基于51单片机电动智能小车的设计.docx

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基于51单片机电动智能小车的设计

摘要

智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。

本设计主要体现多功能小车的智能模式，设计中的理论方案、分析方法及特色与创新点等可以为自动运输机器人、采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人等自动半自动机器人的设计与普及有一定的参考意义。

同时小车可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值。

关键词：

智能、红外线传感器、自动寻迹、语音控制

Abstract

Asanewproductofmodernsociety,intelligenceisthetrendinfuturedevelopment.Itcanworkinsomespecificenvironmentaccordingtothemodewhichsetsinadvance.Dispensingwithbehavioradjustmentmanagement,butitcanachievetheexpected，evenhighergoal.Thedesignmainlyreflectedasmart-carmodel,Thetheoreticalscheme,analysismethod,uniquenessandinnovationetc.thatpointedinthispaper,Ithinktheyarewillbecertainreferencevalueindesignandpopularityofautomaticorsemi-automaticrobotsuchasautomatictransportationrobot,prospectingrobot,cleaninghouseholdrobotetc..Thiscarcanbeusedasamodelofdevelopmentoftoy,tomakeupthedeficiencyoftechnicalcontentinthechinesetoymarket,torealizeeconomicprofitandtoformcommercialvalue.

Thedesigntakesmicro-controller51ascontrolcenter,usewirelesscontroltomakecargoforward,gobackwardorturnaround;useinfraredsensortoachievethefunctionofadaptivecruiseandavoidingbarriers.

Usingmethodsofcontrastselection,moduleindependence,integratedtreatment;consultingalargenumberofrelatedliteratureanddata;andlistingdiffernetsolution;accordingtopracticalsituationandchoosethebestschemetodesign.

Themotorcarbody,theminimumsystemandwirelesscontrol,theauto-guidingofinfrareddiodeorauto-aviodingbarriersandvoice-control,stepbystep,thedesignisforminggradually.Andthen,debuggingandcheckingeverysinglemodule,gettingthecorrectsignaloutput.Finally,combiningprogram,conformingeverymoduleefficientlytomakeitwork.

Keywords：

intelligence,infraredsensor,auto-guiding,voice-control

目录

第一章绪论1

第二章各模块分析选择2

第一节各单元方案比较与选择2

第二节总体设计框图3

第三章硬件设计5

第一节单片机控制模块5

第二节红外对管寻迹模块7

第三节电机驱动模块10

第四章软件设计12

第一节模糊控制算法12

第二节软件设计框图13

第三节软件程序设计部分源程序14

第五章制作和调试18

第一节使用的仪器仪表及软件18

第二节系统制作18

第三节系统调试18

第六章结论与展望22

结束语23

谢辞24

参考文献25

第一章绪论

智能化作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。

中国自1978年把“智能模拟”作为国家科学技术发展规划的主要研究课题，开始着力研究智能化。

从概念的引进到实验室研究的实现，再到现在高端领域（航天航空、军事、勘探等）的应用，这一过程为智能化的全面发展奠定基石。

智能化全面的发展是实现其对资源的合理充分利用，以尽可能少的投入得到最大的收益，大大提高工业生产的效率，实现现有工业生产水平从自动化向智能化升级，实现当今智能化发展由高端向大众普及[1]。

从先前的模拟电路设计，到数字电路设计，再到现在的集成芯片的应用，各种能实现同样功能的元件越来越小为智能化产物的生成奠定了良好的物质基础。

本设计以智能化全面发展的普及与应用为目的，整体开发过程简单易懂，所选择的平台与各电子元件恰当合理，无需花费过多的人力财力便可达到预期所要求各功能的实现，也符合课题研究的意义。

设计的理论方案、分析方法及特色与创新点等可以为国内自动运输机器人、采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人等自动半自动机器人的设计与普及有一定的参考意义。

小车也可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值。

同时作为高校毕业设计研究课题，对学生的思维、动手能力以及总结论述等综合能力得到充分锻炼，有利于以后独立及全面的发展。

设计主要以简易智能机器人为开发平台，选择通用、价廉的51单片机为控制平台，选择常见的电机模型车为机械平台，通过细化设计要求，结合传感器技术、电机控制技术、无线通信技术等相关知识实现小车的各种功能。

设计完成以由无线电遥控、红外线对管的自动寻迹、红外线自动避障以及语音控制组成的硬件模块结合软件设计组成多功能智能小车，共同实现小车的前进倒退、转向行驶，自动根据地面黑线寻迹导航，检测障碍物后停止和语音信号的控制等功能，实现智能控制，达到设计目标。

