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智能小车设计论文

2015年全国职业院校技能大赛“嵌入式应用开发”

智能小车设计论文

学院：

陕西电子科技职业学院

班级：

电子信息工程技术1302班

年级：

2013级

队长：

路少华

队员：

钱帅张轶超

时间：

2015年4月29日

目录

第1章 绪论2

1.1 引言2

1.2 任务的来源及现状2

1.2.1 任务的来源2

第2章系统总体设计3

2.1小车的总体构造3

2.2 智能小车寻迹基本原理4

2.3.2超声波测距模块的引脚功能4

2.33超声波测距原理5

第3章 系统硬件设计6

3.1 控制器的选择6

3.2 硬件电路设计6

3.2.1系统电源电路6

3.2.2电路驱动模块6

第4章 系统软件设计9

4.1 编译环境9

4.2 模块的驱动9

第5章 系统调试分析16

5.1 系统设计中的注意事项16

5.1.1 外部因素16

5.1.2 内部因素16

5.2 硬软件总体调试16

第6章结束语17

致谢17

参考文献17

摘要

进入21世纪，随着科技发展的日新月异，智能控制越来越成为一种不可忽视的动态量，在机械领域扮演了不容忽视的角色。

嵌入式车型机器人控制系统设计主要基于串口通信与IAP15F2K61S2单片机实现功能控制。

本设计智能车以小车为载体，采用12.6V供电直流调速电机控制四个车轮，实现前进、后退、左转右转等。

同时实现了智能小车前后循迹、避障、测速，超声波测距等功能，该智能小车采用直流电机及其控制电路为整个系统的驱动部分，IAP15F2K61S2单片机为整个系统的控制核心,采用WIFI无线数据收发实现无线控制；运用基础语言C语言来实现控制编程，实现了智能小车的方向性改变和控制，同时利用单片机C语言的可操作性，大大增加了调试的可观性，同时控制也越来越容易且可读写性也有了进一步的提高；由于采用12.6v电机控制又运用了L298控制模块，增加了调速控制，可以灵活方便地对车速进行控制。

关键词IAP15F2K61S2单片机、智能循迹、超声波测距。

第1章 绪论

1.1 引言 

我们所处的这个时代是信息革命的时代，各种新技术、新思想层出不穷，纵观世界范围内智能汽车技术的发展，每一次新的进步无不是受新技术新思想的推动。

随着汽车工业的迅速发展，传统的汽车的发展逐渐趋于饱和。

伴随着电子技术和嵌入式技术的迅猛发展，这使得汽车日渐走向智能化。

智能汽车由原先的驾驶更加简单更加安全更加舒适，逐渐的向智能驾驶系统方向发展。

智能驾驶系统相当于智能机器人，能代替人驾驶汽车。

它主要是通过安装在前后保险杠及两侧的红外线摄像机，对汽车前后左右一定区 域进行不停地扫描和监视。

计算机、电子地图和光化学传感器等对红外线摄像 机传来的信号进行分析计算，并根据道路交通信息管理系统传来的交通信息，代替人的大脑发出指令，指挥执行系统操作汽车。

通过多学科、跨专业的形式，对相关专业知识的理解与掌握,培养同学之间的创新意识和协同工作能力与实践能力，促进理论与实践相结合。

为嵌入式科技行业发展提供更多的应用型技能人才,进一步促进电子信息类专业教学内容与教育方法的改革，共同推进电子信息类嵌入式专业建设。

  汽车的智能化是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技。

1.2.2 智能汽车国外发展情况 

从20世纪70年代开始，美国、英国、德国等发达国家开始进行无人驾驶汽车的研究，目前在可行性和实用化方面都取得了突破性的进展。

在无人驾驶技术研究方面位于世界前列的德国汉堡Ibeo公司研制的无人驾驶汽车，2007年4月11日在英国伦敦科学博物馆与公众见面。

这辆无人驾驶智能汽车经德国大众汽车公司生产的帕萨特2.0改装而成，外表看来与普通家庭汽车并无差别，但却可以在错综复杂的城市公路系统中无人驾驶。

1.2.3 智能汽车国内发展情况 

目前日本、欧美已有企业取得实用化成果。

与国外相比，国内在智能车辆方面的研究起步较晚，规模较小，开展这方面研究工作的单位主要是一些大学和研究所，如国防科技大学、清华大学、吉林大学、北京理工大学、长安大学、沈阳自动化所等。

我国从20世纪80年代开始进行无人驾驶汽车的研究，国防科技大学在1992年成功研制出我国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车。

