【基于单片机的智能小车的设计8700字（论文）】

基于单片机的智能小车的设计目录TOC\o"1-2"\h\u30150基于单片机的智能小车的设计 114017引言 119944第1章绪论 3304291.1研究意义 3314081.2国内外研究现状 3218411.3系统设计目标 4114141.4本章小结 425852第2章系统方案设计 5261392.1设计思路 5299422.2相关器件及其选择 677242.3本章小结 1215334第3章系统模块设计 1316873.1总体设计 13110343.2模块设计 1380003.3本章小结 183948第4章系统软件设计 19174084.1开发环境 1956814.2软件设计思路 1946754.3程序流程设计 20160764.4本章小结 2411498第5章系统总体调试 24178105.1软件的调试 24225315.2硬件的调试 24151445.3本章小结 2529506结论 25引言二十一世纪的今天，这是科学技术不断飞跃的时代，在科技发展过程中，人们的出行不断被优化，这得益于汽车科技的进步。在这种情况下，汽车行业与电子技术结合的越来越紧密，生活中的汽车向着类人化不断发展。我们研究的智能车是以小见大的象征，对它的研究可以很好地促进汽车多功能化的发展。这种智能车能够自动预先设定模式运行，不需要人类行为的参与，它可以成为一种为人类服务的工具。智能化是社会发展的产物，智能化的生活，超声波智能避障的研究对于智能汽车研究与突破具有重要的意义，它可以给人们的生活提供巨大的便捷。在设计中采用电机驱动控制与传感器技术相结合，可以采用系统模块化的设计方法。这样的方法的使用可以让系统更加简洁明了，在后期的调试中也可以更加方便，小车的调速也会更加平滑，电源消耗得速度也会减慢。这样设计出来的方案实施性更强，各项指标的测量调试也更方便、可靠，基本可以满足我们预设的要求。第1章绪论1.1研究意义在国内国外,有许多专家学者、社团都投入大量的人力、物力、财力来研究智能系统，其中包括远无人驾驶，紧急情况自动处理、远程操控等。无线数据传输的问世使得测量变得相对容易，对于数据的处理也更加方便快捷，目前的发展水平，已经可以实现数据实时处理。超声波智能避障小车的设计可以作为机器人研究的切入点。智能避障小车可以实现躲避障碍物体的功能，还可以扩展定点刹车，蓝牙控制等功能。在拓展功能之下，可以进行行驶路线的自动识别，根据程序运行，自动判断，按照正确的路线行驶。在系统设计的过程中,单片机系统是重点，外围的驱动电路显示电路围绕此中心进行设计。将理论知识进行整合运用，实现理论与实践的统一。国家级的设计比赛，省市级的设计比赛以及院校的设计比赛都会将这一项目列入竞赛题目中，可见当今时代的人们对此方向的重视程度。在设计中采用了比较先进的51系列单片机为控制中心，此类型的单片机能源消耗非常低，节约成本，它还采用了采用Flashrom工艺，功耗很低。该设计的研究可以用于长远时代遗迹的考证、医学应用、未知领域探索等。当设计与实践相结合，将实现超越理念本身存在的意义。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状智能汽车的研究在我国发展比较慢，这取决于人们对汽车行业的重视程度以及科研投入力度。目前来说，我国汽车行业的发展与美国、德国等发达国家还有较大的差距，虽然我国智能车起步稍微落后一些，但已经取得一些成就。 在国内一些重点的研究团队以及科研机构取得的部分成就如下：在国家重点扶持之下，在清华大学的智能研究团队与国家的实验室团队精心合作之下，研制出了新一代的智能车——“THMR-V”REF_Ref11187\r\h[1]。这种智能车可以在固定结构化的环境中实现对车道的寻找并且可以自动跟踪，此外这种智能车可以在稍微复杂环境中实现避障、刹车停障等功能。 在军事方面，车辆的遥控尤为重要，所以国家对此的研发重视程度比较高。国家将智能车控制定位重点研究对象。在二十一世纪初期一种名为“灵蜥”的机器人成功问世。在当前的发展中，研发技术比较成熟的研发成果有山理工无线遥控推土机、国防科技大学的无线遥控振动式压路机等REF_Ref11269\r\h[2]。 国内的智能车研究取得了些许成就，但是智能车的智能水平还远远达不到较高的水平，距离实现大规模实际应用的目标还比较遥远，有大量的研究需要进行，不少技术需要改进。1.2.2国外研究现状世界上的发达国家迈入智能车领域时间要比国内提前很多，例如美国、法国等国从多个方面对智能车和智能设备展开研究REF_Ref11442\r\h[3]。世界上的超级大国——美国对智能设备的研究有所成就，研制出了一种智能车，这种智能车的功能像行星探测车“流浪号”，它对环境的感知能力特别强，能在不断变化的环境中实现对自主学习，自动推理判断的功能REF_Ref11468\r\h[4]。它还能够在比较恶劣的环境中自主控制，而且可以与超远距离之外的人进行控制交流。法国的国防部与一家科技研究公司合作研发出一种战地专用机器人，它实质上是一种小型的智能车。这种智能车采用无线网络通信技术，使用者可以进行远程操控，信息的采集通过车辆上的传感器进行，通过网络数据传输到控制中心，使用者根据收到的信息进行指令的发布，从而实现监测以及执行任务。1.3系统设计目标超声波智能避障小车是多种技术共同作用的成果，它包括智能控制、传感器技术、数字电子技术等。功能丰富的智能车是当今社会的追寻目标，更高的生活要求驱使人们追寻更高的性能要求。智能车外界环境数据的获取都是通过传感器来完成的，智能车可以根据传感器收集的信息进行动态的判断。本次设计就是利用了单片机设计一个简易超声波智能避障小车。 设计的内容包括: 通过传感器对外界环境的信息进行收集，中心系统将数据信息处理后，判断出智能车应该做出的反应，如：前进，左转，右转，后退。最后一步就是对设计好的实物测试，观测它能否达到我们的设计要求。 对于超声波智能避障小车要实现的主要目标有: (1)提出设想，然后根据设想构思系统设计方案，并且对方案进行论证和总体设计。 (2)论证合理后，进行设计。 (3)完成设计，然后调试。1.4本章小结本章讨论了超声波智能避障小车在现代生活中的研究意义，具有的前景，还对本设计的重点做出，将国内外的研究突破成果加以说明。

第2章系统方案设计2.1设计思路本次设计的目标是让小车可以躲避前进道路上的物体,而超声波传感器是整个系统执行的首要器件，发挥着至关重要的作用。控制中心与超声波传感器的工作配合就是关键所在。超声波小车的总体设计方案的出发点由此确立。小车的总体设计方案如下。本系统在L298N驱动下提供电源，电压显示方面采用七段数码管，检测器使用超声波模块。首先，给小车通电后，电机开始运转，但此时小车速度不可调节，其初始速度为由程序给出。此外，数码管将显示当前工作电压。小车行驶的过程中，由超声波模块收集距离计算需要的信息，计时器中断函数功能控制该超声波。在下文也将详细介绍该程序的这一部分。当超声波系统检测到距离小于给定值20cm时，使小车的速度会自动降低。距离大于给定值20厘米时，正常的直行改为转弯或者倒车，此过程通过单片机执行中断程序完成。2.2相关器件及其选择在单片机外装备上超声波避障模块，测速模块等。这能小车设计中能需要提供两种供电，其中单片机需要5V的额定电压工作，而单片机以外的电路工作则需要6V。系统中使用的模块都采用市面上可以采购到的。单片机各模块相互配合进行检测，检测到的信息将被发送到控制中心进行处理，信息处理后对电机驱动模块发出命令，驱动小车进行避障。2.2.1系统电源整个系统的运行都要依赖电源模块。在整个设计中，需要考虑各个器件的电压，电路适用范围，器件使用注意，电源转换率等。 在设计中，需要使用6V的电压向舵机供电，这就需要一个产生直流电压的电路。采用5V电池作为系统电源为系统提供电压，使用变压模块转变为不同幅值的电压，以满足不同模块的用电所需。使用这种方法的优点：电源易获得，使用安全，输出能力强REF_Ref11742\r\h[5]。但也有一定的缺点，比如放电过程容易被其他因素干扰，放电过程不易控。各部分相互关系如图2.1所示：7.2V7.2V镍镉电池电机7.2V驱动12V线性CCD5V单片机5V舵机5V图2.1系统模块供电关系2.2.2系统控制中心在此设计中，选择STC89C52RC单片机进行系统的控制。该单片机运行中可以做自身的更新操作，可以进行在线下载，并且内部集成了电可擦可编程只读存储器REF_Ref11886\r\h[6]。STC98C52RC属于在日常生产和生活比较常见的芯片，而且比较便宜，市场也很广阔，所以方便购买。STC89系列芯片的功能如图2.3所示，系统的设计需要具有高稳定性、高精确性、高实用性，所以单片机处理选择了性价比相对较高的STC89C52为主控芯片。图2.2STC89C52RC引脚图八位单片机凭借它独有的特点在集成控制领域仍具有一席之地。与传统的51单片机一样STC89C52RC单片机配备了MCS51内核。与之不同的是，其在以往的基础上进行了完善，价格低但是比以往耗能更少，更加灵活，运行速度更快。不仅性价比高而且为大多数嵌入式系统提供的应对方案更加合理高效，被大量应用到智能设备，尤其适合装备到对体积有较高要求的仪器中。如图2.2为引脚图，图2.3为实物图。图2.3STC89C52RC引脚图STC89C52RC部分引脚功能：（29）：选通信号。：访问外部信号，低电位工作；访问内部程序空间，高电位工作。P1端口（P1.0-P1.7）：I/O口第二功能如表2.1所示：表2.1P1口的第二功能引脚号复用功能P1.0外部脉冲输入引脚P1.1T2EX功能P2端口（P2.0-P2.7）：I/O端口、地址线（高八位）。当P0、P1、P2、P3口作双向I/O端口使用时，如果数据在此输入则要让输出处在高电平REF_Ref30314\r\h。芯片内部具有集成专用复位电路，也可以采用芯片外部的复位；P3端口（P3.0-P3.7）：I/O端口。P3口的第二功能如图2.2所示：表2.2P3口第二功能引脚号名称复用功能P3.0RXD串行通信输入扣P3.1TXD串行通信输出口P3.2外部中断0P3.3外部中断1P3.4T0定时器T0的外部输入P3.5T1定时器T1的外部输入P3.6外部数据存储器写入信号P3.7外部数据存储器读取信号2.2.3数码管生活中常用的数码管有两种，七段数码管有七个发光二极组成，而八段数码管多一个点形状的二极管。数码管的市场比较广阔,造价也比较低,购买方便。相一电流输入到数码管的不同管脚,就可以使它发光进而显示出数字显示出想要表示的时间、速度等测出的数据。二极管的正极连接到与七段数码管有共阳极，这可以使二者具有相同的作用。所以在使用中,不用过多考虑正极，控制负极的接地情况就可以控制数码管显示。数码管引脚如图2.4，实物如图2.5所示：图2.4数码管引脚图2.5数码管2.2.4电机在本设计中使用的驱动电机是永磁式的直流步进电机，所以要想控制电机转速快慢和方向，只能控制电压/电流的来实现，所以电机驱动模块必须要可以控制电压/电流。可以考虑以下方案：①使用继电器控制电路开关,通过开关的切换调整速度。这样可以优化电路。但反应时间比较长,而且多次开关对器件结构也容易造成伤害,这会导致它寿命减短。②利用功率管组成的H桥型电机驱动电路，在组成的电路中，输出电压有效值大小的控制通过PWM波来实现REF_Ref12186\r\h[8]。使用这种方式的优点是：速度调节的性能比较好，而且速度调节的范围比较大，可以承受多次负载冲击等。③采用L298N专用芯片驱动。这种芯片的工作原理和②基本一致,它的工作远比②稳定。此芯片的编程更加简单,而且可以同时驱动多个电机,所以硬件实现较②来说更加简单[9]。基于上述理论分析，拟定③，步进电机如图2.6所示：图2.6步进电机2.2.5超声波传感器超声波传感器是一距离的电子器件，它仿照蝙蝠飞行过程探知方向的原理：声波反射。系统根据超声波收发时间的长短来计算距离。超声波测距模块的种类有很多，比如：①URM37超声波传感器REF_Ref12301\r\h[10]；②URM05超声波传感器③国外的高精度传感器，一般都可以精确到一厘米以内。在这些分类中，第②种测距最远，可以达到十米之多。超声波探头是一个强大的电声转换器。超声波换能器的频率误差比较小。此外，这个器件的时间稳定性良好与众不同的制作材料，使得器件的振动特性良好。还有独特的优点：频带宽度大，信号的发射以及接收灵敏度较高等。超声波模块如图2.7所示：图2.7超声波传感器2.2.6舵机、核心马达、齿轮与位置检测器可以构成舵机。C52单片机将控制信号发送到舵机，舵机根据相应的信号指令转动马达，舵机中的马达驱动器件内的齿轮运动，达到角度转动的目的REF_Ref12503\r\h[11]。一般情况下，三极转子上绕满铜线构成马达的内部结构，电流流过铜线时，会产生电测感应现象，这是会有磁场产生，磁场与永磁体相互作用（满足同极性相互排斥，异极性相互吸）。舵机如图2.8所示：图2.8舵机2.3本章小结本章分析了超声波智能避障小车的基本原理和主要模块，详细说明了每一部分的功能以及选择方向，并进行了理论分析和推导。