第二章各模块分析选择

第一节各单元方案比较与选择

1）主控单元方案比较与选择

方案一：

采用各类数字电路来组成小车的控制系统，对外围避障信号，自动寻迹信号，无线遥控信号，语音控制信号进行处理。

本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于小车智能化的扩展，对各路信号处理比较困难。

方案二：

采用AT89S51单片机来作为整机的控制单元。

红外线探头采用市面上通用的发射管与及接收头，经过比较芯片调制处理后由控制系统接收。

路线寻找采用红外线管对路面信号采集，送到单片机系统处理，同样包括无线遥控信号和语音控制信号。

此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求[3]。

比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，更能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。

2）避障单元方案比较与选择

方案一：

采用超声波避障，超声波受环境影响较大，电路复杂，而且地面对超声波的反射，会影响系统对障碍物的判断。

方案二：

采用红外线避障，利用单片机来产生38KHz信号对红外线发射管进行调制发射，发射出去的红外线遇到避障物的时候反射回来，红外线接收管对反射回来信号进行解调，输出比较电平。

外界对红外信号的干扰比较小，且易于实现，价格也比较便宜，故采用方案二。

红外线避障方法，利用一管发射另一管接收，接收管对外界红外线的接收强弱来判断障碍物的远近，由于红外线受外界可见光的影响较大，因此通过调制信号产生38KHz的载波来减少外界的一些干扰。

只要障碍物在限定范围内就会产生相对的电平供单片机控制，实现避障功能。

3）寻迹单元方案比较与选择

方案一：

采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。

由于光敏二极管受可见光的影响较大，稳定性差。

方案二：

利用集成型红外对管作为寻迹单元的传感器，其中红外线发射管发射红外线，红外线二极管进行接收。

采用红外线发射，外面可见光对接收信号的影响较小，再用射极输出器对信号进行隔离。

本方案也易于实现，比较可靠，因此采用方案二。

当小车底部的某边红外线收发对管遇到黑带时，可以检测到输入电平为高电平，反之为低电平。

结合单片机查询方式，通过程序控制小车哪边轮胎转动来改变方向。

这样不断循环检测，方向控制，使小车按黑线行走。

4）遥控单元方案比较与选择

方案一：

由发射和接收两大部分组成红外遥控系统，应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作，发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路等。

相对结构比较复杂，而且使用的时候必须将遥控器前的红外发射孔对准接收管才可以。

方案二：

无线电遥控也由发射和接收两大部分组成，由于无线电遥控模块在市场上非常普及，加上无线电遥控有传输距离远、抗干扰能力强、无方向性等优点，对于小车的控制是一个不错的选择[4]。

方案三：

超声波遥控是利用超声波来传送指令的遥控，可以应用于需要遥控、遥测的场合。

采用AX5326与AX5327等构成的遥控系统具有体积小、功耗低、功能强大、抗干扰能力强等优点。

但由于超声波遥控价格相对上面两种价格较贵，而且对于小车的遥控也太过于夸大化。

结合三种方案，最终选择用电量、发射、接受功率都不大，一般的小障碍也可以穿越，而且遥控无方向性的无线电遥控。

采用带有PT2272解码的TDL-9915接收模块和带有PT2262编码的TDL9988-4发送模块完成。

5）语音控制单元方案比较与选择

方案一：

采用柱极式话筒产生不同的频率信号来完成声音提示，经放大整形后产生一个脉冲电平输入给单片机完成声音提示功能。

但方案给人以提示的可懂性比较差，但在一定程度上能满足要求，而且易于实现，成本也不高。

方案二：

采用DS1420可分段录放音模块，能够给人以直观的提示，也可以实现更多电平转换以让单片机控制，但DS1420录放音模块价格比较高，程序编制过程过于复杂，所以方案二性价比不如方案一。

柱极式话筒接收声波信号，通过三极管放大信号，使信号通过整流的二极管得到一个脉冲信号，并经过74HC04取反后供单片机控制，实现语音控制。

第二节总体设计框图

此系统是以单片机为控制核心，处理执行各个外部传感器检测得到的电平信号，其中外部信号有四部分得到：

寻迹模块，避障模块，遥控模块和语音模块。

最后把处理结果传递给小车电机，使得到相应效果。

如图2-1总体设计框图。

图2-1总体设计框图

第三章硬件设计

第一节单片机控制模块

本系统硬件主要有六大模块组成：

单片机控制模块、无线遥控模块、红外对管寻迹模块、红外线避障模块、电机控制模块和语音控制模块。

1）单片机控制模块

本模块采用51系列单片机作为核心处理器。

单片机控制系统基本由最小系统和外围信号I/O口组成，其中最小系统包括电源（地），CPU时序电路（一般使用11.0592M或者12M和30P电容组成），复位电路。

有了以上三块，单片机就能够正常工作。

 AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

其应用范围广，性能良好，可用于解决复杂的控制问题。

利用AT89S51的I／O端口对传感器信号进行实时判断监控来控制步进电机做出相应的反映。

如图3-1是较为常见的带烧录接口的单片机最小系统图。

图3-1带烧录接口的单片机最小系统

2）时钟电路

单片机的时钟产生有两种方法：

内部时钟方式和外部时钟方式。

系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。

AT89单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。

引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。

外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。

对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。

因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值通常取30PF。

在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。

3）复位电路

复位是由外部的复位电路来实现的。

片内复位电路是复位引脚RST通过一个触发器与复位电路相连，触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期中由复位电路采样一次。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

