基于单片机智能小车论文开题报告文档格式.docx

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作为现代自动控制领域内十分伟大的一项发明智能小车、机器人已经和人们的生产生活紧密的联系在了一起。

智能小车，是一个包含周围环境探测、识别反应、自动控制等功能于一体的综合系统，它综合地运用了微控制器、传感、遥控、机械结构、电子基础、自动控制等多学科的知识。

智能小车是一个复杂而又庞大的系统，其内部有许多块控制芯片作为其控制核心，多种传感器来采集外部环境信息并将接收到的信息传给主控制器，然后由控制器来控制其各个模块执行相应的动作。

智能小车由于成本较低，甚至还能够胜任一些人们都无法胜任的工作，它已逐步深入到工

业、农业以及社会生活的各个方面。

本课题设计的智能小车中用到的遥控技术、显示技术、单片机控制系统、传感技术、自动避障技术已广泛应用于工农业生产、国防军事、医疗卫生、宇宙探测等诸多领域，特别是其在军事侦察、反恐、防暴、防核化及污染等危险和恶劣环境中有着广阔的应用前景，由此可见其有着及其重要的研究意义。

3、国内外研究现状和发展趋势及综述

智能小车、机器人的发展研究从上世纪60年代至今已有几十年的历史，自从上世纪60年代末期，第一台能够自主移动机器人问世以后，经过几十年的发展智能机器人已经从最初的示教模仿机器人发展到现在的具有感知功能的智能机器人，在技术上取得了很大的进步许多国家都对智能机器人进行了大量的研究。

由于各国的科研实力不同，其水平也有高低，其中美国和日本在该项技术的研究处于领先地位。

法国提出了让智能机器人具有自动认知功能的一项科技计划，使其能够在复杂的环境中通过自主感知判断来自动执行各种动作。

美国发明的智能机器人，可以帮助人们送信件、食品等生活用品，还可以牵引吸尘器来打扫卫生。

日本目前已经研制成功的人形机器人，其可以模仿人们的各种面部表情而且非常逼真。

近年来发明的的手术机器人已经广泛的应用在实际医疗手术中而且稳定性好，安全性高。

我国的智能小车、机器人的研究已经有三十多年的历史，特别是在军事领域的应用方面已经取得了较大的成果，已经相继研制出了复杂的智能机器人，危险作业机器人、仿人机器人、复合结构移动机器人等。

国内的许多高校也都在不停的进行着这方面的研究而且也有了层出不穷的成果，例如中科院研制的能够和人对话的机器人、上海交大研制的具有较强越障能力的仿人关节结构的机器人等。

与此同时，我国也开展了智能移动机器人基础理论研究，在某些方面取得了世界领先的成果，正在逐渐缩小与发达国家的差距。

随着各方面技术的不断进步与完善，各个国家对于智能小车、机器人的科研能力都再逐步的加强，未来的智能机器人可能会朝着以下几个方面发展：

使用高强度的

轻质材料让机器人的结构越来越灵巧动作执行也更加灵活；

应用网络化技术来远距离操作控制机器人群体为人们工作；

通过复杂生物机电系统和人机耦合系统来研究出具有仿生感知、生物神经的仿人机器人。

相信未来会有具有更高智能化的、更加生动有趣的智能机器人出现在我们的周围，而且会极大的改变和方便人们的生产生活。

4、本课题的主要研究内容及拟采取的技术路线、试验方案

遥控键盘

编码芯片

编码调制

红外发射

b小车部分框图

4.1遥控控制模块设计与论证

目前比较常用的遥控控制方式有两种，红外遥控控制系统和无线遥控控制系统。

方案一：

选择红外遥控装置作为小车的遥控控制器。

红外遥控是通过遥控发射器内的编码芯片将按键信息调制成一串0和1的二进制代码，然后通过红外线发出，最后被红外接收装置接收进行解码，再运用单片机对解码后的码信息进行识别，然后再根据不同的码信息进行不同的控制操作[9]。

方案二：

选择无线电遥控装置作为小车的遥控控制器。

无线电遥控是利用不同频率的无线电波对远方的各种机构进行控制的遥控设备。

这些信号被远方的接收设备接收后，可以驱动其他各种相应的机械或者电子设备去完成各种操作。

红外遥控和无线遥控是对不同的载波来说的，红外遥控器是用红外线来传送控制信号的，它的特点是有方向性中间不能被阻挡，在室内使用时大概在7m的范围内有效；

无线遥控器是用无线电波来传送控制的信号的，它的特点是无方向性，可以不面对面控制，距离远，有效距离可达数十米甚至数公里。

以上两种方案均可作为本设计的遥控控制器，虽然无线遥控控制的距离更远也更加灵敏，但对于本设计来说使用红外遥控已经足够了，而且红外遥控的原理更加简单易懂，所以本设计采用方案一即红外遥控作为小车的遥控控制系统。

