《智能小车图像识别系统电路设计》6700字（论文）

智能小车图像识别系统电路设计目录TOC\o"1-2"\h\u21704一、绪论 1307291.1课题的来源及意义 126341.2国内外发展现状 2285811.3本文研究主要内容 3314051.4本章小结 314842二、总体方案设计 4260672.1整体的框架 4174702.2总体方案设计思想 5259952.3本章小结 525768三、硬件设计 5133623.1控制模块 5156473.1.1控制器的选择 5248723.1.2AT89C52单片机 621263.2红外线路面图像识别模块 7107653.3红外线检测信号以及单片机的接收控制 8195633.4电机驱动模块 999673.4.1电机驱动芯片的选择 923623.6本章小结 1110438四、系统软件设计与实现 13253554.1小车循迹 13258424.2调试 1468544.3本章小结 157583结论 1625414参考文献 16一、绪论1.1课题的来源及意义现在的世界是一个高速发展的世界，是电子产品高速发展的世界，即智能化的世界。无线控制技术，单片机技术已经逐渐成熟，逐步成为现代智能化不可缺少的部分。智能小车可通过编程来实现对智能小车的方向，速度还有启动与停止的控制，根部就不需要人类的干预，是一个把感知环境，决策的规划，自己行驶等这些功能放到一起的综合系统。从这点就可以感受到，我国经济实力的飞速发展将会给智能小车的研究提供一个更加宽广的未来。所以，对于智能小车的研究，不但能够使我们对课本中的知识更加的稳固，更是可以让我们将理论与实际更好的结合起来，使我们的知识更加的坚固。1.2国内外发展现状国外智能车辆的研究历史较长，始于上世纪50年代。它的发展历程大体可以分成三个阶段:第一阶段20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。1954年美国BarrettElectronics公司研究开发了世界上第一-台自主引导车系统AGVS(AutomatedGuidedVehicleSystem)。第二阶段从80年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车辆开展了卓有成效的研究。在欧洲，普罗米修斯项目开始在这个领域的探索。在美洲，美国成立了国家自动高速公路系统联盟(NAHSC)。在亚洲，日本成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶研究会。第三阶段从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段。相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪80年代。而且大多数研究处在于针对某个单项技术研究的阶段。虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定得技术差距，但是我们也取得了一系列的成果，主要有:(1)中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院与2003年研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。(2)南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院校联合研制了7B.8军用室外自主车，该车装有彩色摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位等传感器。1.3本文研究主要内容本文是由四个章节构成，第一章是绪论，最主要叙述了图像循迹小车所在领域的应用以及发展历程。第二章我们总体的说明了一下本小车的设计内容以及方案。第三章是主要需要的硬件以及硬件的介绍。第四章是软件部分的设计。1.4本章小结本章主要是对为什么要做这个实验，以及做这个实验的意义，还有国内外研究人员对该实验做出的成就进行简单说明。并对我们自己要写的论文有一个整体的思路。二、总体方案设计面对当前科技的不断进步和知识的不断更新,应当在设计的时候选择适当的仪器，选用各种仪器都会有好处也会伴随着缺点，所以本设计需要按照现实情况来选用各种仪器，这样才能够让电路系统合理的工作和运行，以达到实验目的。