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智能小车优秀毕业论文

Revisedasof23November2020

智能小车优秀毕业论文

编号

本科生毕业设计

基于单片机的智能小车设计

TheDesignofIntelligentVehicleBasedonMCU

学生姓名

xxx

专业

自动化

学号

xxx

指导教师

xxx

学院

电子信息工程

二〇一三年六月

毕业设计原创承诺书

1．本人承诺：

所呈交的毕业设计（论文）《基于单片机的智能小车设计》，是认真学习理解学校的《长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例》后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。

2．本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。

3．在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。

4．本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。

以上承诺的法律结果将完全由本人承担！

作者签名：

年月日

摘要

随着我国高科技水平的不断提高和工业自动化进程的不断推进，智能车被广泛应用于各种玩具和其他产品的设计中，极大地丰富了人们的生活。

本文基于ATmega16单片机设计了一种智能循迹避障小车，由电源模块、红外传感器模块、电机驱动模块、调试模块和MCU模块组成。

利用红外对管和超声波检测黑线与障碍物，当左边的红外对管检测到黑线时，小车往左边偏转，右边的红外对管检测到黑线时，小车往右边偏转。

以ATmega16单片机为控制芯片控制电动小车的速度及转向，从而实现自动循迹避障的功能。

其中小车驱动由L298N驱动电路完成，速度由单片机控制。

关键词：

智能小车单片机自动循迹避障

Abstract

Withtheincreasinglevelsofhigh-techandindustrialautomationprocessprogresses,theintelligentvehicleiswidelyusedtoallkindsoftoysandanotherproduction’sdevise.Itisgreatlyenrichedthelifeofthepeople.

BasedonATmega16microcontroller,thispaperisaboutadesignofintelligenttracking-avoidancecar,whichisconsistofthepowersupplymodule,infraredsensormodule,themotordrivemodule,debugmoduleandtheMCUmodules.Usinginfraredandultrasonictestingonthetubeblacklineandtheobstacle,whenleftonthetubedetectsinfraredblackline,thecardeflectedtotheleft,therightofinfraredtubeblacklineisdetected,thecartotherightdeflection.ATmega16microcontrollerforthecontrolchiptocontrolthespeedandsteeringelectriccar,enablingautomatictrackingavoidancefunction.WhichcarisdrivenbyL298Ndrivercircuitcompleted,thespeedcontrolledbytheMCU.

Keywords:

IntelligentVehicle;MCU;automatictracking;obstacleavoidance

摘要I

AbstractII

目录III

第1章绪论1

引言1

课题研究目的及意义1

课题研究现状及发展趋势2

本文的主要工作3

第2章小车的总体方案设计4

设计思路4

小车循迹避障传感器的选型6

小车循迹避障设计方案8

第3章小车的硬件电路设计9

单片机的选型10

小车的硬件电路设计14

第4章小车的软件设计19

主程序设计及流程图19

避障子程序设计及流程图20

循迹子程序设计及流程图21

结论22

参考文献23

致谢24

附录1系统电路图25

附录2智能循迹壁障小车完整程序27

第1章绪论

引言

智能，在科技高速发展的今天，已成为一个引领时尚前沿的代名词，智能手机，智能机器人等等已经在工业，军事中得到广泛的作用，在不为人们所熟知的领域，如深海探测，航空航天，地质勘探，智能也发挥着举足轻重的作用[1]。

智能车是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。

整个系统设计集中运用了自动化控制、传感技术、导航、电子、电气、PC机、机械、人工智能等多个学科的知识[2]，是典型的高新技术综合体。

以后智能机器人的应用领域会愈发广泛，如在航天航空技术、海洋能源开发技术、微电子技术、制造与维修技术、农业自动化、生物医学等领域会有很大的突破和进展。

能自动识别道路并完成相关任务是对一类专业机器人的基本要求，本文主要研究的是以AtmelMega16芯片为核心控制核心的智能车。

由电源模块、红外传感器模块、电机驱动模块、调试模块和MCU模块组成，主要通过红外对管及超声波收集的信息实现智能循迹与避障。

课题研究目的及意义

自第一台工业机器人诞生[3]以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。

近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。

人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人工作的机器一直是人类的梦想。

其中智能小车可以作为机器人的典型代表。

其需要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，实现自动识别路线，选择正确的行进路线，使用传感器感知路线并做出判断和相应的执行动作。