所谓上电复位，是指计算机加电瞬间，要在RST引脚出现大于10MS的正脉冲，使单片机进入复位状态。

按钮复位是指用户按下“复位”按钮，使单片机进入复位状态[5]。

如图3-2是上电复位及按钮复位的一种实用电路。

图3-2复位电路

上电时，+5V电源立即对单片机芯片供电，同时经电阻R对电容C3充电。

C3上电压建立的规程就产生一定宽度的负脉冲，经反向后，RST上出现正脉冲使单片机实现了上电复位。

按钮按下时，RST上同样出现高电平，实现了按钮复位。

在应用系统中，有些外围芯片也需要复位。

如果这些芯片复位端的复位电平和单片机一致，则可以与单片机复位脚相连，因此，非门在这里不仅起了反向作用，还增大了驱动能力，电容C1，C2起虑波作用，防止干扰窜入复位端产生误动作

4）烧写接口电路

RST置高电平，然后向单片机串行发送编程命令。

P1.7（SCK）输入移位脉冲，P1.6（MISO）串行输出，P1.5（MOSI）串行输入。

被烧写的单片机一定是最小系统（单片机已经接好电源，晶振，可以运行）。

如图3-3烧写接口电路。

图3-3烧写接口电路

第二节红外对管寻迹模块

系统中起到此模块实现了无线电远距离控制小车的停启、方向行驶的功能，在整个小车不可忽视的作用。

1）无线遥控工作原理

图3-4是无线电遥控设备方框图，由发射机、接收机及执行机构三部分组成。

发射机主要包括编码电路和发射电路。

编码电路由操纵器（操纵开关或电位器等）控制，操纵者通过操纵器；使编码电路产生所需要的控制指令。

这些控制指令是具有某些特征的、相互间易于区分的电信号，例如：

用频率为270Hz的正弦信号作为控制左舵的指令，用频率为350Hz的正弦信号作为控制右舵的指令，即不同频率的正弦信号代表不同的控制指令。

除了可利用频率特征外，还可用正弦信号的幅度及相位特征、脉冲信号的幅度、宽度及相位特征以及码组特征等表示各种指令。

图3-4无线电遥控设备方框图

编码电路产生的指令信号都是频率较低的电信号，无法直接传送到遥控目标上去，还要将指令信号送到发射电路，使它载在高频信号（载波）上，才能由发射天线发送出去。

我们把指令信号载到载波上去的过程叫调制，调制作用由发射电路的调制器完成。

发射电路的主要作用是产生载波，并由调制器将指令信号调制在载波上，经天线将已调载波发送出去。

接收机由接收电路及译码电路组成。

接收电路又包括高频部分及解调器部分。

由接收天线送来的微弱信号经接收机高频部分的选择和放大后，送到解调器。

由于“卸”下来的各种指令信号是混杂在一起的、还要送到译码电路译码。

译码电路的工作就象把卸下来的货物鉴别分类，再分别送到使用场地一样，它对各种指令信号进行签别，送到相应的执行放大电路。

执行放大电路把指令信号放大到具有一定的功率，用以驱动执行机构。

执行机构将电能转变为机械动作，例如电机的转动、电磁铁的吸动等，带动被控的调节机构，从而实现对被控目标的控制[6]。

本模块采用的无线遥控是市场上现成的带有PT2272解码的TDL-9915接收模块和带有PT2262编码的TDL9988-4发送模块，如图3-5。

图3-5TDL-9915和TDL9988-4

2）PT2262/2272芯片

编码芯片PT2262发出的编码信号由：

地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。

当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100％的调幅。

如图3-6PT2262引脚图：

图3-6PT2262引脚图

PT2272解码芯片有不同的后缀，表示不同的功能，有L4/M4/L6/M6之分，其中L表示锁存输出，数据只要成功接收就能一直保持对应的电平状态，直到下次遥控数据发生变化时改变。

M表示非锁存输出，数据脚输出的电平是瞬时的而且和发射端是否发射相对应，可以用于类似点动的控制。

后缀的6和4表示有几路并行的控制通道，当采用4路并行数据时（PT2272-M4），对应的地址编码应该是8位，如果采用6路的并行数据时（PT2272-M6），对应的地址编码应该是6位。

