基于单片机控制的智能小车设计与制作133

1 12方案论证.........................................................................................................................22.1控制核心的选择及其简介.....................................................................................22.2小车驱动方式的选择.............................................................................................42.3直流电机驱动模块.................................................................................................52.4障碍检测模块.........................................................................................................62.5电源模块.................................................................................................................73系统硬件设计.................................................................................................................83.1车体结构及其驱动电路.........................................................................................83.1.1直流电机电路设计.......................................................................................93.1.2通道控制.......................................................................................................93.1.3电机调速.....................................................................................................103.1.4驱动模块...................................................................................3.2避障模块...............................................................................................................123.3硬件完成后的小车总体图...................................................................................134系统软件设计...............................................................................................................144.1主程序设计...........................................................................................................154.2障碍检测模块程序设计.......................................................................................154.3语音播放程序设计...............................................................................................175使用说明.......................................................................................................................20 23 24 27 摘要:课题的主要任务是设计并制作一辆智能小车，要求实现小车的语音控制、小车的预期功能。当今世界，传感器技术和自动控制技术正在飞速发展，机械、电气和电子信息已经成为了热门词汇。现在国外的自动控制和传感器技术已经达到了很高的水平，特别是日本，比如日本本田制作的机器人，其仿人双足行走已经做得十分逼真，而且具有一定的学习能力，还据说其智商已达到作为机械行业的代表产品—汽车，其与电子信息产业的融合速度也显著提高，呈现出两个明显的特点：一是电子装置占汽车整车（特别是轿车）的价值量比例逐步提高，汽车将由以机械产品为主向高级的机电一体化方向发展，汽车电子产业也很有可能成为依托整车制造业和用车提升配置而快速成为新的增长点；二是汽车开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展，使其不仅作为一种代步工具、同时能具有交通、娱乐、办公和通讯等多种功能。无容置疑，机电一体化人才的培养不论是在国外还是国内，都开始重视起来，主要表现在大学生的各种大型的创新比赛，比如：亚洲广播电视联盟亚太地区机器都能很好的培养大学生对于机电一体化的兴趣与强化机电一体化的相关知识。但很现实的状况是，国内不论是在机械还是电气领域，与国外的差距还是很明显的，所以作为物流自动化专业的学生，必须加倍努力，为逐步赶上国外先进水平并超过之而努力。我选择这个课题作为我课程设计的目的在于：通过独立设计并制作一辆具有简单智能化的简易小车，获得项目整体设计的能力，使自己在控制所以立“基于单片机控制的智能小车设计与制作”一题作为尝试。