基于单片机的智能小车设计论文论文Word文件下载.docx
《基于单片机的智能小车设计论文论文Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的智能小车设计论文论文Word文件下载.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
4.1软件调试平台……………………………………………………………………16
4.2系统软件流程序…………………………………………………………………16
4.3系统软件程………………………………………………………………………17
4.4循迹处理软件流程………………………………………………………………20
结论………………………………………………………………………21
致谢………………………………………………………………………23
参考文献……………………………………………………………………24
第1章绪论
1.1课题背景
目前，在企业生产技术不断提高、对自动化技术要求不断加深的环境下，智能车辆以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备。
世界上许多国家都在积极进行智能车辆的研究和开发设计。
移动机器人是机器人学中的一个重要分支，出现于20世纪06年代。
当时斯坦福研究院SRI的NilsNilssen和charlesRosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名shakey的自主式移动机器人，目的是将人工智能技术应用在复杂环境下，完成机器人系统的自主推理、规划和控制。
从此，移动机器人从无到有，数量不断增多，智能车辆作为移动机器人的一个重要分支也得到越来越多的关注。
智能小车，是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航及白动控制等技术，是典型的高新技术综合体。
智能车辆也叫无人车辆，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。
智能车辆的主要特点是在复杂的道路情况下，能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预定的道路轨迹行进。
智能车辆在原有车辆系统的基础上增加了一些智能化技术设备:
1计算机处理系统，主要完成对来自摄像机所获取的图像的预处理、增强、分析、识别等工作;
2摄像机，用来获得道路图像信息;
3传感器设备，车速传感器用来获得当前车速，障碍物传感器用来获得前方、侧方、后方障碍物等信息。
智能车辆技术按功能可分为三层，即智能感知/预警系统、车辆驾驶系统和全自动操作系统团。
上一层技术是下一层技术的基础。
三个层次具体如下:
1智能感知系统，利用各种传感器来获得车辆自身、车辆行驶的周围环境及
驾驶员本身的状态信息，必要时发出预警信息。
主要包括碰撞预警系统和驾驶员状态监控系统。
碰撞预警系统可以给出前方碰撞警告、盲点警告、车道偏离警告、换道/并道警告、十字路口警告、行人检测与警告、后方碰撞警告等.驾驶员状态监控系统包括驾驶员打吨警告系统、驾驶员位置占有状态监测系统等。
2辅助驾驶系统，利用智能感知系统的信息进行决策规划，给驾驶员提出驾驶建议或部分地代替驾驶员进行车辆控制操作。
主要包括:
巡航控制、车辆跟踪系统、准确泊车系统及精确机动系统。
3车辆自动驾驶系统，这是智能车辆技术的最高层次，它由车载计算机全部自动地实现车辆操作功能。
目前，主要发展用于拥挤交通时低速自动驾驶系统、近距离车辆排队驾驶系统等。
这种智能小车的主要应用领域包括以下几个方面:
1军事侦察与环境探测
现代战争对军事侦察提出了更高的要求，世界各国普遍重视对军事侦察的建设，采取各种有效措施预防敌方的突然袭击，并广泛应用先进科学技术，不断研制多用途的侦察器材和探测设备，在车上装备摄像机、安全激光测距仪、夜视装置和卫星全球定位仪等设备，通过光缆操纵，完成侦察和监视敌情、情报收集、目标搜索和自主巡逻等任务，进一步扩大侦察的范围，提高侦察的时效性和准确性。
2探测危险与排除险情
在战场上或工程中，常常会遇到各种各样的意外。
这时，智能化探测小车就会发挥很好的作用。
战场上，可以使用智能车辆扫除路边炸弹、寻找和销毁地雷。
民用方面，可以探测化学泄漏物质，可以进行地铁灭火，以及在强烈地震发生后到废墟中寻找被埋人员等。
3安全检测受损评估
在工程建设领域，可对高速公路自动巡迹，进行道路质量检测和破坏分析检测;
对水库堤坝、海岸护岸堤、江河大坝进行质量和安全性检测。
在制造领域，可用于工业管道中机械损伤，裂纹等缺陷的探寻，对输油和输气管线的泄漏和破损点的查找和定位等。
4智能家居
在家庭中，可以用智能小车进行家具、远程控制家中的家用电器，控制室温等等。
对这种小车的研究，将为未来环境探测术上的有力支持。
1.2课题研究的目的和意义
目前，国内外的许多大学及研究机构都在积极投入人力、财力研制开发针对特殊条件下的安全监测系统。
其中包括研究使用远程、无人的方法来进行实现，如机器人、远程监控等。
无线传输的发展使得测量变得相对简单而且使得处理数据的速度变得很快甚至可以达到实时处理”。
该智能小车可以作为机器人的典型代表。
它可以分为三大组成部分：
传感器检测部分、执行部分、CPU。