先后研制出四代无人驾驶汽车。

第四代全自主无人驾驶汽车于2000年6月在长沙市绕城高速公路上进行了全自主无人驾驶试验，试验最高时速达到75.6Km/h。

在2004年10月12日的第六届高交会上，红旗无人驾驶汽车就引起了极大的轰动。

它在高速公路上最高稳定无人驾驶速度为130公里/小时；峰值无人驾驶速度为170公里/小时。

并同时具备安全超车和系统小型化两个主要指标。

为如此，他们把它称为“中国汽车界的神舟五号”。

2005年，首辆城市无人驾驶汽车在上海交通大学研制成功，该车有望于两年之内率先在上海世纪公园进行示范运营，并在2010年世博会上一展身手。

到时游 客只需在公园的入口处按下一个按钮，一辆没有司机的四座敞篷汽车就会从远处开过来缓缓停下，然后搭载着乘客前往他们想去的景点。

第二章系统总体设计

2.1小车的总体构造

（图2.1）小车的总体模块构造

图（2.2）小车整体实物图

本产品为嵌入式车型机器人，以小车为载体。

采用双12.6V供电，分两路给电机和其他单元模块供电。

小车主要包含功能有：

光电循迹、码盘测速、超声波测距、电机驱动、红外收发等。

功能单元包括核心板、任务版、驱动板、循迹板、光电码盘和摄像头。

其关系如图：

图（2.3）功能单元连接关系示意图

2.2 智能小车寻迹基本原理 

探测路面黑线的基本原理：

光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱来判断是否是黑线。

利用这个原理，可以控制小车行走的路迹。

这里的循迹是指小车在白色地板上循黑线行走，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。

处理器就根据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。

红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。

智能小车系统以处理器为核心， 为了使智能小车能够快速行驶，处理器必须把路径的迅速判断、相应的转向电机控制以及直流驱动电机的控制精密地结合在一起。

如果传感器部分的数据没有正确地采集和识别，转向电机控制的失当，都会造成模型车严重抖动甚至偏离赛道；如果直流电机的驱动控制效果不好，也会造成直线路段速度上不去，弯曲路段入弯速度过快等问题。

本次红外探测采用的是反射式探测。

2.2.1超声波测距模块的引脚功能

Trig口：

发射超声波端

Echo口：

接收超声波端

VCC：

工作电源

GND：

接地

2.2.2超声波测距原理 

        我们需要提供一个短期的10uS脉冲触发信号。

该模块内部将发出8个40kHz 周期电平并检测回波。

一旦检测到有回波信号则输出回响信号。

回响信号是一个脉冲的宽度成正比的距离对象。

可通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距式:

uS/58=厘米或者uS/148=英寸。

建议测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响      

 2.2.1超声波测距时序图

图（2.2.1）超声波发射电路图

图（2.2.2）超声波接射电路图

第3章 系统硬件设计 

3.1 控制器的选择

我们本次所采用STC公司的STC15系列封装为LQFP44的单片机作为主控制器，板载单片机为IAP15F2K61S2单片机，支持在线仿真，是一款基于8051核的增强性单片机，内置高精度时钟、2KSRAM、61kFlash，3路定时器，2路UART,3路PWM等，性能稳定。

本MCU是整个小车的控制处理核心，用于采集处理任务板各传感器传回的信息，同时控制小车的转向等。

图（3.1）IAP15F2K61S2单片机

3.1 .1主控电路设计

图（3.1.1）IAP15F2K61S2单片机核心板V3.0原理图

图（3.1.2）IAP15F2K61S2单片机核心板V3.0PCB正面板设计

3.2 硬件电路设计

1.更具提供的电路图和PCB焊接出整体电路设计。

图（3.2.1）PCB焊接图

2.根据下图所示按照规定的路线和要求测试。

图（3.2）小车跑到测试图

3.2.1电路驱动模块

本次采用普通直流电机。

直流电机运转平稳精度有一定的保证。

直流电机控制的精确度虽然没有步进电机那样高但完全可以满足本题目的要求。

通过单片机的PWM输出同样可以控制直流电机的旋转速度实现电动车的速度控制。

并且直流电机相对于步进电机价格经济。

采用电机驱动芯片L298N。

L298N为单块集成电路高电压、高电流、四通道驱动，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，亦能满足直流减速电机的大电流要求。

调试时在依照芯片手册，用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作。

图（3.3.2）电机驱动底板（V4.1）原理图设计

图（3.3.3）电机驱动底板（V4.1）PCB设计

3.2.4 红外线检测循迹电路

红外线检测电路原理其实很简单，就是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，所采集到的电压就是高电平；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，其基本原理图如图所示：