第3章系统模块设计3.1总体设计在设计中本小车的控制中心是芯片STC89C52RC，通过精密的超声波模块对小车到障碍物的距离进行测量。小车正常情况下会一直沿直线行驶，当小车拐弯或者往后退时说明小车到物体的距离被判定不安全。本设计系统使用模块化的结构，、电序、显示子程序等构成REF_Ref12624\r\h[12]。主程序流程图如图3.1所示：系统软件模块图如图3.2所示。开始开始PWM初始化电压显示定时器初始化超声波发送一个触发信号端口初始化电机转向测试电压继续行驶是否收到回波信号图3.1主程序流程图3.2模块设计3.2.1电源供电系统模块根据工作状态，直流稳压电源分为线性稳压电源、开关稳压电源REF_Ref14410\r\h[13]。线性的电源工作比较稳定，不易受外界条件的影响，而且它的效率比较高,功耗比较小,但是存在比较严重的开关干扰。电源模块需要为小车系的各个模块供电,供电稳定才能让其他模块运行稳定。在设计中,需考虑其他电路系统的正常工作电压,还需要做好各个模块的正常供电,减小模块相互的噪声干扰,在这种供电关系下,设计出电源供电系统的电路，如图3.2所示：图3.2电源供电系统模块3.2.2超声波收发模块超声模块从TRIG管脚输入触发信号就可以使其进行工作。在进行启动之后,进行信号发射的部位向正前方发射信号波，与此同时，C52单片机内部开始进行计时工作。当发射出去的信号碰到阻止信号传播的物体时，信号反射回超声波模块进行信号处理的接收部位，处理过的信号将被传送到控制中心内部,控制中心将从发射到接收的时间计算出,根据程序对小车到物体的距离进行分析。超声波接口电路如图3.3：图3.3超声波接口电路3.2.3单片机主控模块单片机主控模块负责控制超声波模块、、七段数码管显示模块、L298N，单片机主控电路如图3.3所示。单片机通过计算超声波收发时间再经过换算，得出小车距离障碍物的距离，通过七段数码管当前速度值REF_Ref12938\n\h[14]。通过输出不同脉宽的脉冲来控制直流电机的速度。单片机主控模块如图3.4所示：图3.4单片机主控模块3.2.4电机驱动模块在本次设计中,系统使用的是直流步进电动机。即使在C52单片机外部不连接任何消耗系统能量的电路，单片机的输送功率仍然非常低，不足以支撑多个直流步进电机的同时运转。电动机转速的调节是利用直流电动机常用的脉宽调制(PWM)来调节的REF_Ref13346\n\h[15]。在本设计中,要想让四台直流步进电机同时转动，这就需要两个芯片对四个器件进行有效操控。它有多个时间终端,可分别由外部的高低电平进行控制。L298N预防系统崩溃。电感两端突然断电,此电感仍具有原来的能量。设计中使用的电机电感比较大,在这个过程中,可能会发生故障。L298N得添加就可以将电感具有的能量进行消耗。L298N芯片驱动功率大,具有电路保护作用,在使用的过程中会非常安全靠谱。为使L298N能够正常运行,还需要多个续流二极管。这样就解决了解决了负载容量不足的问题。通过单片机对直流步进电机驱动和控制。电机驱动模块如图3.5所示：图3.5电机驱动模块3.2.5单片机复位电路图3.6复位电路无论单片机（MCU）何时通电，或故障发生时，都必须把系统进行复位。设计中使用的STC89C52RC单片机的复位方式有上电自动复位和按键手动复位REF_Ref13411\n\h[16]。复位电路如3.6所示：3.2.6数码管模块在本设计中,数码管用于显示系统的工作电压,单片机控制信号强弱，将收集到的电压信息进行处理,然后将信号发送到数码管进行显示。数码管模块如图3.7所示：图3.7数码管模块3.2.7舵机模块对于不同的生活环境，器件也必须做出相应的设计改变。根据不同的负载电荷要求，舵机中的转向器齿轮也分为塑料材质和金属材质。工业使用的舵机一般都是金属齿轮，这样的齿轮通常不会因为载荷过大而开裂REF_Ref14567\n\h[17]。更加先进的方向舵装置使旋转更轻更准。现在，纯数字驱动的舵机主要采用场效应变压器电晶体。这种舵机的内阻比较小，所以此器件的电流损耗相对于其他的舵机比较小。本设计中的模块接口图如图3.8所示：图3.8舵机模块接口3.3本章小结本章节对相硬件电路组成模块进行了详细介绍，在设计构想出以后对整体框架进行搭建，部分模块的功能以及原理也详细说明，整个设计的硬件部分基本准备完毕。

系统软件设计4.1开发环境单片机系统开发中除了必要的硬件一外，软件也是不可或缺的。系统的设计包含有Kei、STC_ISP_V480、Protues。4.1.1Keil编译器的简介单片机开发技术在不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展REF_Ref14600\n\h[18]。许多厂家都是Kei软件的忠实支持者。4.1.2STCISP_V394编程器的简介在运行STC_ISP_V394下载软件之前。将要编写程序的MCU插入编写程序器的针插座。运行步骤如下：①选择单片机的型号，②装载生成的HEX文件，③选择串口并设置波特率REF_Ref14626\r\h[19]，④设置工作模式，⑤单机下载按钮完成烧录，4.2软件设计思路汇编语言程序的读取能力欠佳，转移特性比较差，而且它的应用缓冲时间也比较长。在编程过程中，C语言可以进行模块化编程。这样可以提高任务的完成效率，虽然任务被划分为几个独立但仍然是相关的模块。这样的编写方法也方便错误的查出。在软件设计中，通常把一个整体过程分成几个部分，每一个部分就是一个模块（具有一定功能的程序段）。划分成小模块之后，数据采集，数据传输都会变得比较方便。这样做也可以是单片机工作更有规划，方便操控发布指令。这种编程方式的主要优点是：编写和调试程序更加便捷，并且模块与模块可以共存，可以相互配合这为设计人员提供了方便。4.3程序流程设计超声波智能避障小车超声波智能避障小车智能避障子程序电机驱动子程序超声波测距子程序数码管显示子程序图4.1程序流程图4.3.1主程序调用超声波模块调用超声波模块调用避障模块20>distance>0初始化是否图4.2系统主程序流程图这款智能车基于STC89C52芯片系列。这种芯片有40个引脚，有32个完整的数据接口。在这些端口接入不同功能的模块，模块相互配合运行，就可以实现多种控制同时进行。系统主程序流程如图4.2所示：4.3.2超声波测距与避障子程序定时器的分频值与测得距离的获取与转换有关联，避障子程序通过传感器检测不断循环运行，其程序流程图4.3所示：程序开始程序开始程序结束系统初始化发送脉冲信号继续执行计时和发射计时器计时，超声波开始发射关闭脉冲信号计时器停止计时，超声波发射停止接收端是否接收到超声波？是否图4.3超声波测距流程图4.3.3电机驱动子程序L298N芯片通过改变步进电机电平的方式，来控制小车向各个方向的行驶，其电机驱动流程图如图4.4所示：电流控制电流控制脉冲分配器控制器功率驱动电路负载步进电机保护电路如图4.4电机驱动流程图4.3.4数码管显示子程序使用规定的电路驱动LED数码管工作，控制它显示具体的信息。静态驱动是由单片机数据输出端口控制数码段。这种方式的的编程会比较方便,显示也会比较清晰,存在的不足是对空间的占用比较大。动态显示目前应用最多的。它将数码管同名端连接到一起，然后由单片机控制另一端进行字码输出。两种显示方式可以达到相同的效果，但是动态显示反应速度更快,能源消耗更低。数码管显示流程图如图4.5所示：子程序入口子程序入口返回初始化段码送驱动显示关显示查表取段码位码送译码器选通低位数码管显示缓冲区左移数字是否显示？是否图4.5数码管显示流程图4.4本章小结在本章节根据设计所需要的功能，构造出系统程序的流程图，根据流程图编写了系统的软件模块程序，并且还介绍了系统的开发环境，软件设计部分基本完成。系统总体调试5.1软件的调试在软件调试中，使用配套的单片机对程序进行烧录。先分小模块逐步进行检查调试，然后结合起来形成系统进行检测。①安装并运行STC_ISP软件；②检查连接情况，若串口号显示正常点击，则说明连接成功；如果没有出现，那就需要检查是不是电脑接口与开发板没连接好；③将程序进行装载，然后进行下载REF_Ref13836\n\h[20]。在软件调试的过程中，设计的小车只有向前行驶的功能，不能够进行转弯后退。当把超声波模块接入电路，小车出现了停滞的现象。对于这种问题，对系统的连线进行了重新设计连接。感觉接好以后，对车子进行多次调试，程序之间无法协同工作，查找资料后改进单位，问题终被解决，设计目标得以实现。5.2硬件的调试在硬件电路的调试过程中，电动机的转动速度非常关键，车速的大小关乎到检测速度的调节快慢，关乎小车是否能正常工作。如果两台直流步进电机的性能有所区别，给电动机相同的的PWM波，电动机得运行速度也不会相同，小车就有可能走不成直线，遇到这种情况，就需要耐心的不