循迹避障小车毕业设计

I摘要自循迹避障小车是行走机器人的一种，这种小车可以适应不同环境，不受温度、湿度、磁场辐射、重力等条件的影响，在人类无法进入或生存的环境中完成人类无法完成的探测任务，适用于国防及民用等多个领域。本设计的主要任务是设计和实现基于ATMega128单片机的寻迹避障小车，包括硬件和软件两个部分。硬件电路部分主要包括控制器、循迹电路、避障电路、电机驱动电路、显示电路、电源电路等。自循迹避障小车的软件平台为ICCAVR开发环境。软件系统包含系统初始化程序、红外传感器循迹程序、超声波避障程序与显示程序等。车前部安装的红外传感器负责釆集道路信号，作为小车的循迹依据；超声波传感器负责测量障碍物和小车之间的距离，作为避障依据。微控制器读取传感器当前状态，从而控制相应的电路，进而控制小车行进的速度和角度，最后实现小车在实验环境中自动循迹避障行驶的功能。在本设计中，系统硬件和软件都采用了模块化结构，整个系统的电路结构简单，可靠性高，并可按需求增加或删除功能。在实际的调试过程中，小车能自适应直道、弯道、交叉线等路况，并且能够避开跑道上的障碍物。关键词：ATMega128；循迹；避障；ICCAVRIIAbstractSelf-tracingandobstacleavoidanceelectricvehicleisakindofmobilerobot,whichisabletoadaptvariousenvironments,humidity,magneticradiationandgravity.Consequentlythevehicletaketheplaceofhumantoimplementmanytasksintheenvironmentwherehumancannotsetfoot,whichisapplicableinmanyfieldsinthenationaldefenceandcivilian.ThemainjobofthisprojectistodesignandimplementbasedonATMega128single-chipmicrocomputerself-tracingandobstacleavoidancecar,includingitshardwareandsoftwareintwoparts.Thehardwarecircuitpartmainlycomprisesacontroller,asignaldetectioncircuit,obstacleavoidancecircuit,motordrivecircuit,displaycircuitandpowersupplycircuit.thesoftwareplatformisICCAVR.Thesoftwareincludeinitializationprogram,self-tracingprogram,obstacleavoidanceprogramanddisplayprogram.Theroadinformationisacquiredfornavigationbyredsensorinthefrontofthevehicle.Theredsensorrecognizestheblackline.Theultrasonictransducerrecognizesthebarriers.Themicrocontrolleracquirescurrentstatetocontrolcorrespondingcircuitandthenthevehicle’sspeedandangle.Inthiswaytheself-tracingdrivingfunctionisrealizedintheexperimentalenvironment.Thehardwareandsoftwareofthisprojectareallthemodularithas.Thecircuitissimpleinstructureandthefunctioncanbeaddedordeletedaccordingtorequirement.Intheexperiment,thevehiclecanautonomouslyadaptstraightroad,cornersandcrossesline.Thetargetoftheself-tracingandobstacleavoidancevehiclearemet.Keywords:ATMega128;infraredsensor;obstacleavoidance;ICCAVR目录0前言……………………………………………………………………………11方案设计与论证………………………………………………………………21.1整体硬件方案论证…………………………………………………………21.2整体软件控制方案…………………………………………………………32系统硬件设计…………………………………………………………………42.1单片机最小系统……………………………………………………………42.2电源模块……………………………………………………………………82.3循迹模块……………………………………………………………………92.4超声波避障模块……………………………………………………………202.5步进电机模块………………………………………………………………232.6液晶显示模块………………………………………………………………242.7DS1302时钟模块……………………………………………………………253系统软件设计…………………………………………………………………273.1AVR单片机C语言设计……………………………………………………273.2ICCAVR编程器软件………………………………………………………273.3系统程序流程图……………………………………………………………314系统总体调试…………………………………………………………………324.1硬件调试……………………………………………………………………324.2软件调试……………………………………………………………………325系统抗干扰设计………………………………………………………………336技术经济分析…………………………………………………………………357结论……………………………………………………………………………36致谢……………………………………………………………………………37参考文献………………………………………………………………………38附录A译文……………………………………………………………………39附录B外文文献………………………………………………………………43附录C设计程序………………………………………………………………49基于ATMega128的循迹避障小车的设计与实现辽宁工程技术大学毕业设计（论文）10前言人们一直都想拥有一种能够自动驾驶，并且能够适应各种复杂路面情况和沿着指定道路（轨迹）行驶的车辆。