機(jī)電專業(yè)畢業(yè)設(shè)計--基于單片機(jī)的智能循跡小車

1、<p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p><b>　　1.1課題背景</b></p><p>　　目前 ，在企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)不斷提高、對自動化技術(shù)要求不斷加深的環(huán)境下，智能車輛以及在智能車輛基礎(chǔ)上開發(fā)出來的產(chǎn)品已成為自動化物流運輸、柔性生產(chǎn)組織等系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。世界上許多國家都在積極進(jìn)行智能車輛的研究和開發(fā)設(shè)計。移動機(jī)

2、器人是機(jī)器人學(xué)中的一個重要分支，出現(xiàn)于20世紀(jì)06年代。當(dāng)時斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和charles Rosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名shakey的自主式移動機(jī)器人，目的是將人工智能技術(shù)應(yīng)用在復(fù)雜環(huán)境下，完成機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。從此，移動機(jī)器人從無到有，數(shù)量不斷增多，智能車輛作為移動機(jī)器人的一個重要分支也得到越來越多的關(guān)注。</p><p>　　智能小車

3、，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運用了計算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航及白動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。</p><p>　　智能車輛也叫無人車輛，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策和多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。它具有道路障礙自動識別、自動報警、自動制動、自動保持安全距離、車速和巡航控制等功能。智能車輛的主要特點是在復(fù)雜的道路情況下，能自動地操縱和駕駛車輛繞開障礙物并

4、沿著預(yù)定的道路(軌跡)行進(jìn)。智能車輛在原有車輛系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一些智能化技術(shù)設(shè)備:</p><p>　　(1)計算機(jī)處理系統(tǒng)，主要完成對來自攝像機(jī)所獲取的圖像的預(yù)處理、增強(qiáng)、分析、識別等工作;</p><p>　　(2)攝像機(jī)，用來獲得道路圖像信息;</p><p>　　(3)傳感器設(shè)備，車速傳感器用來獲得當(dāng)前車速，障礙物傳感器用來獲得前方、側(cè)方、后方障礙物等信息

5、。</p><p>　　智能車輛技術(shù)按功能可分為三層，即智能感知/預(yù)警系統(tǒng)、車輛駕駛系統(tǒng)和全自動操作系統(tǒng)團(tuán)。上一層技術(shù)是下一層技術(shù)的基礎(chǔ)。三個層次具體如下:</p><p>　　(1)智能感知系統(tǒng)，利用各種傳感器來獲得車輛自身、車輛行駛的周圍環(huán)境及</p><p>　　駕駛員本身的狀態(tài)信息，必要時發(fā)出預(yù)警信息。主要包括碰撞預(yù)警系統(tǒng)和駕駛員狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。碰撞預(yù)警系統(tǒng)可

6、以給出前方碰撞警告、盲點警告、車道偏離警告、換道/并道警告、十字路口警告、行人檢測與警告、后方碰撞警告等.駕駛員狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)包括駕駛員打噸警告系統(tǒng)、駕駛員位置占有狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等。</p><p>　　(2)輔助駕駛系統(tǒng)，利用智能感知系統(tǒng)的信息進(jìn)行決策規(guī)劃，給駕駛員提出駕駛建議或部分地代替駕駛員進(jìn)行車輛控制操作。主要包括:巡航控制、車輛跟蹤系統(tǒng)、準(zhǔn)確泊車系統(tǒng)及精確機(jī)動系統(tǒng)。</p><p>

7、　　(3)車輛自動駕駛系統(tǒng)，這是智能車輛技術(shù)的最高層次，它由車載計算機(jī)全部自動地實現(xiàn)車輛操作功能。目前，主要發(fā)展用于擁擠交通時低速自動駕駛系統(tǒng)、近距離車輛排隊駕駛系統(tǒng)等。</p><p>　　這種智能小車的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個方面:</p><p>　　(1)軍事偵察與環(huán)境探測</p><p>　　現(xiàn)代戰(zhàn)爭對軍事偵察提出了更高的要求，世界各國普遍重視對軍事偵察的

8、建設(shè)，采取各種有效措施預(yù)防敵方的突然襲擊，并廣泛應(yīng)用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，不斷研制多用途的偵察器材和探測設(shè)備，在車上裝備攝像機(jī)、安全激光測距儀、夜視裝置和衛(wèi)星全球定位儀等設(shè)備，通過光纜操縱，完成偵察和監(jiān)視敵情、情報收集、目標(biāo)搜索和自主巡邏等任務(wù)，進(jìn)一步擴(kuò)大偵察的范圍，提高偵察的時效性和準(zhǔn)確性。</p><p>　　(2)探測危險與排除險情</p><p>　　在戰(zhàn)場上或工程中，常常會遇到各種各樣的

9、意外。這時，智能化探測小車就會發(fā)揮很好的作用。戰(zhàn)場上，可以使用智能車輛掃除路邊炸彈、尋找和銷毀地雷。民用方面，可以探測化學(xué)泄漏物質(zhì)，可以進(jìn)行地鐵滅火，以及在強(qiáng)烈地震發(fā)生后到廢墟中尋找被埋人員等。</p><p>　　(3)安全檢測受損評估</p><p>　　在工程建設(shè)領(lǐng)域，可對高速公路自動巡跡，進(jìn)行道路質(zhì)量檢測和破壞分析檢測;對水庫堤壩、海岸護(hù)岸堤、江河大壩進(jìn)行質(zhì)量和安全性檢測。在制造領(lǐng)