机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。
可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。
通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。
在实践过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测、驱动和显示等外围电路，采用智能控制算法实现小车的智能循迹。
灵活应用机电等相关学科的理论知识，联系实际电路设计的具体实现方法，达到理论与实践的统一。
在此过程中，加深对控制理论的理解和认识。
随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。
全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。
可见其研究意义很大。
本设计就是在这样的背景下提出的，本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。
本设计就采用了比较先进的C51为控制核心，C51采用CHOMS工艺，功耗很低。
该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。
尤其是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景；
在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。
所以本设计与实际相结合，现实意义很强。
1.熟悉51单片机集成开发环境，运用C语言编写工程文件；
2.熟练应用所选用单片机的内部结构、资源，以及软硬件调试设备的基本方法；
3.自行构建基于单片机的最小系统，完成相关硬件电路的设计实现；
4.了解电机、路面检测的原理和实现方法。
1.完成单片机最小系统设计；
2.完成外围应用电路（包括系统供电单元、运动控制单元、循迹检测单元）设计和实现；
3.完成软件对硬件检测；
4.查阅国内外的研究动态和发展前沿信息，阅读相关外文文献。
当外加额定直流电压时，转速几乎相等。
这类电机用于录音机、录相机、唱机或激光唱机等固定转速的机器或设备中。
也用于变速范围很宽的驱动装置
图2-1直流电机+LM293组合电路原理
方案三：
采用直流电机配合由双极性管组成的H桥电路。
用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；
H桥电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；
电子开关的速度很快，稳定性也很高，是一种广泛采用的调速技术，其电路原理简图如图2-2所示。
图2-2电机驱动原理简图
综合3种方案的优缺点，鉴于本系统设计体积较小，自身重量较轻，对电机功率输出要求不高，决定选择方案2。
循迹单元方案论证
方案一：
用光敏电阻组成光敏探测器
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。
但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。
方案二：
采用RPR220型光电对管。
RPR220是一种一体化反射型光电探测器，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。
综上所述，我们采用方案二。
2.3系统总体方案
经过对方案的设计要求的分析和方案论证，采用51单片机控制平台，经过红外传感模块检测路面的信息，控制运动模块的电机运动方式，近而控制这个智能小车系统的运动。
系统框图如图2-4。
图2-4系统总体框图
第3章智能循迹小车硬件部分
3.1系统硬件电路介绍
智能小车采用AT89S51单片机进行智能控制，开始由手动启动小车，并复位。
当有红外遥控信号时，根据信号进入相应的行驶状态，在运动过程中由红外光电传感器检测，通过单片机控制小车进行循迹，系统的自动循迹功能通过红外线传感器正前方检测，由单片机控制实现在小车行驶过程中，通过接收的信号脉冲控制直流电机，以提高系统的静动态性能。
系统功能原理图如图3-1所示。
运动系统电路包括供电电路、电机驱动和控制电路两部分。
图3-1系统功能原理图
供电电路：
运动系统供电采用双电源分别对电机和控制器供电。
考虑到小车是个不断运动的实验设备，采用干电池供电。
总的供电系统是有9V的大功率电池储能，经过电压转换单元。
由一个9V转为5V对控制单元供电；
另一个9V电池直接对电机的供电端连接。
供电部分的分析将在后面3.3节结合整个系统的供电电路进行详细介绍。
电机驱动和控制电路：
通过51单片机，控制端口对直流电机的转速和转向来对电机进行控制。
3.2单片机最小系统
单片机最小系统由复位电路、时钟振荡电路、数据采集接口和电机控制接口组成，单片机最小系统图如图3-2所示。
图3-2
图3-2单片机最小系统
单片机功能模块介绍
单片机本电路的控制核心，它接收传感器测得的信号，并控制电机的转动与停止。
传感器的输入有两根信号线，接单片。
