基于單片機的多功能智能小車的設(shè)計【畢業(yè)設(shè)計+開題報告+文獻綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　基于單片機的多功能智能小車的設(shè)計</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子信息工程 </

2、p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>

3、;　　智能小車也叫無人車輛，是一個集自動行駛、規(guī)劃決策等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中運用了計算機、傳感、自動控制等技術(shù)，在智能運輸系統(tǒng)、物流運輸、軍事領(lǐng)域和社會生活中都得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　本文首先簡要介紹了智能小車的背景、意義及國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀，重點研究了智能小車系統(tǒng)的方案選擇，包括主控芯片選擇方案、電源選擇方案、電機模塊方案、電機驅(qū)動模塊方案等，與總體設(shè)計及各模塊中主要芯片的介紹，系統(tǒng)介紹了

4、智能小車的軟硬件設(shè)計，其中硬件設(shè)計包括主控芯片模塊設(shè)計、電機驅(qū)動模塊設(shè)計、光電對管檢測電路設(shè)計等，難點是對智能小車尋跡模塊、避障模塊和電機驅(qū)動模塊的調(diào)試，并利用PTOTEL 99SE畫出小車各功能模塊的原理圖，利用AVR STUDIO進行程序的編寫，用到的主芯片是ATMEGA 16L。</p><p>　　本文所設(shè)計的智能小車可實現(xiàn)尋跡、避障等功能，它對智能車輛控制系統(tǒng)的試驗研究與應(yīng)用有著重要的價值。</p

5、><p>　　關(guān)鍵詞：智能小車、尋跡、避障、ATMEGA 16L。</p><p>　　Design of multi-functional smart car based on microcontroller</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Smart car, also know

6、n as unmanned vehicles, is a set of automatic driving, planning and decision making functions in an integrated system, which focused on the use of a computer, sensor, automatic control technology, intelligent transport s

7、ystems, logistics, transportation, military and social life have been widely used.</p><p>　　This paper briefly describes the background of the intelligent car, significance and status of development at home

8、and abroad, focusing on the intelligent car systems program choices, including the master chip options, power options, the motor module program, the motor drive module programs, and and the overall design of the module i

9、ntroduces the main chip, the system introduces the hardware and software design Smart car, which include the main chip hardware design, module design, motor drive mo</p><p>　　This Smart car is designed to ac

10、hieve tracing, obstacle avoidance and other functions, its control system for intelligent vehicle research and application of test has important value.</p><p>　　Keywords: Smart car，track finding，obstacle avo

11、idance，ATMEGA 16L.</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1論文

12、研究背景1</p><p>　　1.2論文研究意義1</p><p>　　1.3智能車國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向2</p><p>　　1.3.1 智能車國外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向2</p><p>　　1.3.2 智能車國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向3</p><p>　　1.4論文研究的主要內(nèi)容4</p>

13、<p>　　2智能車方案選擇與總體設(shè)計6</p><p>　　2.1智能車方案的選擇6</p><p>　　2.1.1主控芯片選擇方案.................................................................................6</p><p>　　2.1.2電源選擇方案....

14、.....................................................................................6</p><p>　　2.1.3電機模塊方案.........................................................................................6</p>

15、<p>　　2.1.4電機驅(qū)動模塊方案.................................................................................6</p><p>　　2.1.5距離控制方案..............................................................................

16、...........7</p><p>　　2.1.6 紅外避障模塊方案................................................................................7</p><p>　　2.2智能車的總體設(shè)計7</p><p>　　2.2.1系統(tǒng)總體布局....................

17、.....................................................................7</p><p>　　2.2.2各模塊主要芯片介紹.............................................................................8</p><p>　　2.2.2.1 ATME

18、GA 16L芯片.........................................................................8</p><p>　　2.2.2.2 TLP521-4光電耦合芯片.............................................................9</p><p>　　2.2.2.3

19、7805三端穩(wěn)壓集成電路...........................................................10</p><p>　　2.2.2.4 L298N電機驅(qū)動芯片. ...............................................................12</p><p>　　2.2.2.5 74HC04芯

20、片...............................................................................13</p><p>　　2.3 本章小結(jié)......................................................................................................13<

21、;/p><p>　　3系統(tǒng)軟硬件設(shè)計14</p><p>　　3.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計14</p><p>　　3.1.1 主控芯片模塊設(shè)計..............................................................................14</p><p>　　3.1.2 電機驅(qū)動模塊

22、設(shè)計..............................................................................15</p><p>　　3.1.3 光電對管檢測電路設(shè)計......................................................................17</p><p>　　3.1.

23、4 電源模塊設(shè)計......................................................................................18</p><p>　　3.1.5 紅外避障模塊設(shè)計..............................................................................18</p&

24、gt;<p>　　3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計19</p><p>　　3.3 本章小結(jié).......................................................................................................22</p><p>　　4系統(tǒng)功能測試24</p><p>　

25、　4.1測試儀器及設(shè)備24</p><p>　　4.2功能測試24</p><p>　　4.3本章小結(jié)........................................................................................................25</p><p><b>　　5總結(jié)與展

26、望26</b></p><p>　　5.1總結(jié)................................................................................................................26</p><p>　　5.2展望....................................

