基于51单片机的智能小车控制系统设计.docx
《基于51单片机的智能小车控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于51单片机的智能小车控制系统设计.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于51单片机的智能小车控制系统设计
工业职业技术学院
毕业设计
课题名称
基于51与单片机的智能小车控制系统
系（院）名称
电气工程系
专业及班级
学生
学号
指导教师
完成日期年11月19日
摘要
随着我国科学技术的进步，智能化作为现代社会的新产物开始越来越普及，各种高科技也广泛应用于智能小车和机器人玩具制造领域，使智能机器人越来越多样化。
智能小车是一个多种高薪技术的集成体，它融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识，可以涉及到当今许多前沿领域的技术。
整个小车平台主要以51单片机为控制核心，通过无线遥控实现前进后退和转向行驶，通过红外线传感器,实现小车的自适应巡航、避障等功能。
设计采用对比选择，模块独立，综合处理的研究方法。
通过翻阅大量的相关文献资料，分析整理出有关信息，在此基础上列出不同的解决方案，结合实际情况对比方案优劣选出最优方案进行设计。
从电机车体，最小系统到无线遥控，红外线对管的自动寻迹再到红外线自动避障和语音控制，完成各模块设计。
通过调试检测各模块，得到正确的信号输出，实现其应有的功能。
最后将各个调试成功的模块结合到小车的车体上，结合程序，通过单片机的控制，将各模块有效整合在一起，达到所预期的目标，完成最终设计与制作，能使小车在一定的环境中智能化运转。
关键字：
智能小车，单片机，红外传感器。
第一章绪论
1.1.1智能循迹小车概述
自智能循迹小车又被称为AutomatedGuidedVehicle，简称AGV，是二十世纪五十年代研发出来的新型智能搬运机器人。
智能循迹小车是指装备如电磁，光学或其他自动导引装置，可以沿设定的引导路径行驶，安全的运输车。
工业应用中采用充电蓄电池为主要的动力来源，可通过电脑程序来控制其选择运动轨迹以及其它动作，也可把电磁轨道黏贴在地板上来确定其行进路线，无人搬运车通过电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作，无需驾驶员操作，将货物或物料自动从起始点运送到目的地。
AGV的另一个特点是高度自动化和高智能化，可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等改变而灵活改变行驶路径，而且改变运行路径的费用与传统的输送带和传送线相比非常低廉。
AGV小车一般配有装卸机构，可与其它物流设备自动接口，实现货物装卸与搬运的全自动化过程。
此外，AGV小车依靠蓄电池提供动力，还有清洁生产、运行过程中无噪音、无污染的特点，可用在工作环境清洁的地方。
随着社会的不断发展，科学技术水平的不断提高，人们希望创造出一种来代替人来做一些非常危险，或者要求精度很高等其他事情的工具，于是就诞生了机器人这门学科。
世界上诞生第一台机器人诞生于1959年，至今已有50多年的历史，机器人技术也取得了飞速的发展和进步，现已发展成一门包含：
机械、电子、计算机、自动控制、信号处理，传感器等多学科为一体的性尖端技术。
循迹小车共历了三代技术创新变革：
第一代循迹小车是可编程的示教再现型，不装载任何传感器，只是采用简单的开关控制，通过编程来设置循迹小车的路径与运动参数，在工作过程中，不能根据环境的变化而改变自身的运动轨迹。
支持离线编程的，第二代循迹小车具有一定感知和适应环境的能力，这类循迹小车装有简单的传感器，可以感觉到自身的的运动位置，速度等其他物理量，电路是一个闭环反馈的控制系统，能适应一定的外部环境变化。
第三代循迹小车是智能的，目前在研究和发展阶段，以多种外部传感器构成感官系统，通过采集外部的环境信息，精确地描述外部环境的变化。
智能循迹小车，能独立完成任务，有其自身的知识基础，多信息处理系统，在结构化或半结构化的工作环境中，根据环境变化作出决策，有一定的适应能力，自我学习能力和自我组织的能力。
为了让循迹小车能独立工作，一方面应具有较高的智慧和更广泛的应用，研究各种新机传感器，另一方面，也掌握多个多类传感器信息融合的技术，这样循迹小车可以更准确，更全面的获得所处环境的信息。
1.1.2课题研究的目的和意义
随着电子技术、计算机技术和制造技术的飞速发展，数码相机、DVD、洗衣机、汽车等消费类产品越来越呈现光机电一体化、智能化、小型化等趋势。
各种智能化小车在市场玩具中也占一个很大的比例。
根据美国玩具协会的调查统计，近年来全球玩具销量增幅与全球平均GDP增幅大致相当。
而全球玩具市场的在结构比重却发生了重大改变：
传统玩具的市场比重正在逐步缩水，高科技含量的电子玩具则蒸蒸日上。
美国玩具市场的高科技电子玩具的年销售额2004年交2003年增长52%，而传统玩具的年销售额仅增长3%。
英国玩具零售商协会选出的2001圣诞节最受欢迎的十大玩具中，有7款玩具配有电子元件。
从这些数字可以看出，高科技含量的电子互动式玩具已经成为玩家行业发展的主流。
如今知识工程、计算机科学、机电一体化和工业一体化等许多领域都在讨论智能系统，人们要求系统变得越来越智能化。
显然传统的控制观念是无法满足人们的需求，而智能控制与这些传统的控制有机的结合起来取长补短，提高整体的优势更好的满足人们的需求。
随着人工智能技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，智能控制必将迎来它的发展新时代。
计算机控制与电子技术融合为电子设备智能化开辟了广阔前景。
因此，遥控加智能的技术研究、应用都是非常有意义而且有很高市场价值的。
人类的研究活动已摆脱了地球生物圈的束缚而广泛地进入外层空间和海洋深处。
对月球和太阳系其他行星的探测，对太阳系以外的宇宙进行考察，对数千米以下的海底的研究，都是目前单靠人力所不能及的。
自动控制系统正在代替人们完成这些任务。