10、域，可用于工業(yè)管道中機(jī)械損傷，裂紋等缺陷的探尋，對輸油和輸氣管線的泄漏和破損點的查找和定位等。</p><p><b>　　(4)智能家居</b></p><p>　　在家庭中，可以用智能小車進(jìn)行家具、遠(yuǎn)程控制家中的家用電器，控制室溫等等。對這種小車的研究，將為未來環(huán)境探測術(shù)上的有力支持。</p><p>　　1.2課題研究的目的和意義<

11、/p><p>　　目前，國內(nèi)外的許多大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)都在積極投入人力、財力研制開發(fā)針對特殊條件下的安全監(jiān)測系統(tǒng)。其中包括研究使用遠(yuǎn)程、無人的方法來進(jìn)行實現(xiàn)，如機(jī)器人、遠(yuǎn)程監(jiān)控等。無線傳輸?shù)陌l(fā)展使得測量變得相對簡單而且使得處理數(shù)據(jù)的速度變得很快甚至可以達(dá)到實時處理”。</p><p>　　該智能小車可以作為機(jī)器人的典型代表。它可以分為三大組成部分：傳感器檢測部分、執(zhí)行部分、CPU。機(jī)器人要實現(xiàn)自動

12、避障功能，還可以擴(kuò)展循跡等功能，感知導(dǎo)引線和障礙物?？梢詫崿F(xiàn)小車自動識別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，并檢測到障礙物自動躲避。</p><p>　　通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計并實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力。在實踐過程中，熟悉以單片機(jī)為核心控制芯片，設(shè)計小車的檢測、驅(qū)動和顯示等外圍電路，采用智能控制算法實現(xiàn)小車的智能循跡。靈活應(yīng)用機(jī)電等相關(guān)學(xué)科的理論知識，聯(lián)系實際電路設(shè)計的具體實現(xiàn)方法，達(dá)到理論與實踐的統(tǒng)一。在此過程中，

13、加深對控制理論的理解和認(rèn)識。</p><p>　　1.3 本設(shè)計的內(nèi)容及意義</p><p>　　1.3.1 設(shè)計的內(nèi)容</p><p><b>　　路面檢測模塊</b></p><p><b>　　電源模塊為5V；</b></p><p>　　直流電機(jī)的驅(qū)動模塊電路，及相應(yīng)

14、的驅(qū)動程序；</p><p><b>　　控速模塊</b></p><p>　　循線功能電路及程序；</p><p><b>　　復(fù)位電路模塊</b></p><p>　　1.3.2 本設(shè)計的意義</p><p>　　隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)注

15、。全國電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究。可見其研究意義很大。本設(shè)計就是在這樣的背景下提出的，本題目是結(jié)合科研項目而確定的設(shè)計類課題。本設(shè)計就采用了比較先進(jìn)的C51為控制核心， C51采用CHOMS工藝，功耗很低。該設(shè)計具有實際意義，可以應(yīng)用于考古、機(jī)器人、醫(yī)療器械等許多方面。尤其是在足球機(jī)器人研究方面具有很好的發(fā)展前景；在考古方面也應(yīng)用到了超聲波傳感器進(jìn)行檢測。所以本設(shè)計與實際相結(jié)

16、合，現(xiàn)實意義很強(qiáng)。智能小車國內(nèi)外研究現(xiàn)狀: 世界各國在智能微型車領(lǐng)域進(jìn)行了很多研究，己經(jīng)應(yīng)用于各個領(lǐng)域，在探測和軍事領(lǐng)域使用特別多。近年來，我國也開展了很多研究工作，以滿足不同用途的需要。世界各國開發(fā)、研制星球探測車系統(tǒng)己經(jīng)有了多年的歷史。美國和前蘇聯(lián)是從20世紀(jì)60年代末期開始進(jìn)行月球表面探測任務(wù)的。美國曾在1966^-1968年間，向月球成功發(fā)射了兩次無人巡游探測器。1997年，由美國JPL(全稱JetPropulsion

17、 Laboratory，美國太空總署噴氣推進(jìn)實驗室)研制的Soj</p><p>　　單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，無論是在生活，生產(chǎn)上，單片機(jī)無處不在。ATMEL公司的AT89S51單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個領(lǐng)域。AT89S51可以說是單片機(jī)領(lǐng)域的主流產(chǎn)品 ，其應(yīng)用如此廣泛，所以有必要去學(xué)習(xí)和應(yīng)用該單片機(jī)，以滿足實際產(chǎn)品開發(fā)的需要，也是適應(yīng)社會智能化、自動