4.2电机驱动模块设计与论证

目前比较常用的小车驱动电机主要有两种选择：

选择直流电机作为小车的动力驱动。

直流电机是将直流电能转换为机械能的一种装置，因其转动力矩大、体积较小、重量很轻、使用方便，所以其在一些小型的电动装置中的应用较多。

直流电机的运行方式是这样的：

在它里面有圆形的磁体会产生磁场，当给它转子上的绕组通电时，通电线圈在磁场中便会产生洛伦兹力带着线圈即转子转动，当转子转动时通电线圈内的磁场方向将会改变，所以绕组上的电流也要变换流向，在方向一直不变的洛伦兹力控制下电机将向顺时针或逆时针持续转动。

由H型桥式电路直接驱动直流电机控制电机的正反转，通过软件编程使单片机输出不同占空比的PWM（脉宽调制信号）来控制直流电机的转速进而控制小车的行驶速度[6]。

选择步进电机作为小车的动力驱动。

步进电机是将输入端输入的电脉冲信号转变为转子的角位移的可以实现精确定位的电机。

电机转动的快慢取决于脉冲信号的频率、转动的圈数取决于脉冲的个数，在不超载的情况下其转动速度不受负载的影响，即给步进电机输入一个脉冲信号，电机的转子则转过一个角度，给其加上连接不断的脉冲波形则步进电机就能持续转动下去[5]。

相比直流电机，步进电机转过的角度是由脉冲信号控制的其可以实现小车的精确定位停车，步进电机调速也更加容易，只要输入不同频率的脉冲信号就能控制小车的行驶速度，而且它还有很好的止动能力。

所以在本设计中我们选用了步进电机作为小车的驱动电机。

4.3避障循迹模块设计与论证

目前主要有两种方案来实现小车的自动避障功能：

方案一：

采用红外反射式光电传感器、电压比较器及一些电阻构成的障碍物检测电路来检测小车前方的障碍。

障碍物检测电路安装在小车前部的中间及左右

两边，来检测小车前方的障碍物。

其障碍检测过程如下：

红外发光二极管发出红外光，如果遇到小车前面的障碍物，红外线就会被物体反射回来，被光敏三极管吸收此时光敏三极管导通，并在输出端输出低电平信号至单片机，然后单片机调用寻迹避障子程序控制小车做出相应的避障反应，当左边遇到障碍物时单片机会自动调用右转子程序控制其右转，当右边遇到障碍物时单片机会自动调用左转子程序控制其左转。

当无障碍物时，发出的红外线不被反射，光敏三极管截止，输出高电平信号，小车继续向前行驶[8]。

采用超声波原理来检测小车前方的障碍。

其检测障碍的原理如下：

先由超声波发射器向小车前方发射超声波，超声波在向前传播过程中，若遇到障碍物则会被反射回去，反射波被超声波回收装置接收后会产生一个电信号然后被转化为高低电平信号反馈给单片机，若为高电平则说明前方遇到障碍，然后由单片机调用避障子程来控制小车做出相应的躲避障碍的动作[7]。

在本设计我们采用了第一种方案实现小车的自动避障功能。

4.4数据显示模块设计与论证

根据题目的要求小车可以实时显示其运动的速度、距离等数据。

主要有两种方案来实现：

用共阳极数码管和可编程的键盘接口芯片组成数据显示电路，接口芯片直接与单片机的I/O口相连，由单片机精确控制实现LED动态显示。

方案二：

用LCD液晶显示屏直接与单片机相连组成数据显示电路。

LCD液晶显示屏是一种专门用来显示字符和数字的点阵型液晶模块，它是由若干个5X7或5X11点阵字符位组成的，一个字符占据一个点阵字符位，每位之间有一个点距的间隔将字符隔开，行与行之间也有间隔[8]。

由于本设计需要显示的数据较多，若用LED数码管来显示需多个数码管才能满足要求，这样电路设计过于复杂，相反只用一个LCD液晶显示屏即可显示要求数据，所以本设计我们采用方案二即LCD显示屏来显示实时数据。

4.5转速测量模块设计与论证

选择霍尔开关型传感器测量小车车轮转速。

具体做法是：

在非磁性材料制作的转子上,固定好一片钢性磁体,将霍尔开关型传感器的感知接收面和磁体的磁极相对,并在安装架上安装好（注意磁场方向不要弄错），轮子转动时

磁体会跟着转动,在磁体转到和传感器的接收面相对时,霍尔传感器便输出一个脉冲信号,由两个脉冲间的时间间隔,便可算出转速,然后再根据车轮半径编程便可算出小汽车运行的速度[10]。

选择直射式光电检测器测量小车车轮转速。

具体做法是:

在小车的驱动轮的主轴上安装一个开有十个透光槽的圆形叶片,保持叶片和驱动轮能够同步转动，然后在驱动轮旁安装好直射式光电检测器，叶片随着车轮的转动不断切割红外发射管与红外接受管之间的红外线通路，当叶片转动至透光槽与红外线通路重合时,检测器导通，红外接受管通过电流,当叶片转动至使透光槽遮住时，光通路断开。

