智能小车毕业设计

智能小车毕业 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 目 录 摘 要 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 Abstract ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 2 引言 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 3 1、课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 背景及意义 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 3 2、国内外研究及现状 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 3 1 绪论 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 5 1.1智能小车概述 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 5 1.2设计任务和功能要求 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 7 1.2.1 基本要求 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 7 1.2.2 发挥部分 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 7 2 硬件电路设计 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8 2.1主控芯片选型 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8 2.1.1 单片机 STC12C5A60S 性能介绍 ?????????????????????????????????????????????????????????????? 8 2.1.2 最小系统 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 12 2.2循迹探测模块 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 12 2.3电机驱动模块 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 15 2.4超声波测速模块 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 16 2.5 无线通信模块 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 17 2.6系统模块的最终 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 18 2.7 最终PCB板图 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 18 3、系统调试 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 19 3.1 循迹探测模块调试 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 19 3.2 蓝牙通信模块调试 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 19 3.3 超声波测距模块 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 20 4、软件设计 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 21 4.1 程序设计说明及流程图 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 21 4.1.1系统软件设计说明?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 21 4.1.2程序流程图 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 21 4.2程序设计 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 23 I 4.2.1驱动程序设计 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 23 4.2.2寻迹子程序设计 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 25 5、测试数据、测试结果分析及结论 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 29 5.1测试方法与仪器 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 29 5.1.1测试仪器 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 29 5.1.2测试方法 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 29 5.2测试数据及测试结果分析????