如图3-7PT2272引脚图：

图3-7PT2272解码电路引脚图

编码电路PT2262和解码PT2272的第1～8脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：

悬空、接正电源、接地三种状态，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用。

同一个系统地址码必须一致，不同的系统可以依靠不同的地址码加以区分。

第三节电机驱动模块

小车电机为直流减速电机，带有齿轮组，考虑不需调速功能，所以采用电机驱动芯片L293D。

L293D是著名的SGS公司的产品。

为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，设计用来接收DTL或者TTL逻辑电平，驱动感性负载（比如继电器，直流和步进马达），和开关电源晶体管。

内部包含4通道逻辑驱动电路。

L293D可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。

通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作，有效控制电机运动，如图3-13电机驱动原理图。

J16和J17控制左边电机，J18和J19控制右边电机。

取左边电机为例，当J16输入数字电平“1”，J17输入数字电平“0”时实现正转；当J16输入数字电平“0”，J17输入数字电平“1”时实现反转；当J16输入数字电平“0

（1）”，J17输入数字电平“0

（1）”时实现停止；最后结合左右电机通过单片机共同实现小车的前后左右四个方向行驶[9]。

图3-8电机驱动原理图

第四章软件设计

第一节模糊控制算法

1）模糊理论的发展

20世纪60年代，美国加利福尼亚大学著名教授扎德发表了一篇关于模糊集合的论文，由此提出了模糊理论。

四十多年来，在模糊理论算法、模糊推理、工业控制应用，以及稳定性理论研究方面，都有不少研究论文发表。

80年代后，自动控制系统随着被控对象的复杂化，它不仅表现在控制系统具有多输入、多输出的强偶合性、参数时变性和严重的非线性等特性，更突出的是从系统对象所能获取的知识信息量相对的减少，以及与此相反的对控制性能的要求却日益高度化。

如今，对模糊控制系统的结构、模糊推理算法，以及模糊控制稳定性等问题的研究成果已进入实用化时期，其成果应用主要集中于工业窑炉方面，如退火炉，电弧冶炼炉，水泥炉及造纸机的控制等。

目前，模糊控制技术有了更大的发展，过去将大型机械设备和生产过程作为控制对象，而现在模糊控制技术已经开始大量应用在家用电器、交通工具等方面。

2）模糊控制算法原理

模糊控制的关键和核心是模糊控制规则，即用人的自然语言对操作者的手动控制策略加以描述，得到一些不精确的、定性的、判定的规则，这些规则就是模糊控制技术中的模糊控制规则。

这些模糊控制规则的来源是根据操作者对被控制对象的动态性的认识、表达和对被控对象的控制经验，从这些抽出输入和输出关系，加以描述，实质上就是被控对象的数学模型。

在实际应用中，特别是人工操作控制，并不需要建立被控对象的数学模型。

为了模拟人工控制过程，对人工控制操纵的经验和策略进行归纳、总结，建立一系列的模糊控制规则，将这些规则进行一定的处理便产生相应的模糊控制算法，利用计算机来实现这些模糊语句，此时就构成了一个模糊控制器，而其中的模糊控制算法则描述了控制器的行为特征。

对于模糊控制规则的建立方法很多，主要有：

以专家知识、经验为依据建立模糊控制规则；以熟练操作者的手动操作策略、经验和测试数据来建立模糊控制规则，根据被控对象的模糊模型建立模糊控制规则以及根据学习算法建立模糊控制规则等。

模糊控制的控制过程，如果由人来实现，都是按照这样的一个顺序进行的：

感觉器官的观测（获取信息）-----人脑的思维、判断（存储和处理信息）-----手动的调整（信息的实施）。

3）智能小车中的模糊控制算法

本设计的模糊控制规则的建立方法是：

智能小车通过经验和测试数据来建立模糊控制规则。

其主要控制过程为：

寻迹与避障的红外发射装置发送信息，由收装置接收，接收装置相当于人的感觉器官获取信息传给单片机，单片机相当于人的大脑，可以存储和处理信息，通过训练样本库，测试出小车寻迹最佳偏转角度，最佳避障距离等，包括其他的遥控信号、语音信号等，从而命令智能小车执行相应的操作，完成智能行驶。

第二节软件设计框图

本系统中通过遥控启动后，小车一直处于自动寻迹和寻找障碍信号的状态中，当避障信号和遥控信号任一信号给单片机收集到后都转入相应的状态停止和遥控方向行驶。

另外中断控制程序语音控制则是实现当外部有一定强度的信号进入控制核心就对整个小车实现状态停止等待功能，其主程序流程如图4-1所示。

图4-1程序流程图

第三节软件程序设计部分源程序

本程序以汇编的形式编辑，结合硬件实现小车整个系统功能。

小车以自动寻迹为主体，不断测试避障信号，实现随时避障，并通过遥控控