18、化的趨勢。</p><p>　　通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計并實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力。在實踐過程中，熟悉以單片機(jī)為核心控制芯片，設(shè)計小車的檢測、驅(qū)動和顯示等外圍電路，采用智能控制算法實現(xiàn)小車的智能循跡。靈活應(yīng)用機(jī)電等相關(guān)學(xué)科的理論知識，聯(lián)系實際電路設(shè)計的具體實現(xiàn)方法，達(dá)到理論與實踐的統(tǒng)一。在此過程中，加深對控制理論的理解和認(rèn)識。</p><p>　　1.4 論文各部分的主要內(nèi)容<

19、/p><p>　　第一章對智能循跡小車的現(xiàn)狀、研究意義和設(shè)計要求進(jìn)行簡單闡述。</p><p>　　第二章介紹了該智能循跡小車系設(shè)計方案比較和選擇，分析了各模塊的功能。</p><p>　　第三章闡述了智能小車系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計，其中包括單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊電路、電機(jī)驅(qū)動模塊電路、以及附帶的信號提示電路等。</p><p>　　第四章首先介紹了該

20、系統(tǒng)程序調(diào)試過程中所用到的程序調(diào)試軟件及其調(diào)試環(huán)境。</p><p>　　最后總結(jié)部分說明了本論的主要內(nèi)容，舉出了在系統(tǒng)測試過程中所發(fā)現(xiàn)的問題，并提出了可能的解決方案。</p><p>　　第2章 智能循跡小車系統(tǒng)</p><p>　　2.1 系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)與設(shè)計要求</p><p>　　2.1.1系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)</p><

21、p>　　1.熟悉51單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境，運用C語言編寫工程文件；2.熟練應(yīng)用所選用單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、資源，以及軟硬件調(diào)試設(shè)備的基本方法；3.自行構(gòu)建基于單片機(jī)的最小系統(tǒng)，完成相關(guān)硬件電路的設(shè)計實現(xiàn)；4.了解電機(jī)、路面檢測的原理和實現(xiàn)方法。</p><p>　　2.1.2系統(tǒng)設(shè)計要求</p><p>　　1.完成單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計；2.完成外圍應(yīng)用電路（包括系統(tǒng)供電單元、運動控

22、制單元、循跡檢測單元）的設(shè)計和實現(xiàn)；3.完成軟件對硬件檢測和調(diào)試工作；4.查閱國內(nèi)外的研究動態(tài)和發(fā)展前沿信息，閱讀相關(guān)外文文獻(xiàn)。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)方案論證</p><p>　　2.2.1 控制器方案論證</p><p>　　按照題目要求，控制器主要用于控制電機(jī)，通過相關(guān)傳感器對路面的軌跡信息進(jìn)行處理，并將處理信號傳輸給控制器，然后控制器做出相應(yīng)的

23、處理，實現(xiàn)電機(jī)的前進(jìn)和后退，保證在允許范圍類實現(xiàn)蹺蹺板的平衡。</p><p>　　方案一：可以采用ARM為系統(tǒng)的控制器，優(yōu)點是該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，片上外設(shè)集成度搞密度高，提高了穩(wěn)定性，系統(tǒng)的處理速度也很高，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。</p><p>　　方案二：采用AT89S52作為系統(tǒng)控制的方案。AT89S52單片機(jī)算術(shù)運算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，功耗低、體積小、技術(shù)成熟，

24、成本也比ARM低。</p><p>　　考慮到性價比問題，本設(shè)計選擇 用AT89S52單片機(jī)做控制器。</p><p>　　2.2.2 供電單元方案論證</p><p>　　方案一：采用單電源供電，通過單電源同時對單片機(jī)和直流電機(jī)進(jìn)行供電，此方案的優(yōu)點是，減少機(jī)身的重量，操作簡單，其缺點是，這樣會使單片機(jī)的波動變大，影響單片機(jī)的性能，穩(wěn)定性比較弱。</p>

25、;<p>　　方案二：采用雙電源供電，通過兩個獨立的電源分別對單片機(jī)和直流電機(jī)進(jìn)行供電，此方案的優(yōu)點是，減少波動，穩(wěn)定性比較好，可以讓小車更好的運作起來，唯一的缺點就是會增加小車的重量。</p><p>　　綜合以上的優(yōu)缺點，本設(shè)計決定采用第二種方案。</p><p>　　2.2.3 運動單元方案論證</p><p>　　方案一：采用直流電機(jī)，配合LM

26、293驅(qū)動芯片組合。優(yōu)點在于硬件電路的設(shè)計簡單。當(dāng)外加額定直流電壓時，轉(zhuǎn)速幾乎相等。這類電機(jī)用于錄音機(jī)、錄相機(jī)、唱機(jī)或激光唱機(jī)等固定轉(zhuǎn)速的機(jī)器或設(shè)備中。也用于變速范圍很寬的驅(qū)動裝置。容易受到外部因素干擾，影響穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩輸出。電路如圖2-1：</p><p>　　圖2-1 直流電機(jī)+LM293組合電路原理</p><p>　　方案二：采用步進(jìn)電機(jī)，配合LM298驅(qū)動芯片組合。步進(jìn)電機(jī)可

27、以實現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)腳輸出，只要施加合適的脈沖序列，電機(jī)可以按照人們的預(yù)定的速度或方向進(jìn)行連續(xù)的轉(zhuǎn)動，便于控速，但是軟件程序的編寫較直流電機(jī)稍顯復(fù)雜。但是LM298芯片的硬件電路比較復(fù)雜。如圖2-2：</p><p>　　圖2-2 步進(jìn)電機(jī)+LM298組合電路原理</p><p>　　方案三：采用直流電機(jī)配合由雙極性管組成的H橋電路。用單片機(jī)控制晶體管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機(jī)

28、轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H橋電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也很高，是一種廣泛采用的調(diào)速技術(shù)，其電路原理簡圖如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3電機(jī)驅(qū)動原理簡圖</p><p>　　綜合3種方案的優(yōu)缺點，鑒于本系統(tǒng)設(shè)計體積較小，自身重量較輕，對電機(jī)功率輸出要求不高，決定選擇方案3。</p><

29、;p>　　2.2.4 循跡單元方案論證</p><p>　　方案一：用光敏電阻組成光敏探測器</p><p>　　用光敏電阻組成光敏探測器，光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大

30、，不能夠穩(wěn)定的工作。</p><p>　　方案二：采用RPR220型光電對管。</p><p>　　RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。</p><p>　　綜上所述，我們采用方案二。</p><p>　　2.3 系統(tǒng)總體方案</p><p

31、>　　經(jīng)過對方案的設(shè)計要求的分析和方案論證，采用51單片機(jī)控制平臺，經(jīng)過紅外傳感模塊檢測路面的信息，控制運動模塊的電機(jī)運動方式，近而控制這個智能小車系統(tǒng)的運動。系統(tǒng)框圖如圖2-4。</p><p>　　圖2-4 系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　第3章 智能循跡小車硬件部分</p><p>　　3.1 系統(tǒng)硬件電路介紹</p><p>

32、　　智能小車采用AT89S51單片機(jī)進(jìn)行智能控制， 開始由手動啟動小車， 并復(fù)位。當(dāng)有紅外遙控信號時，根據(jù)信號進(jìn)入相應(yīng)的行駛狀態(tài)，在運動過程中由紅外光電傳感器檢測，通過單片機(jī)控制小車進(jìn)行循跡，系統(tǒng)的自動循跡功能通過紅外線傳感器正前方檢測，由單片機(jī)控制實現(xiàn) 在小車行駛過程中，通過接收的信號脈沖控制直流電機(jī)，以提高系統(tǒng)的靜動態(tài)性能。系統(tǒng)功能原理圖如圖3-1所示。</p><p>　　運動系統(tǒng)電路包括供電電路、電機(jī)驅(qū)動

33、和控制電路兩部分。</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)功能原理圖</p><p>　　供電電路：運動系統(tǒng)供電采用雙電源分別對電機(jī)和控制器供電?？紤]到小車是個不斷運動的實驗設(shè)備，采用干電池供電?？偟墓╇娤到y(tǒng)是有9V的大功率電池儲能，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換單元。由一個9V轉(zhuǎn)為5V對控制單元供電；另一個9V電池直接對電機(jī)的供電端連接。供電部分的分析將在后面3.3節(jié)結(jié)合整個系統(tǒng)的供電電路進(jìn)行詳細(xì)介紹。<

34、;/p><p>　　電機(jī)驅(qū)動和控制電路：通過51單片機(jī)，控制端口對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來對電機(jī)進(jìn)行控制。</p><p>　　3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p>　　單片機(jī)最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、時鐘振蕩電路、數(shù)據(jù)采集接口和電機(jī)控制接口組成，單片機(jī)最小系統(tǒng)圖如圖3-2所示。</p><p><b>　　圖3-2</b><

35、;/p><p>　　圖3-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p>　　3.2.1 單片機(jī)使用資源規(guī)劃</p><p>　　由于51單片機(jī)具有比較強(qiáng)大的系統(tǒng)資源，本系統(tǒng)在設(shè)計時充分利用了它的自身特性，并進(jìn)行合理規(guī)劃。見表3-3。</p><p>　　表3-3 單片機(jī)資源分配表</p><p>　　3.2.2 單片機(jī)功能模塊介紹&

36、lt;/p><p>　　單片機(jī)本電路的控制核心，它接收傳感器測得的信號，并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動與停止。傳感器的輸入有兩根信號線，接單片機(jī)的P3.6與P3.7引腳。傳入放入信號為高低電平，在小車沒有走到黑線上時，輸入都為低電平，此時單片機(jī)會驅(qū)動兩個電機(jī)同時轉(zhuǎn)動，不需要轉(zhuǎn)彎，當(dāng)某端輸入高電平時，表明小車的相應(yīng)一側(cè)一走到黑線上，單片機(jī)便使改側(cè)的電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，另一側(cè)的繼續(xù)轉(zhuǎn)動，直到兩側(cè)都不走到黑線上，程序采用輪詢的方式，可以及時的

37、檢測到是否走到黑線上。</p><p>　　3.3 供電單元介紹</p><p>　　高性能的電源管理系統(tǒng)對于電子系統(tǒng)穩(wěn)定運行是至關(guān)重要的。作為智能車源，電源模塊為系統(tǒng)的控制器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，傳感器等各個模塊提供可靠的工作電壓。設(shè)計中，除了需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之外，還要在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪聲、防止干擾和電路簡單等方面進(jìn)行優(yōu)化，電源管理模塊的功能是對電池進(jìn)行分配和電壓調(diào)節(jié)，為其

38、他各個模塊的正常工作提供可靠的工作電壓。</p><p>　　3.3.1系統(tǒng)供電單元介紹</p><p>　　智能車控制系統(tǒng)中，不同電路模塊需要的工作電壓和電流容量各不相同。芯片需要提供5V的工作電壓，而電機(jī)所需的電壓為9V，本設(shè)計中用到的是9V的電源供電，然后通過三端穩(wěn)壓器LM7805將電壓變換為5V電壓供給電路系統(tǒng)。電源系統(tǒng)的電路圖如圖3-4所示。</p><p&g

39、t;　　圖3-4穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　3.3.2穩(wěn)壓芯片簡介</p><p>　　三端穩(wěn)壓集成電路lm7805　電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的lm78 ×× 系列和負(fù)電壓輸出的lm79××系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管，TO-

40、 220 的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有l(wèi)m9013樣子的TO-92封裝。</p><p>　　圖3-5 lm7805樣品</p><p>　　用lm78/lm79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的lm78或lm79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如lm7806表示輸出電壓為

41、正6V，lm7909表示輸出電壓為負(fù)9V。 </p><p>　　因為三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。在實際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然小功率 的條件下不用）。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。 當(dāng)制作中需要一個能輸出1.5A以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來，使其最大輸出電流為N個1.5A，但應(yīng)用時需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同

42、一廠家、同一批號的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致。另外在輸出電流上留有一定的余量，以避免個別集成穩(wěn)壓電路失效時導(dǎo)致其他電路的連鎖燒毀。</p><p>　　3.4 運動單元介紹</p><p>　　本系統(tǒng)采用9V直流電動機(jī)作為智能玩具車的動力源。用電機(jī)驅(qū)動專用芯片L298作為電機(jī)的驅(qū)動。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個H橋的高電

43、壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動模塊硬件電路圖如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 電機(jī)驅(qū)動模塊硬件電路圖</p><p>　　3.5 循跡單元介紹</p><p>　　3.5.1 循跡單元工作原理</p><p>　　循跡是指小車在白色地板上循黑線行走通常采取的方法是紅外探

44、測法,紅外探測法即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點,在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光,當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射反射光被裝在小車上的接收管接收,如果遇到黑線則紅外光被吸收小車上的接收管接收不到紅外光 ,單片機(jī)就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線 ,從而實現(xiàn)小車的循跡功能。紅外探測器探測距離有限一般最大不應(yīng)超過3cm。循跡功能如圖3-7所示</p><p

45、>　　圖3-7 循跡功能圖</p><p>　　本設(shè)計需要檢測小車的運行狀態(tài)，沿著路面黑線運動。采用反射取樣式，單光束紅外傳感器接收信號，再分別用運放LM393比較電壓信號進(jìn)行放大。圖3-5的電路在5V電壓下工作，根據(jù)該型號傳感器紅外發(fā)射管所需的工作壓降（紅外發(fā)射管的正向壓降在1～1.3V）和工作電流（紅外發(fā)射管的電流為2～10mA），選取負(fù)載電阻R1=2.2KΩ，紅外發(fā)射管負(fù)載電阻R2=220Ω。調(diào)節(jié)電位

46、器使檢測信號能被識別。 </p><p>　　3.5.2 LM393比較器簡介</p><p>　　比較器是將一個模擬電壓信號與一個基準(zhǔn)電壓相比較的電路。比較器的兩路輸入為模擬信號，輸出則為二進(jìn)制信號，當(dāng)輸入電壓的差值增大或減小時，其輸出保持恒定。因此，也可以將其當(dāng)作一個1位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。對路面檢測的電路設(shè)計就是通過電位器設(shè)定一個閾值，以此確定是否有光反射。并且以此閾值為標(biāo)準(zhǔn)，向

47、單片機(jī)輸入滿足TTL電平的數(shù)字信號。如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-8 LM393芯片示意圖</p><p>　　第4章 智能循跡小車軟件部分</p><p>　　4.1 軟件調(diào)試平臺</p><p>　　Keil for C51是美國Keil Software公司出品的C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀

48、性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil for C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。下面詳細(xì)介紹Keil for C51開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。</p><p>　　C51開發(fā)中

49、除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的源程序要變?yōu)镃51可以執(zhí)行的機(jī)器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機(jī)器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。隨著C51開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機(jī)的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，Keil軟件除了致力于單片機(jī)的編程開發(fā)平臺外，還針對目前最流行C51開發(fā)項目出品了Keil for 51軟件平臺以及支持在線調(diào)試的串口燒寫。</p><p>　　

50、從近年來各仿真機(jī)廠商紛紛宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision2）將這些部份組合在一起。如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 Keil for 51 開發(fā)平臺截圖</p><p>　　KEIL for C51 編譯平臺對51單片機(jī)的器件選型設(shè)置。如圖4-2

51、所示。</p><p>　　圖4-2 MCU選型設(shè)置</p><p>　　4.2 系統(tǒng)軟件流程 </p><p>　　系統(tǒng)軟件流程圖如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 系統(tǒng)流程圖</p><p>　　4.3 系統(tǒng)軟件程序</p><p>　　#include<reg51.h

52、> //包含單片機(jī)寄存器的頭文件 </p><p>　　#include<intrins.h> //包含延時子程序的頭文件 </p><p>　　//宏定義 </p><p>　　#define uchar unsigned char //無符號八位字符型數(shù)據(jù) </p>

53、<p>　　#define uint unsigned int //無符號16位整形數(shù)據(jù) </p><p>　　#define ulong unsigned long //無符號三十二位長整型 </p><p>　　//狀態(tài)定義 </p><p>　　uchar go=0xFA; //111

54、1_1010 前進(jìn) </p><p>　　uchar back=0xF5; //1111_0101 后退 </p><p>　　uchar left=0xFE; //1111_1110 左轉(zhuǎn) </p><p>　　uchar right=0xFB; //1111_1011 右轉(zhuǎn) </p><p>　　//延時函數(shù)

55、 </p><p>　　void delay()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uint i,j;</b></p><p>　　for(i=0;i<500;i++)</p><p>　　for(j=0;j<800;j++

56、);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　//啟動軟件看門狗WDTRST 防止程序跑飛增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性 </p><p>　　sfr WDTRST=0xA6; //看門狗寄存器0xA6 </p><p>

57、　　//喂狗程序 </p><p>　　void FeedDog()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　WDTRST=0x1e; //給寄存器裝值 </p><p>　　WDTRST=0xe1;</p><p><b>　

58、　}</b></p><p>　　//定時器初始化程序 </p><p>　　void Initial()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TMOD=0x01; //定時器0工作在方式1 </p><p>　　TH0=0xf0;

59、 //高八位裝值1111——0000</p><p>　　TL0=0xf0; //第八位裝值1111_0000 </p><p>　　TR0=1; //啟動定時器 </p><p>　　ET0=1; // 定時器中斷允許 </p><p>　　EA=1 ; //開放總中斷 </p>

60、<p><b>　　}</b></p><p>　　//主程序 </p><p>　　//對傳感器輸入信號進(jìn)行輪詢并決定當(dāng)前小車行駛方式 </p><p>　　void main()</p><p><b>　　{</b></p><p

61、>　　FeedDog(); //剛?cè)胫鞒绦蛭挂淮喂?</p><p>　　Initial(); //定時器初始化 </p><p>　　P1=0xFF; //端口初始化用于控制電機(jī) </p><p>　　P3=0xFF; //傳感器狀態(tài)接收 </p><

62、p>　　while(1) //對傳感器輸入信號不斷地進(jìn)行查詢 </p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(P3 == 0x7F)//0111_1111</p><p>　　P1=left; //執(zhí)行左轉(zhuǎn)指令 </p><p>　　else if(

63、P3 == 0xBF)//1011_1111</p><p>　　P1=right; //執(zhí)行右轉(zhuǎn)指令 </p><p><b>　　else</b></p><p>　　P1=go; //否則就向前行駛 </p><p><b>　　}</b></p&g

64、t;<p><b>　　}</b></p><p>　　//定時器中斷函數(shù)執(zhí)行喂狗定時器重裝初值 </p><p>　　void timer0() interrupt 1 //使用中斷 </p><p><b>　　{</b></p><

65、p><b>　　TH0=0xf0;</b></p><p>　　TL0=0xf0; //定時器重載初值高八位第八位 </p><p>　　FeedDog();//每過一定時間喂下狗，不然程序會自動復(fù)位</p><p>　　4.4 循跡處理軟件流程</p><p>　　在白色背景中有一條

66、黑色的線，小車就是要沿著這條黑線行走，通過判斷反射式光電傳感器所接收到的反射光來判斷小車所應(yīng)行走的方向。以三個反射式光電傳感器為例進(jìn)行說明循線的原理。光電傳感器與黑線位置關(guān)系示意圖如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 光電傳感器與黑線位置關(guān)系示意圖</p><p>　　檢測環(huán)節(jié)中一共有6個這樣的傳感的紅外檢測單元，實現(xiàn)組合式的控制方向的檢測。6個光敏傳感電路組合功能見表4-1。&

67、lt;/p><p>　　表4-1 光敏傳感器狀態(tài)真值表</p><p>　　通過循環(huán)檢測輸入端口的檢測值，判斷目前巡線所處的位置，并且通過控制電機(jī)輸出來實現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直行運動。檢測部分函數(shù)說明</p><p>　　while(1) //對傳感器輸入信號不斷地進(jìn)行查詢 </p><p><b>　　{<

68、/b></p><p>　　if(P3 == 0x7F)//0111_1111</p><p>　　P1=left; //執(zhí)行左轉(zhuǎn)指令 </p><p>　　else if(P3 == 0xBF)//1011_1111</p><p>　　P1=right; //執(zhí)行右轉(zhuǎn)指令 </p>&

