智能小车设计总结报告.doc

1、摘要 本小车以STC89C52低功耗、高性能单片机为检测和控制核心，通过写入的驱动、循迹、避障等程序再连接外围电路来实现小车的启停、智能避障、智能循迹功能。充分运用了C52单片机的功能。论文介绍了智能小车的机械结构和硬件电路的实现方法。在机械结构上采用的是四轮四驱动，为小车的启动和运转提供强劲的动力，四轮式小车的应用范围广，稳定性更优越，底盘空间大，便于安装传感器、驱动电路，循迹电路，使小车外观搭配更为合理美观。硬件电路由L298n控制驱动电机正反转的速度切换，红外对管发射和接受红外线控制小车循迹，超声波控制小车避障和测距。更有RT12864液晶屏显示小车的测距数据，界面清晰流畅。关键词：ST

2、C89C52单片机、传感器、智能化、L298n驱动、ST168红外对管AbstractThis car to STC89C52 low-power, high-performance single-chip for the detection and control of the core, and written to the drive, tracking, obstacle avoidance and other procedures to be connected to the external circuit to implement the start and stop of th

3、e car, intelligent obstacle avoidance, intelligent tracking function. Make full use of the function of the C52 MCU. This article introduces the mechanical structure of the smart car and the hardware circuit. Used in the mechanical structure of four-wheel drive, provide a strong impetus for the start

4、up and operation of the car, four-car wide range of applications, superior stability, chassis space, easy to install sensor drive circuit, tracking circuit to make the car look with a more reasonable appearance. Control the speed of drive motor reversing switch hardware circuit by L298n infrared tra

5、nsmitting and receiving infrared control of the car tracking on the tube, ultrasonic control car obstacle avoidance and ranging. More RT12864 LCD displays ranging data of the car, the interface is clear and smooth.Keywords: STC89C52, microcontroller, sensors, intelligent, four Wheel drive，infrared o

6、n the tube.目录摘要2目录3正文41系统设计41.1设计思路41.1.1 机械部分设计：41.1.2 电路部分设计：41.2总体方案论证与选择42单元模块方案论证62.1模块功能说明及方案论证选择62.1.1小车底盘选择方案62.1.2供电方案论证与选择62.1.3智能避障方案论证及选择62.1.4电机驱动模块方案论证及选择62.1.5循迹方案论证及选择72.2循迹、避障工作原理72.2.1循迹模块72.2.2避障模块83单元电路设计83.1电机驱动设计83.2超声波避障设计93.3自动循迹设计94系统调试104.1测试工具：104.2测试过程104.2.1 电机驱动模块。114.2

7、.2 超声波壁障模块。114.2.3 循迹模块。115结论116参考文献11正文1系统设计1.1设计思路1.1.1 机械部分设计： 包括智能小车的底盘、驱动模块和循迹模块电路板、传感器等的安装设计，这些设计是非常严格的，它们都得根据元件的需要来设计。1.1.2 电路部分设计： 根据需求设计相应的电路原理图，调试电路板，在检查完硬件连接和完成电路的综合调试后，进入软件设计部分。1.1.3 软件部分设计： 根据需求设计相应的程序流程图，在此基础上编写出程序，并下载到控制小车的芯片中用以控制小车。这个部分的设计也包括三个方面的设计即：电机驱动部分的程序、传感器读入部分和循迹的实现。1.2总体方案论证

8、与选择 方案一：基于AT89C52单片机，配以其他常用模块电路完成智能小车设计。此方案主要包括以下几个模块：避障模块、黑线检测模块、电机驱动模块、及显示模块。方案总体框图，如图1所示。此方案使用常用单片机AT89C52作为主控芯片，AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，32个双向I/O口； 256x8bit内部RAM；3个16位可编程定时

9、/计数器中断；时钟频率0-24MHz；2个串行中断，可编程UART串行通道；2个外部中断源，共8个中断源； 2个读写中断口线，3级加密位； 低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能。循迹模块避障模块AT89C52电机驱动模块图1方案二：ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。配以其他常用模块电路完成智能小车设计。此方案主要包括以下几个模块：避障模块、黑线检测模块、电机驱动模块、及显示模块。方案总体框图，如图2所示。此方案使用ATmega16单片机作为主控芯片，16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM

10、，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。避障模块ATmega16电机驱动模块循迹模块 图2鉴于对51单片机知识领域的掌握，选择方案一更好，控制方便，编程简单，且功能易于实现。小车组装实体图图32单元模块方案论证2.1模块功能说明及

