基于单片机的多功能智能小车设

基于单片机的多功能智能小车设（实物制作）摘要随着社会的发展，智能化越来越受到人们的关注。本设计通过模拟汽车的自动行驶及避障功能，来实现智能化。本设计主要有三个模块包括信号检测模块、主控模块、电机驱动模块。在此设计中，用STC89C51单片机作为主控芯片，处理接收到的各种信号，并作出相应的反馈；用红外对管来进行黑线检测，从而达到循迹和避障的目的；通过编写的程序，保证了电机的左右转动，从而达到小车设计时预定的目标。由于小车在设计过程中，采用了模块化的设计思路，所以在进行调试时非常方便。我们可以分别对每一个功能部分来进行调试，驱动部分调试时，只要给电机向前或者向后的信号，就可以调试出其功能。循迹部分调试时，只要通过检测到黑线，判断是否沿黑线行驶，即可以调试出。在进行避障调试中，我们可以把障碍物放在小车前方，然后看小车两个轮子的转向。这种模块化的设计思想不仅简化了设计过程，而且对我们以后的设计也会有一定启发。ABSTRACTAlongwiththedevelopmentofsociety,moreandmoreintelligentattention.Thisdesignbysimulatingacardrivingandautomaticobstacleavoidance,toachieveintelligent.Thisdesignhasthreemainmodulesincludingdrivemodule,signaldetectionmodule,maincontrolmodule,motor.Inthisdesign,withSTC89C51SCMasthemasterchip,processingvarioussignalsreceived,andmakecorrespondingfeedback;usingInfraredtotubetodetecttheblackline,soastoachievethepurposeoftracking;Throughtheprogram,ensurethemotorrotation,soastoachievethedesignofthecarwhenthescheduledtarget.Asthecarinthedesignprocess,usingamodulardesignconcept,soveryconvenientduringdebugging.Wewerepartofeachfunctionfordebugging,debuggingdrivingpart,aslongasthemotorforwardorbackwardsignal,youcandebugthefunctionality.Whendebuggingtrackingpart,simplybydetectingtheblackline,todeterminewhethertheblacklinerunningalong,thatyoucandebuga.Avoidanceduringcommissioning,wecanputanobstacleinfrontofthecar,andthenlookatthecartwosteeringwheels.Thismodulardesignnotonlysimplifiesthedesign,butalsoforourfuturedesignsalsohavesomeinspiration.KeyWords:Intelligent，SCM，Infraredtotube，Obstacleavoidancetracking目录一、绪论1.1智能小车的研究与意义1.2智能小车的现状1.3论文研究内容与主要结构二、方案选型设计2.1车体设计2.2电机驱动选择2.3PWM调速技术2.4循迹模块技术2.5避障模块技术2.6驱动模块2.7控制系统模块2.8电源选择三、硬件设计3.1总体设计3.2电源电路设计3.3驱动电路设计3.4循迹部分电路3.5避障部分电路3.6主控电路设计四、软件设计4.1主程序设计概述4.2主程序流程图4.3驱动程序流程图4.4循迹程序流程图4.5避障程序流程图五、制作安装与调试5.1小车的安装5.2小车运动模式调试5.3小车循迹调试5.4小车避障调试5.5小车的功能六、结论七、参考文献八、致谢第1章绪论1.1智能小车的研究意义随着计算机、微电子、信息技术的快速发展，智能化技术的发展速度也越来越快，智能化与人们生产生活的联系越来越紧密，智能化将是未来社会发展的必然趋势。在企业生产技术不断提升、对自动化技术要求不断加深的背景下，智能车以及在智能车基础上开发的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备。智能小车是一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等功能于一体的综合系统。它集中的运用了计算机、传感器、信息。通信、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。在我所研究的自动循迹避障系统中，我们可以利用小车来模拟汽车自动避障功能，来避免现实中汽车因与障碍物碰撞而产生的车祸。因此，自动循迹避障小车对于在进行自动避障的时候，有着非常重要的现实意义。1.2智能小车的现状智能小车的研究、开发和应用涉及传感技术、电气技术、电气控制技术、智能控制等学科，智能控制技术是一门跨科学的综合性技术，当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。众所周知机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现。因此目前世界各国都在开展对机器人技术的研究。机器人由于有很高的灵活性、可以帮助人们提高生产率、改进产品质量等优点，在世界各地的生产生活领域得到了广泛的应用。智能小车正是模仿机器人的一种尝试。它是一种以汽车电子为背景，涵盖多学科的科技创新性设计，一般主要由路径识别、速度采集、角度控制以及车速控制等模块组成。这种智能小车能够自动搜寻前进路线，还能爬坡，感知前方的障碍物，并自动寻找前进方向，避开障碍物。另外如果加入相关声光讯号后，更能体现出智能化和人性化的一面。首先,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。最为突出的是，美国卡内基.梅隆大学（CarnegieMellonUniversity）机器人研究所一共完成了Navlab系列的10（Navlab1—Navlab10）的研究，取得了显著的成就。台自主车目前，智能车的发展正处第三阶段。这一阶段的研究成果代表了当前国外智能车的主要发展方向。其次,国内智能车辆的现状研究相比于国外，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，而且大多数研究尚处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，并且存在一定的技术差距，但使我国也取得了一系列的成果，主要有：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于2003年研制成功了我国第自主驾驶轿车。吉林大学设计并制造了一辆用CCD识别地面铺设的条状路标导航的智能车辆，车辆由图像识别、行驶、转向、制动、避障和其他辅助系统组成。目前，该车可以稳定的跟踪直线、弧线、S型线等轨迹自动行驶，车速可达20km/h。在国家科工委和国家862计划的资助下，清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室自1988年开始研制的THMR系列移动机器人取得了很大的成功。它兼有面向高速公路和一般道路的功能，目前已经能够在校园的非结构化道路环境下，进行道路跟踪和避障自主行驶。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智能车辆研究也是智能交通系统ITS的关键技术。目前,国内的许多高校和科研院所都在进行ITS关键技术、设备的研究，随着ITS研究的兴起，我国已形成了一支ITS技术研究开发的专业技术队伍。并且各个交通、汽车企业越来越加大了对ITS及智能车辆技术研发的投入，整个社会的关注程度在不断提高。交通部已将ITS研究列入“十五”科技发展计划和2010年长期规划。相信经过相关领域的共同努力，我国ITS及智能车辆的技术水平一定会得到很大的提高。可以预计，我国飞速发展的经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔的前景。因此，对智能小车进行深入细致的研究，不但能加深课堂上学到的理论知识，更能将理论转化为实际运用，为将来打下坚实的基础。1.3论文研究内容与主要结构论文主要研究的内容就是小车的循迹与避障，因为在实现整个系统时，如何确保小车按照所设定的路线行进，是至关重要的。在进行避障循迹小车研究时，我们首先要确保电路图的设计合理。这样的话，在后面进行的硬件调试时，才可以避免因为电路原理的错误，而使得设计达不到预定要求。论文主要由九部分组成，第一部分：主要介绍选题的目的意义，以及选题目前在国内外的发展现状。这样我们在进行课题设计的时候，有很大的参考意义；第二部分：主要是在论证小车设计方案的优劣，并根据实际情况，例如实现难易程度、生产成本以及后续的维护是否方便来进行筛选，得出最后本小车的设计方案；第三部分：小车的系统硬件电路设计，我们在实现小车功能时，必须通过构建硬件电路；第四部分：系统软件设计，这是一个很重要的部分，因为只有通过系统软件的控制，小车才可以按照设定功能进行一系列动作，比如循迹以及避障；第五部分：小车的测试，这是对小车设计完成后，其功能是否达到最初的设计规划，是设计工作是否准确完成的一个很重要的指标；第六部分：总结，是对整个小车设计过程中所遇到的一些问题，所付出的努力，还有最后的结果进行一个大致总结；第七部分：致谢，对于这几个月中，老师以及领导在对本次论文设计编写过程中所给予的帮助；第八部分：参考文献：在小车设计及论文编写过程中，所参考的一系列的资料，进行一个归纳整理；第九部分：附录，最要用来展示小车的整体硬件电路情况以及小车的系统程序，这样便于阅读。第2章方案选型2.1车体设计在本次设计中，所采用的是两轮驱动的车体。顾名思义，指的是用两个电机来驱动小车的两个轮子，能够使得动力分布的更均匀，可以减少车体滑动。相对于四轮驱动的安全性、灵活性来说，两轮驱动也比较高。可以按照行驶路面状态的不同而将发动机输出扭矩分别分布在两个轮子上，提高小车的行驶能力。而且，两轮驱动在车体结构及元器件分布上，也相较于四轮来说更加密集。两轮驱动在控制上，相对于四轮驱动也比较容易，在设计时更加便于实现。2.2电机驱动选择小车要向前行驶，必须要有动力来驱动轮子，因为我们在控制小车的行进时，并不是每个轮子的转向转速都一样。在转弯的时候，就必须区别每个轮子的转速快慢和转向，所以就必须用到电机驱动模块来对小车进行驱动。直流电机在驱动时，只需要合适的直流电压就可以进行驱动。而且，直流电机可以承受反复冲击，对于小车在急速转弯或者反复前后转动时，有很好的容纳性。在调速特性方面，直流电机可以很方便的进行调速，且调速范围广。在控制时只要加上合适的电压就会转，我们并不需要精确的计算其所转的圈数。步进电机则是靠脉冲信号来进行驱动，对于脉冲信号来说，我们不能直接使用直流电压产生，必须借助于单片机的I/O来产生，这样的话在进行设计时，就会增加I/O的使用数量，使得设计难度增加。我们在电机选择时，可以选用直流电机。因为通过对两种电机的综合性能比较，直流电机在控制是更加方便，而步进电机在控制时，相较于直流电机来说，比较困难一点，因此我