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 29 5.3心得体会 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 29 致谢 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 31 参考文献 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 32 II 摘 要 智能小车的研究、开发和应用涉及传感技术、电气技术、单片机控制、通信技术等学科，是一门综合技术，当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，它可以按照预先设定的模块在一个特定的环境里自动的运行，可运用于科学勘探等用途，无需人为的管理，便可以完成预期所要达到的或更高的目标，智能小车就是其中的一种。智能小车的发展主要在自动化领域，很多高校都鼓励学生去从事这方面的学习与研究。智能小车在以后必将有其广阔的应用前景。本设计是以简易的三轮小车(一个万向轮，两个普通的直流电机)为车体，硬件是基于STC12C5A60S2单片机为主控芯片，配合直流电动机、红外传感器、超声波传感器、蓝牙无线传感器，L298N驱动芯片等器件构成。通过相应的软件代码控制小车循迹、加减速等动作;完成小车在起跑线同时启动，在超车区实现超车;之后两车交替超车领跑的各个功能。经过多次实验表明，两小车较好地实现了循迹超车并交替领跑的功能。 关键字 智能小车;电气技术;单片机控制;通信技术;单片机 STC12C5A60S; 1 Abstract Intelligence is an important direction for the future development as a new product of modern society. It can operate automatically in a specific environment according to the s predetermined pattern and will be able to complete the intended target without user’ management. This excogitation mainly reflects multi-function car intelligent mode, the design of theory scheme and analytical method, features and innovations etc. which have some reference value on the design and popularity of semiautomatic robot automatically such as intelligent robots, intelligent household appliances. This dissertation discusses mainly on the design of the intelligent car in single-chip processor as the control core. To realize the car moving around and transform. the mode of the small car function, it uses wireless remote control; to realize the small car obstacle-avoidance function and comprehensively car tracing function, it uses the infrared sensor. This excogitation adopts the research methods of contrast selected, independent modules, comprehensive treatment method. After the comparison between Pros and cons, the best program design will be elected combining with the actual situation. It is complete in accordance with the rigorous scientific attitude from the smallest systems to the wireless remote control, infrared tracking and ultrasonic obstacle avoidance. The right signal outputs can be gotten to achieve its function by the debugging detection module. Finally on the commissioning of the module into the bodywork of the car, with procedure and by single-chip processor control, it will be effectively integrated with the module, achieve the intended objectives, final design and production that can make cars intelligently operate in a certain circumstances. Keywords Intelligent toy car; Obstacle avoidance; tracking; Intelligent 2 引言 1、课题背景及意义 [1]机器人学是一门与机器人设计、制造和应用相关的科学。机器人学又称为机器人技术或机器人工程学，主要研究机器人的控制与被处理物体之间的相互关系。机器人学涉及的专业领域很多，主要内容有运动学和动力学、系统结构、传感技术、控制技术、行动规划和应用工程等。 智能车是机器人学中的一类，是具有自主性、适应性和交互性等于一体的综合系统，它融合了自动控制、人工智能、机械工程、信息融合、传感器技术、图像处理技术以及计算机等多门学科的最新研究成果，对智能车的研究不仅具有理论意义而且具有实际价[2]值。 