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智能小车毕业论文

智能小车毕业（论文）

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毕业设计（论文）开题报告

课题名称

一、选题来源、目的和意义：

（一）选题来源：

教师自拟

（二）选题目的及意义：

智能小车的研究、开发和应用涉及、传感技术、电气控制工程、智能控制等学科，智能控制技术是一门跨学科的综合性技术，当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域.本课题所设计的智能小车，既具有操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成灵活运动的自动化生产设备。

随着工业自动化的不断发展,工业机器人被广泛应用于工业生产的各个部门，如采掘、喷涂、焊接、医疗等各大领域。

由于工业机器人的出现，它不断替代了人们的繁重劳动，大大提高了劳动生产率,减轻了人们的劳动强度,此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作,日益体现出它的优越性。

智能控制小车模拟机器人的运作，可以通过自己的动手排除故障，更加可以给学生一个实践操作的空间，加强学生的动手能力和思维能力。

在制作的产品中，发现一些比较符合实际应用的玩具，而且成本低廉，能够运用实际生产并且有一定的新颖度，有一定的社会需求。

在制作中提高自身对社会需求方向的灵敏度，发现商机,为自己在以后实现创业这个宏伟的目标中打下一个坚实的基础。

二、课题的主要内容（项目概要）:

（一）收集资料

（1） 到图书馆查阅有关的专业著作、学术杂志、简报、图纸、说明书等文献资料。

（2）上网查询,收集下载有关的技术资料。

（二）制定本课题的初步设计方案

根据设计思路,初步分析完成本设计需要以下几个模块:

检验识别模块（包括引导线判别模块，电磁检测测里程模块,红外线模块，超声波模块），单片机控制模块，动力和转向模块，时间、里程动态显示模块，加减速模块，遥控控制模块。

主要系统框图（图一）

各方案具体分析如下：

（图一）

（1）引导线识别模块：

方案一：

应用红外线传感器,通过红外敏感端对不同颜色的感光能力的不同,可以很容易的辨别白纸上的黑色引导线,在车身底部装上红外对管，分两级控制，使得小车循迹而行，电路容易实现且原理简单，并可以通过调节感光端三极管的限流电阻来调节感光距离，以此来避免不必要的干扰。

在小车的车头两边各装一个红外线的发射头，在车头中间部加一个红外线的接收头，这样就可以来判断障碍物的位置，实现避障功能.

方案二：

通过普通发光二极管和光敏二极管（三极管）来实现，但受自然光影响严重，且方向感不强,很容易造成判断误差.

经过论证方案一为计划方案

（2）电磁检验测里程模块

方案一:

可选择透射式光电传感器或反射式光电传感器。

这样需在车轮上作比较大的机械加工（打孔或粘贴黑白反光板），而且市场上能买到的可用的光电传感器体积较大,不易安装，反映慢误差比较大.

方案二：

霍尔传感器，它利用在闭合回路中金属切割磁力线产生的感应电流来产生脉冲信号至单片机.通过检测车轮转过的转数乘上车轮的周长来计算路程，霍尔元件就是一种很好的可用于车轮转数计数的元件。

在普通转盘计数的仪表中加装霍尔元件和磁铁,即可构成基于磁电转换技术的传感器。

霍尔元件固定安装在计数转盘附近,永磁铁安装在计数盘位上，当转盘每转一圈，永磁铁经过霍尔元件一次即在信号端产生一个计量脉冲。

经过论证方案二计划方案

（3）动力和方向控制模块

方案一:

动力方面在单片机外围构建一个电阻网络，通过电阻的分压作用，对小车的速度进行控制。

转向方面靠单刀双掷的继电器控制.如若这样做,动力和转向电路和原理简单，实施方便,但动力电路精度太差并且外电阻对电动机的分流作用使电源利用率太低。

转向电路控制时时性太差，不能时时监控,也不稳定。

方案二：

动力方面和转向方面采用L298电机驱动芯片，L298是恒压恒流双H桥集成电机芯片，可同时控制两个电机,且输出电流可达到2A。

L298的IN2（第7引脚）、IN4（第12引脚）分别与单片机的I/O口相连，作为调制信号。

另外用反向缓冲器SN74LS06与IN2、IN4共同使用，控制直流电机的方向和转速.这样精度高并且稳定,可行性好，而且通过编程能实现人机分离，利于调试。

方案三：

动力方面通过模型假设－－模型建立－－模型求解－－模型分析－－模型检验－－模型应用的数学建模方法，对周边的环境进行测试然后单片机依靠D/A输出的模拟量对小车的速度控制,转向方面采用桥臂电路.本方案特点精确可靠稳定但电路过于复杂,并且数学建模需要对环境进行精确,多次的测量不利于大赛的时间。