69、lt;p><b>　　else</b></p><p>　　P1=go; //否則就向前行駛 </p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　第5章 系統(tǒng)測試</b></p><p>　　為了測試智能小車系統(tǒng)的正常運動情況，

70、設(shè)計場景，對智能循跡小車系統(tǒng)進(jìn)行測試。</p><p>　　5.1 測試場景介紹</p><p>　　設(shè)計采用環(huán)形的黑色軌道，對小車進(jìn)行實際測試。設(shè)計測試圖如圖5-1所示。</p><p>　　圖5-1測試場景及參數(shù)</p><p>　　5.2 實際測試結(jié)果</p><p>　　系統(tǒng)測試過程中，采取順時針和逆時針兩個方

71、向的測試方法，以此來檢測智能小車左右轉(zhuǎn)的效果。經(jīng)過順時針、逆時針各5次，每次2圈的實際測試，測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表5-1。(其中—表示為無效數(shù)據(jù))</p><p>　　表5-1智能循跡小車測試結(jié)果</p><p><b>　　5.3測試結(jié)果分析</b></p><p>　　由表5-1可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在順時針運動時，主要執(zhí)行右轉(zhuǎn)和直行這兩種運動控制；在逆

72、時針運動時，主要執(zhí)行左轉(zhuǎn)和直行這兩種運動控制。在每組測試過程中，逆時針的運動時間相對順時針的運動時間較長，則可大致得出結(jié)論：左轉(zhuǎn)控制的響應(yīng)時間慢于右轉(zhuǎn)控制。</p><p>　　另外，起點位于彎道的運行時間要長于起點位于直道的運行時間。導(dǎo)致這個現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是由于彎道的曲率變化給小車的循跡調(diào)整帶來了比較大的影響，對應(yīng)消耗的調(diào)整時間也比起于直道的測試過程要長些。</p><p><b&

73、gt;　　結(jié) 論</b></p><p>　　加入了高新技術(shù)的智能循跡小車產(chǎn)品越來越多，使得智能循跡小車的發(fā)展呈現(xiàn)多循跡小車作為現(xiàn)代玩具產(chǎn)業(yè)的核心的一部分，更需要不斷應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)的技術(shù)開發(fā)出更新穎的產(chǎn)品。</p><p>　　本設(shè)計主要是把傳統(tǒng)智能循跡小車系統(tǒng)和可編程電子器件結(jié)合起來設(shè)計智能循跡小車系統(tǒng)，并通過人工智能算法實現(xiàn)一定的智能化的方法。論文介紹了該設(shè)計的總體思想和

74、一些用到的基本的原理及系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計。現(xiàn)將本文主要工作總結(jié)如下：</p><p>　?。?）本設(shè)計使用模塊化的設(shè)計方法。各個功能在硬件和軟件的設(shè)計上都實現(xiàn)了模塊化。各個功能部件同時存在，小車在運行的過程中只有一個功能模塊發(fā)揮作用，其余功能處屏敝狀態(tài)；在各個功能之間可通過人工切換。</p><p>　　（2）本設(shè)計的創(chuàng)新之處在于把一個人工智能算法（A*算法）引入小車的設(shè)計中，實現(xiàn)控制小

75、車的作用。這只是一個簡單的智能算法，但有這樣的基礎(chǔ)之后，就可以把更多的智能算法用于玩具的開發(fā)，這也是小車智能化的一個重要方法。</p><p>　　（3）系統(tǒng)經(jīng)過測試，雖然存在著一定的問題，但能夠?qū)崿F(xiàn)小車的循跡功能、尋光功能，基本上能實現(xiàn)小車的路徑規(guī)劃功能。</p><p>　　該智能玩具小車系統(tǒng)還存在一些不完善和需要改進(jìn)的地方，可以有以下幾處需要改進(jìn)和完善：</p><

76、;p>　?。?）在小車尋找最短路徑的功能中，雖然通過A星算法能夠找到并標(biāo)示出最短路徑中的一條，但小車在根據(jù)這條路徑從起點到終點的過程中，由于路面磨擦不同等因素的影響，小車不能按預(yù)定的角度旋轉(zhuǎn)。在這種情況下可以增加舵機(jī)，控制舵機(jī)來達(dá)到智能玩具車按照預(yù)定角度轉(zhuǎn)向的功能。</p><p>　?。?）小車所行走的區(qū)域有可能并不是一個表格，但在程序中已經(jīng)將該區(qū)域簡為了一張表格并固定地存放在了程序中，這樣如果想改變區(qū)域

77、中障礙物的位置必須改在程序中改變存放的表格，即一個二維數(shù)組?？梢愿倪M(jìn)為：用一個攝象頭把小車所要行走的區(qū)域拍攝下來然后經(jīng)過圖像的處理，把區(qū)域變成一張表格，再用一個二維數(shù)組來表示這張表格，這就可以使小車在行走之前自動改變程序中的“地圖”，而不需要每一次都人為改變。用這種方法改進(jìn)，也使A星算法的應(yīng)用范圍變廣了。</p><p>　?。?）可以在該智能循跡小車中添加更多的有趣的功能。在小車系統(tǒng)中加上光電傳感器讓小車可以實