智能车在我们的现实生活中的应用意义极大。人类的研究活动已摆脱了地球生物圈的束缚而广泛地进入外层空间和海洋深处。对月球和太阳系其他行星的探测，对太阳系以外的宇宙进行考察，对数千米以下的海底的研究，都是目前单靠人力所不能及的。智能机器人正在代替人们完成这些任务。在战场上的军事活动中，在恶劣环境条件下的生产劳动中，凡不宜由人直接承担的任务，均可由智能机器人代替，如智能小车可以适应不同环境，不受温度、湿度等条件的影响，完成危险地段、人类无法介入等特殊情况下的任务。 本设计是智能小车的运动轨迹的研究，是智能小车研究领域的重要组成部分，初步实现了多学科领域的综合研究。 2、国内外研究及现状 从20世纪70年代，欧美等发达国家开始进行无人驾驶车的研究，大致可以分为 [3]三个阶段:军事用途、高速公路和城市环境。在军事用途方面，早在80年代初期，美国国防部就资助自主陆地车辆ALV(AutonomousLandVehicle)的研究。进入21世纪，美国国防部连续举办大挑战(Grand Challenge)比赛 活动，对促进智能车辆技术交流与创新起到很大激励作用。随着现实需要，智能车辆的研究逐渐转向民用领域，最早实现在高速公路应用领域。高速公路无人驾驶研究的典型代表有美国CMU大学的NavLab-5系统，意大利帕尔玛大学的ARGO系统和德国联邦国防大学的VAMP系统。 3 [4]在城市交通方面，欧洲Yamaba公司推出了旅游接待智能车辆CyberCab 。在2005年日本爱知世博会上，丰田公司成功演示了ITMS无人驾驶公交系统。美国在城市环境智能车辆研发方面起步较晚，目前与欧洲和日本存在一些差距。 由于起步较晚，国内智能车研究水平总体上与发达国家相比存在不小的距离。但经过各高校和研究单位的不懈努力，仍取得了阶段行的成果。国内清华大学、国防科技大学、上海交通大学、西安交通大学、吉林大学、同济大学和南京理工大学等都有过智能车的研究项目。我国的智能车发展也主要运用在军事用途、高速公路和城市交通三个领[5]域。 “八五”、“九五”期间由国内六所重点大学联合研制成功了我国第一辆智能车ALVLAB1和第二代智能车ALVLAB2。目前，我国正在组织研究第三代的陆地自主车 [6]ALVLAB3。THMR-V(TsingHua Mobile Robot V)清华V型智能车是一个比较成功的范[7]例。它由清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室在中国科学院院士张钹主 [8]持下研制的新一代智能移动机器人，兼有面向高速公路和一般道路的功能。 除了清华大学，越来越多的研究机构、学者也加入到这一新兴学科中来。比如上海交通大学设计的自动驾驶汽车，能根据道路弯曲程度的变化，实时计算出车辆的转向盘 [9]角度输入，控制车辆按预设道路行驶。 4 1 绪论 智能车辆是集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，是智能交通系统的一个重要组成部分。它在军事、民用、太空开发等领域有着广泛的应用前景。本次设计对智能小车的控制系统进行了研究，设计实现一个基于路径规划处理的智能小车控制系统。 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人大赛(ABU ROBCON)、全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛等众多重要竞赛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，所以作为机电一体 [10]化学生，必须加倍努力，为逐步赶上国外先进水平并超过之而努力。 为了适应机电一体化的发展在汽车智能化方向的发展要求，提出简易智能小车的构想，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，并掌握多通道多样化传感器综合控制的方法。所以立“智能循迹小车”一题作为尝试。 1.1智能小车概述 根据题目的要求，确定如下设计方案:甲车车头紧靠起点标志线，乙车车尾紧靠边界，甲、乙两辆小车同时起动，先后通过起点标志线，在行车道同向而行，实现两车交替超车领跑功能。跑道如图1-1所示。 通过对题目的分析，我们把智能小车分解成这几个模块，即单片机主控模块、电源模块、电机驱动模块、红外传感模块、蓝牙通信模块等几个部分。模块框架图如图1-2所示。 5 图1-1 跑道示意图 循迹探测 模块 电机模块 控 制 测距模块 模 块 电机驱动模块 无线通信模块 电源模块 图1-2 模块框架图 6 1.2设计任务和功能要求 1.2.1 基本要求 (1)甲车和乙车分别从起点标志线开始，在行车道各正常行驶一圈。 (2)甲、乙两车按图1-1所示位置同时起动，乙车通过超车标志线在超车区内实现超车功能，并先于甲车到达终点标志线，即第一圈实现乙车超过甲车。 (3)甲、乙两车在完成(2)时的行驶时间要尽可能短。 1.2.2 发挥部分 (1)在完成基本要求(2)后，甲、乙两车继续行驶第二圈，要求甲车通过超车标志线后要实现超车功能，并先于乙车到达终点标志线，即第二圈完成甲车超过乙车，实现交替领跑。甲、乙两车在第二圈行驶的时间要尽可能的短。 (2)甲、乙两车继续行驶第三圈和第四圈，并交替领跑;两车行驶的时间要尽可能的短。 (3)在完成上述功能后，重新设定甲车起始位置(在离起点标志线前进方向40cm范围内任意设定)，实现甲、乙两车四圈交替领跑功能，行驶时间要尽可能的短。 7 2 硬件电路设计 2.1主控芯片选型 在众多的51系列单片机中，要算国内STC 公司的1T增强系列更具有竞争力，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的具有大容量程序存储器且是FLASH工艺的，如STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60K FLASH ROM,这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。而且STC系列单片机支持串口程序烧写。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。重要的一点STC12C5A60S2目前 [11]的售价与传统51差不多，市场供应也很充足。是一款高性价比的单片机。 2.1.1 单片机 STC12C5A60S 性能介绍 STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换 [12](250K/S),针对电机控制，强干扰场合。 1.增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051; 2.工作电压:STC12C5A60S2系列工作电压:5.5V-3.3V(5V单片机)STC12LE5A60S2系列工作电压:3.6V-2.2V(3V单片机); 3.工作频率范围:0 - 35MHz，相当于普通8051的 0,420MHz; 4.用户应用程序空间8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字节; 5.片上集成1280字节RAM; 6.通用I/O口(36/40/44个)，复位后为:准双向口/弱上拉(普通8051传统I/O口)，可设置成四种模式:准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55Ma; 7. ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真器 可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序，数秒即可完成一片; 8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM); 9.看门狗; 10.内部集成MAX810专用复位电路(外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地); 8 11.外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较器，5V单片机为1.32V，误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3%; 12.时钟源:外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内) 1用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为:5.0V单片机为:11MHz,15.5MHz，3.3V单片机为:8MHz,12MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准; 13.共4个16位定时器 两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器; 14. 2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟; 15.外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增支持上升沿 CA模块， Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2，中断的PINT1/P3.3，T0/P3.4， T1/P3.5， RxD/P3.0，CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2 )， CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到P4.3); 16. PWM(2路)/PCA(可编程计数器阵列，2路): ——也可用来当2路D/A使用 ——也可用来再实现2个定时器 ——也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持); 17.A/D转换， 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)18.通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口; 19. STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3); 20.工作温度范围:-40 - +85?(工业级) / 0 - 75?(商业级)21.封装:PDIP-40，LQFP-44，LQFP-48 I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接 74HC164/165/595(均可级联)来扩展I/O口， 还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU，三线通信，还多了串口。 9 图2-1 STC12C5A60S2管脚图 各引脚功能简单介绍如下: VCC:供电电压; GND:接地; P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个管脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚写“1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行 [13]校验时，P0输出原码，此时P0外部电位必须被拉高; P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，电位被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收; P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为输入。作为输入时，P2口的管脚电位被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2 10 口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位 [14]地址信号和控制信号; P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电P3口: 流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)，也是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口: P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 INT0(外部中断0) P3.3 INT1(外部中断1) P3.4 T0(记时器0外部输入) P3.5 T1(记时器1外部输入) P3.6 WR (外部数据存储器写选通) P3.7 RD (外部数据存储器读选通) 同时P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号; RST:复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高平时间; ALE / PROG :当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状 [15]态ALE禁止，置位无效; PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期PSEN两次有效。但在访问内部部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现; EA/VPP:当EA保持低电平时，访问外部ROM;注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET;当EA端保持高电平时，访问内部ROM。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP); XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入; 11 XTAL2:来自反向振荡器的输出; 2.1.2 最小系统 -1为单片机的最小系统图，单片机外围电路就是一个晶振电路和复位电路 图2 图2-2单片机最小系统模块图 2.2循迹探测模块 这里有两种方案可供选择: 方案一:红外探测法 利用红外线在不同颜色物体表面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，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被小车上的接收管接收:如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车行走的路线。 方案二:采用光敏电阻探测器。 由于光敏电阻的阻值随周围环境光线的变化而变 图2-3 ST188外观图 化。因为光线照射到白纸上面时，光线反射强烈，照射 12 到黑线上时光线发射较弱。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平，这样单片机就可以通过返回来的高低电平来识别黑线了。但这种方案受环境中光线的影响很大，循迹很不理想，故我们放弃了。 [16]最后我们采用光电传感器，其型号就是最普遍的ST188，做为小车的寻迹探测模 -3所示。 块。其外观如图2 图中A-K为红外发射管。C_E为红外接收管。 其电器特性如表2-1所示 实际实用时不要超过此值: 表2-1 ST188电器特性 项目 符号 数值 单位 IF 50 Ma 正向电流 VR 6 V 输入 反向电压 P 75 mA 耗散功率 Vceo 25 V 集-射电压 Vceo 6 V 输出 射-集电压 Pc 50 mA 集电极功率 Topr 工作温度 ,20~65 ? Tstg 储存温度 ,30~75 ? 其光电特性如表2-2所示 表2-2 ST188光电特性 项目 符号 测试条件 最小 典型 最大 单位 Vf If=20mA 1.25 1.5 V 正向压降 , 输 入 Ir Vr=3V 10 μA 反向电流 , , Iceo Vce=20V 1 μA 集电极暗电流 , , H1 0.3 mA , , Vce=15V 输IL H2 0.4 mA 集电极亮电流 , , If=8mA 出 H3 0.5 mA , , Vce If=8mA Ic=0.5mA 0.4 V 饱和压降 , , 根据光电特性，选取发射管的静态电流为20mA。典型的压降为1.25v，如果供电电压为5V，那么，此时在发射管上需要串联电阻，电阻大小为R=(5-1.25)/0.02;即:R=187.5 [17]欧姆。取标称电阻，R=200，那么此时的电流小于20mA，但是不影响结果。 C_E端的电阻比较灵活，毕竟他是用来输出高低电平的，在此我们接一个2K的电阻，其实上面电路图中的活动变阻器没有必要，只是为了测试方便，调整阈值电压用的。 原理说明: 13 当没有物体反射红外线时，ce之间截止，无电流流过，输出电压为电源电压，高电平。当有物体反射红外线时，be饱和导通ce 也就导通了，输出端就相当于接地。输出电压为低电平。整体电路图如图2-4所示。 GNDGNDGNDGND GND R21R22R23R24 R25 1K1K1K1K 1K D1D2D3D4 LED1LED1D5LED2LED2LED1 OUT1VCCOUT3VCC VCCU6VCCU7OUT5 1818VCCU8VCC1818RP1A127OUT2RP3A327OUT41827271836A236A4RP5A52736362745453645453610K10KVCC4545LM393LM39310K VCCRP4LM393 GNDGNDRP2GND10K10KGNDGND GND GND GND 图2-4 循迹模块图 14 2.3电机驱动模块 这里，我们有三种方案可供选择。 方案一:H型桥式驱动电路 这种驱动电路是封面简单，可以很方便地实现直流点击的四象限运行，分别对应正转|正转制动、反转、反转制动。它的基本原理图如图2-5所示。全桥式驱动电路的四只开关管都工作在斩波状态。当S1、S2导通时，S3、S4断开，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动;当S3、S4导通时，S1、S2断开，电机两端加反向电压，电机反转或正转制动。在小车行驶的过程中，我们要不断地使电机在四个象限之间切换。但是。由于实际的开关器件都存在开通和关断时间，绝对的互补控制逻辑必然导致上下桥臂直通短路，影响小车的行驶。 图 2-5 H桥式驱动电路基本原理图 方案二:继电器控制 采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路简单。缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、可靠性不高。 方案三:采用L298N集成芯片驱动 L298N是内含两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，可以驱动46V，2A以下电机，接受 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 TTL逻辑电平信号。用该芯片来驱动电机，操作起来方便，又稳定， [18]输出电流大，能够给小车提供较大的速度，且启动，制动快。 所以我们采用方案三。如图2-6为L298N的电机驱动电路。一个L298N芯片可以驱动两个电机，四个输入端，四个输出端，两个使能端，单片机输出PWN给驱动芯片，从而来控制小车。 15 VSS C52C51VS0.1uF100uF C4C2JP5IC2D1D2D3D40.1uFENAIN159100uF1IN1VSSENBIN2742IN2VSIN1IN3103IN31IN2IN4122OUT14IN4OUT12IN33OUT25OUT2IN4ENA613OUT3M16EN AOUT3ENB1114OUT4GND7EN BOUT4 1Header 71ISEN A2815GNDISEN BD5D6D7D8M2 L298N VSSJP6 1+5V2 Header 2 VSJP7 1+12V2 Header 2 图2-6电机驱动电路 如表2-3所示为我们设定通过芯片来确定小车的运行情况。 表2-3 电机运行情况 ENA(B) IN1(IN3) IN2(IN4) 电机运行情况 H H L 正转 H L H 反转 H 同IN2(IN4) 同IN1(IN3) 快速停止 L X X 停止 2.4超声波测速模块 我们用专用的超声波测距芯片来控制两小车的距离，使其在特定的位置控制其距离 来保证小车超车的顺利完成。如图2-7所示为超声波测距的时序图，先发出一个触发信 号，模块内部再循环发出高脉冲，被拉成高电平，当接收到返回信号时，模块内部被拉 低，通过超声波的波速乘上高电平的一半时间就是小车离前面小车的距离，然后通过程 [19]序再对小车进行相应的控制。 16 图2-7 超声波模块时序图 2.5 无线通信模块 方案一:采用nRF24.L01无线模块。它是一款新型的单片射频收发器，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA;接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。 方案二:采用HC-05嵌入式蓝牙串口通信，该芯片主从一体，多一个蓝牙通信 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 [20]硬件。通过电脑调试容易，传输的信息量大。主设备只能与从设备配对连接然后通讯。从设备可以与主设备配对连接通讯之外还可以与手机、电脑的蓝牙适配器、PDA等设备配对连接然后通讯。如果需要单片机与单片机之间通讯，则需要一对蓝牙设备(1个主设备+1个从设备)，配对过程是全自动的，不需要人工干预。串口默认波特率为9600，配对密码:1234，默认名称:BOLUTEK 最终我们采用蓝牙来进行两小车之间的通信。我们考虑到蓝牙配对容易，通信受到的干扰较小，比较稳定。当前面的小车跑到超车区时，后面的小车到达超车标志线，当后面的小车刚好检测到超车标志线的第一根黑线时通过蓝牙给后面的小车发送指令，使其减速，缓慢向前行驶，当后面的小车超过前面的小车通过超车区后面的第一个转弯标志线时再发出一个蓝牙指令给另一个小车，使其加速。 17 2.6系统模块的最终方案 (1)电源模块:LM7805电源稳压芯片 (2)控制模块:STC12C5A60S单片机 3)循迹探测模块:ST188光电传感器 ( (4)测距模块:超声波测距 (5)电机模块:普通直流电机 (6)电机驱动模块:L298N驱动芯片 (7)无线通信模块:蓝牙 (8)车体:三轮车(带一个万向轮) 2.7 最终PCB板图 该最小系统的最终PCB板图(包括LCD接口以及其他的外部扩展电路部分，考虑 到最小系统的简洁以及容易看懂，外部扩展电路不在最小系统图上显示。) 如图2-8所示: 图2-8 最终PCB板图 18 3、系统调试 3.1 循迹探测模块调试 方案一 让小车直行，当小车左边的光电管检测到黑线时，使小车向右拐弯，当小车右边的光电管检测到黑线时，使小车向左拐，保证小车始终在中间的白色跑道上直行。当小车的中间的光电管检测到转弯标志线时，让小车向左拐弯。 方案二: 让小车踩黑线跑。当小车检测到起跑线时，小车向左拐，小车左边的光电管检测到黑线时，小车开始沿黑线跑。左边的两个灯都灭时，使小车向右偏一点;当小车左边的灯都亮时，使小车向左偏一点。当小车在超车区时，靠外边的小车就用右边的光电管组检测外边的黑线来进行外循迹。 通过我们反复的测试，我们采用方案二，方案二的可控性、稳定性都相对较高一些。同时检测标志线时也相对稳定一些。 我们是采用单片机输出PWM来控制小车的速度。开始循迹时，PWM给的不够恰当，小车循迹时左右摇摆得厉害，经常会跑偏。通过反复的调试，找到两个小车各自合适的循迹PWM值。同时电源电压我们也控制在一个稳定值左右，使其每次调试时都能保证小车硬件稳定性。 