智能小车设计与开发涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科。

它可以分为三大部分：

传感器检测部分，执行部分，CPU。

现代智能小车发展很快，从智能玩具到各行业都有实质成果，其基本可实现循迹、避障功能等基本功能。

日本目前投入市场的不再是高性能的工业机器人，微型机器人汽车也正在逐步的进入市场。

日前由日本科研人员研发的两款微型机器人汽车与大众见面，汽车内安装有最尖端的视觉识别系统，通过内部的摄像头与传感器能够使小车自动识别障碍物，从而避免碰撞，并判断小车与障碍物之间的距离。

目前研究人员已经将小车的这种自动识别系统应用到汽车工业领域去，这将为陷入低靡的汽车行业注入新的活力[4]。

随着计算机、自动控制、微电子技术、人工智能、虚拟现实、微纳米技术、仿生学、材料等相关学科领域的发展，避障循迹小车可以通过自动感知引导线以及躲避障碍物在工作中取代人力运输，节省人力以及成本。

智能车辆是一个运用计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术实现环境感知、规划决策和自动行驶为一体的高新技术综合体。

此类机器人以后对我们的研究和生活定会发挥至关重要的作用，在以后对车辆的自动驾驶，飞船的自动航行模式及深海自动探测有很大的研究价值。

课题研究现状及发展趋势

智能小车，也就是轮式机器人，主要有口令识别与语音合成、机器人自定位、动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制等功能[4-7]。

现在智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。

其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能，这几年的电子设计大赛智能小车又在向声控系统发展。

比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。

2011-2012年世界智能机器人研究取得了新进展。

美国研制出受伤后可自行调整的机器人，英国设计出吃苍蝇老鼠的机器人家具，法国研发出“儿童机器人”，欧洲研发出超级机器人，能预知人类意图等。

，这些都与我们的生活息息相关，给我们的生活带来了极大地方便。

我国一直比较重视智能机器人的研究，国家“863”智能机器人专家组将智能机器人的研究作为今后发展的重点。

许多大专院校和科研机构都在着手智能机器人的研究和开发工作，相继几所高校进行了这方面的研究并取得了一定的成果，如沈阳自动化所的AGV小车，上海大学的导购机器人和哈工大研究所的导游机器人，清华大学智能技术与系统国家重点实验室研制的THMR系列微型移动车，整个系统包括摄像机，磁罗盘，差分GPS，电子地图等车载设备，保证了移动车控制系统能够实现自主驾驶与辅助驾驶。

除此之外，以哈尔滨工业大学为首的众多高校也先后在“机器人足球赛”“机器人起重大赛”这些具有国际水平的人工智能竞赛中取得优异的成绩[8]。

此次设计的智能车可以作为机器人的典型代表，主要实现循迹和避障两个功能。

该智能小车可以作为机器人的典型代表。

它可以分为四大组成部分：

传感器检测部分、执行部分、工作状态显示部分、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。

基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。

智能小车的执行部分，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。

单片机驱动直流电机一般有两种方案：

第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能的单片机，这样可以实现精确调速；第二，可以由软件模拟PWM输出调制，需要占用单片机资源，难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大。

考虑到实际情况，本文选择第二种方案。

CPU使用Mega16单片机，配合软件编程实现。

本文的主要工作

本文研究的是小车的避障及循迹，主要包括以下2个部分：

（1）以Mega16单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和改进，使其功能更加完善。

系统硬件电路主要分为CPU、电源模块、循迹模块、避障模块、显示模块、外围辅助模块六部分。

（2）系统的软件编制。

按照软件实现的功能，主要分为主程序、初始化子程序、信息采集子程序、信息分析及处理子程序、运动控制子程序、工作状态显示子程序。

在程序的编写过程中，加入了详细的文字注释，便于后期的改进与维护。

第2章小车的总体方案设计

设计思路

小车循迹避障的结构

本文所述小车采用RP5大功率坦克车体，它采用带电感的大扭力280马达，组合斜齿+金属齿，形成大扭力、低噪音底盘系统，具有动力性能强、底盘稳定性高、可原地转圈、转弯灵活等特点。