11、方案论证选择2.1.1小车底盘选择方案 方案一：自己到电子市场买到组件，进行组装，价格比较便宜但实用性较差，可能不能满足制作小车的需要。 方案二：网购成品底盘符合小车制作的需要，且易于其他电路模块的安装，外形更为美观，但价格一般。 方案三：采用RP5履带车底盘，其比较专业，驱动能力强，扭矩大，造型美观，扩展性强，但价格昂贵。 比较三种方案，方案二可以满足要求，费用能够接受。2.1.2供电方案论证与选择 方案一：采用两个电源供电，将电动机驱动电源与单片机以及其周边电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。这样可以使电动机驱动所早造成的干扰彻底消除，提高了系统稳定性，但是多一组电池，增加了小车的质

12、量，同时也增加了小车的惯性，消弱因为电动机的控制性能，降低了灵敏度。 方案二：采用单一电源供电。电源直接给单片机供电，通过单片机的IO口连接到电动机上，这样输出的电压稳定，不会给电路造成损坏。同时也减轻了小车的重量，使小车在启动和停止时的反应时间更短，减小了惯性的影响。其供电也比方案一简单。 我们在选用的时候，考虑小车的运作稳定情况采用了第二周种方案，并且选用的是5号充电电池作为供电电源。2.1.3智能避障方案论证及选择 方案一：红外反射式传感器优点是检测周期短，能够较实时的对小车进行控制；缺点是前瞻距离小，处理电路复杂，检测精度低，功耗大。 方案二：超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换

13、能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。 比较两种方案，选择后者更为经济可靠2.1.4电机驱动模块方案论证及选择 方案一:采用大功率三极管，二极管，电阻，电容等元件。采用上述元件搭建两个H桥，通过对各路信号放大来驱动电机，原理简单。但由于放大短路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，很难精确控制。 方案二：采用L298n芯片控制的驱动芯片L298N芯片是较常用的电机驱动芯片，其输入端可以与单片机直接相联,从而很方便地受单片机控制。输入电压范围6-9V,可以直接驱动两路3-12V直流电机，具有体积小,控制

14、方便，功能实现简单等特点，且很容易买到。 综合分析：方案一虽然原理简单，但是实际操作性不大，运行不稳定。方案二则具有电路简单，控制方便，效率高等多处优点，符合本系统要求，因此选用L298N驱动芯片作为电机驱动模块。2.1.5循迹方案论证及选择 方案一：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱，因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。方案二：采用反射式红外发射-接收ST168采用反射式红外发射

15、-接收器ST168，直接用直流电压对发射管进行供电。其优点是可以实现实时控制，而且灵敏度可调，受外界干扰较小。方案三：采用脉冲调制的红外发射-接收器在方案二的基础上采用脉冲调制发射。由于环境光干扰主要是直流分量，因此如果采用带有特定交流分量的调制信号，则可在接收端采用相应的手段来大幅减少外界干扰。缺点是实现复杂、成本高。 综合分析：由于传感器可以在车体的下部，发射、接收距离地面都很近，外界光对其干扰都很小。因此在基本不影响效果的前提下，为了方便起见，选用反射式红外发射-接收器ST168作为循迹检测模块的传感器。2.2循迹、避障工作原理2.2.1循迹模块 当检测到黑线时，红外接收管接受到反射回来

16、红外光，其输出立即发生高低电平转换，该信号经放大器放大后送到单片机进行分析处理。然后将处理后的结果发送到电机驱动模块，进行校正。为了保证小车眼黑线行驶，采用了两个检测器进行并行排列，左右方向都可以进行控制，控制精度得以提高。在小车行进过程中，若向左方向偏离黑线，则右侧的探头就会检测到黑线，把信号传送到单片机，进行处理校正。控制其向右转，反之，向左转。图4：红外对管图5：循迹电路2.2.2避障模块 系统中采用的传感器是HC-SR04,.HC-SR04采用声波反射原理，在测量过程中声波信号由传感器发出，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器受到反射

17、波就立即停止计时。因此可以采用时间差测距法，根据计时器记录的时间就可以计算出反射电距障碍物的距离L.(1) 系统中在小车左、右两侧分别放置一对超声波传感器，可以分别测量出小车距离两侧障碍物的距离，根据这两个距离的远近决定小车的转向。(2) 超声波在空气中的传播速度是340/m每秒（15时），X2是声波返回的时刻，X2是声波发生的时刻X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1=0.05s，则有340*0.05=17m，由于在这0.05m的时间里超声波遇到障碍物反射回来：L=340(m)*(X2-X1)(s)/2图6：算法演示3单元电路设计3.1电机驱动设计 电机驱动部分主要采用一片L2