在战场上的军事活动中，在恶劣环境条件下的生产劳动中，凡不宜由人直接承担的任务，均可由自动控制系统代替，如智能小车可以适应不同环境，不受温度、湿度等条件的影响，完成危险地段、人类无法介入等特殊情况下的任务。
高科技自动控制系统及装置已日益成为现代社会活动中离不开的自动智能设备。
1.1.3智能循迹小车智能循迹分类
AGV从发明至今已经有50多年的历史，随着应用领域围的不断扩大，其种类和形式也变得更加多样化。
一般根据行驶的导航方式将智能循迹小车分为以下几种类型：
（1）电磁感应式电磁感应式引导一般在地面上，沿预定路径埋电线，当高频电流通过导线，电线周围产生电磁场流动，AGV小车上安装两个对称的电磁感应传感器，他们收到的电磁信号差异可以反映的AGV偏离程度路径的程度。
AGV自动化控制系统，基于这种偏差值，以控制车辆的转向，连续的动态的闭环控制设置能够保证AGV对设定路径的稳定自动跟踪。
在目前商业用途的AGV中，特别是大型和中型小车，绝大多数都采用电磁感应导航。
（2）激光式安装有可旋转的激光扫描器的AGV，可安装在墙壁或有高反射激光定位标志的支柱上或者路径上运行，AGV依靠激光扫描器发射激光束，然后接收由四周定位标志反射回的激光束，车载计算机，计算出当前车辆的位置和运动方向，通过置的数字地图和校准位置相比，以实现自动处理。
目前，这种AGV类型的应用比较广泛。
基于同样的原理，如果激光扫描仪被红外线发射器，或超声波发射取代，激光制导的AGV小车可以转变为红外引导和超声引导的AGV。
（3）视觉式视觉引导式AGV是的迅速发展和比较成熟的AGV，这种AGV配备CCD摄像机，传感器和车载电脑，在车载计算机中设置有AGV欲行驶路径周围环境图像数库。
在AGV的行驶过程中，相机得到的图像与图像数据库进行比较，以确定当前位置和车辆周围的图像信息并对驾驶下一步作出决定。
这种AGV小车并不需要设置任何的人工物理路径，所以在理论上具有灵活性，在计算机图像采集，存储和处理技术飞速发展的今天，这种类型的AGV实用性越来越强。
此外，还有铁磁陀螺惯性引导式AGV、光学引导式AGV等多种形式的AGV。
1.1.4智能循迹小车的应用
智能循迹小车发展历史及主要应用场所如下：
（1）仓储业1954年，来自美国南卡罗来纳州的MercuryMotorFreight公司成为第一批把AGV小车的应用到仓库的使用者，来实现出入库货物的自动处理。
至今世界上有超过2100个厂家把大约2万台大型或小型的AGV小车应用到自己的仓库中。
中国的海尔集团在2000年把9台AGV小车投产到了自己的仓库区，形成一个灵活的AGV自动数据库处理系统，轻松地完成了每天至少33500的储存和装卸货物的任务。
（2）制造业在制造业的的生产线中AGV小车大显身手，快速，精确，灵活的完成材料的运送任务。
由多台AGV小车组成的物流运输处理系统，较人工搬运系统来说更灵活，运输路线可以根据生产过程及时调整，使一条生产线，生产十几个产品，大大提高了生产的灵活性，企业的竞争力。
在1974年瑞典的沃尔沃卡尔马的汽车组装厂，提高了运输系统的灵活性，使用以AGV小车为载运工具的装配线，采用该装配线后，减少了20%装配时间、减少了39%组装错误，减少了57%投资资金回收时间以及减少了5%的员工费用。
目前，在世界主要的汽车生产厂家，如通用、丰田、克莱斯勒、大众AGV小车已被广泛应用。
近年来，作为CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystems，直译为基于计算机的现代集成制造系统）的基础搬运工具，AGV已经深入到机械加工，家电制造，微电子制造，烟草等行业，生产业和加工业已成为AGV小车使用最广泛的领域。
（3）邮局、图书馆、港口码头和机场在邮局，图书馆，码头和机场候机楼等人口密集的公众场所，存在着大量的物品的运送工作，充满不定性和动态性强的特点，搬运过程往往也很单一。
AGV有着可并行工作、自动化、智能化和处理灵活的特点，可以很好的满足这些场合的运输要求。
1983年瑞典的大斯得哥尔摩邮局，1988年日本东京的多摩邮局，1990年中国的邮政相继开始使用AGV小车来完成邮品的搬运工作。
在荷兰的鹿特丹港口，50辆被称为“院子里的拖拉机”的AGV小车每天都在把集装箱从船边运送到几百米以外的仓库中。
（4）烟草、医药、化工、食品
对于处理一些需要在清洁、安全、无排放污染等其他特殊环境要求的产品生产如烟草、制药、食品、化工等产品时应考虑AGV小车的应用。
在全国许多卷烟企业，如颐中集团、红塔集团、红河卷烟厂、卷烟厂，应用激光引导式AGV完成托盘货物的搬运工作。
（5）危险场所和特种行业在军事方面，以AGV小车为基础有着自动驾驶和检测功能的设备，可用于战场侦察和扫雷，英国军方正在开发MINDER侦察系统，这是一种具有地雷探测、销毁和路线验证能力自动型侦察车。
在钢铁厂，AGV小车负责炉料运输，大大降低了工人们的劳动强度。
在核电厂的核储存地点使用AGV小车，以避免辐射的危险。
AGV小车可在黑暗环境中，准确、可靠的运输物料。
第二章方案设计
根据课题要求，确定以下方案：
在现有的智能小车的基础上，加上超声波测距器，实现智能小车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量的数据传至单片机进行处理，然后由单片机根据所测量的各种数据实现对电动车的智能控制。
这种方案能实现对电动机运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠、精度高，可满足对系统的各项要求。
2.1主控系统
根据设计要求，我认为该设计属于多输入的复杂程序控制问题，因此我拟定了以下几种方案，具体如下：
方案一：
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
方案二：
AVR单片机是Atmel公司1997年推出的RISC单片机。
RISC（精简指令系统计算机）是相对于CISC（复杂指令系统计算机）而言的。
RISC并非只是简单地去减少指令，而是通过使计算机的结构更加简单合理而提高运算速度的。
RISC优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令:
并固定指令宽度，减少指令格式和寻址方式的种类，从而缩短指令周期，提高运行速度。
由于AVR采用了RISC的这种结构，使AVR系列单片机都具备了1MIPS/MHz（百万条指令每秒/兆赫兹）的高速处理能力。
方案三：
FPGA是由存放在片RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片的RAM进行编程。
用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。
加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。
掉电后，FPGA恢复成白片，部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。
FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用、PROM编程器即可。
当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。
这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。
因此，FPGA的使用非常灵活。
方案比较:
采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。
充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。
这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。
因此，这种方案是一种较为理想的方案。
针对本设计特点——多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D功能也不必选用。
根据这些分析,我选定了STC89C52单片机作为本设计的主控装置，51单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是51单片机价格非常低廉。
在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片单片机，充分利用STC89C52单片机的资源。
2.2单片机最小系统
2.2.1STC89C52简介
STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-Flash Pargramabie and Erasable Read Only Memory ）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
图2-1单片机实物图
STC89C52具体介绍如下：
1.主电源引脚（2根） VCC（Pin40）：
电源输入，接＋5V电源 GND（Pin20）：
接地线
2.外接晶振引脚（2根） XTAL1（Pin19）：
片振荡电路的输入端XTAL2（Pin20）：
片振荡电路的输出端
3.控制引脚（4根）
RST/VPP（Pin9）：
复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG（Pin30）：
地址锁存允许信号 PSEN（Pin29）：
外部存储器读选通信号
EA/VPP（Pin31）：
程序存储器的外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从部程序存储器读指令。
4.可编程输入/输出引脚（32根）
STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。
PO口（Pin39～Pin32）：
8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7 P1口（Pin1～Pin8）：
8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7 P2口（Pin21～Pin28）：
8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7 P3口（Pin10～Pin17）：
8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7
图2-2单片机引脚图
STC89C52主要功能如表一所示：
表一STC89C52主要功能
主要功能特性
兼容MCS51指令系统
8K可反复擦写Flash ROM
32个双向I/O口
256x8bit部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断
时钟频率0-24MHz
2个串行中断
可编程UART串行通道
2个外部中断源
共6个中断源
2个读写中断口线
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
低功耗空闲和掉电模式
2.2.2时钟电路
STC89C52部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由部方式产生或外部方式产生。
部方式的时钟电路如图2-3（a） 所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。
外部方式的时钟电路如图2-3（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。
如图所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。
RXD接地，TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。
（a）部时钟电路（b）外部时钟电路
图2-3时钟电路
2.2.3复位及复位电路
（1）复位操作
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。