27、............................................................................26</p><p><b>　　參考文獻27</b></p><p><b>　　致謝28</b></p><p><b>　　附錄29</b>

28、;</p><p>　　附錄程序1 避障模塊程序..................................................................................29</p><p>　　附錄程序2 尋跡模塊程序.................................................................

29、.................31</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1論文研究背景</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)的要求不斷加深的背景下，智能車以及在智能車基礎(chǔ)上開發(fā)出來的產(chǎn)品已經(jīng)成為柔性生產(chǎn)組織、自動化物流等系統(tǒng)的重要設(shè)備。世界上眾

30、多國家都在積極開發(fā)和研究智能車的設(shè)計。移動機器人是機器人學(xué)科中的一個重要組成部分，出現(xiàn)于上個世紀60年代。當(dāng)時斯坦福研究院SRI的Nils Nilssen和Charles Rosen[1]等人，在1966年至1972年中研制出了取名Shakey的自主式移動機器人，目的是將人工智能的技術(shù)應(yīng)用到復(fù)雜環(huán)境下，完成機器人系統(tǒng)的自主推理、控制和規(guī)劃。從此，隨著移動機器人從無到有，數(shù)量迅速增加，智能車作為移動機器人的一個重要分支也越來越多的受到廣泛

31、關(guān)注。</p><p><b>　　1.2論文研究意義</b></p><p>　　智能車致力于提升汽車的安全性、舒適性、適應(yīng)性和提高優(yōu)良的人車交互界面，是世界車輛工程領(lǐng)域研究的熱點和汽車工業(yè)增長的新動力。隨著企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高以及對自動化技術(shù)要求的不斷加深，智能車已在許多工業(yè)部門獲得了廣泛的應(yīng)用。由于成本低廉、環(huán)保、交通安全性高，所以在很多發(fā)達國家，有些智能車已

32、實現(xiàn)商品化。慢慢地它已逐步滲入到工業(yè)和社會的各個層面：</p><p>　?。ㄒ唬?、智能車在智能運輸系統(tǒng)ITS上的應(yīng)用[2]</p><p>　　這是智能車最典型的應(yīng)用，智能車自動行駛功能的研究對增強車輛的智能性意義重大。智能車駕駛?cè)蝿?wù)的自動完成將給人類社會的進步帶來巨大的影響，例如：</p><p>　　（1）汽車的智能化可以減輕駕駛員的工作量；</p>

33、;<p>　?。?）有利于緩解交通狀況，減輕交通擁擠與交通阻塞；</p><p>　?。?）切實提高道路網(wǎng)絡(luò)的利用率，為改進道路提供新的解決途徑；</p><p>　　（4）降低車輛的燃油消耗量，提供舒適、安全的人車環(huán)境。</p><p>　?。ǘ?、智能車在物流運輸方面的應(yīng)用</p><p>　　智能車在自動倉庫、碼頭、搬運、

34、等物流作業(yè)部門也發(fā)揮了關(guān)鍵作用，它最適合在那些人類無法工作的環(huán)境中工作。采用建立在智能車技術(shù)基礎(chǔ)上的倉庫智能車物流運輸平臺來完成物流的自動運輸，既可以提高運輸效率，又可以避免有害物質(zhì)對人體的傷害，有效地完成有毒環(huán)境下的作業(yè)[3]。</p><p>　　（三）、智能車在軍事領(lǐng)域方面的應(yīng)用</p><p>　　在未來戰(zhàn)爭中，智能車可以替代人員在核、生物、化學(xué)污染區(qū)進行偵察、巡邏、對污染進行采樣

35、，可以更加準(zhǔn)確的搜集、掌握相關(guān)信息，可以有效地避免人員的傷亡，提高執(zhí)行任務(wù)的效率和安全性[4]。另外，無人駕駛的進攻性武器系統(tǒng)是現(xiàn)代軍事技術(shù)發(fā)展方向之一，智能車的發(fā)展為無人攻擊車輛提供技術(shù)平臺。軍用智能車輛主要有五種功能[5]：</p><p>　　城市地形的軍事行動；</p><p>　　偵察、監(jiān)視和目標(biāo)搜索；</p><p><b>　　爆炸物的處理；

36、</b></p><p><b>　　安全巡邏；</b></p><p><b>　　反雷戰(zhàn)。</b></p><p>　　由此可見，智能車在軍事領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用價值。</p><p>　　（四）、智能車在社會生活中的應(yīng)用</p><p>　　在西方發(fā)達國家

37、，智能車已廣泛應(yīng)用于超市商城服務(wù)、醫(yī)療福利服務(wù)、家務(wù)服務(wù)等領(lǐng)域。其中的有些應(yīng)用有望在今后兩三年內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化，并進入普通的家庭[6]?？梢钥闯鰜?，無論是從理論研究、學(xué)科發(fā)展的角度，還是從汽車工業(yè)發(fā)展以及市場競爭的角度看，對智能車的研究都是很有必要的。智能車研究及相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)也將有利于我國在此領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展與進步。因此，研制一種智能、高效的智能車控制系統(tǒng)具有重要的實際意義及科學(xué)理論價值。</p><p>　　作為電信專

