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1、天津大学网络教育学院专科毕业论文题目：基于单片机的简易智能小车的设计完成期限：2023年1月8日至2023年4月20日学习中心：嘉兴专业名称：电气自动化技术学生姓名：姚杰学生学号*指导教师：刘斌基于单片机的简易智能小车的设计第1章系统概述智能化作为现代社会的新产物，是以后的开展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要到达的或是更高的目标。中国自1978年把智能模拟作为国家科学技术开展规划的主要研究课题，开始着力研究智能化。从概念的引进到实验室研究的实现，再到现在高端领域（航天航空、军事、勘探等）的应用，这一过程为智能化的全面开展奠定基石。智能
2、化全面的开展是实现其对资源的合理充分利用，以尽可能少的投入得到最大的收益，大大提高工业生产的效率，实现现有工业生产水平从自动化向智能化升级，实现当今智能化开展由高端向群众普及。从先前的模拟电路设计，到数字电路设计，再到现在的集成芯片的应用，各种能实现同样功能的元件越来越小为智能化产物的生成奠定了良好的物质根底。本设计以智能化全面开展的普及与应用为目的，整体开发过程简单易懂，所选择的平台与各电子元件恰当合理，无需花费过多的人力财力便可到达预期所要求各功能的实现，也符合课题研究的意义。设计的理论方窠、分析方法及特色与创新点等可以为国内自动运输机器人、采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人等自动半自动机
3、器人的设计与普及有一定的参考意义。小车也可以作为玩具的开展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值。同时作为高校毕业设计研究课题，对学生的思维、动手能力以及总结论述等综合能力得到充分锻炼，有利于以后独立及全面的开展。设计主要以简易智能机器人为开发平台，选择通用、价廉的51单片机为控制平台，选择常见的电机模型车为机械平台，通过细化设计要求，结合传感器技术、电机控制技术、无线通信技术等相关知识实现小车的各种功能。设计完成以由无线电遥控、红外线对管的自动寻迹、红外线自动避障以及语音控制组成的硬件模块结合软件设计组成多功能智能小车，共同实现小车的前进倒退、转向行驶，
4、自动根据地面黑线寻迹导航，检测障碍物后停止和语音信号的控制等功能，实现智能控制，到达设计目标。1. 1智能小车的意义和作用自第一台工业机器人诞生以来，机器人的开展已经普及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。随着科学技术的开展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统,对于视觉的各种技术而言图像处理技术己相当兴旺，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能
5、识别一些结构化环境简单的目标。视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD,目前的CCD已能做到自动聚焦。但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。避障控制系统是基于自动导引小车(AVG-auto-guidevehicle)系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线。使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成局部：传
6、感器检测局部、执行局部、CPU。机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线,并检测到障碍物自动躲避。基于上述要求，传感检测局部考虑到小车-般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。智能小车的执行局部，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。单片机驱动直流电机一般有两种方案：第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PwM功能的单片机，这样可以实现精确调速；第二，可以由软件模拟PwM输出调制，需要占用单片机资源，难以精确调速,但单片机型号的选择余
7、地较大。考虑到实际情况,本文选择第二种方案。CPU使用STC89C52RC单片机，配合软件编程实现。1. 2设计目标本设计的主要任务就是设计一个以单片机为核心的智能小车，主要实现循迹及简单的障碍物检测功能。通过装在小车前面的红外传感器，获取路面黑线位置信息、，输入到单片机中，再由单片机输出控制信号，由驱动模块驱动电机实现小车的自主循迹行驶，同时当路线前方检测到有障碍物时，进行相应的避障措施。1.3设计工具简介及运行环境1.电路原理图ddb文件，Protel99SE软件设计。其主要包含两大局部：电路工程设计局部和电路仿真与PLD局部。2 .程序代码.uvproj文件，KeilUViSion2软件