除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表二所示
表二复位状态表
寄存器
复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TCON
00H
ACC
00H
TL0
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL1
00H
DPTR
0000H
TH1
00H
P0-P3
FFH
SCON
00H
IP
XX000000B
SBUF
不定
IE
0X000000B
PCON
0XXX0000B
TMOD
00H
（2）复位信号及其产生
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。
若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
产生复位信号的电路逻辑如图
整个复位电路包括芯片、外两部分。
外部电路产生的复位信号（RST）送至施密特触发器，再由片复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到部复位操作所需要的信号。
复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图2—4（a）所示。
这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图2—4（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。
上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。
其电路如图2—4（c）所示：
（a）上位电路（b）按键电平复位
（c）按键脉冲复位
图2-4复位电路
2.3电机驱动模块
采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。
线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的 H型桥式电路（如图2-5）。
用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。
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型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的 PWM调速技术。
现市面上有很多此种芯片，我选用了L298N
这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。
因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。
图2-5H桥式电路
2.4 循迹及避障模块
采用两只红外对管，分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只光电开关接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向，测试表明，只要合理安装好两只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。
（参考文献[3]）
采用一只红外对管置于小车右侧。
通过测试此种方案就能很好的实现小车避开障碍物，且充分的利用资源而不浪费。
（参考文献[3]）
2.5 机械系统
本题目要求小车的机械系统稳定、灵活、简单，而三轮运动系统具备以上特点。
驱动部分：
由于玩具汽车的直流电机功率较小，而小车上装有电池、电机、电子器件等，使得电机负担较重。
为使小车能够顺利启动，且运动平稳，在直流电机和轮车轴之间加装了三级减速齿轮。
电池的安装：
将电池放置在车体的电机前后位置，降低车体重心，提高稳定性，同时可增加驱动轮的抓地力，减小轮子空转所引起的误差。
简单，而三轮运动具备以上特点。
2.6电源模块
采用4支1.5V电池单电源供电，但6V的电压太小不能同时给单片机与与电机供电。
第三章硬件设计
3.1总体设计
智能小车采用前轮驱动，前轮左右两边各用一个电机驱动，调制前面两个轮子的转速起停从而达到控制转向的目的，后轮是万象轮，起支撑的作用。
将循迹光电对管分别装在车体下的左右。
当车身下左边的传感器检测到黑线时，主控芯片控制左轮电机停止，车向左修正，当车身下右边传感器检测到黑线时，主控芯片控制右轮电机停止，车向右修正。
避障的原理和循线一样，在车身右边装一个光电对管，当其检测到障碍物时，主控芯片给出信号报警并控制车子倒退,转向，从而避开障碍物。
3.1.1主板设计框图
主板设计框图如图3-1，所需原件清单如表3-1
图3-1 主板设计框图
元件
数量
元件
数量
元件
数量
直流电机
2只
电阻
若干
集成电路芯片
若干
单片机
1 块
二极管
若干
电容
若干
红外对管
3只
蜂鸣器
1只
电位器
若干
12M晶振
1只
杜邦线
若干
玩具小车
1个
排针
若干
3.2驱动电路（参考文献[4]）
小型直流电机专用驱动器，所用芯片L293属于H桥集成电路，其输出电流为1000mA，最高电流2A，最高工作电压36V，可以驱动感性负载，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。
当驱动小型直流电机时，可以直接控制两路电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。
本模块具有体积小，控制方便的特点。
采用此模块定会使您的电机控制自如，应对小车题目轻松自如。
驱动原理图如图3-2。
图3-2 电机驱动电路
3.3信号检测模块
小车循迹原理是小车在画有黑线的白纸 “路面”上行驶，由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”—黑线。
笔者在该模块中利用了简单、应
升级会员 