多年来，随着企业生产技术不断提髙，自动化技术不断加深，电子智能控制技术在汽车工业上的应用越来越普遍，人们的这一梦想终于有望得到实现。现在，世界上许多国家都在对智能车辆进行研究和设计。循迹避障小车的研究是移动机器人的一个分支，是一项涉及到计算机技术，传感技术，通讯技术，自动控制技术，人工智能技术等相关技术的综合系统。当今的循迹避障小车技术的发展主要有两个特点：第一，应用的领域不断扩大；第二，智能化程度越来越高。它的主要功能是能够自动识别路径，自动控制车速，自动转向等[1]。循迹避障小车是一个具有环境感知能力，规划决策能力的综合体，其主要特点是在复杂的道路情况下能自动的驾驶车辆并沿着预定道路行驶，特别适用于在人类无法工作的环境中工作。作为智能交通系统（ITS）[2]中的一部分，循迹避障小车技术已经渗透到社会各个领域并且成为该领域中的研究热点。对于循迹避障小车系统来说，它主要由路径识别、角度控制及车速控制等功能模块组成，它是一个集环境感知、规划决策等功能于一体的综合系统。本循迹避障小车由模型小车、传感器、单片机以及所需的硬件电路组成。其核心是自动控制系统，它是一个由传感器和处理器组成的网络，可以对路径识别并做出反应，能够自动调节行驶方向和速度，而无须遥控。本课题有助于解决现实问题，有很强的研究价值。基于ATMega128的循迹避障小车的设计与实现21方案设计与论证1.1整体硬件设计方案根据设计任务的要求，确定如下方案：通过高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成的传感器循迹模块判断黑线路径，通过超声波模块测量出障碍物和小车之间的距离，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机通过IO口控制L298N驱动模块改变两个直流电机的工作状态，实现对小车的控制。1.1.1系统基本组成小车主要由ATMega128单片机电路、TCRT5000循迹模块、超声波模块、液晶显示模块、L298N驱动模块、直流减速电机、小车底板、电源模块、DS1302模块等组成。图1-1单片机控制系统原理框图Fig.1-1single-chipmicrocomputercontrolsystemprinciple1）单片机电路：采用ATMega128芯片作为控制单元。ATMega128是ATMEL公司的8位系列单片机，稳定性高，应用广泛。所有I/O端口都具有真正的读-修改-写功能；具有两个独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器；具有两个预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器；具有独立预分频器的实时时钟计数器；能够产生两路8位PWM、6路分辨率可编程（1到16位）的PWM；可以通过SPI实现系统内编程[3]。2）TCRT5000循迹模块：采用反射式红外发射接收器作为循迹传感器，由红外传感器完成黑线识别并产生高、低电平信号，经过LM324整形后传送到单片机，单片机通过程序控制驱动模块来控制两个直流电机的工作状态，完成自动循迹[3]。3）电机驱动模块：采用L298N作为电机驱动芯片。L298N具有高电压、大电流、响ATMega128超声波避障模块循迹模块液晶显示模块电源模块驱动模块DS1302模块辽宁工程技术大学毕业设计（论文）3应频率高的全桥驱动芯片，一片L298N可以控制两个直流电机，并且带有控制使能端。该电机驱动芯片驱动能力强、操作方便，稳定性好，性能优良。L298N的使能端可以外接电平控制，也可以利用单片机进行软件控制，满足各种复杂电路的需要。另外，L298N的驱动功率较大，能够根据输入电压的大小输出不同的电压和功率，解决了负载能力不够的问题。4）直流电机：采用ASLONGJGA25-370直流减速电机。直流减速电机，即齿轮减速电机，是在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是提供较低的转速，较大的力矩。同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。5）超声波避障模块：采用超声波测距模块（HC-SR04），利用单片机PC6控制HC-SR04的Trig引脚产生一个10us以上的高电平，用单片机外部中断6（INT6）检测接收口Echo高电平输出。一有输出则引起外部中断，在外部中断内开定时器0计时，当Echo端口变为低电平时再次触发外部中断6，在中断内停止定时器0计数。最后读出定时器的值，该时间值÷2×超声波传播速度=障碍物和小车的距离。当障碍物与小车的距离小于规定值时，小车在行进中会绕开障碍物，沿着另一条跑道前进。6）液晶显示模块：采用HG12232带中文字库的液晶显示屏显示小车运行状态。主要显示小车运行时间，实时运行状况。该液晶屏可以并行传输，也可以串行传输。在这个设计中，考虑到ATMega128有足够的引脚，故采用并行传输。7）DS1302时钟模块：DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V~5.5