完整版基于单片机智能循迹小车毕业设计.docx

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完整版基于单片机智能循迹小车毕业设计

沈阳理工大学

课程名称：

基于单片机智能循迹小车

姓名:

魏玉柱

指导教师：

程磊催宁海

摘要

本文论述了基于单片机的智能循迹小车的控制过程。

智能循迹是基于自动引导机器人系统，用以实现小车自动识别路线，以及选择正确的路线。

智能循迹小车是一个运用传感器、单片机、电机驱动及自动控制等技术来实现按照预先设定的模式下，不受人为管理时能够自动实现循迹导航的高新科技。

该技术已经应用于无人驾驶机动车，无人工厂，仓库，服务机器人等多种领域。

本设计采用STC89C5单片机作为小车的控制核心；采用TCRT500C红外反射式开关传感器作为小车的循迹模块来识别白色路面中央的黑色引导线，采集信号并将信号转换为能被单片机识别的数字信号；采用驱动芯片L298N构成双H桥控制直流电机，其中软件系统采用C程序，本设计的电路结构简单，容易实现，可靠性高。

关键词：

STC89C52智能循迹小车TCRT5000专感器电机驱动

1引言4

2需求分析4

2.1智能循迹小车概述4

2.2循迹小车的发展历程回顾5

2.3智能循迹小车的应用5

2.4智能循迹小车研究中的关键技术8

3系统设计9

4详细设计8

4.1硬件设计8

4.1.1电路原理图9

4.1.2器件选择10

4.121智能循迹小车的主控芯片的选择10

4.1.2.2智能循迹小车电源模块的选择10

4.1.2.3智能循迹小车电机驱动电路的选择11

4.1.2.4智能小车循迹模块的选择11

4.1.3模块设计12

4.1.3.1电机驱动模块电路12

4.1.3.2光电传感器模块12

4.2软件设计14

4.2.1程序流程图14

4.2.2实现主要代码14

5实验结果16

5.1设计实现16

5.2出现的问题和解决的方法17

5.3电路实物图展示：

19

6结束语18

7.参考文献19

1引言

随着控制技术及计算机技术的发展，寻迹小车系统将在未来工业生产和日常生活中扮演重要的角色。

本文所述小车寻迹系统采用红外反射式光电管识别路径上的黑线，并以最短的时间完成寻迹。

采用一定的算法使得小车在直道上加速行驶，在弯道又可以减速转弯。

为了使小车快速、平稳地行驶，系统必须把路径识别、相应的转向电机控制以及直流驱动电机控制准确地结合在一起。

自动寻轨小车的工作原理是以单片机为控制核心的一阶闭环控制系统。

在实验室条件下，在一张白纸上用黑色胶纸制出机器车预先设定的运行轨迹。

由于本次采用的前端传感器具有识别黑、白颜色的能力。

因此，由前端光电传感器，单片机和驱动单元共同作用，保证小车能够在预先设定的轨迹上行驶。

2需求分析

2.1智能循迹小车概述

智能循迹小车又被称为AutomatedGuidedVehic，简称AGV,是二十世纪五十年代研发出来的新型智能搬运机器人。

智能循迹小车是指装备如电磁，光学或其他自动导引装置，可以沿设定的引导路径行驶，安全的运输车。

工业应用中采用充电蓄电池为主要的动力来源，可通过电脑程序来控制其选择运动轨迹以及其它动作，也可把电磁轨道黏贴在地板上来确定其行进路线，无人搬运车通过电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作，无需驾驶员操作，将货物或物料自动从起始点运送到目的地。

AGV的另一个特点是高度自动化和高智能化，可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等改变而灵活改变行驶路径，而且改变运行路径的费用与传统的输送带和传送线相比非常低廉。