经过论证方案二为计划方案

（4）测距模块

方案一：

超声波测距原理是发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时

始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收,收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：

s=340t/2这就是所谓的时间差测距法

方案二:

通过普通发光二极管和光敏二极管（三极管）来实现，但受自然光影响严重，且方向感不强，很容易造成判断误差。

而红外线能测到的距离没有超声波的距离远，检测不到障碍物。

经过论证方案一为最终方案

（5）里程、时间显示模块

离障碍物距离和里程实现5秒的交替动态显示，以精确实时表达小车的行驶情况。

（6）单片机控制模块

本设计采用了Atmel公司的AT89C52，它支持在线调试,这就大大减少了调试不断拔插芯片的烦恼，另外Atmel公司的AT89C52是一款集成化很高的芯片，利于小车调试和装载。

在设计过程中，我们巧妙运用单片机I/O口和特殊功能，尽可能少的去占用口线。

可以说，如果时间有充分的话，我们会利用其他I/O来设计更多的功能和一些更精密精巧的设计。

（7）电源模块

本模块采用9V蓄电池供电。

在电车底座空隙装置9V蓄电池供电,方便有有效的利用空间。

且蓄电池电量比干电池充足，占用空间相对小。

（8）遥控控制模块

遥控模块的选择有声、光、磁、电、波等几种形式,考虑到声音遥控受外界干扰较大，光控也有同样的弊病，磁、电等都受发射距离的限制，所以我们采用由Atmel公司的89C52单片机和HS0038一体化红外接收头作为小车遥控控制启停的控制器。

由于空气中的红外光强度很小，因此我们采用UPD6121编码芯片作为红外发射器的控制核心部件，这样一来,由此红外发射系统发出的红外信号就具有相当高的强度，足以被与其配套的接收器件接收到.接收器件是根据发射器发射的红外信号进行调制和处理，然后进一步处理成电信号来对小车进行启动和停止的控制。

在遥控解码制作中，软件设计有一个很大的难度，解码程序的调试和编写是难点也是亮点.实际上,由于发射能力强，传输距离远，接受模块精度高，抗干扰能力强，且辨码率高,所以,此红外发射、接收模块不仅能完成小车的遥控控制的功能，还能实现其它许多功能。

当然,虽然此遥控模块设计巧妙，功能比较齐全，但受时间，水平限制，肯定有不尽人意之处，我们一定继续努力，设计出更好的遥控模块，和其他方面的作品.

主要模块计划采用的方案

检验识别部分：

采用红外线接收对管传感器实现循迹识别

障碍判别部分：

采用红外线来实现对障碍物位置的判别

动力和转向部分：

采用L298电机驱动芯片实现对小车方向控制

距离检测部分：

霍尔传感器A44E测量里程

显示部分：

液晶动态交替显示时间、里程

超声波测距部分：

采用超声波来测量障碍物距离

单片机控制部分:

Atmel公司的AT89C51

（四）软件流程图

（图二）

（五）根据本课题的原理图，绘制出线路板图。

1、选定印制线路板的材料，板厚和板面尺寸.

2、确定印制线路板的对外电连接方式。

3、设计印制线路板坐标尺寸图。

4、绘制印制线路板照相原图。

5、绘制印制线路板元件装配图。

6、器件布局。

7、布线.

（六）自己动手制作实物（焊接工艺与整机装配）.

电子产品的焊接装配是在元器件加工整形，导线加工处理之后进行的，装配也是制作实物的重要环节。

要求焊点牢固、配线合理、电气连接良好、外表美观、保证焊接与装配的工艺质量.

（七）调试与质量检测。

（八）撰写毕业设计论文。

（九）资料整理,作好答辩准备,进行答辩.

三、实施计划（设计工作的主要阶段、进度和完成时间等）：

初期先是产品设计方案的选定。

选定后就是元件采购阶段，之后就是产品的制作及调试过程，最后就是产品完成整理。

我们的进度是这样的:

在本学期实现产品设计方案的选定，定下一个可行性较高的方案作为制作的基本方案。

在下学期处一个月内我们将完成元件的采购和电路的设计及电路板的制作等工作,之后就是最后的电路安装和调试过程。

最后完成时间大致在明年的四月底五月初。

四、现有的条件、人员及主要设备情况：

（1）。

现有条件:

学校图书馆相关资料。

（2）.主要设备:

学校实验室相关设备.

（3）。

人员：

张卫龙整体电路的设计与安排，以及产品的最后调试工作.

