基于单片机智能小车毕业设计文档格式.docx
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参考文献31
附录1原理图32
附录2源程序33
附录3实物图43
致谢.....................................................................................................................................44
作品（软件）使用说明书..45
第1章绪论
1.1智能小车的意义和作用
智能的出现，为我们的生活和生产带来了很大的便利，同时也是以后的发展方向，智能就是可以在一个特定的环境中按照我们前面设定好的模式去自动的运作，它并不需要我们去人为的管理，就可以达到我们前面设定的目标，它的应用领域很广，如可以应用于工业控制、科学勘探、智能家居等领域。
而智能小车就是智能的一个简单的应用，智能小车就是智能化玩具中的一种，由于这类智能玩具具有较好的交互性，可控性，能够按照人们设定的模式去自动运作也深受人们的喜欢。
另外，智能小车还可以应用于危险搜索、机器人等许多方面，尤其在机器人方面具有很好的发展前景。
因此，智能化小车的研究不仅具有很大的现实意义，还具有极为广阔的应用前景和市场价值。
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[1]。
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[2]。
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。
第2章方案设计与论证
2.1主控系统
由于单片机具有价格低廉，资源丰富、有较为强大的控制功能，故本次设计采用STC89C52单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车以实现其既定的性能指标。
STC89C52是一个超低功耗的增强型51单片机，和标准51系列单片机相比较它的运算速度更快，有超强的抗干扰能力，同时还支持ISP在线编程，片上集成了512字节的随机存取数据存储器（RAM），并且片含8k字节空间的可以反复擦写1000次的Flash只读存储器，32个I/O口，以及3个16位可编程定时计数器。
其指令系统和传统的8051系列单片机指令系统完全兼容，降低了系统软件设计的难度，电路设计简单、价格低廉，在后来的实验中我们发现，STC89C52精确度和运算速度也都完全符合我们系统的要求。
2.2电源模块
由于本系统需要给整个智能小车系统供电，考虑了以下几种方案:
方案一：
采用4节1.2V可充电电池组。
在电充满时4节电池电压可以达到5v且可充电电池组具有较强的电流驱动能力及稳定的电压输出性能，但是直流电机工作时会对LCD1602显示造成干扰，使其显示不稳定。
故放弃此方案。
方案二：
使用双电源供电，将9v可充电方块电池电压降压、稳压到5V后给单片机系统和LCD1602及其它芯片供电。
另外采用4节1.2V可充电电池组为直流电机供电，经测试在用此种供电方式下，单片机和传感器工作稳定，直流电机工作良好，LCD显示也很稳定，小车也能长时间工作。
综上考虑，我们选择了方案二来完成智能小车整个系统的供电。
2.3电机驱动模块
2.3.1电机模块选择与论证
使用步进电机作为智能小车系统的驱动电机，因为步进电机的转动角度可以精确的定位，这样就可以比较精确的定位小车的前进距离和位置。
但是由于步进电机的输出力矩偏低，并且会随着电机转速的升高而下降，在达到较高的转速时其输出的力矩会急剧下降，因此不适于小车等对速度有着一定要求的系统。
经过综合分析比较决定放弃此方案。
使用直流减速电机作为智能小车系统的驱动电机。
直流减速电机的转动力矩比较大，而且体积较小，重量也很轻，使用方便。
另外小车电机部还装有减速齿轮组，所以并不需要去考虑调速的功能，可以很方便的通过单片机来控制直流减速电机的正传、反转、停止操作。
综合以上考虑选择方案二的直流减速电机作为整个智能小车的驱动电机。
2.3.2电机驱动模块选择与论证
采用继电器对电动机进行控制,通过切换电动机的开关来调整小车的速度。
这个方案的优点是电路相对比较简单,但是它的缺点也比较多，如：
继电器的响应时间偏慢,寿命较短,容易损坏,可靠性也不是很高。
故决定放弃此方案。
方案二：
采用专用的电机驱动芯片L298N来控制直流减速电机，L298N芯片（如图2-3）是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，一片L298N芯片可以分别的控制两个直流减速电机，在6~46V的电压下，可以提供2A的额定电流，并且具有过热自动关断和电流反馈检测功能，安全可靠。
该芯片是利用TTL电平进行控制的。
通过单片机的IO口输出高低电平来改变芯片控制端的输入电平，即可以实现对电机进行正转、反转和停止操作。
另外为了保证L298N的正常工作，我还安装了8个续流二极管1N4007。
用该芯片作为电机驱动，驱动能力大、操作方便、稳定性好、性能优良。
综合以上分析与论证我们选择方案二的驱动芯片L298N作为整个智能小车系统的电机驱动电路。
图2-3L298N
2.4循迹模块
用光敏电阻来探测。
光敏电阻的阻值会随着周围环境光线的变化而变化[6]。
因此当光敏电阻在黑色轨迹的上方和白色轨迹的上方时，阻值会发生较为明显的变化。
将阻值的变化值输入到电压比较器就可以输出高低电平。
单片机就可以根据反馈来的不同的电平信号，发出相应的控制操作命令来控制小车的左转，右转，前进或者停止。
但实际效果并不理想，误测几率偏大、容易受外界的光线环境的影响，不能够稳定的工作。
因此考虑其它更加稳定的方案。
采用红外反射式光电管完成系统循迹[3]。
TCRT5000（如图2-4）是一种一体化反射型光电探测器，传感器采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。
它是利用了光的反射原理，当光线照射在白纸上，反射量会比较大，反之，当光照射在黑色物体上，反射回去的量比较少，因为黑色会吸收光，这样就可以判断黑胶带带轨道的走向。
采用红外线发射，外面可见光对接收信号的影响较小，利用红外对管对黑线边界进行检测，再用LM393对检测信号进行比较，取反，送单片机进行处理。
此光电对管电路简单，工作性能稳定。
经测试方案二不论是在黑暗或者是强光照射下，智能小车系统均可以很稳定的工作，对外界环境的适应能力比较强。
因此我们选择方案二。
图2-4TCRT5000
2.5测速模块
采用霍尔传感器检测轮子上的小磁铁从而给单片机中断脉冲，通过单位时间对脉冲的计数通过公式就可以算出实时的车速，达到测量速度的作用。
霍尔元件具有体积小，动态特性好，频率响应宽度大，对外围电路要求简单，使用寿命长，安装方便，价格低廉等特点。
但是需要和磁钢配对使用比较麻烦。
采用光电码盘，即透射式光电传感器（凹槽型如图2-5）进行测速。
槽型光耦是由红外发光管和光敏三极管构成的，工作时红外发光管发出红外光线透过光耦的槽投射到光敏三极管上，光敏三极管导通，集电极输出低电平。
当红外光线被检测物遮断时，光敏三极管截止，集电极输出高电平。
遮挡一次槽型光耦输出一个脉冲，因此脉冲的个数就是被检测物的数量。
车轮转动时带动码盘转动，单片机部计时可测出给定的时间通过的脉冲数，从而测出小车的实时速度。
使用方便，抗干扰性较强。
通过比较方案一和方案二的优缺点，综合多方面因素决定选用方案二。
图2-5槽型光电传感器
2.6显示模块
采用LED数码管显示。
数码管使用简单，价格低廉，但一个数码管只能显示一个数字，要显示多位数据时要使用多个数码管，这就增加了硬件电路的复杂度和额外功耗，而且LED数码管也无法显示字符。
由于我们计划要显示小车运行的速度和路程，LED数码管没办法显示这么多的容，因此考虑其它的方案。
采用LCD1602液晶（如图2-6）显示。
LCD1602液晶具有功耗低，显示容丰富清晰，显示信息量大，显示速度较快，界面友好，使用简单等特点而得到了广泛的应用。
并且外围电路也比较简单，因此我们选择此方案。
通过以上方案论述我们选择方案二，显示小车运行速度和路程的任务。
图2-6LCD1602液晶显示器
2.7壁障模块
用漫反射式光电开关进行避障。
光电开关的工作原理是根据光线发射头发出的光束，被物体反射，其接收电路据此做出判断反应，物体对红外光由同步回路选通而检测物体的有无。
当有光线反射回来时，输出低电平。
当没有光线反射回来时，输出高电平。
操作简单但是测量的距离不远。
用超声波传感器进行测距避障。
超声波传感器的原理是：
超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，然后再被超声波传感器接收[8]。
超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。
为了使用方便，便于操作和调试，采用集成超声波测距模块HC-SR04（如图2-7）。
综合考虑本系统只需要检测障碍物，没有十分复杂的环境。
为了使用的方便，便于操作和调试，最终选择了方案二。
图2-7HC-SR04超声波测距模块
第3章硬件设计
3.1总体设计
智能小车采用前轮驱动，前轮左右两边各用一个电机驱动，通过电机驱动芯片L298N来控制前面两个轮子的转动与停止从而达到控制转向的目的，后轮是万向轮，起支撑转向作用。
将4个红外光电传感器装在车体底盘的前端，小车根据传感器检测的情况来循迹前进。
小车速度的检测通过槽型光电传感器，将码盘装在电机的轴上，码盘跟随电机一起转动，将检测到的数据传回单片机进行处理。
小车的避障用超声波避障模块HC-SR04，将其置于车头，检测到障碍物时，小车做出相应的反应。
总体设计框图如图3-1。
图3-1总体设计框图
3.2驱动电路
电机驱动芯片采用L298N，是一款承受高压大电流的全桥型直流/步进电压驱动器，如下图3-2。
图3-2电机控制芯片L298N的引脚排列
其中L298N各引脚的编号与功能和部逻辑如下表3-1和图3-3。
表3-1L298N引脚编号与功能
引脚编号
名称
功能
1
电流传感器A
在该引脚和地之间接小阻值电阻可用来检测电流
2
输出引脚1
置驱动器A的输出端1，接至电机A
3
输出引脚2
置驱动器A的输出端2，接至电机A
4
电机电源端
电机供电输入端,电压可达46V
5
输入引
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