78、現(xiàn)避障功能，還可以在玩具小車上安裝喇叭讓小車播放音樂等，這樣小車更具有智能的特點，而且有更多的娛樂和學(xué)習(xí)的特性。</p><p>　　（4）該智能循跡小車系統(tǒng)具有循線、追光和路徑判斷的功能。但這些功能都是用單獨的程序?qū)崿F(xiàn)的，每運行一個功能就需要重新下載程序。對于這個問題，可以用多路開關(guān)與單片機(jī)的I/O口相連，通過檢測開關(guān)信號進(jìn)行智能循跡小車功能的選擇。</p><p>　　微控制器（如本設(shè)

79、計中用到的51單片機(jī)）運于智能循的開發(fā)中，通過各種傳感器的應(yīng)用和程序的設(shè)計將有許多更具智能化、更加多樣的玩具面世。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本論文是在張華老師的指導(dǎo)下完成的。在智能小車系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試及論文的寫作過程中，他給予了無數(shù)的指導(dǎo)和大力的支持。他不僅教了我知識還教了我治學(xué)的態(tài)度，那就是嚴(yán)謹(jǐn)，把知識變?yōu)榧河校瑮壠湓闫闪羝?/p>

80、精華，用自己的方式去解決問題，而不是人云亦云。由于對硬件這方面比較感興趣，尤其對單片機(jī)這塊。張老師可謂我的啟蒙老師，他那套獨特的編程分析理念對我的影響頗為深刻，那就是軟件與硬件分離、功能獨立、功能分層、分時處理與實時處理、充分利用C語言的宏定義。這改變了我以前編程時想到哪編到哪沒有一點思緒的編程方式，編程前理出框架這一理念對我經(jīng)后的學(xué)習(xí)必有很大幫助。由于剛接觸單片機(jī)，問題特別多，從硬件的認(rèn)識到軟件的理解，都碰到了不少的問題。每次張老師和

81、院凱學(xué)長總是悉心的指導(dǎo)并提出了很多寶貴的意見和建議，張老師還通過授課的方式教會了我們很多知識，在他循循善誘的悉心教誨、無微不至的關(guān)懷和指導(dǎo)下，我對基于單片機(jī)智能循跡小車的設(shè)置理念和運作過程都了解得非常清楚。對我論文的完成也提供了不小的幫助。在此再次向張老師和院凱學(xué)長表示忠心的感謝。</p><p>　　在畢業(yè)設(shè)計中，我學(xué)會了對本專業(yè)所學(xué)的一些理論知識的應(yīng)用，學(xué)會了在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的方法，加深了對專業(yè)知識

82、的撐握和理解，所取得的這些進(jìn)步都與老師們的仔細(xì)、耐心指導(dǎo)分不開。他們的嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)心、勤奮的工作態(tài)度也給我留下了深刻印象，對我以后的學(xué)習(xí)工作有很好的指導(dǎo)作用。在此，對老師表示衷心的感謝。</p><p>　　在系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試階段，得到了陳文湘同學(xué)、蔡汝斌同學(xué)等一些同學(xué)的幫助，在這里也表示感謝。在畢業(yè)設(shè)計的過程中和同學(xué)們的討論也使我受益匪淺。</p><p>　　也感謝學(xué)院及工程技術(shù)中心的老師和

83、領(lǐng)導(dǎo)為我提供的良好的畢業(yè)設(shè)計環(huán)境使我完成畢業(yè)設(shè)計。在畢業(yè)之際也感謝輔導(dǎo)員朱愛榮老師四年來在生活中給予的關(guān)心和幫助。</p><p>　　最后，感謝所有幫助過我的老師和同學(xué)們，感謝給我論文進(jìn)行評閱和指導(dǎo)老師們。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 段穎康，基于光電傳感器自動尋跡智能小車位置信息采集模塊設(shè)計論文

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89、志勇,智能小車單片機(jī)控制直流電機(jī)方案與設(shè)計論文.技術(shù)研發(fā)，2006.3.</p><p>　　[16] 王應(yīng)軍，趙晨萍，劉文闖，基于AT80C51單片機(jī)的智能小車設(shè)計論文. 福建電腦，2009.12.</p><p>　　[17] Věnceslav F.Direct digital frequency synthesizers[M].USA:Wiley,1999.</p>

90、<p>　　[18] Dmitri Dolgov.AI for Automonos Robotic Cars[J].2008,(3).</p><p>　　[19] E.Horowitz,Pitman.Fundamentals of Data structures[M].1997.</p><p><b>　　附錄1</b></p><p

91、>　　該最小系統(tǒng)的電路原理圖板圖以及其他的外部擴(kuò)展電路原理圖。如附圖1。</p><p>　　附圖1 系統(tǒng)電路原理圖</p><p><b>　　附錄2</b></p><p><b>　　最終PCB板圖：</b></p><p>　　該最小系統(tǒng)的最終PCB板圖以及其他的外部擴(kuò)展電路部分，考慮