38、業(yè)的學(xué)生，非常有必要通過對實際產(chǎn)品的設(shè)計和制作，了解現(xiàn)代IT產(chǎn)品的開發(fā)整體流程。全面提高知識的綜合應(yīng)用能力，掌握從系統(tǒng)、電路，到芯片各個層次的設(shè)計和實現(xiàn)手段?；谏鲜鲈?，我選擇此設(shè)計課題，在此設(shè)計過程中，將會用到多門學(xué)科的理論知識，復(fù)習(xí)和鞏固了以前所學(xué)的知識，更重要的是培養(yǎng)了發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，還鍛煉了動手能力，是一次很好的實踐，對以后的學(xué)習(xí)和工作也會有很大的幫助。</p><p>　　1.3智

39、能車國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向</p><p>　　智能車是一個包括了環(huán)境感知、決策規(guī)劃、自動行駛等多種功能于一體的綜合復(fù)雜系統(tǒng)。它集中地運用了計算機、信息、傳感、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體[7]。下面簡單介紹智能車的研究現(xiàn)狀。</p><p>　　1.3.1 智能車國外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向</p><p>　　國外智能車的研究歷史較長

40、，始于上世紀50年代[8]。它的發(fā)展歷程大致可以分成三個階段：</p><p>　　第一階段上個世紀50年代是智能車研究的起步階段。1954年美國Barrett Electronics公司研究開發(fā)了世界上第一臺自主引導(dǎo)車系統(tǒng)AGVS（Automated Guided Vehicle System）。該系統(tǒng)只是一個運行在固定線路上的拖車式運貨平臺，但它卻具備了智能車最基本的特征，那就是無人駕駛。早期研制AGVS的目

41、的是為了提高倉庫運輸?shù)淖詣踊剑瑧?yīng)用領(lǐng)域僅僅局限于倉庫內(nèi)的物品運輸。隨著計算機的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展和進步，智能車的研究不斷得到新的發(fā)展。</p><p>　　第二階段從上個世紀80年代中后期開始，世界主要發(fā)達國家對智能車開展了卓有成效的研究。在歐洲，普羅米修斯項目于1986年開始了在這個領(lǐng)域的探索。在美洲，美國于1995年成立了國家自動高速公路系統(tǒng)聯(lián)盟（NAHSC），其目的之一就是研究發(fā)展智能車的可行性，并促

42、進智能車技術(shù)進入實用化。在亞洲，日本于1996年成立了高速公路先進巡航和輔助駕駛研究協(xié)會，主要目的是研制自動車導(dǎo)航的方法，促進日本智能車技術(shù)的整體進步。</p><p>　　第三階段從90年代開始，智能車進入了深入、系統(tǒng)、大規(guī)模研究的階段。最為突出的是，美國卡內(nèi)基海隆大學(xué)機器人研究所一共完成了Navlab系列的10臺自主車的研究，取得了顯著的成就。</p><p>　　目前，智能車的發(fā)展正

43、處在第三階段[9]。這一階段的研究成果代表了當(dāng)前國外智能車的主要發(fā)展方向。在世界科學(xué)界和工業(yè)設(shè)計界中，眾多的研究機構(gòu)研發(fā)的智能車具有代表性的有：</p><p>　　德意志聯(lián)邦大學(xué)的研究 1985年，第一輛VaMoRs智能原型車輛使用了機器視覺來保證橫向和縱向的車輛控制，在戶外高速公路上進行了速度lOOkm／h的測試。1988年，在都靈的第一次委員會PROMETHEUS項目會議上，智能車維塔</p>

44、<p>　　(VITA，7t）進行了展示，該車可以自動行進、停車，并可以向后面的車傳送相關(guān)駕駛信息。這兩種車輛都配備了UBM視覺系統(tǒng)。這是一個雙目視覺系統(tǒng)，具有特別高的穩(wěn)定性。</p><p>　　荷蘭鹿特丹港口的研究 智能車的研究主要體現(xiàn)在工廠貨物的運輸。荷蘭的Combi road系統(tǒng)，采用無人駕駛的車輛來往返運輸貨物，它行駛的路面上采用了導(dǎo)航參照物，并利用一個光陣列傳感器去探測障礙。荷蘭南部目前正

45、在討論工業(yè)上利用這種系統(tǒng)的問題，政府考慮沿已有的高速公路新建一條專用的車道，采用這種系統(tǒng)將貨物從鹿特丹運往各地[10]。</p><p>　　1.3.2 智能車國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向</p><p>　　相比于國外，我國開展智能車技術(shù)方面的研究起步比較晚，開始于上個世紀80年代，而且大多數(shù)研究尚處在針對某個單項技術(shù)研究的階段[11]。例如：</p><p>　?。?

46、）上個世紀80年代，沈陽自動化研究所采用地下埋線式導(dǎo)航技術(shù)，開始了我國的自動引導(dǎo)車輛（AGVS）的研究。</p><p>　　清華大學(xué)在上個世紀90年代中期也曾研究過一種采用圖像識別來實現(xiàn)自動導(dǎo)航的智能車。</p><p>　　北京理工大學(xué)近年也在進行用GPS與數(shù)字地圖導(dǎo)航的智能車方面的研究。</p><p>　　國防科技大學(xué)進行過基于圖像視覺導(dǎo)航的車輛研究。<

47、;/p><p>　　吉林大學(xué)智能車課題組1994年研制出第一輛模型車JUTIV_I型智能車，實現(xiàn)了自主駕駛功能。1998年該課題組又研制出JUTIV_II型智能車，實現(xiàn)了車道線作為導(dǎo)航路線的自動導(dǎo)航，車輛時速達30km/h。</p><p>　　雖然我國在智能車技術(shù)方面的研究總體上落后于發(fā)達國家，并且存在一定差距，但是我們也取得了一系列的成果，主要有：</p><p>