图（3.2.4）循迹板原理图（上）

图（3.2.4）循迹板原理图（上）、（下）PCB设计

3.2.5避障模块设计

小车避障模块由超声波原件构成

图（3.2.5）任务板（V4.2）1原理图设计

图（3.2.5）任务板（V4.2）1PCB

第4章 系统软件设计

4.1 编译环境

采用KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。

4.2 模块的驱动

4.2.1任务一程序设计：

4.2.2任务二程序设计：

第5章 系统调试分析

5.1 系统设计中的注意事项 

5.1.1 外部因素 

外部因素主要有环境光线、赛道材质等因素。

以采用光电寻迹方案的智能车为例，如果接收的信号中有很多噪声成分，或者黑白区分不清晰，就很难识别路线，从而对后续的控制过程造成很大影响。

因此，合理的传感器离地间隙和反射角度、较好的滤波电路设计都是需要考虑的。

5.1.2 内部因素 

（1） 重量因素  

整车质量偏大，对系统动力性有较大影响。

由于我的车装上了大功率电源使小车质量较大，很大程度上影响了小车的灵敏度，同时也增加了电机驱动的负荷。

因此，除了智能车工作必须的电路之外，应尽可能减少车重。

即使是必备部件，可应该采用轻量化的设计。

（2） 传感器的影响 

刚开始的时候，我的传感器装的比较高，这样就不能很好的感应到路线，以至于出现乱跑的现象。

其次传感器两者之间的距离，如果可以的话，尽量使用四处或更多的传感接收，这样的话就可以有效避免小车未来得及做出反应就已经冲出轨迹，回不来的现象，从而实现可靠循迹，如果在以后的设计中需要的话，可以采用激光传感器进行探测，这样就会更精准的寻迹。

（3） 单片机复位的影响 

   单片机要可靠地复位运行，有一定的复位电压，一上电或掉电的时候，如果

电源板不能提供足够的电压强度，很可能会导致单片机跑遍，复位失败，陷入瘫痪状态，解决方法可在单片机供压这里并联一个电容，用电容充放点来避免突然掉电或是外部影响带来的运行失败。

（5） 负荷较重的影响 

   我们的小车只有一块电源板的驱动，没有光电隔离，在通电的瞬间会产生较

大的脉冲，特别是要同时启动液晶屏，电机转动，单片机运行等一些其它硬件工作，这就很难保证小车的正常运行，解决方法是重新设计电路，实现让每个模块都可以和电源并联，各个模块互不影响，这样就可以避免小车不能正常运行。

5.2 硬软件总体调试 

    从一开始最基础的循迹开始，传感器的信号检测与小车的反应，实现准确循迹 ，到超声波距离探测避障，最后到电机转速的捕获与控速及液晶的显示，每一个功能的实现与加强，最终调试成功。

不管是调试硬件还是调试软件，其道理都是一样的，并不是我们自己想怎么样，它就会实现相应的效果，这点我想每个同学都深有体会，每一个细节都是关键，不容忽视，各个模块分别实现，然后合在一起，看能不能整体运行，这也是关键所在。

在调试过程，一定要调理清晰，使自己的每个模块可以有效的配合运作。

第6章结束语

历经半个月的培训和长时间的编程，小车终于调试成功，其中在最基本的循迹上增加了，避障，测速，超声波测距，虽然看上去功能比较强大，具备智能小车基本所需要的功能，但并没有让自己感到满足，其中存在很多方面的缺陷，同时也体现出自己能力的不足，在自己今后的学习中也有很大的启发作用。

我们队3个人从单片机最小系统到电机驱动模块，都得自己画电路版，焊电路版，查资料，写程序，记得有几次我们测试程序失败，然后不停在程序上找原因，可最后发现是电路板画错了，不得不重新画过，然后再焊电路板。

在这过程中考验了我们的耐心和智慧，锻炼了我们的实践能力，在设计中提高了我们数电模电的理论水平，也让我们感受到实践的坎坷和乐趣。

致谢

十分感谢北京百科融创教学仪器设备有限公司的大力支持和提供平台，还有各位指导老师给我们的帮助，在我们有疑惑的时候能帮助我们解决问题，同时也非常感谢全国职业院校技能大赛提供的平台，对我们参与本次“嵌入式应用开发”设计比赛提供援助，让我们有机会在实践中提高能力，充分把理论与实践结合。

参考文献

[1] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程——入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：

电子工业出版社，2009 

[2] 蔡美琴 MCS-51系列单片机系统及其应用[M].北京:

高等教育出版社，2002 

[3] 冯建华，赵亮 单片机应用系统设计与产品开发[M].北京：

人民邮电出版社 2004