2.1整体的框架上红外检测上红外检测左红外检测右左红外检测右红外检测单片机停止右轮前进右轮后退左轮前进左轮后退驱动电机后红外检测停止右轮前进右轮后退左轮前进左轮后退驱动电机后红外检测图2.1整体程序框架图图2.1是整体程序的构架图，红外线检测到地面的情况有4种，有可能是左面出现白色，有可能是前面出现白色，也有可能是后面出现白色，还有可能是右边出现白色。当出现白色以后，红外线的反射光线就会反馈给红外线探头,然后把信号传给单片机AT89C52,单片机做了简单处理以后直接发送给驱动电机，驱动电机再控制小车，然后实现小车运动。2.2总体方案设计思想此次设计是利用4个红外线探头去检测已经事先设定好的黑线白底跑道，让检测到的地面信息发送给单片机，单片机再给电机驱动命令，让电机驱动执行任务。2.3本章小结本章主要是对智能小车的设计做一个总方案，接下来的设计我们就可以根据这个总设计来对其中小的设计扩展，使智能小车达到我们想要的要求。三、硬件设计3.1控制模块此次智能小车的设计是以AT89C52单片机为控制模块。此单片机有很小的体积、功耗也很低、性能优异、有很强的抗干扰能力且价格便宜等特点，采用DIP40的封装形式。同时在智能小车的底板上安有相应的单片机芯片插座，方便在烧写程序时插拔芯片。3.1.1控制器的选择方案一：采用MSP430单片机MSP430是德州仪器(TI)的其中一种很普通的RISC多角度分析器械。作为多种混合信息的处理和数字智能处理化技术的代表，TI创造的MSP430，能够在系统运行的时候，既能在低功率下运行，又能同时接连到模拟信号，传感器以及数字组件。MSP430的特点:处理能力强，运算速度快，超低功耗，片内资源丰富，有良好的开发环境，然而，MSP430管脚的驱动是非常弱的，但是它的电源和处理器在运作时的低功耗对于输入来说就几乎没有影响。MSP430使用的主频和其它的相比是低的，解决速度是很慢的，这次设计中，系统对于驱动控制和管脚输出是有很高的要求的，那么MSP430单片机显然是不合适的。方案二：采用AT89C52单片机[4]AT89C52是一个CMOS8位的微型控制处理器,它有很低的功率消耗而且性能达标，Flash存储器的存储空间是8K，它也是系统可编程的。AT89C52是由Atmel公司创造的，它采用了高级压缩谜底和抗内性俩种存储器技术，而且AT89C52和80C51的生产条令和芯片引脚是相同的。Flash存储器在单片机上面的时候，我们能够把程序直接编程到这个系统里面，这个方法一般的编程器都可以使用。AT89C52在单独的芯片处理上，包含有很好的8位CPU和能够在系统本身里面编程的Flash，这样让AT89C52变成了可以提升灵敏度和高效率的应用系统的独特方法。方案选择：综上所述:在上面的方案对比中，选用第二方案的控制器，让AT89C52来做为控制器。这个处理器成本很低，方便购买，实际操作也很简单，所以本次设计用AT89C52来做控制器。3.1.2AT89C52单片机AT89C52是具有小电压和高性能CMOS8位单片机，它含有8kbytes的能够反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM)，它是用ATMEL公司的创新保存技术，可以兼容标准MCS-51指令系统,单片机内设通用8位处理器和Flash存储单元，多样性的AT89C52单片机能够用于多种繁杂系统的控制环境，并且能够在线编程和按照常规方法进行编程。图3.1AT89C52单片机引脚图3.2红外线路面图像识别模块红外线路面图像识别模块又分为红外发射和接收探头来探测路况和寻迹模块俩部分构成。1.红外发射和接收探头来探测路线此次设计用到了俩种探头,分别是红外线感应发射探头和红外线感应接收信号探头，俩种探头一起来感应地面的环境。红外线发射管的作用是发射红外线信息，当通过地面以后信息反射回红外线接收探头这里，从而进行分析动作。光线对于道路上面的黑线和白色的反光情况是不同的，因为反射光不同从而来判断地面道路的情形。本次设计在这个模块中用了简单又容易操作的方法一红外线探测法。图3.2为红外线识别模块的原理图[8]。图3.2红外线识别模块的原理图通电以后红外线发射探头V1、V6、V3打开，向地面发射红外线信号，在通过白色地面道路时，红外线信号射到白色地面道路上，反射光比较强，此时红外线接收探头V2、V5、V4可以收到到红外线反射信号，能够让这几个探头导通，把电平信号发到P3.5、P3.6、P3.7从而使得单片机动作[9]。3.3红外线检测信号以及单片机的接收控制红外线发射探头通过对图像的扫描处理得到有效的信息直接发送到单片机上，当检测到黑线的时候，输出低电平。