3.2 蓝牙通信模块调试 我们使用主从一体的蓝牙模块。模块主从模式设置:BLK-MD-BC04-B蓝牙模块同时支持软/硬件设置主从模式，具体方案如下:PI0(4)——软/硬件主从设置口:置低(或悬空)为硬件设置主从模式，置3.3V高电平为软件设置主从模式;如选择硬件设置主从进行设置;PIO(5)——硬件主从设置口:3.3V高电平设置主模式，接地或从式。状态指示LED:PIO(1)用于指示蓝牙模块所处状态，LED灯闪烁方式与蓝牙模块状态对应如表3-1所示。 表3-1 蓝牙通信状态对应图 模式 LED显示 模块状态 均匀快速闪烁(150ms-on，150-off) 搜索及链接从设备 主模式 快闪5下后熄灭2秒 链接之前配对过的从设备 19 长亮 建立链接 均匀快速闪烁(800ms-on，800-off) 等待配对 从模式 长亮 建立链接 3.3 超声波测距模块 我们是在开发板上通过液晶显示来调试超声波模块。让超声波不断地收发检测，改变前面障碍物的距离来观察液晶屏的显示。通过这种方式来调试超声波测距的子程序。 20 4、软件设计 4.1 程序设计说明及流程图 4.1.1系统软件设计说明 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。 [21]对于本系统，软件更为重要。 在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。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若干个部分，每一部分叫做一个模块。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; 2、 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。 本系统软件采用模块化结构，由主程序)定时子程序、避障子程序)中断子程序显示子程序)调速子程序)算法子程序构成。 4.1.2程序流程图 21 开始 甲乙两车直行 检测起始标志并计 数 左转内循迹 乙车计数四次 甲车外循迹至超车 区，乙车内循迹 乙车超车结束线 时，甲车启动 图4-1 小车运行流程图 22 开始 定时器初始化开 开始 定时器中断 a++ 有中断 是 a,=4 运行中断服务程a=0 序 否 中断返回 结束 图4-2 产生PWM信号流程图 图4-3 定时器中断流程图 4.2程序设计 4.2.1驱动程序设计 驱动程序主要是实现小车的直行，左转，右转，减速功能。 以下为驱动程序清单 void pwm_init(void) { CCON = 0; CL = 0; CH = 0; CMOD = 0x02; CCAPM0 = 0x42; CCAPM1 = 0x42; CR = 1; } void pwm(unsigned char x,y) 23 { CCAP0H =CCAP0L =x; CCAP1H =CCAP1L=y ; } void go_stright(void) \\直行{ motor_in2=0; motor_in4=0; } void turn_left(void) \\左转 { motor_in2=1; motor_in4=1; pwm(130,0); en_a=1; en_b=1; } void turn_back(void) \\减速 { motor_in2=0; motor_in4=1; pwm(170,100); } void turn_right(void) \\右转 { motor_in2=0; motor_in4=1; pwm(140,110); en_a=1; en_b=1; } 24 4.2.2寻迹子程序设计 寻迹子程序主要是设置小车行走路线，使小车踩黑线行进。 以下为寻迹程序清单: void nei_xunji() \\内循迹 { if((left_flag_0==0)&&(left_flag_1==0)) { en_a=0; en_b=0; delay(8); en_a=1; en_b=1; pwm(80,200); delay(5); } else if((left_flag_0==1)&&(left_flag_1==1)) { en_a=0; en_b=0; delay(8); en_a=1; en_b=1; pwm(200,80); delay(5); } else { en_a=0; en_b=0; delay(5); en_a=1; 25 en_b=1; go_stright(); delay(5); } } void nei_xunji2() \\内循迹2 { if((left_flag_0==0)&&(left_flag_1==0)) { en_a=0; en_b=0; delay(8); en_a=1; en_b=1; pwm(80,200); delay(5); } else if((left_flag_0==1)&&(left_flag_1==1)) { en_a=0; en_b=0; delay(8); en_a=1; en_b=1; pwm(200,80); delay(5); } else { en_a=0; en_b=0; 26 delay(7); en_a=1; en_b=1; go_stright(); delay(5); } } void nei_xunji3() \\内循迹3 { if((left_flag_0==1)&&(left_flag_1==1)) { pwm(200,140); } else if((left_flag_0==0)&&(left_flag_1==0)) { pwm(140,200); } else { go_stright(); } } void wai_xunji() \\外循迹 { motor_in2=0; motor_in4=0; if((right_flag_0==0)&&(right_flag_1==0)) { en_a=0; en_b=0; 27 delay(10); en_a=1; en_b=1; pwm(200,80); delay(5); } else if((right_flag_0==1)&&(right_flag_1==1)) { en_a=0; en_b=0; delay(10); en_a=1; en_b=1; pwm(80,200); delay(5); } else { en_a=0; en_b=0; delay(5); en_a=1; en_b=1; go_stright(); delay(5); } 28 5、测试数据、测试结果分析及结论 5.1测试方法与仪器 5.1.1测试仪器 测试仪器包括秒表、数字万用表、信号发生器、示波器、MCS51仿真机、直流稳压电源等。 