智能小车红外导航系统设计毕业设计.docx

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智能小车红外导航系统设计毕业设计

智能小车红外导航系统

学生姓名：

学生学号：

院（系）：

电气信息工程学院

年级专业：

指导教师：

助理指导教师：

二〇一五年五月

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

随着科学技术的急速发展，人类探索大自然的脚步越来越远。

然而，大自然中有很多不适合人类步入的恶劣环境。

所以就需要智能机器人替代人类进行探索。

在机器人探索过程中智能导航起到很重要的作用，为了避免机器人在运行过程中被障碍物所阻碍，就需要使用传感器实现避免障碍物阻碍。

传感器是智能小车在运动过程中避免碰撞的最后一道保护。

为了让智能小车能够像人一样在碰到障碍物之前就能发现并避开它，需要用到非接触检测传感器，如视觉摄像头。

在小型的智能小车制作中，采用摄像头视觉显然是一种比较复杂且成本昂贵的选择。

AT89S52单片机是一种功耗低、性能高8位的CMOS微控制器，拥有8K的系统可编程Flash存储器。

使用美国Atmel公司的高密度不易失性存储器技术制造的，它和工业上的80C51系列产品指令和引脚完全兼容。

AT89S52单片机的片上Flash允许程序储存器在系统可以编程，也适用在常规的编程器上。

在单芯片上，AT89S52单片机拥有很灵巧的8位CPU和系统可编程Flash，这些优势使得AT89S52单片机广泛应用在众多的嵌入式控制应用系统中。

本设计使用价格非常便宜且应用广泛的红外线（IR）部件进行通信和测量，采用AT89S52单片机为控制核心，利用红外传感器检测道路上的障碍，控制智能小车的伺服电机运行实现小车的自动避障。

控制机器人运动的伺服电机以不同速度旋转是通过让单片机的输入/输出（I/O）接口输出不同的脉冲序列来实现的。

从单片机的引脚开始，对各引脚进行分配，使伺服电机与红外传感组受到单片机的控制。

然后对红外传感器组进行电路设计。

最后用程序让整个系统各行其职。

整个系统的电路结构简单，可靠性能高。

通过实验的结果来看，本设计满足题目要求，本文重点介绍和讲解了该系统的硬件和软件的设计以及测试结果的分析。

关键词AT89S52红外传感器避障

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,humanfootstepsfartherexplorenature.Innature,however,therearealotofunfitforhumaninbadenvironment.Thereforeneedintelligentrobotsreplacehumantoexplore.Intelligentnavigationintheprocessofroboticexplorationplayaveryimportantrole,inordertoavoidtherobotbyobstaclesintheprocessofoperation,willneedtousethesensortoachievesteerclearofobstacles.

Sensorissmartcartoavoidcollisionintheprocessofmovementofthelastlineofprotection.Inordertomakesmartcartolikepeoplebeforetheyrunintoobstaclescandiscoverandavoidit,needtousenon-contactdetectionsensors,suchasvisioncamera.Insmallintelligentcarproduction,usingthecameravisionisclearlyamorecomplexandexpensiveoption.AT89S52SCMisakindoflowpowerconsumption,highperformance8-bitCMOSmicrocontroller,with8ksystemprogrammableFlashmemory.UsetheAtmelcompany'shighdensityisnoteasytolossofmemorytechnology,anditindustryonthe80c51seriesproductisfullycompatiblewithinstructionsandpin.AT89S52MCUchipFlashprogrammemoryisavailableontheinsystemprogramming,alsousedinconventionalprogrammer.OnthesinglechipAT89S52MCUhasaveryclever8-bitCPUandsystemprogrammableFlash,theseadvantagesmakeAT89S52singlechipcomputeriswidelyusedinmanyembeddedcontrolapplications.

ThisdesignUSESthepriceisverycheapandwidelyusedcommunicationandmeasurement,infrared（IR）componentsadoptAT89S52singlechipmicrocomputerascontrolcore,usinginfraredsensordetectionintheway,tocontrolthesmartcartorunservomotortorealizethecarautomaticobstacleavoidance.ControltherobotmovementoftheservomotorrotatingatdifferentspeedsbyMCUinput/output（I/O）interfaceoutputdifferentpulsesequences.StartingfromtheMCUpin,distributionofeachpin,maketheservomotorbysinglechipmicrocomputercontrolandinfraredsensorgroup.Theinfraredsensorgroupandcircuitdesign.Thelastusedprogramtomakethewholesystemall.Thecircuitofthewholesystemstructureissimple,reliableperformanceishigh.Throughtheexperiment,thisdesignsatisfiestherequirementofsubject,thispapermainlyintroducesandexplainsthedesignofhardwareandsoftwareofthesystemandtheanalysisofthetestresults.

KeywordsAT89S52，Infraredsensor，Obstacleavoidance

1绪论

1.1课题背景

随着社会的发展，计算机、微电子、信息技术行业都非常快速的进步，智能化技术的研究发展速度越来越快，智能度也是越来越高，其应用范围也有了非常大的扩展。

比如在海洋开发、宇宙探测、工农业生产、军事、社会服务、娱乐等各个领域都出现了智能化。

智能小车系统在汽车电子产业飞速发展的背景下，涉及了控制、模式识别、传感器技术、电子、电气、计算机与机械等多个学科。

主要有路径识别、角度控制及车速控制等功能模块组成。

同时，当今机器人的技术发展的如火如荼，其应用在国防等众多领域得到广泛开展。

神五、神六等升天、无人飞船等等无不得益于机器人技术的迅速发展。

世界上一部分发达国家已经把智能机器人设计比赛作为其创新教育的战略性手段。

比如在日本，每年都会举行如“NHK杯大学生机器人大赛”、“机器人足球赛”等各种类型的机器人的制作比赛，比赛的参与者大部分都为在校学生，其目的是在通过这些比赛全面的增加学生的实践能力、创新能力、团队配合和进取精神，与此同时也让更多人学习了智能机器人的专业知识。

从某方面来看，机器人激素和反映出了一个国家的综合技术实力高低，而且智能小车是机器人的雏形，它的控制系统等方面的研制将有助于推动智能机器人控制系统的发展，同时也为智能机器人的研制提供了更加有利的手段。

随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。

全国电子竞赛和省内电子竞赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。

可见其研究意义很大。

设计的智能电动小车能够实现在行驶中自动避障。

1.2课题研究现状、水平

随着社会的日益发展，智能机器人在现实生活中发挥其重要作用。

研究基于单片机的多信息采集避障机器人，可以在此基础上研发出更多自动化产品，列如自动巡逻机器人、自动吸尘器等从而提高人们的生活水平和质量。

在世界经济与人类生活水平急速提高的前提下，超级商城、大型的物流仓库的规模和数量的扩大，高层高档的商用楼日益增多，其安保系统自动化的需求必将日趋迫切。

如今这些安保系统仍然依赖于人力巡逻或CCD定位监控，显然已经不能满足夜间安保的要求，如果采用智能机器人实行定时、定点监控巡逻和不间断的流动巡逻相结合，将解决这些场所的安保问题，所以很多国家都在这个方面进行研究，争取更加的智能化，达到基本取代人力。

美国在智能机器人的研究

史上走过一条只重视理论研究，却忽视应用开发的曲折道路，不过在智能机器人的研究技术上美国仍然一直处于领先。

其技术全面、先进，适用性也很强。

其他发达国家如英国、俄罗斯、法国、日本等国也都在智能机器人的研究方面处于领先水平。

如今，中国的示教再现型机器人研究技术已经基本上成熟，并且在工厂中也得到了推广与应用。

我国自行生产的利用机器人进行喷漆的流水线在长春汽车厂和东风汽车厂进行生产，所以机器人研究在中国已经初步成型，不过还是有很大的空白需要填补。

红外的典型应用领域为自主式智能导航系统，机器人要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，感知障碍物相当给机器人一个视觉功能。

小车的智能避障是基于红外传感系统实现的，采用红外传感器来检测前方是否有障碍物以及障碍物的远近。

综合考虑各种因素，我们选择多功能信息采集避障小车作为我们的制作项目。

1.3本课题的发展趋势

随着社会经济与文明的飞速发展，人工智能技术、计算机软硬件技术、自动控制技术也在迅猛的发展，智能控制领域必将迎来其发展的黄金期。

机器人领域近几年有如下几个发展趋势：

1、机器人的性价比越来越高（单价不断下降），性能也越来越高（速度、精度。

可靠性、便于操作和维修性）。

2、工业中，工业机器人控制系统正在向PC机的开发型方向发展，以便于标准化和网络化。

同时，元器件的集成度提高，大大提高了系统的可靠性和易操作性以及可维护性。

3、传感器的作用日益重要，除传统的位置、速度、加速度等传感器外，视觉、声觉、力觉、触觉等多种传感器的融合技术已用来进行环境建模及决策控制。

2方案论证与选择

本课题是智能小车红外导航系统设计，课题重点研究的是红外导航部分，所以在设计方案时主要讨论红外传感器的设计。

是本次设计的核心部分。

下面我们对红外传感器进行方案讨论。

2.1系统方案设计

对于智能小车红外导航系统而言决定它的工作效率的条件，不仅由传感器决定，而传感器材料本身的性质决定、光线角度、物体颜色有关。

同时还与我们所选的控制核心有关，所以我们如果要最大限度的做好本次设计，那么我们必须选择好的控制核心。

下面我们就对于这方面分析与论证。

设计方案一：

图2.1系统设计框图

设计方案二：

图2.2系统设计框图

设计方案三：

2.2系统方案选择

方案分析：

对于以上两种方案，方案一是采用红外传感器组作为整个系统的信息采集模块，红外传感器组由红外LED和红外接收器组成，其优点：

电路简单，可以自己做，成本低；缺点：

受光线的影响大，不可测距。

方案二是采用超声波传感器作为整个系统的信息采集模块，其优点：

可以测量距离，受温度影响小，较稳定；缺点：

价格相对较贵，大量用不现实，一般网上卖的超声波模块测距最远在3、4米。

方案三是采用ARM板作为整个系统的控制核心，本身ARM是一个CPU设计厂商，他自己并不生产CPU。

其实在CPU发展初期ARM是想买INTEL的CPU设计图的，但是INTEL不卖，所以就自己研发了简单指令集类架构的处理器。

现在以ARM架构图纸二度开发的厂商很多，比较有名的几个三星、德州仪器、高通、英伟达……

ARM的主要优势在于功耗和功耗性能比，因为耗电量很低所以，一般用在移动设备上面。

现在在集成大型服务器上面也有用，因为功耗很低达到相同性能（与INTEL大型服务器相比）消耗的电能低很多。

缺点也是很明显的，他由于是基于简单指令集的处理器所以在单周期内处理复杂指令的能力要比X86架构差很多，而且他的处理器每一代之间都不是完全兼容的，又没有一个像Windows一样的系统，所以在使用ARM的设备上面，基本厂商要对每一种设备，每一种芯片的组合定制一个操作系统（比如现在的android虽然看上去都一样，但是A设备的系统放B设备上99.9%用不了）。

经过以上方案仔细的研究和反复的论证，我最终选择方案一作为本次设计的整体框架。

2.3本课题的研究内容

本课题是用AT89S52单片机作为控制核心的，以红外LED、红外接收器作为整个系统的信息采集模块，用伺服电机作为运动执行元件，实现小车的自动避障功能。

2.3.1课题的设计要求

1、发射出波长为980nm的红外线光；

2、检测到物体反射回来的38.5KHz的电信号；

3、小车实现自动避开障碍物的功能。

2.3.2本课题的创新点

本设计是利用红外线传感器充当小车眼睛，使小车具有到达人类所不能步入的恶劣环境下进行探测的基础。

它具有以下优点：

1、实现小车智能化，能自己做出选择，不需要认为控制。

2、整个系统处理速度快，不会出现小车停顿的问题。

3系统硬件设计

3.1系统框图设计

系统设计框图如下图所述，整个系统由单片机最小系统，红外检测模块，电机驱动模块组成。

小车起始时是处于静止状态，按下电源键使小车前进。

当再次按下电源键时小车停止前进。

当左边红外检测器检测到障碍物时，将一个P1_2的低电平转成高电平，单片机接受到信号后，通过程序将P1_1端由低电平转成高电平，延时1700ms后改低电平，P1_0改为高电平，延时1700ms后改为低电平延时20ms，从而使小车右转。

当右边红外检测器检测到障碍物时，将P1_2的低电平转高电平，单片机接收到信号后，通过程序将P1_1端口由低电平转成高电平，延时1300ms后改为低电平，P1_0改为高电平延时1300ms后改为低电平，延时20ms，从而使小车左转。

图3.1系统设计框图

3.2最小系统设计

3.2.1最小系统简介

单片机最小系统由复位电路、晶振电路、数据采集接口和电机控制接口组成。

所谓晶振电路即指单片机地时钟电路。

单片机晶振两个电容的作用：

这两个电容叫晶振的负载电容，分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，一般在几十皮发。

它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度，一般订购晶振时候供货方会问你负载电容是多少。

晶振的负载电容=[（Cd*Cg）/（Cd+Cg）]+Cic+△C式中

Cd,Cg为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容,Cic（集成电路内部电容）+△C（PCB上电容）经验值为3至5pf。

复位电路的基本功能是：

系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。

为可靠起见，电源稳定后还要经过一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。

单片机复位电路参数的选定须在振荡稳定后保证复位高电平持续时间大于2