AGV小车一般配有装卸机构，可与其它物流设备自动接口，实现货物装卸与搬运的全自动化过程。

此外，AGV小车依靠蓄电池提供动力，还有清洁生产、运行过程中无噪音、无污染的特点，可用在工作环境清洁的地方。

2.2循迹小车的发展历程回顾

随着社会的不断发展，科学技术水平的不断提高，人们希望创造出一种来代替人来做一些非常危险，或者要求精度很高等其他事情的工具，于是就诞生了机器人这门学科。

世界上诞生第一台机器人诞生于1959年，至今已有50多年的历史，机器人技术也取得了飞速的发展和进步，现已发展成一门包含：

机械、电子、计算机、自动控制、信号处理，传感器等多学科为一体的性尖端技术。

循迹小车共历了三代技术创新变革：

第一代循迹小车是可编程的示教再现型，不装载任何传感器，只是采用简单的开关控制，通过编程来设置循迹小车的路径与运动参数，在工作过程中，不能根据环境的变化而改变自身的运动轨迹。

支持离线编程的第二代循迹小车具有一定感知和适应环境的能力，这类循迹小车装有简单的传感器，可以感觉到自身的的运动位置，速度等其他物理量，电路是一个闭环反馈的控制系统，能适应一定的外部环境变化。

第三代循迹小车是智能的，目前在研究和发展阶段，以多种外部传感器构成感官系统，通过采集外部的环境信息，精确地描述外部环境的变化。

智能循迹小车，能独立完成任务，有其自身的知识基础，多信息处理系统，在结构化或半结构化的工作环境中，根据环境变化作出决策，有一定的适应能力，自我学习能力和自我组织的能力。

为了让循迹小车能独立工作，一方面应具有较高的智慧和更广泛的应用，研究各种新机传感器，另一方面，也掌握多个多类传感器信息融合的技术，这样循迹小车可以更准确，更全面的获得所处环境的信息[1]。

2.3智能循迹小车的应用

智能循迹小车发展历史及主要应用场所如下：

（1）仓储业

1954年，来自美国南卡罗来纳州的MercuryMotorFreight公司成为第一批把AGV小车的应用到仓库的使用者，来实现出入库货物的自动处理。

至今世界上有超过2100个厂家把大约2万台大型或小型的AGV小车应用到自己的仓库中。

中国的海尔集团在2000年把9台AGV小车投产到了自己的仓库区，形成一个灵活的AGV自动数据库处理系统，轻松地完成了每天至少33500的储存和装卸货物的任务。

（2）制造业

在制造业的的生产线中AGV小车大显身手，快速，精确，灵活的完成材料的运送任务。

由多台AGV小车组成的物流运输处理系统，较人工搬运系统来说更灵活，运输路线可以根据生产过程及时调整，使一条生产线，生产十几个产品，大大提高了生产的灵活性，企业的竞争力。

在1974年瑞典的沃尔沃卡尔马的汽车组装厂，提高了运输系统的灵活性，使用以AGV小车为载运工具的装配线，采用该装配线后，减少了20%装配时间、减少了39%组装错误，减少了57%投资资金回收时间以及减少了5%的员工费用。

目前，在世界主要的汽车生产厂家，如通用、丰田、克莱斯勒、大众AGV小车已被广泛应用。

近年来，作为CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem，s直译为基于计算机的现代集成制造系统）的基础搬运工具，AGV已经深入到机械加工，家电制造，微电子制造，烟草等行业，生产业和加工业已成为AGV小车使用最广泛的领域。

（3）邮局、图书馆、港口码头和机场在邮局，图书馆，码头和机场候机楼等人口密集的公众场所，存在着

大量的物品的运送工作，充满不定性和动态性强的特点，搬运过程往往也很单一。

AGV有着可并行工作、自动化、智能化和处理灵活的特点，可以很好的满足这些场合的运输要求。

1983年瑞典的大斯得哥尔摩邮局，1988年日本东京的多摩邮局，1990年中国上海的邮政相继开始使用AGV小车来完成邮品的搬运工作。

在荷兰的鹿特丹港口，50辆被称为“院子里的拖拉机”的AGV小车每天都在把集装箱从船边运送到几百米以外的仓库中。

（4）烟草、医药、化工、食品

对于处理一些需要在清洁、安全、无排放污染等其他特殊环境要求的产品生产如烟草、制药、食品、化工等产品时应考虑AGV小车的应用。

在全国许多卷烟企业，如青岛颐中集团、玉溪红塔集团、红河卷烟厂、淮阴卷烟厂，应用激光引导式AGV完成托盘货物的搬运工作。

（5）危险场所和特种行业

在军事方面，以AGV小车为基础有着自动驾驶和检测功能的设备，可用于战场侦察和扫雷，英国军方正在开发MINDER侦察系统，这是一种具有地雷探测、销毁和路线验证能力自动型侦察车。

在钢铁厂，AGV小车

负责炉料运输，大大降低了工人们的劳动强度。

在核电厂的核储存地点使用AGV小车，以避免辐射的危险。

AGV小车可在黑暗环境中，准确、可靠

的运输物料[3]。

2.4智能循迹小车研究中的关键技术

现在全世界越来越多的国家都在做着研究智能化、多样化的自动汽车导航的工作。

自动汽车导航是一个非常复杂的系统，它不仅应具有正常的运动功能的成分，而且还应具有任务分析，路径规划，信息感知，自主决策等类似人类的智能行为。

人类可以利用自己的听觉、视觉、味觉、触觉等功能获取事物的信息，人类的大脑再根据已经掌握的知识对这些信息进行综合分析，从而全面了解认知事物。

这样一个认识事物、分析事物和处理信息的过程称之为信息融合过程。

多传感器信息融合的基本原理就是模仿人类大脑的这个过程，得到一个对复杂对象的一致性解释或结论。

多传感器信息融合是协调多个分布在不同地点，相同或不同种类的传感器所提供的局部不完整观测量信息加以综合，协调使用，消除可能存在的冗余和矛盾，并加以互补，以减少不确定性，得到对物体或环境的一致性描述的过程[4]。

多传感器信息融合具有许多性能上的优点：

（1）增加了系统的生存能

力；

（2）减少了信息的模糊性；（3）扩展了采集数据覆盖范围；（4）增加了可信度；（5）改善了探测性能；（6）提高了空间的分辨力；（7）改善了系统的可靠性（8）信息的低成本性[5]。

本文主要由五章组成，第1章为绪论，主要讲述循迹小车的发展历程及在目前所应用领域中的作用。

第2章为总体规划智能循迹小车系统的设计，包含主系统流程图。

第3章是系统的硬件设计，其中包含单片机电路的设计，光电传感器模块和电机驱动电路。

第4章为系统的软件设计，主要介绍的是软件实现过程的框图。

第5章是对硬件和软件的调试，最终保证了系统的正常运行。

3系统设计

本系统采用简单明了的设计方案。

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经，然后由STC89C52!

过IO口控制L298N驱动模块改变两个直流电机的工作状态，最后实现小车循迹。

系统设计方案方框图

4详细设计

4.1硬件设计

4.1.1电路原理图

此设计的整体方案是：

用AT89C51单片机做信号的采集和处理。

在AT89C51芯片的P0口连接信号的采集；经过单片机的处理，然后在P1口输出处理后的信号，送给驱动电路（驱动电动机的芯片）。

整体设计框图如图所示：

系统的总体架构图

最小系统用的元器件有：

电阻（100Q和&2kQ各一个）、晶振（12MHZ）、瓷片电容（30pF,两个）、电解电容（1OyF—个）。

单片机最小系统电路图如下：

单片机最小系统图

整体电路如图所示

整体转换电路图

4.1.2器件选择

4.1.2.1智能循迹小车的主控芯片的选择

方案一：

采用Atmel公司的AT89S52单片机作为智能小车的主控芯片，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS啦微控制器，工作电压为5V,32个I/O口，具有8K在系统可编程Flash存储器。

该芯片价格便宜，应用广泛，操作简单，硬件与软件设计相对简单。

大学生广泛用于单片机学习与创作。

资源足够用于智能小车的设计。

因此，本设计选择了此芯片。

方案二：

采用德州仪器公司生产的F系列单片机MSP430F161作为智能小车的主控芯片，MSP430F1611是一款超低功耗单片