传入放入信号为高低电平，在小车没有走到黑线上时，输入都为低电平，此时单片机会驱动两个电机同时转动，不需要转弯，当某端输入高电平时，表明小车的相应一侧一走到黑线上，单片机便使改侧的电机停止转动，另一侧的继续转动，直到两侧都不走到黑线上，程序采用轮询的方式，可以及时的检测到是否走到黑线上。
3.3供电单元介绍
高性能的电源管理系统对于电子系统稳定运行是至关重要的。
作为智能车源，电源模块为系统的控制器，执行机构，传感器等各个模块提供可靠的工作电压。
设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化，电源管理模块的功能是对电池进行分配和电压调节，为其他各个模块的正常工作提供可靠的工作电压。
电单元介绍
智能车控制系统中，不同电路模块需要的工作电压和电流容量各不相同。
芯片需要提供5V的工作电压，而电机所需的电压为9V，本设计中用到的是9V的电源供电，然后通过三端稳压器LM7805将电压变换为5V电压供给电路系统。
电源系统的电路图如图3-3所示。
图3-3稳压电源转换电路
3.4运动单元介绍
本系统采用9V直流电动机作为智能玩具车的动力源。
用电机驱动专用芯片L298作为电机的驱动。
L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。
是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。
电机驱动模块硬件电路图如图3-4所示。
图3-4电机驱动模块硬件电路图
3.5循迹单元介绍
循迹单元工作原理
循迹是指小车在白色地板上循黑线行走通常采取的方法是红外探测法,红外探测法即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点,在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光,当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射反射光被装在小车上的接收管接收,如果遇到黑线则红外光被吸收小车上的接收管接收不到红外光,单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线,从而实现小车的循迹功能。
红外探测器探测距离有限一般最大不应超过3cm。
循迹功能如图3-5所示
图3-5循迹功能图
本设计需要检测小车的运行状态，沿着路面黑线运动。
采用反射取样式，单光束红外传感器接收信号，再分别用运放LM393比较电压信号进行放大。
图3-5的电路在5V电压下工作，根据该型号传感器红外发射管所需的工作压降（红外发射管的正向压降在1～1.3V）和工作电流（红外发射管的电流为2～10mA），选取负载电阻R12.2KΩ，红外发射管负载电阻R2220Ω。
调节电位器使检测信号能被识别。
LM393比较器简介
比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。
比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号，当输入电压的差值增大或减小时，其输出保持恒定。
因此，也可以将其当作一个1位模/数转换器（ADC）。
对路面检测的电路设计就是通过电位器设定一个阈值，以此确定是否有光反射。
并且以此阈值为标准，向单片机输入满足TTL电平的数字信号。
如图3-6所示。
图3-6LM393芯片示意图
第4章智能循迹小车软件部分
4.1软件调试平台
KeilforC51是美国KeilSoftware公司出品的C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。
另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
下面详细介绍Keil开发系统各部分功能和使用。
开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的源程序要变为可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。
随着开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件目前最流行开发软件voiddelay
uinti,j;
fori0;
i500;
i++
forj0;
j800;
j++;
//启动软件看门狗WDTRST防止程序跑飞增加系统的稳定性
sfrWDTRST0xA6;
//看门狗寄存器0xA6
//喂狗程序
voidFeedDog
WDTRST0x1e;
//给寄存器装值
WDTRST0xe1;
//定时器初始化程序
voidInitial
TMOD0x01;
//定时器0工作在方式1
TH00xf0;
//高八位装值1111――0000
TL00xf0;
//第八位装值1111_0000
TR01;
//启动定时器
ET01;
//定时器中断允许
EA1;
//开放总中断
//主程序
//对传感器输入信号进行轮询并决定当前小车行驶方式
voidmain
FeedDog;
//刚入主程序喂一次狗
Initial;
//定时器初始化
P10xFF;
//端口初始化用于控制电机
P30xFF;
//传感器状态接收