18、98N和主控芯片AT89C52单片机相连接构成驱动电路。L298N芯片直插式的15个引脚，其中两个使能端ENA和ENB,两个反馈端SA和SB，四个输入端IN1、IN2、IN3和IN4一个接地端GND，一个VSS（5V时性能最好）逻辑电源电压输入端和一个VS功率电源电压输入端。L298N可同时驱动两个电机，最大输出电流为2A，鉴于它的良好性能和价格，选取L298N作为电机驱动芯片，L298N芯片如下图，L298N的四个输出端直接与两个电机相连驱动电机。图7：L298N实物图片图8：L298N驱动电路3.2超声波避障设计 小车避障模块设计采用的是HC-SR04无线接收,控制口发一个10us以上的高

19、电平，就可以在接收口等待高电平输出。一有输出就可以开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值。此时就为此次测距的时间，方可算出距离，进而决定小车转弯的方向。3.3自动循迹设计 循迹电路采用的是ST188红外对管，在小车行进的过程中由51机控制发射管发射信号，再将接收回来的信号送入单片机进行分析处理，使小车沿着反射信号的方向前进图9：循迹控制流程4系统调试4.1测试工具：仪器名称用途电脑调试及下载程序数字万用表测量各种电路工作情况直流稳压电源提供系统工作电压4.2测试过程4.2.1 电机驱动模块 在这个模块上我们选用的电机驱动芯片是L298N,小车的驱动装置为四驱动，刚开始编写的驱动程序

20、只能驱动两个电机，四个电机不能同时驱动，我们初步考虑到的原因是电源供电不足，但是在用直流稳压电源增加了电源供电数值后仍然不能同时驱动四个电机。这就说明是软件的部分的问题了，通过网上查阅资料和同学之间的探讨整合出了正确的电机驱动程序，至此便完成了驱动模块的调试。4.2.2 超声波壁障模块 通过单片机内部程序控制计算出发射超声波和接受超声波的时间差t，并判断障碍物的大致方向，再由距离公式S=V*（t/2）来确定小车与障碍物的距离，最后决定小车转弯的时间和方向从而使小车避开障碍物。网上的壁障程序各有千秋，不尽相同，第一个载入单片机的壁障程序失败了，小车没能成功避开障碍物，原因是在小车探测到障碍物后转

21、弯的角度不够，确定硬件部分没有问题后我们改变了小车壁障的转弯角度，再次调试成功了。4.2.3 循迹模块 完成小车循迹的主要器件是两个红外对管，发射管发射出信号后，接收管再将接收到的信号送入单片机进行处理，判断小车的行进方向就实现了循迹功能。循迹前几次循迹失败了，程序是参考了网上的资料的，认为是没有问题的，但是小车在黑线上不能控制行进方向，组员都一致想到的是硬件故障了，果然硬件的焊接有些错误，在改正了之后，对先前的循迹程序做了些修改，给小车上电后终于达到了理想的效果。5结论 按照要求，小车已经基本完成了题目要求的任务。初次尝试设计制作智能电子产品，缺少经验和一定的理论知识，但这也锻炼了我们查阅资

22、料的能力，通过组员的合作摸索出了制作小车各个模块的方法。借组这个机会也系统的学习了51单片机的工作原理及其使用方法，这次课题设计不仅是对我们所学课本知识的一个考察，更是对我们的自学能力和收集资料能力以及动手能力的考验。在设计中我认识了几种传感器，加大了对电子产品设计的兴趣。通过这次智能小车的设计我们分析问题的能力和解决问题的能力得到了进一步的提升。小车的设计制作工作量饱满，体现了团队合作精神。在这次设计中也有很多的不足之处，我们缺少实际经验，更多的是依靠网络资源来解决问题，特别是各模块的程序编写，在软件设计方面花费了很多的时间。小车设计的硬件部分完成相对顺利些，在软件领域显得不足，今后会更多的学习软件。设计过程中单片机知识颇有设计，我们还应加强理论知识的学习。本次设计涉及到了一系列光机电一体化的技术。其中机械结构是小车能否稳定运行的基础，硬件电路决定了小车实现的功能，软件部分是控制的灵魂，而同伴们锲而不舍的精神则是整个设计的支柱！最后也要感谢老师的教诲。6参考文献【1】 郭志勇等.单片机应用技术项目教程（第一版），北京：中国水利水电出版社，2011年。【2】 康华光.电子技术基础（模拟部分）【M】.北京：高等教育出版社，2003年。