8、编写。KeilUViSion2是美国KeilSOftWare公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统C语言的语法来开发，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用，而且大大的提高了工作效率和工程开发周期,他还能嵌入汇编，您可以在关键的位置嵌入，使程序到达接近于汇编的匚作效率。3 .运行环境：其程序，电路图局部在win7环境下完成。第2章智能小车设计根据要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的根底上，加装光电检测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车
9、的智能控制。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。2.1智能小车的设计要求本设计的主要任务就是设计一个以单片机为核心的智能小车，主要实现循迹及简单的躲避障碍物功能。通过装在小车前面的红外传感器，获取路面黑线位置信息，输入到单片机中，再由单片机输出控制信号，由驱动模块驱动电机实现小车的自主循迹行驶，同时当路线前方以及左右方检测到有障碍物时，采取相应的避让措施。2. 2系统总体设计思路智能小车采用前轮驱动，前轮左右两边各用一个电机驱动，调制前面两个轮子的转速起停从而到达控制转向的目的，后轮是万象轮，只是起支撑的作用。当循迹模块左边的传感器检测
10、到黑线时，主控芯片控制左轮电机停止，右轮继续向前转动，从而将车向左修正，当车身下右边传感器检测到黑线时，主控芯片控制右轮电机停止，左轮继续向前转动，从而将车向右修正。当全部的传感器都检测1：主控制模块，主要实现各个模块传输的数据处理，输出指令等功能。2：电机驱动模块，主要控制小车电机的启动和停止，使小车的电机在配合下到达小车的行走、停止、转弯等动作。3：循迹模块，通过小车前方的3个红外对管寻找地上的黑线，从而让小车按着黑线行走。4：避障模块，检测小车的周围是否有障碍物，向单片机传输信号，从而让小车避开障碍物。5：电源模块，分别用2个6伏直流电源给单片机和电机供电，并加大小车的重量，让小车在行走
11、过程中更加稳定。2. 3系统的硬件选择1、单片机的选择采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势一一控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。针对本设计特点一一多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D功能也不必选用。根据这些分析,我选定了STC89C52RC单片机作为本设计的
12、主控装置，51单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K,对于本设计也绰绰有余，更可贵的是51单片机价格非常低廉。在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片推片机，充分利用STC89C52RC单片机的资源。2,驱动模块的选择用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强,是一种广泛采用的PwM调速技术。现市面上有很多此种芯片，我选用了L298N。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速
13、范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。3,循迹模块的选择采用红外一体化传感器。此方案可以降低可见光的干扰，灵敏度高，同时其尺寸小、质量轻、价格也低廉。外围电路简单，安装起来方便，电源要求不高,用它作为近距离传感器是最理想的4、避障模块的选择采用一只红外对管置于小车左右侧。通过测试此种方案就能很好的实现小车避开障碍物，且充分的利用资源而不浪费。5,电源模块的选择采用2个4支1.5V电池双电源分别给单片机与电机供电可解决问题且能让小车完成其功能。第3章系统硬件的设计1驱动电路的设计与原理
14、分析1.298是SGS公司的产品，比拟常见的是15脚MUItiWatt封装的L298N,内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。1.298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V,可以直接通过电源来调节输出电压；可以宜接用单片机的H)口提供信号；而且电路简单，使用比拟方便。1.298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS,VSS可接4.5-7V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为+2.5-46V。输出电流可达2.5A,可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L