负载能力至少3KG以上。

可以越障碍物，适合比较高要求的场合。

因此可模拟家庭及工业等场合的一些环境。

小车系统结构框图如图2-1所示，系统以Mega16单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、路线检测、障碍检测、按键输入、信号显示和小车姿态控制等功能。

循迹采用单片机查询脉冲调制的反射式红外发射接收器返回的信号以获取道路信息，避障则有中断和查询协同完成，并用发光二极管显示障碍信息及小车运行状态。

系统采用高性能的单片机，要求工作稳定、处理速度快、通用性强，保证小车循迹避障的稳定性及可靠性，而且成本低。

图2-1循迹避障小车结构框图

小车微处理器部分设计思路

微处理器是小车的核心部分，主要完成对外围各个模块的管理，实现对外围模块的信号发送，以及对传感器模块的信号采集，并根据软件算法对所采集的信号进行处理，发送信号给执行模块进行任务执行，还对各种突发事件进行监控和处理，保证整个系统的正常运作。

这里采用AtmelMega16单片机，该单片机是高性能、低电压的8位AVR单片机，内含16K字节的系统内可编程Flash和512字节的EEPROM，另外有两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器和一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器，32个可编程的I/O口[9]。

小车循迹避障部分设计思路

小车循迹避障部分是能够采集周围环境障碍物的信息，并返回至单片机进行处理，其组成部分包括：

环境信息采集电路、放大电路、单片机控制电路。

路线采集电路一般有脉冲调制的反射式红外发射接收器和信号放大器组成，脉冲调制的反射式红外发射接收器根据不同颜色对光的反射程度不同，将路线信息送至放大器，放大器可作为比较器可作简单的滤波，放大器将从脉冲调制的反射式红外发射接收器返回的信号转化为单片机可识别的电平信号后送入单片机。

Mega16单片机可根据接收的信息判断路线的信息，实现对左右两侧直流电机工作状态的控制，以实现左右转向，最终实现循迹功能。

避障部分则有超声波模块和两路脉冲调制的反射式红外发射接收器。

超声波可实现测距，利用超声波返回的信号变化使单片机产生中断，实现障碍的判断，当距离大与某个值时可继续前进，当距离小雨某个值时则单片机进行处理，实现避障。

小车循迹避障电源部分设计思路

LM2940是输出电压固定的低压差三端稳压器，使用6节干电池供电，通过LM2940稳压芯片将干电池提供的9V电稳压至5V为Mega16单片机及其它电路供电。

LM2940最大输入电压为26V，输出电压为5V，最大输出电流为1A，且输出电流为1A时，最小输入输出电压差小于。

工作温度-40～+125℃，内含静态电流降低电路、电流限制、过流保护、电池反接和反插入保护电路。

LM2940工作稳定，比7805转换效率高。

故该小车系统选用LM2940稳压芯片提供稳定的5V电源。

小车电机驱动部分设计思路

小车车体为RP5-CH02玩具坦克车底盘，为差动式履带车,由于其为大功率，采用带电感的大扭力260型马达，形成大扭力、低噪音底盘系统，具有动力性能强，因此也需要大电流大功率驱动模块。

左右两侧的电机分别由电机驱动芯片L298N来驱动。

L298N是一种内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机，可分别独立驱动两个直流电机。

L298N的信号输入端和使能端接收到来自单片机的信号，控制电机的通断以及正、反转，还可以通过向使能端输入不同占空比的方波信号来调整电机转速（PWM方式）。

L298N的最大驱动电流为1A，其具体管脚排布如图4所示。

其中，input端口接入控制信号，output端口接电机的两端，enable接使能信号。

当input1和input2接入信号为“1、0”和“0、1”时，相对应的电机分别正转和反转；当两个input管脚接入信号为“1、1”和“0、0”时，相应电机停转。