钱鹏霄主要负责PCB板的制作，和最后硬件的连接。

王传晓元件的采购和软件的编译还有就是最后的资料整理工作.

五、参考文献：

［1］杨西明．单片机编程与应用入门[M]．机械工业出版社，2005

[2]张友德．单片机原理与应用技术［M]．机械工业出版社,2004

[3]万文略．单片机原理与应用［M]．重庆大学出版社,2004

［4］谭浩强《MCS-51单片机应用教程》清华大学出版社

［5］夏路易石宗义《电路原理与电路板设计教程Protel99SE》希望电子出版社

[6]刘志名《电路分析》西安电子科技大学出版社

六、审核意见：

指导教师（签名）:

年月日

七、毕业设计（论文）工作指导小组审核意见：

（签名）：

年月日

湖州职业技术学院毕业设计（论文）任务书

学生

姓名

电话

指导

教师

电话

Email

设计（论文）的主要内容及要求:

采用AT89C2051单片机设计一个发音系统.

任务1：

小车能够实时测出与障碍物间的距离，并通过液晶实时显示。

任务2：

小车在启动后的一段距离内加速，达到最大速度后匀速行驶，在距离障碍物一定距离后减速，要求不能碰到障碍物.

内容:

1.小车能够实时测距，可以考虑采用超声波测距;

2.小车的状态能够实时通过液晶显示;

3.小车能够实现自动控制；

4.小车可遥控；

注：

带下划线的部分为学生发挥部分。

推荐参考文献:

［1]AVR高速嵌入式单片机原理与应用，耿德根、马朝等,北京航空航天大学出版社，2002。

10

[2］AVR单片机C语言开发入门指导，詹前卫等，清华大学出版社,2003.5

[3]AVR系列单片机编程与应用实例，金春林等，清华大学出版社，2003。

11

［4]Nokia3310LCD_datasheet.pdf

指导教师对学生开题意见和进度要求：

指导教师签名：

年月日

毕业设计（论文）成绩考核表

指导教师评语:

指导教师签名：

年月日

答辩评审意见：

答辩组长签名：

年月日

成绩：

（验收盖章）

年月日

摘要

智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理,可应用于科学勘探等等的用途.智能小车就是其中的一个体现。

本次设计的简易智能电动车，采用AT89S52单片机作为小车的检测和控制核心；采用红外线接收对管来检测路上感应到的黑色轨道线，从而把反馈到的信号送单片机，使单片机按照预定的工作模式可控制小车预先设计好的路线或轨道行驶；采用霍尔元件A44E检测小车行驶速度；采用红外线检测来判断障碍物的位置；采用1602LCD实时显示小车障碍物的距离,小车停止行驶后，轮流显示小车行驶时间、行驶距离;采用L298来控制小车的里程。

本设计结构简单，较容易实现，但具有高度的智能化、人性化，一定程度体现了智能.

关键词：

单片机红外线红外对管霍尔元件1602LCD

摘要

1.设计任务

任务1：

小车能够实时测出与障碍物间的距离,并通过液晶实时显示。

任务2：

小车在启动后的一段距离内加速，达到最大速度后匀速行驶,在距离障碍物一定距离后减速，要求不能碰到障碍物.

2.设计要求及原理分析

2。

1基本要求:

●小车能够实时测距，可以考虑采用超声波测距；

●小车的状态能够实时通过液晶显示；

●小车能够实现自动控制；

●小车可遥控；

注：

带下划线的部分为学生发挥部分。

2.2原理分析

2.2.1电控系统分析

根据设计要求，我们认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题，并且输入量属于低速开关量，对于低速开关量复杂程序控制应用单片机技术比较合适，初步计划使用单片机作为核心器件来完成本设计.

2.2.2机械系统分析

在题目中没有要求精确的转弯因此我们对前轮转弯节构不必进行改造

2。

2.3传感器设置与布局分析

通过对题目的分析我们得出如下几大需要检测的物理量:

（1）障碍物位置；

（2）地面轨迹的位置;（3）小车行走里程。

对于这几大物理量我们分别使用

（1）红外探测器;