48、　　中國第一汽車集團公司和國防科技大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院于2003年研制成功我國第一輛自主駕駛轎車。該自主駕駛轎車在正常交通情況下的高速公路上，行駛的最高穩(wěn)定速度為13 km／h，最高峰值速度可達170 km／h，并且具有一定的超車功能，其總體技術(shù)性能和指標(biāo)已經(jīng)達到世界先進水平[12]。</p><p>　　南京理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)、國防科技大學(xué)、清華大學(xué)等多所院校聯(lián)合研制了7B．8軍用室外自主車，

49、該車裝有彩色攝像機、激光雷達、陀螺慣導(dǎo)定位等傳感器[13]。</p><p>　　智能車研究也是智能交通系統(tǒng)ITS的關(guān)鍵技術(shù)[14]。目前，國內(nèi)的許多高校和科研所都在進行ITS關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備的研究。隨著ITS研究的興起，我國已經(jīng)形成了一支ITS技術(shù)研究開發(fā)的專業(yè)技術(shù)隊伍。并且各交通、汽車企業(yè)越來越加大了對ITS及智能車技術(shù)研發(fā)的投入，整個社會的關(guān)注程度在不斷提升。交通部已將ITS研究列入“十五”科技發(fā)展計劃和20

50、10年長期規(guī)劃。相信經(jīng)過相關(guān)領(lǐng)域的一起努力，我國ITS及智能車輛的技術(shù)水平一定會得到大幅度的提高。</p><p>　　可以預(yù)計，我國飛速發(fā)展的經(jīng)濟實力將為智能車的研究提供一個更加廣闊的前景[15]。我們要結(jié)合我國的國情，在某一方面或某些方面，對智能車進行深入細致的研究，為它今后的發(fā)展及實際應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。</p><p>　　1.4論文研究的主要內(nèi)容</p><p

51、>　　采用ATMEGA 16L芯片為控制核心，利用紅外避障傳感器檢測道路上的障礙物，控制小車自動避障；利用電機驅(qū)動模塊來控制小車的方向、快、慢速行駛，以及自動停車；利用尋跡光電傳感器來控制小車的自動尋跡。其中，</p><p>　　緒論主要講了本論文研究的背景、意義及智能車在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向；</p><p>　　智能車方案選擇和總體設(shè)計主要講述了智能車方案的選擇、總體設(shè)計和

52、各模塊主要芯片的介紹；</p><p>　　系統(tǒng)軟硬件設(shè)計主要講述了系統(tǒng)軟件和硬件兩大塊的設(shè)計，畫出了硬件部分的原理圖和軟件部分的流程圖；</p><p>　　系統(tǒng)功能測試主要講述了智能車實現(xiàn)功能的測試及用到的器材；</p><p>　　總結(jié)與展望主要講述了本論文的總結(jié)和展望。</p><p>　　2智能車方案選擇與總體設(shè)計</p>

53、;<p>　　2.1智能車方案的選擇</p><p>　　2.1.1主控芯片選擇方案</p><p>　　方案一：采用AT89S52單片機，AT89S52 單片機是一類高性能、低功耗CMOS 8位微控制器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，具有8K 在系統(tǒng)可編程存儲器，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上的Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)里可編程，亦適于

54、常規(guī)編程器。AT89S52有5個中斷源，和3個定時計數(shù)器。</p><p>　　方案二：采用Atmel公司的Atmegal6L單片機可對小車進行控制，該單片機具有32個功能強大的可編程I/0接口和4個PWM通道，并具有八路十位ADC,可對小車進行實時控制。該單片機的PC0～PC7八個端口可與光電傳感模塊的八個光電探頭相連。實用、功能強大，所以設(shè)計采用這種方案。</p><p>　　2.1.

55、2電源選擇方案</p><p>　　方案一：采用兩節(jié)7.5V鋰電池產(chǎn)生15V的電壓，并通過7812、7805產(chǎn)生5V和12V的穩(wěn)壓供給電路使用。安全性能好，鋰電池厚度小，重量輕，容量大，但是價格過于昂貴，會大大加大成本。因此本設(shè)計中不予使用。</p><p>　　方案二：采用小型9V充電電池，并通過過濾電路，通過7805采集5V的電壓。因為9V的充電電池其具有穩(wěn)定的9V輸出，可以正常的供給

56、小車電機使用，所以本設(shè)計采用這種方案作為電源。</p><p>　　2.1.3電機模塊方案</p><p>　　方案一：采用步進電機作為小車的驅(qū)動電機。步進電機有個非常好的精度，有利于控制小車的定位。但是步進電機有個很大的缺點就是力矩不足，不利于小車這種需要高速度的使用。所以舍棄步進電機這個方案。</p><p>　　方案二：采用直流電機作為小車的驅(qū)動電機，直流電機

57、的轉(zhuǎn)動力矩很大，使用起來也方便，其價格也比步進電機便宜很多，效果也很好，所以在選擇電機上采用直流電機。</p><p>　　2.1.4電機驅(qū)動模塊方案</p><p>　　方案一：采用三極管驅(qū)動電機，濾波效果好，在單片機跟電機共用一個電源，在電流較高的情況下，單片機仍能不受干擾而正常工作。優(yōu)點：電路壓降較小，所以在大電流的情況下，發(fā)熱很小。缺點：電路連接較為復(fù)雜，驅(qū)動功率較小，不適于大功率