Enable使能端为高电平时，相应输入端口信号有效；反之，则输入信号无效。

在enable端接入方波信号，通过调整方波信号的占空比，可实现对电机转速的控制。

小车循迹避障传感器的选型

小车循迹避障传感器简介

可实现循迹避障功能的传感器多种多样，如循迹可以选用发光二极管+光敏电阻、脉冲调制的反射式红外发射接收器、CCD传感器等；避障则可选有红外对管、超声波模块、光电开关等。

小车循迹避障传感器的选定

小车的循迹主要是循黑线前进，可采取的方案如下：

方案1：

采用发光二极管加光敏电阻，该方案缺点：

易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到黑线，主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。

克服此缺点的方法：

采用超高亮度的发光二极管能降低一定的干扰，但这又会增加检测系统的功耗。

方案2：

脉冲调制的反射式红外发射接收器。

由于采用带有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界的干扰；此外红外发射接收管的工作电流取决于平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50～100mA）（ST-188允许的最大输入电流为50mA），则大大提高了信噪比。

此种测试方案反应速度大约在5us。

方案3：

采用CCD传感器，此种方法虽然能对路面信息进行准确完备的反应，但它存在信息处理满，实时性差等缺点，因此若采用CCD传感器，无疑会加重单片机的处理负担，不利于实现更好的控制策略。

脉冲调制的反射式红外发射接收器工作稳定，价格便宜，又可减轻单片机的负担。

因此，我选用方案二。

避障则可选用超声波模块和脉冲调制的反射式红外发射接收器协同工作。

由于超声波反射声波对所测物体的斜度有一定要求，而红外对管对光线有限制，因此，两者协同作用，同时，两侧的红外对管还可实现对左右两侧障碍物的检测，使得小车对障碍物的检测更加准确。

即声波通过测距判断障碍物的距离并通过左右两侧的红外发射接收器判断左前右前方障碍的情况，控制小车的行进方向实现避障。

小车循迹避障传感器的工作原理

循迹模块有三路红外探测模块，均使用红外线发射和接收管等分立元器件组成探头，又由于所采用的红外反射式传感器属于接近式传感器,其光电二极管光生电流随所受到的反射光的强度而连续变化，因而会引起其两端电压的连续变化。

因此,若直接把这个电平信号供给单片机，容易产生误读情况,因此使用LM339或LM358比较器（加入迟滞电路），防止临界输出抖动作为核心器件构成中控电路。

当有路线为黑色时，则对应的接收管返回给单片机的信号为1；为白色或地面时，则单片机相应端口接收到的信号为0。

用电位器产生一个基准电平，当光电二极管的光生电流超过某一值时，运放的正向输入端电平高于基准电平，这时运放的输出电平发生跳变，该信号即可被单片机处理。

通过对基准电平的调整,还可以调整传感器的灵敏度和探测距离，以改变单片机接收到信号的强弱和探测的灵敏度。

三路探头协同工作，根据三路探头返回值的不同确定路线的方向，通过单片机改变两个直流电机的运行状态，来调整小车的姿态，以完成随导引线完成循迹的任务。

图2-2超声波时序图

避障模块应用声波和脉冲调制的反射式红外发射接收器协同工作。

其中，超声波模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

其工作时序图如图2-2所示。

以上时序图表明只需要采用IO口TRIG提供一个10uS以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并自动检测是否有信号返回。

一旦检测到有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

由此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离。

即公式（2-1）：

距离=高电平时间*声速（340M/S）/2（2-1）

小车循迹避障传感器的特性及主要技术参数

红外反射式传感器由1个红外发射管（发射器）和1个光电二极管（接收器）构成。

红外发射管发出的红外光在遇到反光性较强的物体（表面为白色或近白色）后被折回，被光电二极管接收到，引起光电二极管光生电流的增大。

将这个变化经LM339或LM358比较器处理即可变为电压信号，就可以被处理器接受并处理，进而实现对反光性差别较大的两种颜色（如黑白两色）的识别。

其安全工作电压范围在3伏特至6伏特之间。

US-020超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可高达3mm。

其电气参数如下表：

表2-1超声波电气参数

电气参数

US-020超声波模块

工作电压

DC5V

工作电流

15mA

工作频率

40Hz

最远射程