5.1.2测试方法 数字万用表主要用来测试分立元件的电阻、压降、漏电流、截止/导通状态等参数; 信号发生器与示波器用于测试各光电传感器信号的接收与传输; MCS51仿真机用于测试软件; 直流稳压电源在测试期间为各待测系统供电; 秒表用于产品测试，按照任 [22]务书的基本要求对制成的电动车进行产品测试。 5.2测试数据及测试结果分析 (1)计时精度分析 计时系统采用了新型显示芯片。理论上的误差不到1秒/年。 (2)测距精度分析 测速系统采用了电机轴光电码盘检测技术。电机轴与车轮轴之间采用了齿轮箱二级减速，变比1/16。车轮周长135mm,光电码盘与电机轴安装在一起，电机轴每一转产生2个脉冲，车轮每转产生32个脉冲，理论测量精度可达135mm/32=4.22mm<4.5mm (3)定位精度分析 本设计采用实际测量与软件补偿技术，理论上可使定位精度提高到误差<10mm。 小车行驶时间统计(表5-1所示) 表5-1 小车行驶时间统计 圈数 小车行驶时间 38s 第一圈 40s 第二圈 38s 第三圈 40s 第四圈 5.3心得体会 29 历经几个月的毕业设计，从最初的资料查找、方案设计，经过最基本的电路设计、调试过程，再到软件设计、测试，我学习了单片机系统设计的整个过程。从传感器信号的处理，到单片机接收并处理信号，再到输出信号至外部系统，通过该作品的设计制作，使我更好的了解了各类传感器，掌握了光电三极管的使用，并熟悉了单片机的中断和定时器的控制，掌握了大功率驱动芯片L298N的使用，程序中对各种任务的合理安排，使整体系统能够更好的协同工作，增强了自己的动手能力，更好的熟悉的了解了一个单片机系统的开发过程。 测试结果表明，本系统实现了设计任务要求，小车采集红外寻迹传感器信号探测线路，并根据单片机控制模块的分析结果决策和控制下一步的运动形式。该控制系统运用了单片机、红外寻迹传感器，直流电机，PWM调速，光电传感器等技术，基本实现了智能小车的要求。 但是本系统中还存在着不足:小车的直线行进的稳定性未得到很好的解决，通过测试小车在直线行走时与小车的初始角度、小车的速度、小车的转弯，我认为小车的稳定性可能还与红外探测器之间的间距、黑带宽度的比值、小车的惯性等有关。 学习的过程中虽然遇到很多困难，但经过努力克服了困难解决了问题，最终完成了设计。 通过这次课程设计，使我深刻地认识到学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义，同时也是对大学四年的学习成果的一个综合检验。这几个月的设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程，为今后的发展打下了良好的基础。 30 致谢 本科毕业论文设计即将结束之际，我要感谢在这一学期在毕业设计阶段所有帮助过我的人们。 首先，我要最衷心地感谢的是——我的导师谭老师，本文是在谭老师悉心指导下完成的，谭老师严谨的治学作风、求实的工作态度使我受益匪浅，更重要的是从谭老师身上学到了对待任何事情的那种精益求精和一丝不苟的精神和态度。 在一个学期的课题研究过程中，谭老师给与了我许多关心和指导，谭老师认真工作的精神、敏锐的洞察力、科学的工作方法、真诚的性格永远是我学习的榜样。 我还要感谢有一批在毕业设计期间在学业和生活上都给予我莫大帮助的同学朋友们，是你们给了我巨大的鼓舞和动力。当然，还有一份感激之情难于言表，那就是感谢我的父母不辞辛劳培养了我，没有你们就没有我的今天。 再次，我还要感谢大学四年来所有的任课老师，是他们把科学的方法和知识传授给了我。 最后，感谢所有在毕业设计期间给与我帮助的老师，同学和朋友们，衷心的谢谢大家～ 31 参考文献 [1]徐国华 主编，移动机器人的发展现状及其趋势[J]，机器人技术与应用，2001(3) [2]党宏社 主编，智能车辆系统发展及其关键技术概述[J](公路交通科技，2002(4) [3]尹念东 主编，智能车辆的研究及前景[J](上海汽车，2002(2) [4]王荣本 主编，世界智能车辆研究概述[J](公路交通科技，2001(10) [5]王建农 主编(自主移动机器人的导航研究[R](机器人，1997 [6]姚 佳 主编，智能小车的蔽障及路径规划[D](东南大学硕士论文(2005( [7]徐国华 主编，谭民移动机器人的发展现状及其趋势[J](机器人技术与应用，2001(3) [8]白井良明[同]，机器人工程[M](北京:科学出版社，2001( [9]张毅刚 主编，新编MCS-51单片机应用设计，第一版,哈尔滨工业大学出版社,2003 [10]谭南平 主编，电子产品设计与制作技术，科学出版社，2008 [11]杨 刚 主编，电子系统设计与实践，电子工业出版社，2009.3 [12]余祖俊 主编，微机监测与控制应用系统设计， 北方交通大学出版社，2001.12 [13]温志明 主编，运动控制系统分析与应用，国防工业出版社，2008.2 [14]催维娜 主编，智能电子制作，科学出版社，2007 [15]李忠文 主编，实用电机控制电路，化学工业出版社，2003.4 [16]张红润 主编，智能技术——系统设计与开发，北京航空航天出版社，2007.2 [17]陈铁军 主编，智能控制理论及应用，清华大学出版社，2009.1 [18]谭少强 主编，传感器设计与应用实例，中国电力出版社，2008 [19]何立民 主编，单片机应用系统设计,北京:航天航空大学出版社,2008 [20]李广弟 主编，单片机基础,北京:北京航空航天大学出版社,2001 [21]B.D. 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