58、驅(qū)動。該驅(qū)動電路的功率不能滿足要求，故放棄此方案。</p><p>　　方案二：使用專用芯片L298N所組成的電機驅(qū)動電路。驅(qū)動芯片L298N是驅(qū)動步進電機的專用芯片，它是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端，我們利用它內(nèi)部的橋式電路來驅(qū)動直流電機。優(yōu)點：控制比較簡單，電路簡單，集成芯片簡化了電路的復(fù)雜性，驅(qū)動功率大。缺點：電路發(fā)熱較大，成本

59、略高。結(jié)合設(shè)計要求，采用此方案。</p><p>　　2.1.5距離控制方案</p><p>　　方案一：采用軟件控制距離，即：根據(jù)小車的平均速度設(shè)定相應(yīng)前進/后退時間，達到控制前行/后退目的。優(yōu)點：無需其他硬件支持，節(jié)約成本，制作簡單。缺點：不易自動控制，距離控制不精確，多次循環(huán)后會導(dǎo)致小車偏離預(yù)定路徑?？紤]到設(shè)計要求的距離控制精度較高，放棄此方案。</p><p&g

60、t;　　方案二：采用光電尋跡傳感器測距，對固定在地面上的邊線進行探測，通過固定邊線之間的距離來達到距離控制的距離的目的，進而達到要求。缺點：增加成本，增加軟件設(shè)計難度，制作較為困難。優(yōu)點：距離控制精確，易于自動控制。由于本設(shè)計對距離有較高的要求，故采用此方案。</p><p>　　2.1.6紅外避障模塊方案</p><p>　　方案一：在紅外壁障模塊中，可以選擇超聲波壁障。其優(yōu)點是反應(yīng)速度

61、靈敏，距離遠，受外界干擾小。但是，在本設(shè)計中，如果利用超聲波傳感器進行壁障的話，由于空間小聲波在小空間不同方向里會進行多次反射，左右前后的傳感器之間相互干擾，使控制中心不能明確判斷出哪個方位遇到了障礙物，從而動作紊亂，不能實現(xiàn)要求。</p><p>　　方案二：利用紅外避障傳感器，其優(yōu)點是對近距離的障礙物反應(yīng)速度靈敏，不同方位的傳感器之間信號不會相互干擾，造成誤動作。缺點是距離近，易受到自然光的干擾。綜合考慮分析

62、，最終選擇紅外避障傳感器作為小車的眼睛。</p><p>　　2.2智能車的總體設(shè)計</p><p>　　2.2.1系統(tǒng)總體布局</p><p>　　經(jīng)過對各個方案的分析比較，最終確定總方案如圖2-1所示。該系統(tǒng)基本模塊由ATMEGA 16L單片機控制。其中，設(shè)計各個模塊，包括穩(wěn)壓電源、電機驅(qū)動、光電尋跡探測等由六節(jié)充電電池供電。電機驅(qū)動采用L298N驅(qū)動芯片控制。

63、用紅外避障傳感器對障礙物進行識別并繞過障礙物。用光電尋跡傳感器對路線進行探測。</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)總體布局</p><p>　　2.2.2 各模塊主要芯片介紹</p><p>　　2.2.2.1 主控芯片ATMEGA 16L芯片</p><p>　　圖2-2 ATMEGA 16L引腳圖</p><p>

64、　　ATMEGA 16L具有高性能、低功耗的8位AVR微處理器，JTAG接口，與IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容，先進的RISC結(jié)構(gòu)，非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器，圖2-2是ATMEGA 16L的引腳圖，主要的兩腳PD4和PD5是用來調(diào)節(jié)小車的速度。其外設(shè)特點：</p><p>　　具有兩個獨立的預(yù)分頻器及比較器功能的8位定時器/計數(shù)器；</p><p>　　擁有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC；&

65、lt;/p><p>　　一個具有預(yù)分頻器、捕捉功能和比較功能的16位定時器/計數(shù)器；</p><p><b>　　8路10位ADC；</b></p><p>　　面向字節(jié)的兩線接口；</p><p><b>　　四通道PWM；</b></p><p><b>　　片內(nèi)模

66、擬比較器；</b></p><p>　　兩個可編程串行USART；</p><p>　　可工作于主機/從機模式的SPI串行接口；</p><p>　　具有獨立的片內(nèi)振蕩器可編程看門狗定時器。</p><p><b>　　特殊的處理器特點：</b></p><p>　?。?）上電復(fù)位和可

67、編程的掉電檢測；</p><p>　?。?）片內(nèi)/片外中斷源；</p><p>　?。?）片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的RC振蕩器；</p><p><b>　　I/O和封裝：</b></p><p>　?。?）32個可編程的I/O口；</p><p>　?。?）40引腳PDIP封裝，44引腳TQFP封裝，與44

68、引腳MLF封裝。</p><p><b>　　工作電壓：</b></p><p>　?。?）ATMEGA 16L：2.7～5.5V。</p><p>　　2.2.2.2 電機驅(qū)動模塊TLP521-4芯片</p><p>　　圖2-3 TLP521-4光藕內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　TLP521