15、298可驱动2个电动机,OUTl,OUT2和OUT3,OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动两台电动机。将引脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA,EnB接控制使能端，控制电机的停转。在L298N的输出端分别正确的接上小车的左右两个直流电机，通过L298N的输出电流控制左右两个直流电机的停止或者前进，例如左轮不转右轮向前就做左转的动作，右轮不转左轮向前就做右转的动作，如图3.1和图3.2所示。图3.1L298N引脚图3. 2信号检测模块的设计与原理分析小车循迹原理是小车在画有黑线的白纸路面上行驶，由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断道路一黑线。笔
16、者在该模块中利用了简单、应用也比拟普遍的检测方法一一红外探测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理外表具有不同的反射性质的特点。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色地面时发生漫发射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线那么红外光被吸收，那么小车上的接收管接收不到信号，再通过LM324作比拟器来采集上下电平，从而实现信号的检测。避障亦是此原理。电路图如图3.3所示。市面上有很多红外传感器，在这里我选用TCRT5000型光电对管。图3.2驱动原理图图3.3循迹原理图3. 3主控电路的设计与原理分析本模块主要是对采集信号进行分析，同时控制电机，起停。以及再检测到障碍
17、做出反映的作用。其电路图如图。STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可襟除只读存储器(FPERoM-FIaShProgramableandErasableReadOnlyMemory)的低电压，高性能CoMoS8的澈处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。STC89C52RC单片机引脚图如图3.4所示。图3.4STC89C52RC单片机引脚图STC89C52RC具体介绍如下：(1)主电源引脚(2根)VCC(Pin40):电源输入，接+5V电源GND(Pin20):接地线(2)外接晶振引脚(2根)XTALl(Pi
18、nl9):片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin20):片内振荡电路的输出端(3)控制引脚(4根)RST/VPP(Pin9):夏位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。LE/PROG(Pin30):地址锁存允许信号PSEN(Pin29):外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31):程序存储器的内外部选通,接低电平从外部程序存储器读指令。(4)可编程输入/输出引脚(32根)STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位PO、Pl、P2、P3,每个口有8位8根引脚)，共32根。PO(Pin39Pin32):8位双向1/0口线,名称为PO.0PO.7Pl(PinlPin8
19、):8位准双向1/0口线，名称为PLoPL7P2口(Pin21Pin28):8位准双向1/0口线，名称为P2.0P2.7P311(PinlOPinl7):8位准双向1/0口线，名称为P3.0P3.7STC89C52RC主要功能如表3.1所示。表3.1STC89C52RC主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写FlashROM32个双向1/0口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能3.4直流电机电路的设计与原理分
20、析+5V：芯片电压5V。VCC：电机电压，最大可接50V。GND：共地接法，A-D-:输出端，接电机。AD+：为步进电机公共端，模块上接了VC&ENI、EN2：高电平有效,ENI、EN2分别为INl和IN2、IN3和IN4的使能端。INrIN4：输入端，输入端电平和输出端电平是对应的。直流电机原理图如图3.5所示。图3.5直流电机原理图主控电路如图3.6所示。图3.6主控电路第4章软件功能程序及分析在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件更为重要。在单片机控制系统中，大
21、体上可分为数据处理、过程控制两个根本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。为了完成上述任务,在进行软件设计时，通常把整个过程分成假设干个局部,每一局部叫做一个模块。所谓模块，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段,这种程序设计方法叫模块程序设计法。模块程序设计法的主要优点是:(1)单个模块比起一个完整的程序易编写及调试；(2J模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用；(3)模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。4. 1主程序框图循迹程序：voidfunl()循迹子程序