while1//对传感器输入信号不断地进行查询
ifP30x7F//0111_1111
P1left;
//执行左转指令
elseifP30xBF//1011_1111
P1right;
//执行右转指令
else
P1go;
//否则就向前行驶
//定时器中断函数执行喂狗定时器重装初值
voidtimer0interrupt1//使用中断
//定时器重载初值高八位第八位
//每过一定时间喂下狗，不然程序会自动复位
4.4循迹处理软件流程
在白色背景中有一条黑色的线，小车就是要沿着这条黑线行走，通过判断反射式光电传感器所来判断小车所应行走的方向。
以三个反射式光电传感器为例进行说明循线的原理。
光电传感器与黑线位置关系示意图如图所示。
//否则就向前行驶
结论
加入了高新技术的智能循迹小车产品越来越多，使得智能循迹小车的发展呈现多循迹小车作为现代玩具产业的核心的一部分，更需要不断应用现代先进的技术开发出更新颖的产品。
本设计主要是把传统智能循迹小车系统和可编程电子器件结合起来设计智能循迹小车系统，并通过人工智能算法实现一定的智能化的方法。
论文介绍了该设计的总体思想和一些用到的基本的原理及系统的硬件、软件设计。
现将本文主要工作总结如下：
（1）本设计使用模块化的设计方法。
各个功能在硬件和软件的设计上都实现了模块化。
各个功能部件同时存在，小车在运行的过程中只有一个功能模块发挥作用，其余功能处屏敝状态；
在各个功能之间可通过人工切换。
（2）本设计的创新之处在于把一个人工智能算法引入小车的设计中，实现控制小车的作用。
这只是一个简单的智能算法，但有这样的基础之后，就可以把更多的智能算法用于玩具的开发，这也是小车智能化的一个重要方法。
该智能玩具小车系统还存在一些不完善和需要改进的地方，可以有以下几处需要改进和完善：
（1）在小车寻找最短路径的功能中，虽然通过A星算法能够找到并标示出最短路径中的一条，但小车在根据这条路径从起点到终点的过程中，由于路面磨擦不同等因素的影响，小车不能按预定的角度旋转。
在这种情况下可以增加舵机，控制舵机来达到智能玩具车按照预定角度转向的功能。
（2）小车所行走的区域有可能并不是一个表格，但在程序中已经将该区域简为了一张表格并固定地存放在了程序中，这样如果想改变区域中障碍物的位置必须改在程序中改变存放的表格，即一个二维数组。
可以改进为：
用一个摄象头把小车所要行走的区域拍摄下来然后经过图像的处理，把区域变成一张表格，再用一个二维数组来表示这张表格，这就可以使小车在行走之前自动改变程序中的“地图”，而不需要每一次都人为改变。
用这种方法改进，也使A星算法的应用范围变广了。
（3）可以在该智能循迹小车中添加更多的有趣的功能。
在小车系统中加上光电传感器让小车可以实现避障功能，还可以在玩具小车上安装喇叭让小车播放音乐等，这样小车更具有智能的特点，而且有更多的娱乐和学习的特性。
（4）该智能循迹小车系统具有循线、追光和路径判断的功能。
但这些功能都是用单独的程序实现的，每运行一个功能就需要重新下载程序。
对于这个问题，可以用多路开关与单片机的I/O口相连，通过检测开关信号进行智能循迹小车功能的选择。
微控制器（如本设计中用到的51单片机）运于智能循的开发中，通过各种传感器的应用和程序的设计将有许多更具智能化、更加多样的玩具面世。
致谢
本论文是在王海洋老师的指导下完成的。
在智能小车系统的设计及论文的写作过程中，他给予了无数的指导和大力的支持。
他不仅教了我知识还教了我治学的态度，那就是严谨，把知识变为己有，弃其糟粕留其精华，用自己的方式去解决问题，而不是人云亦云。
由于对硬件这方面比较感兴趣，尤其对单片机这块。
王老师可谓我的启蒙老师，他那套独特的编程分析理念对我的影响颇为深刻，那就是软件与硬件分离、功能独立、功能分层、分时处理与实时处理、充分利用C语言的宏定义。
这改变了我以前编程时想到哪编到哪没有一点思绪的编程方式，编程前理出框架这一理念对我经后的学习必有很大帮助。
由于刚接触单片机，问题特别多，从硬件的认识到软件的理解，都碰到了不少的问题。
每次王老师总是细心的指导并提出了很多宝贵的意见和建议。
我对基于单片机智能循迹小车的设置理念和运作过程都了解得非常清楚。
对我论文的完成也提供了不小的帮助。
在此再次向王老师表示忠心的感谢。
在毕业设计中，我学会了对本专业所学的一些理论知识的应用，学会了在应用中发现问题和解决问题的方法，加深了对专业知识的撑握和理解，所取得的这些进步都与老师们的仔细、耐心指导分不开。
他们的严谨、细心、勤奋的工作态度也给我留下了深刻印象，对我以后的学习工作有很好的指导作用。
在此，对老师表示衷心的感谢。
在毕业设计的过程中和同学们的讨论也使我受益匪浅。
也感谢学院及电气工程系的老师和领导为我提供的良好的毕业设计环境使我完成毕业设计。
在毕业之际也感谢辅导员曲春梅老师三年来在生活和学习中给予的关心和帮助。
最后，感谢所有帮助过我的老师和同学们，感谢给我论文进行评阅和指导老师们。
参考文献
[1]段颖康，基于光电传感器自动寻迹智能小车位置信息采集模块设计论文.新特器件应用，2004.12.
[2]安岩，自动循迹智能小车的设计论文.苏州科技学院学报，2004.1.
[3]马忠梅，李月香.单片机内部资源的C语言编程[J].微计算应用，1997，（03.
[4]郭亮，谭立伟，基于单片机的新型智能小车研制设计论文.西南交通大学，2003.9.
[
升级会员 