69、是可控制的光電藕合器件。圖2-3是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，它的電路之間的信號傳輸，使之前端與負載完全隔離，目的在于增加安全性，減小電路干擾，減化電路設(shè)計。東芝TLP521－4組成的砷化鎵紅外發(fā)光二極管耦合到光三極管，該TLP521-4提供了4個孤立的光耦中16引腳塑料DIP封裝。集電極-發(fā)射極電壓：55V（最小值），經(jīng)常轉(zhuǎn)移的比例：50%(最小)，隔離電壓：2500 Vrms(最小)。</p><p>　　2.2.2.3

70、電源穩(wěn)壓模塊</p><p>　　7805系列為3端正穩(wěn)壓電路，TO-220封裝，能提供多種固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣。內(nèi)含過熱、過流和過載保護電路。帶上散熱片時，輸出電流可達到1A.雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件時，可獲得不同的電流電壓。表2-1是7805電參數(shù)表，詳細羅列了其不同參數(shù)下，測試的條件及各個值。圖2-4是7805的實物圖，圖2-5至圖2-8是其典型特性曲線圖，它的主要特點：</p>

71、<p><b>　　輸出電流可達1A；</b></p><p><b>　　輸出電壓有5V；</b></p><p><b>　　過熱保護；</b></p><p><b>　　短路保護；</b></p><p>　　輸出晶體管SOA保護。&

72、lt;/p><p>　　表2-1 7805電參數(shù)表</p><p>　　圖2-4 7805實物圖</p><p>　　圖2-5 靜態(tài)電流與結(jié)點溫度的關(guān)系曲線圖</p><p>　　圖2-6 輸出電壓與結(jié)點溫度的關(guān)系曲線圖</p><p>　　圖2-7 峰值輸出電流</p><p>　　圖2-8 靜態(tài)

73、電流與輸入電壓的關(guān)系曲線圖</p><p>　　2.2.2.4 電機驅(qū)動模塊L298N芯片</p><p>　　L298N是專用驅(qū)動集成電路，屬于H橋集成電路，圖2-9展現(xiàn)的是L298N的引腳圖，與L293D的差別是其輸出電流增大，功率增強。其輸出最高電流4A，最高工作電壓50V，可驅(qū)動感性負載，如大功率直流電機、步進電機等，特別是其輸入端可以與單片機直接相連，從而很方便地受單片機控制。當(dāng)

74、驅(qū)動直流電機時，可以直接控制步進電機，并可以實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)與正轉(zhuǎn)，實現(xiàn)此功能只需要改變輸入端的邏輯電平。</p><p>　　圖2-9 L298N引腳圖</p><p>　　2.2.2.5 光電傳感模塊</p><p>　　74HC04為六組反相器，圖2-10為74HC04邏輯圖。引出端符號：1A-6A---輸入端；1Y-6Y---輸出端。</p>&l

75、t;p>　　圖2-10 74HC04邏輯圖</p><p><b>　　2.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章通過對智能車的多種方案進行選擇，并對系統(tǒng)總體進行布局，基本確定了小車設(shè)計的框架，除此之外，還介紹了各個模塊用到的主要芯片，并簡要介紹了其特點及用途等，為小車的進一步設(shè)計做好準(zhǔn)備。 </p><p><b>　

76、　3系統(tǒng)軟硬件設(shè)計</b></p><p>　　3.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計</p><p>　　3.1.1主控芯片模塊設(shè)計</p><p>　　圖3-1主控芯片模塊原理圖</p><p>　　采用Atmel公司的Atmega l6L單片機可對小車進行控制，圖3-1和圖3-2分別為主控芯片模塊原理圖和51 to AVR轉(zhuǎn)換板模塊原理圖。

77、該單片機具有32個功能完善的可編程I/0口和4個PWM通道，具有八路十位ADC,可對小車實時控制。該單片機的PCO～PC7八個端口可與光電傳感模塊的八個光電探頭相連。假設(shè)探頭檢測的邏輯實際值為P,假定值N，車輪的運動狀態(tài)分別為：向前移動、向右移動、向左移動，可通過對實際值P與假定值N (0b00111100)比較，得出如表3-1所列的Atmega l6L單片機的控制模塊參數(shù)表，其中x為無關(guān)項。設(shè)計時，可將Atmega l6L的PD2～P

78、D3分別連接帶碼盤的兩個光電對管，用于精確測量車輪的轉(zhuǎn)向與位移；PD5和PD4可分別連在電機驅(qū)動模塊的使能端ENA、ENB。PD1, PD0, PD6和PD7分別和電機驅(qū)動模塊的IN1，IN2，IN3，IN4相連，IN1，IN2口一般用于PWM的輸入，以便利用PWM調(diào)速法，由單片機輸出一系列頻率固定的方波，并通過功率放大器來驅(qū)動電機，再通過單片機編程來改變輸出方波的占空比，這樣就可以改變加在電機上的平均電壓，從而</p>

79、<p>　　圖3-2 51 to AVR轉(zhuǎn)換板模塊原理圖</p><p>　　表3-1 Atmega 16L單片機的控制模塊參數(shù)表</p><p>　　3.1.2 電機驅(qū)動模塊設(shè)計</p><p>　　圖3-3所示是L298N驅(qū)動模塊原理圖。L298N作為電機驅(qū)動芯片，是一款高電壓高電流全橋驅(qū)動芯片，它頻率高，可控制兩個直流電機，而且可以控制使能端，工作電

