智能小车跟随系统的设计与制作分析.docx

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智能小车跟随系统的设计与制作分析

本科毕业论文（设计）

题目：

智能小车跟随系统的设计与制作

学院：

物理与电子科学学院

班级：

姓名：

指导教师：

职称：

完成日期：

年月日

智能小车跟随系统的设计与制作

摘要:

现在，小车跟随系统正处于研发与试用阶段，它有着多方面的优势：

一方面,充分利用现有的道路资源，有效缓解交通阻塞；另一方面，可以大幅提高驾驶的安全性，减少交通事故的发生。

因而推广和应用小车跟随系统已经成为解决交通问题的一个重要途径。

本文的主要研究工作是设计和制作智能小车跟随系统，整个系统包括硬件及软件两个部分。

硬件部分包括控制电路，蓝牙通信电路，路径循迹电路，电源驱动电路，电机驱动电路等。

软件部分主要包括通过编程使得小车按设定路径实现前进，左拐，右拐，加速，减速，并在小车前进的过程中不断调整小车所在位置等功能。

本文是以电动小车为基础，增加红外传感器，蓝牙等。

利用传感器来有效地确定小车前进路径、小车所在位置等信息。

单片机接收并处理传感器所产生的信号并加以一定的算法来判断两个小车的状态及其相互间距。

最后通过蓝牙来进行小车间的通信，从而控制两个小车加、减速度来使得小车间距相对恒定。

该智能小车跟随系统能够实现的功能有：

自动循迹；保持车距；紧急停车等。

关键词：

智能小车跟随系统；蓝牙通信；单片机；软件设计

目录

1引言1

1.1研究背景及意义1

1.2智能车辆研究现状1

1.3研究内容1

2功能分析2

2.1主控模块2

2.2循迹模块3

2.3电机驱动模块3

2.4电源模块3

2.5通信模块3

3硬件设计3

3.1主控硬件设计4

3.2循迹硬件的设计4

3.3驱动硬件设计5

3.4电源硬件设计5

3.5蓝牙通信串口硬件设计6

3.6本章总结6

4软件的设计与实现6

4.1概述6

4.2软件的结构设计7

4.3主要模块的实现8

4.3.1循迹流程图8

4.3.2电机驱动流程图8

4.3.3位置判断流程图10

4.3.4蓝牙通信流程图11

4.4本章小结11

5系统功能测试11

5.1系统功能测试12

5.2测试结果分析13

6结论与展望13

6.1结论13

6.2展望13

参考文献14

致谢15

1引言

1.1研究背景及意义

随着经济的快速发展，城市的人口不断增加，从而城市的交通压力也越来越大。

在中国的一些大中型城市，由于严重的堵车问题，上、下班路途中所消耗的时间可能会长达数个小时。

此外，近些年来，交通事故频繁发生，这已经危害到了许多人的生命和财产。

因此，想要解决交通问题已经不能仅仅依靠交通管理部门，更需要从科技的角度来解决这一问题。

幸运的是，在最近几年传感器、单片机技术突飞猛进，受此影响，智能小车跟随技术正在逐步从可能转为现实。

智能小车跟随技术是指通过车载传感系统感知道路环境，通过现代通信技术使车间进行通信，同时加以一定的算法分析，使得后车紧跟前车行驶。

这一特点使得它具有如下优点：

首先，充分利用道路资源，减少堵车事件发生的概率。

此外，它还能够在行驶过程中探测可能发生危险事故，由于计算机有着比人脑更快的反应速度，从而能够避免交通事故的发生。

1.2智能车辆研究现状

智能车辆的发展过程可以分为以下三个阶段：

第一阶段：

20世纪50年代。

在这一时期，人们刚刚开始接触研究智能车辆。

尽管这一时期的智能小车系统仅能在一个固定的轨道上运行，自动化水平比较低，但已经符合智能车辆的基本要求。

第二阶段：

80年代中后期。

在这一阶段，随着计算机的应用与传感器技术的不断发展，智能车的研究有了较大的进展，尤其在一些发达国家，取得了巨大的进步，促使智能车辆不断深入各个实用领域。

第三阶段：

90年代至今，智能车辆的研究取得了更快的发展。

尤其是近些年来，随着各个国家在智能车辆的研究之中投入的人力、财力不断加大，智能小车的发展越来越快。

如今，智能车辆已经不仅仅局限于科学研究和工厂使用，它也不断地走入了许多人的日常生活中。

1.3研究内容

本设计是基本AT89S52单片机的，通过蓝牙使两个智能电动车相互通信来组成智能小车跟随系统。

设计的主要内容是对电动车进行硬件电路与软件的设计。

其中硬件电路主要包括控制电路，蓝牙通信电路，路径循迹电路，电源驱动电路，电机驱动电路等。

其中，AT89S52单片机作为每个小车的控制核心，控制着电动车的各个模块正常工作，并通过编程使得小车按照预定路径实现前进，左拐，右拐，紧急停车，加速，减速等功能。

本设计是以电动小车为基础，增加红外传感器，蓝牙等。

利用传感器来有效地确定小车前进路径、小车所在位置等信息。

单片机接收并处理传感器所产生的信号并加以一定的算法来判断各个小车的状态及其相互间距。

最后通过蓝牙来进行小车间的通信，从而控制各个小车加、减速度来使得小车间距相对恒定。

综上所述，本设计中整个系统电路结构简单，性能相对较高。

主要采用如下技术：

首先是选择适当的传感器。

利用传感器来实时监测小车位置并传送给单片机，单片机根据传感器所传回的信息来控制小车的两个电机运转，实现循迹行走功能。

其次，利用蓝牙设备在两个小车之间进行通信，由其中一个小车的单片机来判断两小车的相对位置，从而产生控制指令，来改变小车的行驶速度。

2功能分析

根据设计内容的要求，采用基于单片机的控制方式，使用蓝牙设备进行通信。

图2-1为系统框图。

图2-1系统框图

2.1主控模块

目前，具有人工智能的电子产品、设备通常采用的控制器都是单片机。

现在市场上的单片机厂商很多，单片机种类也不尽相同，功能更是各具特色。

本文设计的是一个相对简单的控制系统，无需采用一些特殊功能的单片机。

因此，根据实际条件，最终选择在两辆小车上各搭载一片ATMEL公司的AT89S52芯片作为每个小车的主控器件。

图2-2为AT89S52控制原理图。

图2-2AT89S52控制原理图

2.2循迹模块

循迹装置类型选择：

采用集成QTI传感器DM-S53401，它是一种通过光电接收管来探测其下表面反射光强度的传感器。

根据反射光强度的不同，从而导致传感器输出的变化。

由于它的体积较小、具有日光过滤器，因而在小车中使用性能较好。

循迹硬件数目选择：

采用4路QTI传感器循迹。

在小车行驶过程中，根据轨道的设计，小车会遇到直行或左、右拐弯的路段，因而可以使用中间2路来判断小车与直行道的相对位置，而用外侧2路来判断小车是否在拐弯路段。

因此，4路循迹可以完成任务的要求，且设备数目最少。

2.3电机驱动模块

电机选择：

采用直流伺服电机，它主要通过接收脉冲来运转。

相比于步进电机，直流伺服电机有着一定的优势：

精度更高，克服了步进电机中的失步问题；高速性能好；抗过载能力强；运行稳定；反应时间短；发热和噪声都有着明显的降低。

2.4电源模块

电源选择：

采用干电池组加移动电源共同供电，即在采用4节1.5V干电池通过稳压单元降至5V后给单片机及其他设备（如传感器、电机等）供电的基础上，增加一个移动电源同时供电。

一方面，可以保证小车电压稳定，设备正常运行而不会断电。

另一方面，也不像蓄电池所占体积那么大，安装相对容易。

2.5通信模块

通信设备选择：

采用蓝牙装置进行通信。

尽管相比红外通信，它的成本相对较高。

但其有着诸多特有的优点：

通信距离相对较长，一般在10米左右，且可以转弯，不用对准。

传输速度快，且可以加密，更加安全。

3硬件设计

3.1主控硬件设计

对于每个小车而言，主控电路的核心器件为AT89S52单片机，通过此单片机来控制小车完成预计的功能。

其中，小车的启动、复位、断电都需要手动开关来控制。

由QTI循迹模块组成的循迹电路进行实时监测，不断判断小车的位置，并将检测到的信息发回给单片机，单片机经过运算后，发送PWM波给电机，从而控制小车速度、启停、转弯、直线行驶等。

除此之外，两个小车的单片机还都需要连接一个蓝牙设备，用于在两个单片机之间传递信息。

系统框图如图3-1所示。

图3-1主控电路连接图

3.2循迹硬件的设计

由于本设计在循迹模块中采用的是集成的QTI循迹模块，故循迹装置内部电路无需再重新设计，仅需将集成的QTI循迹模块正确连入AT89S52单片机中集可。

具体电路连接图见图3-2。

图3-2QTI设备连接图

3.3驱动硬件设计

电机选择：

采用直流伺服电机。

伺服电机具有如下特点：

它在接收到一个PWM波形脉冲时就会旋转一定的角度，通过不断接收脉冲就可以使得小车持续运动。

对于本设计所选用的电机而言，当接收到的脉冲是高电平持续时间为1.5ms而低电平持续时间是20ms时，电机不发生转动；当低电平时间保持不变，高电平持续时间越接近1.7ms时，电机顺时针转速越快，在1.7ms时，电机顺时针旋转速度达到最大；反之，高电平持续时间越接近1.3ms时，电机逆时针转速越快，在1.3ms时，电机逆时针旋转速度达到最大。

在小车运行过程中，单片机AT89S52通过P1.1和P1.2口发送脉冲波形来分别控制左右电机运转，即将左右电机分别与P1.1和P1.2口相连即可。

3.4电源硬件设计

本系统中的单片机所需的供电电压为+5V工作电压，而电路板的设计是采用6-9V的直流电输入，再通过稳压芯片来为单片机输入5V的工作电压。

每节干电池所提供的电压为1.5V，采用4节干电池串联后可以得到直流电输入口所要求的最小电压6V。

因此，选择4节干电池串联后接入单片机的供电口。

此外，由于干电池所供电压并不稳定，容易造成小车传感器、蓝牙等设备的掉电，从而影响小车的正常工作，故再额外通过USB-ISP线将输出为5V的移动电源连接至小车的ISP下载口即可。

3.5蓝牙通信串口硬件设计

本系统中两辆小车需要在一定情况下进行通信，因而需要使用一个近距离的无线通信装置。

在本设计中，选用蓝牙通信装置HC-05来实现此功能。

HC-05的引脚原理图如如图3-3所示。

图3-3蓝牙引脚原理图

此蓝牙在配对成功后的使用方法与串口的使用方法一样，故同样是将蓝牙接口TXD、RXD分别连至单片机的P3.0、P3.1口，VCC接高电平，GND接地即可正常使用。

3.6本章总结

本章主要分析了小车实现各个功能所需的硬件设备，硬件选择，硬件设备连接等问题，主要包括主控硬件、循迹硬件、驱动硬件、电源硬件、蓝牙硬件等，通过对硬件的分析与设计，为小车能正常运行做好的硬件方面的准备工作。

4软件的设计与实现

4.1概述

在基于单片机的系统设计中，除了要对系统硬件进行设计外，还要对系统的软件进行设计。

在本设计之中，大量的执行工作需要对程序进行设计，这一工作对于系统而言尤为重要。

在编写程序时，要注意一下几点要求：

1.实时性，即软件反应、执行速度快。

2.程序简练，即要求既要完成目标，又要以最简洁的方式表述出来。

3.程序的灵活性与可拓展性，即程序拥有较强的适应能力，在功能需要拓展时可以方便的修改。

4.可靠性，即在系统运行过程中因为软件方面的故障而造成的系统错误尽可能的少。

此外，在用C语言进行程序设计时，具体步骤如下：

1.明确要求，确定软件所要实现的功能。

2.分析具体问题，建立数学模型。

3.绘制出各个程序模块的流程图。

4.将各个程序组合在一起，构成一个完整的程序。

最后，在程序设计的过程中，应注意一下几点要求：

1.各个功能、模块尽量层次化。

2.存储空间合理，节省内存。

3.软件流程要合理，软件布局要清晰。

4.2软件的结构设计

在本设计中，软件的结构设计采用了模块化的结构设计，将整个系统分成五大模块，包括主程序模块、循迹程序模块、电机程序模块、蓝牙通信程序模块、位置判断程序模块等，