器中的2468513键的数据码。判断是否接受到以上信号，若接受到，则执行相应的操作。本设计采用的方法接受到正确的信号可以达到100%，如图4.4。图4.4主控模块结论本次设计主要是针对智能小车开展相关的设计工作，使得该小车大体上满足课题所规定的各种功能，通过遥控器能够方便操控小车做出相应的动作，例如前进、转弯、启动等。此外，小车还具有沿着黑线自动驾驶的功能，在行驶的时候如果前方有障碍物时，能够自动躲避物体，并且还能显示当前的车速，便于乘坐者方便查看。笔者在开展设计工作的时候，了解并掌握了相关电子产品的开发流程，理解了如何实现红外遥控、直流电机的运行原理、如何使用红外感应器发现前方障碍物、显示原理等自己以前并不了解的新知识，对单片机的结构和其控制系统也有了更深的理解和认识，特别是在、自己最不擅长的软件编程方面也有了一定的提高。然而由于笔者在所涉及的知识方面存在很多的不足之处，因此本次设计的智能小车还有很多有待提高的地方。比如该小车使用的红外感应器有效范围较小，使得检测没有全方位覆盖，有一些检测不了的盲区。另外，光电传感器抗干扰能力不够强大，外界光线变化等均会影响感应器能否正常工作，甚至将使得小车的循迹避障功能出现故障。本次设计的小车没有使用单独的转向装置，仅使用转速差实现