随着车轮不断的转动,便会输出连续的脉冲序列，测出脉冲的个数便可知叶片转过的孔数,从而可计算出车轮转动的转角和转速，然后再根据车轮半径由软件编程便可算出小车运行的速度[11]。

以上两种方案都能够测出小车车轮的转速。

但是在本设计中，对于方案一来说，要想在很小的小车车轮上密集安装磁片比较困难，而且彼此之间也容易产生干扰。

因此本设计拟采用方案二测量小车的转速。

4.6电源模块设计与论证

电源是整个小车系统运行的基本条件，它的性能的好坏直接决定整个系统运行的稳定性和性能。

小车的供电电源包含两部分,单片机控制模块电源和电机驱动模块电源，我们将单片机及其外围电路和步进电机分开供电，两者互相不影响，实现稳定供电。

由于步进电机需较高的供电电压而单片机和其逻辑单元最大供电电压不能超过5V，因此需设计稳压电路。

采用8节1.5V干电池串联共12V直接给步进电机供电，然后经过由LM7805稳压芯片构成的稳压电路将电压降至5V后给电片机及其外围逻辑电路

供电。

但是本方案由于电池电量有限，而且数量较多的干电池重量较大会给驱动电机带来太大负担，也占用了太大的空间在体积较小的小车上使用太不方便，所以放弃了该方案。

采用12V蓄电池直接给步进电机供电，将电压降至5V后给单片机及其外围电路供电。

蓄电池具有较长的续航能力以及电压输出的值基本不怎么变化，但是因为蓄电池的体积和质量过大，并不适合本设计的使用，所以我们并没有使用蓄电池来供电。

方案三：

采用3节4.2V锂电池串联的方式共直接给步进电机供电，然后经过由稳压芯片构成的稳压电路将电压降至5V后给单片机及其外围逻辑电路供电。

本方案锂电池的电量较足并且可以充电重复利用，3节锂电池重量和占用的空间都较小，因此该方案比较可行，最终我们选择了该方案作为小车的驱动电源[14]。

5、研究基础

（1）学习巩固《模拟电子技术》和《数字电子技术》、《自动控制原理》、《传感器技术》、《现代控制理论》、《单片机原理及其应用》等书籍的基础知识。

（2）使用计算机，安装PROTUES仿真软件，编写程序对设计的系统进行仿真。

（3）在大学期间，系统的学习了电子、通信和计算机相关的专业知识。

对硬件电路有了一定的认识，能够明白工作原理及效果。

能够利用C语言在Keil软件编译环境下实现单片机的软件部分设计，运用所学的电子类相关知识完成单片机外围硬件电路的设计，同时还能够利用ISIS绘制出系统的原理图，并实现仿真。

6、预期达到的目标及进度安排

1、2015.10.11-2015.10.22，论文选题阶段；

2、2015.10.23-2015.11.15，按照设计任务书要求，查阅相关资料，阅读参考

文献阶段；

3、2015.11.16-2015.11.30，阅读参考文献，完成外文文献翻译阶段；

4、2015.12.01-2015.12.30，确定设计方案，完成开题报告阶段；

5、2016.01.01-2016.04.30，系统设计方案具体实现及论文撰写阶段；

6、2016.05.01-2016.05.31，论文定稿、打印、答辩阶段。

7、阅读的主要文献、资料

[1]何立民．MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M]．北京：

北京航空航天大学出版社，1999

[2]胡斌．无线电识图与电路故障分析轻松入门[M]．北京：

人民邮电出版社[M]，

2001

[3]薛钧义，张彦斌．MCS-51/96系列单片微型计算机及其应用[M]．西安：

西安交通大学出版社，1998

[4]王幸之，王雷．单片机应用系统抗干扰技术[M]．北京：

北京航空航天大学出版社，2000

[5]夏继强．单片机实验与实践教程[M]．北京：

北京航空航天大学出版社,2001

[6]李朝青．PC机及单片机数据通信技术[M]．北京：

[7]张悦．数字通信原理[M]．西安：

西北工业大学出版社，1989

[8]纪传礼．遥控遥测技术[M]．北京：

科学出版社，1983

[9]赵海兰.基于单片机的红外遥控智能小车的设计[J].电子世界，2013

（2）:

31-32.

[10]宋新兵.自动控制电动小汽车的设计[J]，2001年全国大学生电子设计竞赛一等奖.电子世界，2002（4）：

55-56.

[11]尚林勇.自动往返电动小汽车的设计[J],咸宁师专学报,2002（6）:

39-43.

[12]WangShaokun,XiaoXiao,ZhaoHongwei.TheWirelessRemoteControlCarSystemBasedOnARM9[J].2011IEEE：

887-890.

[13]GangWang.WirelessRemoteControlTechnologyinIntelligentBuildingsSystem[J].2010ConferenceonDependableComputing:

231-233.

[14]张化勋.智能小汽车的设计[J].长春大学学报，2005年12月第六期：

13-15.

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