当前方红外探测头探测到地面黑线时，则单片机给电机驱动发送操作指令，会操作小车向前走。如果右边红外探测头探测到地面黑线时，则小车跑偏了，单片机给电机驱动发送操作指令，会操作小车右转弯。如果左边红外探测头探测到地面黑线，则小车也跑偏了，单片机给电机驱动发送操作指令，会操作小车左转弯。如果前方和右边红外探测头探测到地面黑线，则小车又跑偏了，单片机给电机驱动发送操作指令，操作小车右转弯。如果前方和左边红外探测头探测到地面黑线，则小车还是跑偏了，单片机给电机驱动发送操作指令，操作小车左转弯。3.4电机驱动模块3.4.1电机驱动芯片的选择方案一：采用L298NL298N为双H桥直流电机专用驱动芯片(DualFull-BridgeDriver)，驱动部分端子供电范围VS为+5V~+35V，驱动部分的最高电流为IO为2A，内部包含4信道逻辑驱动电路,这个器件是由二相和四相电机都可以用的专用器件，能够使2个二相一起运作，也能够使1个四相电机运作，且输出电压可以直接透过电源来调节;这个芯片也可以通过单片机的I0口，让I0口提供模拟时序信息，并且在小车的设计过程中I0口的使用也很少[5]。方案二：采用LG9110LG9110是能够让电机运动而且起到控制电机的作用的器件，它能够在放大功率的过程中用到，并且能够把分立电路也放到IC上，这样的话能够能够减低制作成本，还能让整个机器的功能都小部分提高[6]。这个LG9110的输入有2个，分别是TTL/CMOS电平，用它的好处是能够加强抗外部干扰的功能输出的端口有2个,能够直接放在驱动的俩种转上面,具有较大的电流驱动能力，所有的道路都可以过750-800mA大小的不间断电路，通过的最大的电流可达1.5-2.0A;同时而且这个芯片是有很低的输出饱和压降本身的设计中，里面的钳位二极管能够放出带有感性负载的反方向冲击电流。LG9110被广泛应用于玩具汽车电机驱动，步进电机驱动和开关功率管等电路上[7]。方案三：用分立原件建立电机驱动电路这个原件本身的价位是很廉价的,这样就使得在生产工业中可以大量的使用它。然而分立原件H桥电路在运作的时候达不到标准的稳定性能值，很容易发生硬件的损坏，所以本次设计不采用这个方案。方案选择：综上所述:在上面的方案对比中，此次设计的系统我们选用2方案，让LG9110作为本系统的驱动电路。LG9110驱动能力比较强，造价很低，实际操作也很简单，所以本次系统控制器使用这个方案。本设计的单片机可以通过电机驱动电路控制小车运行方法如表2.1。表2.1动作列表P1.3P1.2P1.2P1.20101前进1010后退1101左转弯0111右转弯3.4.2电机驱动此次设计用了L298N电机，用它来带动小车的俩个电动机。两个电动机一个为5V，一个为12V.直流电机主要由定子和转子两部分组成。定子是电机的静止部分，它最重要的作用是制造出磁场。启动的时候一直动的组成叫做转子,转子的主要作用是感应电动势产生电磁转矩，是机械能转换为电能或电能转换机械能的枢纽，还有一种说法叫电枢。这个L298N是由ST公司创造的，最多出现的是15脚Multiwatt组装的L298N，本身有4个通道的控制驱动电路。能够驱动2个直流电机,也能够驱动2个2相电机，还能够独自驱动1个四相电机，它的输出电压能够一直上升到50V。输出电压的控制可以由电源直接控制，只需要到单片机的I0口给予信息，能够让电路不繁杂，用起来很便捷。L298N能够收到TTL条理电平信号Vss,Vss一般接4.5~7V的电压。4引脚VS连电压源，VS能够连电压范围VIH为2.5~46V.L298N的发送出去的电流是2.5A，能够驱动电感上的负载。我们运用标准逻辑电平信号来操做，一般加入单片机管脚，包括了2个使能操控端，当它不会感应到输入信号的干扰时，是不让器件运转的。L298N包含逻辑电源输入端，可以让电路部分能够在低电压的环境下运行。图3.3为L298N引脚结构图。图3.3L298N引脚结构图左电机右电机P1.3P1.2P1.1P1.0LALBRARB00不转00不转01前转01前转10后转10后转11不转11不转2.循迹寻迹就是已经设计好一个背景为白色，其中有一条黑色跑道的线路，让这个小车用红外线探头感应不同的地面信息，从而去沿着黑线走。智能小车在没有外部环境干扰的情况下向前走的过程中，红外线探头会不间断的发射光信号，当红外线光射到白色图纸时，这个光信号就会发生反射现象，反射后的光信号直接又回到红外线接收探头.上;当红外线光射到黑线图纸时，黑色的特性就会起作用，它会把红外线光直接吸收，这样就不会有光信号反射回去，小车也就不会接收到反射信息。此次设计的黑线道路需要有一定的宽度，要比红外线发射探头的宽度宽。3.6本章小结本章是对智能小车设计硬件部分的叙述，是对单片机，红外检测信号及电机驱动所需要的电机进行了简单的介绍。