此项设计是在袁斌老师的指导下，采用80C51单片机作为控制核心，逐步实现蜂鸣器唱歌、躲避障碍和直线行走三大功能。完成硬件实物制作与组装，并编制相关程序，使其实现功能的融合，做出具有预先要求功能的实物。2方案论证小车总体功能描述：在小车的底盘上有一个总开关，当开关闭合时，小车开始工作，唱着歌直线前行，并可实现调速。在小车前进过程中，将调用避障函数进行入壁障模式。小车前方装有两个红外壁障传感器，当检当检测到右侧有障碍物时，向左转，当检测到前方障碍物无法避开时，小车停车并倒退，此时蜂鸣器发出警报声。下面根据设计要求，针对各模块需要完成的功能，本着简单、实用、廉价、容易操作、稳定的原则，对各模块进行充分的理论分析和方案论证。CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性储单元[3]。MCS51单片机的内部基本结构框图如图2（2）片内数据存储器RAM（128B用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及状态标志位等。（3）片内程序存储器ROM（4KB用以存放已编制好的程序及程序中用到的常数。（4）四个8位并行I／O接口P0输出使用。（5）两个定时器／计数器，每个定时器／计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。（6）五个中断源的中断控制系统，提供两个中断优先级，能实现两级中断嵌套。（7）一个全双工串行异步通信接口，用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信。（8）片内振荡器和时钟产生电路，但需要外接石英晶体和微调电容，最高允息，各功能部件分时使用总线，即所谓的内部单总线结构。AT89C52与其他MCS51单片机的不同之处在于具有8KB可反复擦写(大于1000次）FlashROM以及3个16位可编程定时/计数器中断。可反复擦写的FlashROM使得单片机能反复写入程序，使用更加地方便。分发挥其资源丰富，强大地控制功能和位寻址操作功能，更可贵的是其价格低廉。玩具小车上的两个电机均为一般的玩具直流后轮的电机用来驱动小车，这就是传统的控制小车方向的方式，缺点是转向过于灵敏；另外一种常见驱动方式为两电机四驱，差速转向，其优点是转向性能好，能实件制作比较有难度；还有一种驱动方案是采用三轮方案，即前面或后面安装一个万向轮，然后两电机分别控制两驱动轮，这种驱动方式具有两电机四驱的优点，而且硬件制作简单多了。比较上面三种方案，首先排除了第三种方案对于第二种驱动方式虽然有制作的经验，但是制作过于麻烦。综合以上三种方案，拟定后轮采用两个直流电机传递动力，转向时控制直流电机实现一个轮子反转，另灵敏度较高。L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。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。智能小车既然智能，至少要求其在行走的过程中不能碰到障碍物，所以其必须检测这种东西的反射情况来判断前面有无障碍。一般障碍检测传感器的选择有两种：用单独设计接口电路。但是其体积较大，而且检测距离不够远，对障碍的要求也比较高，比如遇到玻璃之类的透明物体就不能有效识别了。但其具有体积小、灵敏度高、检测距离远、对障碍物要求不高等优点。光电开关避障比较简单，就是在一定距离内有反射就认为遇到障碍，可以适当调节接收灵敏度来小幅度调节避障距离，这种方式不需要单片机参与计算，所以可以为单片机节省资源；而超声波的避障原理则相对复杂一些：超声波发射器向某一方向发射波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到发射波就立即停止计时。超声波在空气算的距离小于程序中设定的障碍安全离可以方便的在程序中调节，但是这种避障方式需要单片机参与计算，占用了资源。综合对比两种方案的优略，最终采用超声波避障，从网络上查得一种比较合适效地避免了可见光的干扰，检测距离可达80cm。接接驱动模块，给电机供电，另一条线路接稳压模块，降压至5V给单片机供电。在第2章方案论证的基础上，根据设计要求，对各模块的硬件进行系统设计。车体驱动方式已经在前一章确定下来，硬件部分则在原有小车基础上进行，电路板为电机驱动电路板。子为驱动轮。直流电机的线路在开发面板上已集成好了，接线时只需按程序设定好的通道接线。通过对电机接口电平进行控制，实现两步电机的正转向、倒退。结合对后轮的状态分析，得到小车的运行状态与输入的对照表，如表3.1所示：0000停转停转停1010100101100101PWM是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微器的数字输出对模拟电路进行控制的一种有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件下变化时保持恒定。PWM调速系统有下列优点：（1）由于PWM调速系统的开关频率较高得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下的损耗和发热都比较小。频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。根据以上综合比较，以及本设计中受控电机本设计采用了H型单极型可逆PWM变换器进行调速。脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。为顺器主电路的结构式有H型、T型等类型。我们在设计换器，它是由4个三极电力晶体管和4各续流二极管组成的执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作：样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。光电开关工作时，由内部振荡回路产生的调制脉冲经反射电路后，由发射管辐射出光脉冲。当被测物体进入受光器作用范围时，被反射回来的光脉冲进入光敏二极管。并在接收电路中将光脉冲解调为电脉冲信号，再经放大器放大和同步选通整输出光电开关控制信号。直接反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，直接反射关是首选的检测模式。型号：E18-D80NK。