80、壓可通過4、9引腳分別輸入9V、5V電壓。ENA, ENB引腳是兩個使能端，而INT 、OUT為電機驅(qū)動引腳，通過改變OUT端的邏輯電平可控制電機的停、正、反比狀態(tài)，表3-2所列是直流電機控制邏輯。L298N的5、 6、7、10、11、12六個引腳可直接與單片機的PD端口相連，而通過對單片機的編程則可實現(xiàn)直流電機PWM的調(diào)速。</p><p>　　圖3-3 L298N驅(qū)動模塊原理圖</p><

81、p>　　表3-2 直流電機控制邏輯表</p><p>　　PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制，配用L298驅(qū)動電路實現(xiàn)直流電機的調(diào)速，非常簡單且調(diào)速范圍大，它利用的是直流斬波原理，假設(shè)高電平導(dǎo)通，在一個周期T內(nèi)導(dǎo)通時間為t，那么一個周期T內(nèi)的平均電壓，其中=稱為占空比。各周期內(nèi)不同的占空比示例如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 各周期內(nèi)不同的占空比示例</p>&l

82、t;p>　　電機的轉(zhuǎn)速與電機兩端的電壓成正比，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成正比，占空比越大，電機轉(zhuǎn)得越快，當(dāng)占空比時，電機轉(zhuǎn)速達到最大。</p><p>　　3.1.3 光電對管檢測電路設(shè)計</p><p>　　在光電對管的選擇上我采用TCRT5000作為尋跡傳感器，圖3-5為一路尋跡模塊。當(dāng)探測到黑色區(qū)域時，光電傳感器導(dǎo)通，再進過74HC04比

83、較器，得到很好的開關(guān)電壓。</p><p>　　圖3-5 一路尋跡模塊原理圖</p><p>　　探測路面黑線的基本原理：當(dāng)光線照射到路面會反射，由于黑線和地面對光的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光強弱，用光電傳感器判斷黑線。光電管基本原理圖如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 光電管基本原理圖</p><p>　　當(dāng)光電管檢測不

84、到黑線時，紅外光管接收到反射回來的紅外光，使其輸出由高電平立即跳至低電平。我們在小車上并排加上三個紅外光電管，黑線置于中間紅外光電管正下方，并且將三個光電管產(chǎn)生的電信號脈沖分別送單片機的PC0、PC1和PC2。這樣通過PWM來調(diào)節(jié)兩個電機的速度來校正行使路線，電動車行駛狀態(tài)和紅外對管產(chǎn)生的電信號關(guān)系如表3-3所示。</p><p>　　表3-3 電動車行駛狀態(tài)和紅外對管產(chǎn)生的電信號關(guān)系</p>&l

85、t;p>　　3.1.4 電源模塊設(shè)計</p><p>　　采用小型9V充電電池，并通過過濾電路，通過7805采集5V的電壓。因為9V的充電電池其具有穩(wěn)定的9V輸出，可以正常的供給小車電機使用。圖3-7為電源模塊原理圖。</p><p>　　圖3-7 電源模塊原理圖</p><p>　　3.1.5 紅外避障模塊設(shè)計 </p><p>

86、;　　圖3-8 紅外避障模塊原理圖</p><p>　　紅外避障模塊中采用NPN型光電開關(guān)，輸出狀態(tài)是0、1，即數(shù)字電路中的高電平和低電平。當(dāng)檢測到目標(biāo)時是低電平輸出，正常狀態(tài)是高電平輸出。輸出外加一個上拉電阻即可連接到I/O口上。上拉電阻一般在1K左右。圖3-8和圖3-9分別為紅外避障原理圖和紅外傳感器實物圖。</p><p>　　圖3-9 紅外避障傳感器實物圖</p>&

87、lt;p>　　3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p>　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用C語言，對單片機進行編程實現(xiàn)各項既定功能。程序用AVR STUDIO編寫，主要起到一個導(dǎo)向和決策的功能，決定系統(tǒng)該做什么。系統(tǒng)各種功能的完成是通過調(diào)用各個單元模塊的子程序來實現(xiàn)的。該系統(tǒng)的主要模塊包括光電尋跡模塊、電機驅(qū)動模塊、電源模塊等，如圖3-10為小車尋跡模塊流程圖。</p><p>　　圖3-10 尋跡

88、模塊軟件流程圖</p><p>　　圖3-11 小車右轉(zhuǎn)彎</p><p>　　程序設(shè)計：如果右邊探測頭PC2測到黑線，則小車右轉(zhuǎn)彎，如圖3-11所示。</p><p>　　圖3-12 小車直行</p><p>　　程序設(shè)計：如果中間探測頭PC1測到黑線，則小車直行，如圖3-12所示。</p><p>　　圖3-13

89、小車停車</p><p>　　程序設(shè)計：如果三個探測頭全部測到黑線，則小車到達終點，停車，如圖3-13所示。</p><p>　　圖3-14 小車左轉(zhuǎn)彎</p><p>　　程序設(shè)計：如果左邊探測頭PC0測到黑線，則小車左轉(zhuǎn)彎，如圖3-14所示。</p><p>　　圖3-15 避障模塊軟件流程圖</p><p>　　