四、系统软件设计与实现智能小车只靠物品把它连接在一起，还不能使它进行运转，还需要有一个“大脑”来控制它们，使它们完成相应结构的功能。本设计采用C语言编程来实现其行驶的功能。当打开电源时，先用单片机使其各个模块都进行初始化，接着红外线探头开始发射信号，AT89C52会让外部中断为0，核心程序通入中断停止信号，从而实行解码。当解码成功以后，会有许多信息发送回核心程序，核心程序根据信息实行对应的运行任务，每一个模块的实行任务都是让电机驱动来实现的，所以在图中最后的程序方向是指向驱动电机模块的。4.1小车循迹如果想实现智能小车地面图像循迹的话，需要知道小车循迹的道理，上面已经介绍了,这里不做说明了。其实只需要辨别单片机管脚P3.7/P3.6/P2.0/P2.4还有前进后退的P3.4即可，P3.7管脚是表示前面红外线探头发射回来的信息，P3.6管脚是表示后面红外线探头发射回来的信息，P2.0管脚是表示左面红外探头发射回来的信息，P2.4管脚是表示右面红外探头发射回来的信息。如果左面红外线探头出现白色时，会让P2.0至0,单片机感应到P2.0变成0时，就会用到向右拐弯的函数，从而实现向右拐弯的操作，如果右面红外线探头出现白色时，也会让P2.4至0，这个时候就会用到向左拐弯的函数，来让小车自动选择方向。如果前面探头出现白色，左右探头也探测到白色，而后面探头没有探测到白色时，会让P3.7至0，这个时候就会用到前进后退的函数，按动P3.4，使其由前进变成后退。一般意义上讲，电机驱动是小车的主要组成部分，也是小车收到任务以后的最后操作，还是所有模块的集体外在变现。电机驱动能够让电机向前走，向后走，向左拐弯，向右拐弯，这些表现不只是驱动的表现，而是所有模块整体对电机驱动的一个信息展示，那么我们在设计程序的时候，应该先将这几个向前走，向后走，向左拐弯，向右拐弯独立的编译成单独的函数块,这样可以让所有的模块运动只需要选用这几个函数块就能够解决。图4.1为程序流程图:图4.1程序流程图4.2调试4.2.1电机驱动调试用一种最高效的办法来判别电机能不能正常运行,我们用一节传统的干电池来当电源，把电源的正负极与电机的正负极进行连接，观察电机能否正常工作。然后启动智能小车，仔细观察智能小车向前走和向后走灵不灵敏，向左转和向右转之间的差异大小是多少，如果小车表现出来的情况和自己心中的想法不一致，我们可以通过改变延迟时间来使其达到心中的预期，通过反复的调试和检查，最终让智能小车顺利完成任务，达到想要的目的。4.2.2寻黑线的调试首先检测小车板前的探头是否正常运行,把小车放到黑色跑道起点上，自己设计背景为白色，跑道为黑色的图纸，仔细观察智能小车在识别地面图像自主循迹功能上能不能完成规定任务,并且观察智能小车在拐弯的时候能否顺利拐弯，如果不能的话就应该再次调节内部延时间，从而达到顺利拐弯的目的。4.3本章小结本章是对智能小车软件部分的设计以及对电机驱动与寻黑线的一个调试，使其能够达到我们想要达到的目的。

结论设计的智能小车是以AT89C52单片机为核心制造的。图像循迹智能小车是当前社会的主流发展项目，它囊括了很多学问，在此次设计中发现了许许多多的问题，在这里对智能小车的研究提出几点小的可进一步提升的方向：(1)小车本身对周围环境的信息收集功能，本次设计的小车对周围环境没有自我判断意识，也没有自我适应意识，只能按照黑线自动去循迹。(2)可以增设避障的功能。本次设计缺乏壁障功能，而且只能识别地面图像，不能识别小车前后左右的图像，只能前进后退和左右拐弯功能。(3)跑道必须平整没有凹凸，否则小车会出现摇头现象会发生识别不了图像的问题。跑道是树胶黑色胶带粘贴制作，在太阳下会出现变现导致小车识别不了，所以在黑色跑道的问题上还有待改进。参考文献[1]欧青立,何刻忠等编著.室外智能循迹小车的发展及其关键技术研究[J].循迹小车，2000,22(6):519-526[2]杨鹃.多信息融合技术在移动循迹小车避障系统中的应用[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学.2007.[3]罗志增,蒋静坪编著.循迹小车感觉与多信息融合[M].北京:机械工业出版社,2003:1-10.[4]宋建国:AVR单片机原理及应用[A],北京航空航天大学出版社，1998.2，P35-P45[5]李华刚，郭壮辉，习志奇，胡柯，智能监控设