装好的小车如图3-5所示。在第2章的方案论证部分已经对小车的总体功能有所描述了，第3章也完成了开关是否是否开关是否是否高速速行否是否遇到障是否低速行驶是是否否是是否否是是否小车主程序的流程图。具体程序可参考附录1。流程描述：打开小车的电源开关时执行端口初始化程序，电动机全速运行，红若为右障碍时，则小车向左转，若左右都有障碍无法避免时，则小车倒车，并且开启警报声。具体程序还可参考附录2。延时延时初始化是是处理结果并置标志处理结果并置标志<><>是<><>是 主程序流程图流程描述：在调用避障程序的时候，首先进波，同时开始计时，延时一断时间再开中断，延时的作用是避开余波信号的干扰，在中断中记录相关数据，然后返回主程序对数据进行处理，再得出距离并与安全距避障程序其实是个测距的程序，在小车前进不断检测障碍标志位，当障碍标志位为1时就认为遇到障碍了，下面以前进程序的程序可参考附录4。是有障是是有障是<><><><>否流程描述：在接到前进命令时，调用小车的前进命令，首先关闭识别器，防止干扰，然后初始化相关端口，然后调用避障程序如果有，则不前进并播放遇到障碍语音提示，没有的话就开始前进，前进的过程中不断的调用避障程序，并检测障碍标志，当障碍标志为1时立即停车，并播放遇到障碍的语音提示。如果小车一直没有遇到障碍，在前进一段设定的时间后会自然停止。问题讨论：由小车的避障程序和前进程序可以看出，避障程序在等待回波中断的时候浪费了不少时间，所以在循线中没法实现避障，在此，提出一个解决方案：把数据处理程序都放到中断程序里，这样就能节省大量的时间而使得避障功能能在循线时实现了。由于时间问题，没有对此方案进行验证。语音播放程序很多函数都是有函数库提供，所以语音播放函数比较简单，其分体的程序还可参考附录3。小车的硬件连接如下：IOP0^1～IOP0^4红外避障端口；IOP1^4和IOP1^5右电机输IOP1^6和IOP1^7左电机输电源接入驱动输入端，给驱动供电；直流电机接驱动输出端。红外传感器由单片机供电。所有连接都已经连接好，使用者不要随便拆卸。小车采用12V锂离子电池供电，装在小车最前面，使用时请正确安装电池！安装电池后就可以打开小车底部的电源开关了，根据本次设计要求，我系统地阅读了大量的资料，并认真分析了设计课题的需项目。虽然条件艰苦，但经过不懈钻研和努力，购买到了所有所需的元器件，并系统的进行了多项试验，最终做出了整个小车的硬件系统，然后结合课题任务和小车硬件进行了程序的编制，最终顺利的通过了系统软硬件的联机调试，成功实现设计任务所要求的直线行走调速、报警和避障三大功能。通过本次课程设计，不仅是对我所学单片机知识的考查，更是对我的自学能力和收集资料能力以及动手能力的考验。本次课程设计使我对一个项目的整体设计有了初步认识，还认识了几种传感器，并能独立设计出其接口电路，再有对电路板的制作有了一定的了解，并学会了使用Protel设计电路。本次毕业设计还使我意识到了实验的重要性，在硬件制作和软件调试的过程中，出现了很多问题，最终都是通过实验的方法来解决的。还有以前对程序只是一个很模糊的概念，通过这次的课程设计使我对程序完全有了一个新的认识，并能使用C熟练的进行编程了。通过本次课程设计，极大的锻炼了我思考和分析问题的能力，并对机电一体化有了一个更深的认识。总之，在课程设计的过程中，无论是对于学习方法还是理论知识，我都有了新的认识，受益匪浅，这将激励我在今后再接再厉，不断完善自己的理论知识，提高实践运作能力。由于时间有限，我所设计的智能小车和已有的智能的小车相比，还处于初级阶段。主要体现在：料为主，比如传感器本身就是灵敏度不高。还有在制作工艺上还存在很多问题，导致灵敏度不高。3.程序的设计还不够简洁完善，导致单片机在控制硬件执行指令时存在误差。[4]侯少云．基于DSP和模糊控制的寻线行走机器人设计[J]．电子技术应用，#defineuintunsigne#defineucharunsignedcvoiddelay_ms(uintz)//声明延时函数{}{{{}if(l==1&&r==0)//表示r方有障碍物{}{mz2=1;my1=0;my2=1;}if(l==1&&r==1)//表示前方无障碍物直线行驶{mz2=0;my1=1;my2=0;}}sbitEN1=P2^2;sbitEN2=P2^5;voiddelay(intn)/延/时子程序{unsignedchari,j,k;}unsignedcharsensor_inp{}voidforward()//twomotosareruningforw{}voidbackward()//twomotosareruningbackward{}voidturn_left()//leftmotoisruning,butrightmotoisbrake{}voidrotate_left()//rightmotoisruningforward,andleftmotoisrunningbackward{}voidturn_right()//rightmotoisruning,butleftmotoisbrake{}voidrotate_right()//leftmotoisrunningforward,andrightmotoisrunningbackw{}voidfree()//twom{}voidstop()//twomotosstop{}{{//delay( delay(100);rotate_}蜂鸣器程序音乐清单：#defineucharunsignedcsbitbeep=P1^0;//定义蜂鸣器输出端口uchartimer0h,timer0l,timcodeucharsszymmh[]={6,2,3,5,2,1,3,2,2,5,2,2,1,3,2,6,26,2,4,3,2,2,5,2,1,6,2,1,5,2,2,3,2,2,6,1,1,5,2,1,3,2,1,2,2,4,2,2,3,3,2,1,5,2,1,6,2,1,3,2,2,2,2,2,1,2,4,5,2,3,2,2,1,1,2,1,6,1,1,1,2,1,5,1,6codeucharFREQH[]={0xF2,0xF3,0xF5,0xF5,0xF6,00xF9,0xF9,0xFA,0xFA,0xFB,0xFB,0xFC,0xFC,//1,2,3,4,0xFC,0xFD,0xFD,0xFD,00xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFcodeucharFREQL[]={0x42,0xC1,0x17,0xB6,0xD0,