22、if(P25=l&P26=0&P27=l)直走PIl是车前PlO是车后dt,=l;if(P25=0&P26=l&P27=l)左拐dr=2;if(P25=l&P26=l&P27=0)右拐dr=3;if(P10=0Pll=O)进入壁障标志口dr=4;switch(dr)case1:P14=0,P15=l,P16=0,P17=l;break;直走case2:P14=1,P15=0,P16=0,P17=l;break;/左拐case3:P14=0,P15=l,P16=l,P17=0;break;/右拐P14,P15,控制左电机case4:yy=l;4. 3避障模块小车左走避障框图如图4. 3所示。前左
23、有障碍物小车右走避障程序：voidfun2()壁障子程序if(P1O=O&P11=1&P12=O)/两边测直走P14=0,P15=%P16=0,P17=l;if(P10=0&P11=0&P12=1)/左中测右走P14=l,P15=0,P16=0,P17=l;左拐delay(1000);if(P1O=1&P1l=0feP12=0)右中测左走P14=0,P15=l,P16=l1P17=0;/右拐delay(1000);if(P1O=OfefeP11=0&P12=0)全测到直走P14=0,P15=l,P16=0,P17=l;直走if(P10=0Pll=lP12=l)P14=0,P15=l,P16=0
24、,P17=l;直走if(P10=lPll=lP12=0)P14=0,P15=l,P16=0,P17=l;直走if(P25=0&P26=0&P27=0)车停P14=1,P15=1,P16=1,P17=1;TRO=O;结论整个系统的设计以单片机为核心,利用了多种传感器,将软件和硬件相结合。本系统能实现如下功能：(1)自动沿预设轨道行驶小车在行驶过程中，能婚自动检测预先设好的轨道，实现直道和弧形轨道的前进。假设有偏离，能够自动纠正，返回到预设轨道上来。(2)当小车探测到前进前方的障碍物时，可以自动报警调整，躲避障碍物,从无障碍区通过。小车通过障碍区后，能够自动循迹。(3)自动检测停车线并自动停车。从
25、运行情况来看循迹的效果比拟好，避障的效果不是很好，我认为是由于电源不能稳定而是的小车的速度不好控制，这也是我这次设计最大的误区，没有选取稳定的电源。我相信如果实验条件和时间的允许下我肯定能解决这-问题。致谢历时三个月的毕业设计已经告一段落。经过自己不断的努力以及老师的耐心指导和热情帮助，本设计己经根本完成。在这段时间里，老师严谨的治学态度和热忱的工作作风令我十分钦佩，她的指导使我对整个毕业设计的思路有了总体的把握，并耐心的帮我解决了许多实际问题，使我有了很大收获，本论文也是在老师的指导下修改完成的。在此，我要对他表示由衷的感谢，同时也感谢在整个毕业设计中所有帮助过我的人。通过这次毕业设计,我深
26、刻地认识到了学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义，并且检验了大学三年的学习成果。这三个月的设计是对过去所学知识的系统提高和扩充过程,为今后的开展打下了良好的根底。虽然在这次设计中对于知识的运用和衔接还不够熟练，但是我将在以后的工作和学习中继续努力、不断完善。由于自身水平有限，设计中一定存在很多缺乏之处，敬请各位老师批评指正。本设计能够顺利完成，还承蒙老师以及身边的很多同学的指导和帮助。在设计过程中，老师给予了悉心的指导，最重要的是给了我解决问题的思路和方法，并且在设计环境和器材方面给予了大力的帮助和支持，在此，我对老师表示最真挚的感谢.同时感谢所有帮助过我的同学。感些评阅老师百忙之
27、中抽出时间对本论文进行了评阅。参考文献郭惠，吴迅.单片机C语言程序设计完全自学手册M.电子工业出版社，2023.10：1-200.王东锋，王会良，董冠强单片机C语言应用100例M.电子工业出版社，2023.3：145-300,韩毅，杨天.基于HCS12单片机的智能寻迹模型车的设计与实现J.学术期刊，2023,29(18)：35-40.4王晓明电动机的单片机控制J.学术期刊，2002,13(15)：22-25.5何立民.单片机应用技术选编M.北京：北京航空大学出版社，1998.6李华.MCS-51系列单片机使用接口技术M北京：北京航空航天大学出版社,1993,7王千.实用电子电路大全M.电子工业
28、出版社，2001.8 YamatoI,NewconversionsystemforUPSusinghighfrequencylinkJ1IEEEPESC,1988:10-20.9YamatoI,HighfrequencylinkDC/ACconverterforUPSwithanewvoltageclamperJIIEEEPESC,1990:52-105.10白驹珩、雷晓平.单片计算机及其应用M.成都：电子科技大学出版社,200511李广弟.单片机根底M.北京:北京航空航天大学出版社,200612沈美明、温冬婵.IBM汇编语言程序设计M.北京:清华大学出版社,200413彭传正、林春景.凌阳单片机原理与实践M.北京:北京航空航天大学出版社,200614李荣正、陈学军.PIC单片机实践教程M.北京:北京航空航天大学出版社,200615阎石.数字电子技术根底M.北京:高等教育出版社,2007