（2）红外对管;（3）霍尔元件。

在传感器的布局上我们拟采用以下方案：

⏹前左侧红外探测器、前右侧红外探测器、后左侧红外探测器、后右侧红外探测器，为电动小汽车规避障碍物提供近距位置参数。

⏹超声波探测器测远距离物体,与红外线探测器构成避障系统。

⏹霍尔元件，为小车记录行驶路程。

⏹中央红外对管，为小汽车寻找轨迹提供开关量信息。

3。

传感器和总控电路的选型与工作方式选取

3。

1红外探测器的选型与工作方式

3.1.1红外探测器的选型

红外探测器以其发射功率大、抗干扰能力强而在工业生产中有着广泛的应用，红外探测器按其工作模式可大致分为主动式与被动式，主动式红外探测器自带红外光源，通过对光源的遮挡、反射、折射等光学手段可以完成对被探测物体位置的判别.被动式红外探测器本身没有光源，通过接受被探测物体的特征光谱辐射来测量被探测物的位置、温度或进行红外成像.在本体中我们要利用红外探测器检测黑白两种不同的灰度和障碍物的距离，显然选用主动式红外传感器比较合适，系统的造价可以降低可靠性可以提高。

主动式红外传感器又可分为分立元件型、透射遮挡型和反射型（如图3。

1示），分立元件型发光管与接收管相互独立,用户在使用时可以根据需要灵活的设定发光管与接受管的位置，并可利用棱镜、透镜等完成特殊的目的，缺点是装置麻烦。

透射遮挡型和反射型通过塑料模具将发光管与接收管封装在一起，非常方便用户使用，在本题中“码盘红外探测器”我们使用透射遮挡型而对黑白灰度和障碍物的检测我们使用反射型。

3。

1.2主动式红外探测器的工作方式选取

主动式红外探测器常用的驱动方式可分为直流直接驱动方式和交流调制方式，直流直接驱动方式装置简单但检测距离和抗干扰能力都比较差；交流调制方式由于可以采用交流耦合方式解决了放大器的直流漂移问题从而可以大大提高检测的距离,同时由于环境光产生的干扰多数情况是信号的直流或低频分量可以由滤波器加以隔绝，因此交流调试方式抗干扰能力也比较强,缺点是系统相对复杂。

在本题中对障碍物的检测受到环境光（特别是200W白炽光源）的干扰比较大，因此我们选用抗干扰能力较强的交流调制工作方式；而对黑白灰度的检测由于在车的底部干扰相对较弱，为简化设计我们选用直流直接驱动方式。

3。

2超声探测器的选型与工作方式

3。

2.1超声探测器的选型

超声探测技术主要用于中程测距、结构探伤等领域，超声波换能器是其核心部件，换能器按其工作介质可分为气相、液相和固相换能器；按其发射波束宽度可分为宽波束和窄波束换能器;按其工作频率又可分为38KHz、40KHz等不同等级。

按题目要求我们选用气相、窄波束、40KHz的超声波换能器.

3。

2.2用超声波探测器测距的工作方式的选取

当利用超声波探测器测距时常用二种方法——强度法和反射时间法，强度法是利用声波在空气中的传输损耗值来测量被测物的距离，被测物越远其反射信号越弱，根据反射信号的强弱就可以知道被测物的远近，但在使用这种方法时由于换能器之间的直接耦合信号很难消除，在放大器增益较高时这一直接耦合信号就可使放大器饱和从而使整套系统失效其原理如图2。

2。

1示，由于直接耦合信号的影响强度法测距只适合较短距离的且精度要求不高的场合。

反射时间法是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离其原理，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间T利用公式s=v×（t/2）其中，S为被测距离、V为空气中声速、T为回波时间（

），可以计算出路程，这种方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门"来加以克服，因此这种方法非常适合较远距离的测距，如果对声速进行温度修订，其精度还可进一步提高，本题中我们选用此方法.

3.3总控电路的选型

针对本设计特点——多开关量输入的复杂程序控制系统，我们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们选定了89C51单片机作为本设计的主控装置，51系列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4K对于本设计也绰绰有余，更可贵的是51系列单片机价格非常低廉.

4。

方案比较与选择：

针对题目要求，我们设计了一种单片机控制的，简易智能小车,这台小车的车体选用现成的市售玩具车改装而成，对其结构,运动部件等部分作了改装。

为完成题目要求，我们使用了很多传感器包括“红外传感器”“红外对管”使这台小车有了“视觉”和“触觉”，我们还为这台小车安装了“大脑”--“单片机控制系统”通过以上努力，基本可以使这台小车可以按我们设定的路线运行。

并且根据我们自己的需要而附加的功能，该电路的总体框图可分为几个基本的模块，框图如图4.1所示:

图4.1总体框图

4。

1引导线识别模块

方案一:

应用红外线传感器，通过红外敏感端对不同颜色的感光能力的不同，可以很容易的辨别白纸上的黑色引导线，在车身底部装上红外对管，分两级控制，使得小车循迹而行，电路容易实现且原理简单,并可以通过调节感光端三极管的限流电阻来调节感光距离，以此来避免不必要的干扰。

在小车的车头两边各装一个红外线的发射头，在车头中间部加一个红外线的接收头，这样就可以来判断障碍物的位置，实现避障功能.

方案二:

通过普通发光二极管和光敏二极管（三极管）来实现，但受自然光影响严重，且方向感不强，很容易造成判断误差。

经过论证方案一为计划方案如图4。

2所示:

图4。

2红外发射接收对管控制循迹原理图

4.2显示模块:

采用共阳极数码管SR410361K进行动态显示小车行驶时间和里程，SR410361K具有四位数码管,这四个数码管的段选a、b、c、d、e、f、g分别接在一起，每一个都拥有一个共阳的位选端，通过动态显示可轮流显示时间和路程,这有利于节省I/O口.系统显示时间的精度为1S,显示路程的精度为0。

02m。

用P0口来控制数码管8段，P1.0到P1。

3控制数码管始能端。

因为I/O口输出电流比较小，所以采用PNP三极管放大电流点亮数码管。

时间和里程实现5秒的交替动态显示，以精确实时表达小车的行驶情况。

4。

3测速模块：

方案一：

采用采用霍尔开关元器件A44E检测轮子上的小磁铁从而给单片机中断脉冲,达到测量速度的作用.霍尔元件具有体积小，频率响应宽度大，动态特性好，对外围电路要求简单，使用寿命长，价格低廉等特点，电源要求不高，安装也较为方便。

霍尔开关只对一定强度的磁场起作用，抗干扰能力强，因此可以在车轮上安装小磁铁，而将霍尔器件安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行车速测量。

方案二：

采用红外传感器进行测速。

但无论是反射式红外传感器还是对射式红外传感器,他们对都对外围环境要求较高，易受外部环境的影响，稳定性不高,且价格较为昂贵。

通过对方案一、方案二的比较其优缺点,综合多方面因素决定选用方案1，其原理图接线如图4。

3所示：

图4.3霍尔A44接线图

4。

4控速模块：

方案一：

使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，成本低，加速能力强,但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大，对于小车的长时间运行不利.

方案二:

采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢，易损坏,寿命较短，可靠性不高。

方案三：

采用由集成了双极性管组成的H桥电路芯片L298.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.

综合三种方案的优缺点，决定选择方案三，其电路原理图如图4.4所示:

图4.4动力和方向控制模块模块原理图

4。

5障碍探测模块方案分析与比较

考虑到在测障过程中小车车速及反应调向速度的限制，小车应在距障碍物40CM的范围内做出反应,这样在顺利绕过障碍物的同时还为下一步驶入车库寻找到最佳的位置和方向。

否则，如果范围太大,则可能产生障碍物的判断失误;范围过小又很容易造成车身撞上障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想定向方案。

方案一：

采用一只红外传感器置于小车中央。

一只红外传感器小车中央安装简易，也可以检测到障碍物的存在，但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，也不易让小车做出精确的转向反应.

方案二：

采用二只红外传感器分置于小车两边。

二只红外传感器分别置于小车的前端两侧，方向与小车前进方向平行，对小车与障碍物相对距离和方位能作出较为准确的判别和及时反应。

但此方案过于依赖硬件、成本较高、缺乏创造性，而且置于小车左方的红外传感器用到的几率很小，所以最终未采用.

方案三：

采用一只红外传感器置于小车右侧并与小车前进方向呈一固定角度。

基于对C点后行车地图中光源及障碍物尺寸、位置的分析，我们采用了从C点出发即获得光源对行车方向的控制,在向光源行驶的过程之中检查障碍物并做出相应的反应，这样不仅只使用一只红外传感器就实现了避障，而且避免因小车自然转弯而导致的盲目方向控制，同时为后面以最简单直接的路线和在最短时间内驶入车库创造了机会。

智能小车应以准确、智能见优,采用方案三.

4。

6刹车机构功能方案比较

方案一、自然减速式

当系统发出停止信号时停止给驱动电机供电,小车在无动力状态因阻力而自然变为静止。

由于惯性，小车全速行驶时需1。

8秒后才能停止,因车轮滑行造成的误差较大.无法实现精确制动的目标。

方案二、反转式

当小车需要停车时给驱动电机以反转信号，利用轮胎与跑道的摩擦力抵消惯性效应。

由于车速是渐减的，反向驱动信号长度也要渐减，否则小车可能反向行驶。

使用此方案后全速刹车反应时间减少为0。

5s.

本系统中采用方案二。

4。

7复位电路模块：

单片机的复位电路通过手动来实现，复位电路图如图4.5所示.

图4。

5复位电路原理图

4。

7遥控模块：

遥控模块的选择有声、光、磁、电、波