90、小車上電運行后，放到?jīng)]有障礙物的空地上，小車筆直向前行。當(dāng)前方?jīng)]有障礙物的時候車就一直直行。如果前方遇到障礙物，則小車做右轉(zhuǎn)運動。直至前方?jīng)]有障礙物，這時小車恢復(fù)直走,如圖3-15所示。</p><p><b>　　3.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章是本論文的核心部分，詳細介紹了智能車的軟件和硬件的設(shè)計，硬件設(shè)計包括了主控模塊設(shè)計、電機驅(qū)動模塊設(shè)計、光

91、電對管檢測電路設(shè)計、電源模塊設(shè)計和紅外避障模塊設(shè)計；軟件設(shè)計包括了尋跡模塊流程圖和避障模塊流程圖。通過這些設(shè)計，這輛智能小車的設(shè)計基本完成，如圖3-16所示。</p><p>　　圖3-16 小車實物圖 4系統(tǒng)功能測試</p><p>　　4.1測試儀器及設(shè)備</p><p>　　本設(shè)計所用到的儀器設(shè)備如表4

92、-1。</p><p>　　表4-1 測試儀器設(shè)備清單</p><p><b>　　4.2功能測試</b></p><p>　　通過測試，智能小車能按任意設(shè)定路線行駛，能實現(xiàn)以下功能：</p><p>　?。?）沿著直線軌跡行駛。</p><p>　?。?）沿著S型設(shè)定軌跡行駛。</p&g

93、t;<p>　?。?）沿著任何設(shè)置的軌跡行駛。</p><p><b>　　4.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要講述了小車設(shè)計中用到的儀器，并對小車的功能測試結(jié)果進行了總結(jié)。 5總結(jié)與展望</p><p><b>　　5.1總結(jié)</b>

94、;</p><p>　　本文對智能車的尋跡、避障等功能進行了研究，設(shè)計實現(xiàn)了一個多功能的智能小車，給出了各功能模塊的具體設(shè)計，采用了具有豐富資源的ATMEGA 16L單片機和光電尋跡傳感器、紅外避障傳感器等，實現(xiàn)了相應(yīng)信號的檢測和小車的控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定、具有較高的控制精度、抗干擾能力強，并在完成設(shè)計要求的前提下，充分考慮到了外觀、成本等問題，在性能和價格之間作了較好的平衡。由于設(shè)計要求并不復(fù)雜，所以在電路

95、中沒有增加冗余的電路，但保留了各種硬件接口和軟件接口，方便以后擴展和開發(fā)。</p><p><b>　　5.2展望</b></p><p>　　對智能小車的研究，加裝GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)），或者在小車上加裝太陽能電板，智能小車將會具有更廣泛的應(yīng)用前景和使用價值，也會帶來更大的商機，這也是我以后的研究方向。

96、 參考文獻</p><p>　　[1]徐國華，譚民．移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢[J]．機器人技術(shù)與應(yīng)用，2001(3)：7～14．</p><p>　　[2]王建農(nóng)，吳捷.自主移動機器人的導(dǎo)航研究[R].機器人,1997.19（6）：468～473</p><p>　　[3]Dickmanns，E．D，A．Zapp．Auto high speed road ve

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104、macros.h></p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　　void Delay(int a) ;</p><p>　　void bz();</p><p><b>　　cha

105、r dat;</b></p><p>　　void main()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　int dat; </b></p><p>　　TCCR1A=0xa2;//9位 快速 無分頻 14.4K</p><p>　

106、　TCCR1B=0x09;</p><p>　　OCR1A=250;</p><p>　　OCR1B=250; </p><p>　　DDRB = 0xff;/* output */</p><p>　　PORTB = 0x55;/* all off */</p><p>　　DDRD = 0xFF;</p&g

107、t;<p>　　PORTD = 0Xff;</p><p><b>　　DDRA = 0;</b></p><p><b>　　while (1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　bz(); </p>

108、<p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　void bz()</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　dat = PINA;</p><p

109、>　　dat&= 0x01;</p><p>　　switch(dat)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　case 0x01:</p><p>　　OCR1A=250;</p><p>　　OCR1B=250;</p><p>　　

110、PORTB = 0x55;</p><p><b>　　break; </b></p><p>　　case 0x00:</p><p>　　PORTB = 0;</p><p>　　Delay(10);</p><p>　　OCR1A=400;</p><p>　　OC

111、R1B=400;</p><p>　　PORTB = 0X5F;</p><p>　　Delay(200);</p><p><b>　　break;</b></p><p>　　default : break; </p><p><b>　　}</b></p&

112、gt;<p><b>　　}</b></p><p>　　void Delay(int a)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　int i,j;</b></p><p>　　for (i = 1; i < a; i++)&l

113、t;/p><p>　　for (j = 1; j<200; j++)</p><p><b>　　}</b></p><p>　　附錄程序2 尋跡模塊程序</p><p>　　#include <iom16v.h>#include <macros.h>#define uchar unsign

114、ed char#define uint unsigned intvoid _delay_ms(int a);void main(){ int dat; DDRB = 0xff; PORTB = 0x55; DDRD = 0xFF; PORTD = 0Xff;TCCR1A=0xa2; TCCR1B=0x09; OCR1A=250; OCR1B=250;

115、 DDRA = 0;while(1){ dat=PINA ; dat&=0x07;switch(dat){ case 0x05: PORTB=0x55; OCR1B=300; OCR1A=300; break; case 0x06: