智能小车毕设.docx
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智能小车毕设
诚信声明
本人申明：
本人所提交的毕业论文《基于步进电机的智能小车》的所有材料是本人在指导教师指导下独立研究、写作、完成的成果，论文中所引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文中加以说明；有关教师、同学和其他人员对我的论文的写作、修订提出过并为我在论文中加以采纳的意见、建议，均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。
本论文和资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。
特此申明。
本人签名：
谭加加
2012年06月15日
基于步进电机的智能小车
摘要
我本次设计采用ATMEL公司中的AT89S51单片机为控制核心，在最小系统的基础上，通过对外围传感器信号和控制按键的检测，控制步进电机的正转、反转、加速和停止使智能小车可以循着黑线自动循迹，碰到障碍物可以合理的避障，探测到金属可以发出报警信号，从而使智能小车实现合理行进。
关键词：
AT89S51单片机、智能小车、步进电机、自动循迹
ABSTRACT
WethisdesignUSEStheATMELcompanyAT89S51ascontrolcore,thesmallestsystemofbasis,throughperipheralsensorsignalandthecontrolbuttonsdetection,thecontrolofthesteppermotorareturning,inversion,accelerationandstopmakeintelligentcarcanfollowtheblacklineautomatictracing,encounterobstaclescanfollowreasonableobstacle-avoidinganddetectingmetalcanalarm-immediately,thusmakeintelligentcarrealizereasonableprogression.
Keywords:
AT89S51,intelligentcar,steppingmotor,automaticfollowtracing,obstacleavoidance,detectmetal,etc
目录
1引言8
2系统设计9
2.1设计要求9
2.2总体设计方案9
2.2.1系统总体设计方案9
2.2.2基本模块设计方案10
3单元硬件电路设计12
3.1电源电路模块12
3.2光电寻迹模块12
3.3金属探测传感器模块13
3.4红外避障模块14
3.5单片机AT89S51核心模块14
3.5.1单片机芯片的选择14
3.5.2时钟及复位电路15
3.6按键控制模块设计17
3.7LCD显示电路18
3.7步进电机驱动设计电路19
4系统软件设计20
4.1主程序流程图20
4.2步进电机方向及速度控制程序流程图21
4.3金属探测及控制设计流程图21
4.4红外避障及控制设计流程图22
5系统调试23
5.1硬件调试23
5.1.1单元模块的测试23
5.2软件调试23
6心得体会24
参考文献25
1引言
智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。
本设计主要体现多功能小车的智能避障模式，设计中的理论方案、分析方法及特色与创新点等可以为自动运输机器人、采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人等自动半自动机器人的设计与普及有一定的参考意义。
同时小车可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值。
超声波作为智能车避障的一种重要手段，以其避障实现方便，计算简单，易于做到实时控制，测量精度也能达到实用的要求，在未来汽车智能化进程中必将得到广泛应用。
我国作为一个世界大国，在高科技领域也必须占据一席之地，未来汽车的智能化是汽车产业发展必然的，在这种情况下研究超声波在智能车避障上的应用具有深远意义，这将对我国未来智能汽车的研究在世界高科技领域占据领先地位具有重要作用。
本智能小车系统最诱人的前景就是可用于未来的智能汽车上了，当驾驶员因疏忽或打瞌睡时这样的智能汽车的设计就能体现出它的作用。
如果汽车偏离车道或距障碍物小于安全距离时，汽车就会发出警报，提醒驾驶员注意，如果驾驶员没有及时作出反应，汽车就会自动减速或停靠于路边。
随着计算机、微电子、信总处理及智能控制的快速发展，机器人技术也在逐步深入和细化。
随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在城市安全、国防和空间探测领域等有害与危险场合得到很好的应用。
因此，移动机器人技术已经得到世界各国的普遍关注。
移动机器人的研究不仅可以推动科学技术的向前发展，同时其应用必将带来巨大的经济效益和社会效益。
1.1课题背景与意义
智能人，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。
它集中了传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。
随着电子技术的不断发展人们发明了各式各样的具有感知，决策，行动和交互能力的机器人，自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等多个领域。
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，随着它在人类生活领域中的应用不断扩大，将会给人们的生产生活带来了巨大的影响。
在国外机器人的发展有如下趋势。
一方面机器人在制造业应用的范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度越来越高，功能也越来越强，并向着技术和装备成套化的方向发展；另一方面，机器人向着非制造业应用以及微小型方向发展，如表演型机器人，服务机型器人，机器人玩具等。
国外研究机构正试图将机器人应用于人类活动的各个领域。
在我国机器人主要应用于工业制造领域，我国工业机器人现在的总装机量约为120000台，其中国产机器人占有量约为1/3，即40000多台。
与世界机器人总装机台数7500万台相比，中国总装机量仅占万分之十六。
对中国这样一个拥有13亿人口的大国来说，仅在机器人数量上就和发达国家有着很明显的差距。
因此大力发展我国的机器人事业刻不容缓[1]。
智能小车可以理解为机器人的一种特例，它是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人。
与普遍意义上的机器人相比智能小车制作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便，具有很强的趣味性，为此其深受广大机器人爱好者以及高校学生的喜爱。
全国大学生电子设计竞赛每年都设有智能小车类的题目，由此可见国家对高校机器人研究工作的重视程度。
本题目设计的是具有自动避障功能的智能小车，其设计思想与一些日常生活迫切需要的机器人（如测距机器人，搜索机器人，管道探伤机器人）类似。
由于采用了超声波传感器，它不受光照强弱和能见度的影响，能耗低，灵敏度高，即使在较复杂的环境内也可以工作。
智能小车系统的设计采用了模块化的设计方法，电路结构简单，调试方便，有很大的扩展空间，稍加改动便可应用于实际生产生活中，也可作为高校学生以及广大机器人爱好者学习研究使用。
1.2国内外研究现状
机器人作为人类科技发展的新型劳动生产工具，在减轻劳动负荷、优化产业模式、提高生产率，避免作业工人从事危险、恶劣、繁重的工作等方面，显示出极大的优越性。
不过，就机器人而言，目前还没有统一的定义，而且自机器人问世以来，人们就很难对机器人下一个确切的定义。
欧美国家认为，机器人应该是“由计算机控制的通过编程具有可以变更的多功能的自动机械”；日本学者认为“机器人就是任何髙级的自动机械”。
我果科学家对机器人的定义是：
“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力、和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。
”目前国际上对机器人的概念已经渐趋一致，联合国标准化组织采纳了美国机器人协会于1979年给机器人下的定义；“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。
”概括说来，机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器[2]。
智能移动机器人具有高度的自规划、自组织、自适应能力，在无需人干预、无需对环境做任何规定和改变的条件下，能够有目的地移动和完成相应任务。
障碍物检测是智能移动机器人、智能汽车对周边环境感知技术研究领域中的重要方面。
随着技术的发展以及利益的趋向，美国、日本、德国以及意大利等世界发达国家的很多研究机构，陆续在该研究方向作了一定程度的探索和研究，并取得了很多有价值的研究成果。
在我国，由于理论技术、基础设施建设和资金分配等因素限制，在智能机器人技术领域与世界发达国家存在相当大差距，只有为数不多研究机构在该领域做出了一些的成果。
本文按使用传感器的类型不同分为：
基于超声波的障碍物检测系统、基于红外线的障碍物检测系统、基于激光的障碍物检测系统及基于多传感器融合技术的障碍物检测系统等。
20世纪60年代以来，弧焊点焊气焊、机械设备加工、喷涂刻画、设计装配、检测等各种类型，各种用途的机器人相继出现，并迅速在工业生产中实现流水线批量生产，这大大提高了各种产品的标准型和质量。
然而，随着机器人的不断完善发展，人们发现，这些同定于某一岗位工作的机器人并不能完全满足各方面的需要，不能处理复杂的应激变化。
因此，20世纪80年代后期，许多国家有组织有计划的开展了移动机器人技术的硏究。
所谓的移动机器人，就是一种具有高度自组织、自适应、自规划能力，适合于在复杂的非结构化，具有高精确度或繁重、危险工作环境中作业的机器人。
自主式移动机器人的设计目标是在没有人的参与控制且无需对环境作任何规定和改变的条件下，有目的的移动并完成相应设定任务。
在自主移动式智能机器人的相关技术研究中，导航技术的应用是其研究的核心，也是移动机器人实现智能化及完全自主调节、控制的关键技术。
导航研究的网标就是：
在没有人的干预下使机器人有目的地移动并完成特定任务，进行特定操作。
机器人通过装配的信息获取手段，获得外部环境信息，实现自我定位，判定自身状态，规划并执行下一步的动作。
因此单从系统硬件层次上讲，移动机器人必须具有丰富的传感器、功能强大的控制计算机以及灵活和精确的驱动系统。
根据设计要求，确定如下方案：
在现有的（带有两个步进电机和一个万向轮）小车的基础上，加装光电寻迹、红外线避障及金属探测器，实现对小车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测到的数据传送至AT89S51单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对小车的智能控制。
这种方案能实现对小车的运动状态进行实时控制。
本次设计采用ATMEL公司中的AT89S51单片机。
以AT89S51单片机为控制核心，利用红外线检测道路上的障碍，控制智能小车的自动避障，以反射式光电传感器检测小车要行走的路线，控制小车的自动寻迹，利用金属探测器实现对小车的停止进行控制。
根据题目的要求，确定如下方案：
将报废的玩具电动车经过改造的基础上，加装传感器等探测设备，实现对电动小车前方障碍物的探测，以及小车的的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行分析处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动小车的智能控制。
这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时有效控制，并且控制可靠、灵活，精确度高，可满足对系统的各项基本要求。
2总体设计方案及分析
2.1步进电机的选择
方案一：
选择反应式步进电动机（VR）。
采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，但动态性能相对较差。
方案二：
选择永磁式步进电动机（PM）。
转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。
用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，转动步的角度一般是7.50。
它的出力大，动态性能好；但步距角一般比较大。
方案三：
选择混合步进电动机（HB）。
这是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。
此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。
由于永磁式步进电机的动态性能比较好，而且结构相对比较简单，价格适中，是电子业余爱好者中常用的步进电机。
故在此选用永磁式步进电机。
2.2单片机的选择
方案一：
选择ARM7TDMIS3C44BOX单片机
S3C44BOX单片机包含ARM7TDMI处理器。
ARM7TDMI处理器是ARM公司通用的32位微处理器家族的成员之一，是一种高性能、廉价、低功耗的RISC处理器，同时又具有非常丰富的片上资源，非常适合嵌入式产品的开发。
方案二：
选择AT89S52单片机
AT89S52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
它的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高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。
由于AT89S52的结构简单、价格适中、高性能，故在此选择AT89S52单片机。
2.3步进电机驱动电路的设计
方案一：
使用多个功率放大器件驱动电机
通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。
但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。
方案二：
使用ULN2803八NPN达林顿连接晶体管驱动电机
ULN2803八NPN达林顿连接晶体管是低逻辑电平数字电路（如TTL,CMOS或PMOS/NMOS）和大电流高电压要求的灯、继电器、打印机锤和其他类似负载间的接口的理想器件。
广泛用于计算机，工业和消费类产品中。
所有器件有集电极开路输出和用于瞬变抑制的续流箝位二极管。
ULN2803的设计与标准TTL系列兼容。
由于ULN2803八NPN达林顿连接晶体管的结构简单而且能为步进电机提供脉冲信号，进而将脉冲转化为步进角度，从而能控制步进电机转动。
故选择ULN2803八NPN达林顿连接晶体管作为所需单片机。
2.4数码管显示电路的设计
方案一：
共阳极接法。
把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。
当阴极端输入低电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。
方案二：
共阴极接法。
把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。
每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。
当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。
在本设计中所采用的是共阳极LED数码显示器，其内部结构如图2-12所示：
图2-12LED数码管结构图
在本设计中，数码显示电路通过交替向P2.6和P2.7输出低电平，使得与这两个端口连接的三极管交替导通，从而为数码管提供电源，也实现了数码管的动态扫描。
通过P1口输出段选信号，控制了数码管显示的内容。
3单元硬件电路设
3.1电源电路模块
在设计中，我选用一个简单的电源电路，该电源模块提供了+7.2V、+5V，也可为其他电路系统供电，达到有效的利用。
220V的交流电压通过整流桥，经过滤波，再通过LM2940C集成稳压管得到稳定的+7.2V的直流稳压电源，通过LM2940C集成稳压管得到稳定的+5V的直流稳压电源。
电路原理图如图2所示：
图2电源电路
3.2光电寻迹模块
图3所示电路中，R3起限流电阻的作用，当有光反射回来时，光电对管中的三极管导通，R4的上端变为高电平，此时VT1饱和导通，三极管集电极输出低电平。
当没有光反射回来时，光电对管中的三极管不导通，VT1截至，其集电极输出高电平。
而且经试验验证给此电路供电的电池的压降较小。
因此我们选择此电路作为我们的传感器检测与调理电路。
此光电对管电路简单，工作性能稳定。
图3光电循迹电路检测
3.3金属探测传感器模块
图4所示电路中，我们选用型号：
LJK-D4N金属探测传感器，将其检测面对准运行路面，当小车距离金属块20mm~30mm时，输出一个低电平信号，然后送至单片机,查询判断后控制电动机产生相应动作，使小车车速减慢，并可进行声光提示。
本模块操作简单，准确且抗干扰性能越优。
图4金属探测电路
3.4红外避障模块
图5所示电路采用红外线壁障，利用一管发射一管接收，接受管对外界红外线的接收有无来判断障碍物，这种方式干扰小，而且易于实现。
由于红外线受到外界可见光的影响较大，因此用38KHz调制信号，红外发射二极管发射红外线，在没有遇到障碍物时会输出一个高电平信号，送至单片机中P2.3，如果遇到障碍物后，光线反射回来，接收的光电二极管就会导通，这时候就会输出一个低电平，送至单片机P2.3。
图
图5红外避障检测电路
3.5单片机AT89S52核心模块
3.5.1单片机概述
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
下面是单片机的主要发展趋势。
近年，由于CHMOS技术的进步，大大地促进了单片机的CMOS化。
CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。
这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。
因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。
CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。
采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。
随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。
CHMOS和HMOS工艺的结合。
目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。
因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。
随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。
在单片机家族中，8051系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS–51系列中的8051内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与8051单片机兼容的基础上改善了8051的许多特性。
这样，8051就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为8051系列。
8051单片机已成为单片机发展的主流。
专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，8051可能最终形成事实上的标准MCU芯片。
单片机是微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。
就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。
单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。
其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；/数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。
单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。
根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。
由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。
它的应用遍及各个领域，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。
另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。
从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。
这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。
3.5.2单片机芯片的选择
选择AT89S52是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器。
该器件采用ATMEL高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。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
图6单片机最小系统电路
单片机端口分配如下：
P0.0-P0.7端口分配给步进电机驱动板的控制端；
P1.0-P1.7端口分配给液晶显示器的数据端；
P3.5-P3.7端口分配给液晶显示器的控制端；
P2.0-P2.2端口分配给三路光电寻迹检测电路的信号端；
P2.3-P2.4端口分配给两路红外线避障的检测信号端；
P2.5端口为金属探测器的检测信号端；
P3.0-P3.3端口分配给四个按键的控制端；
P2.6-P2.7端口分配给步进电机驱动电路板中的两块驱动芯片L298N的使能端。
3.5.3时钟及复位电路
时钟电路的设计：
在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。
由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
内部振荡方式的外部电路如图7所示：
图7时钟电路
图中，电容器C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF，我选用30pF。
晶振频率的典型值为12MHz（我所选用），采用6MHz的情况也比较多。
内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中实用电路中使用较多。
也有外部振荡方式，我选用内部振荡方式设计。
复位电路的设计：
当MCS-51系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。
如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。
根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：
上电复位和上电或开关复位。
如图8所示：
图8复位电路
电源接通后，用开关S1操作使单片机复位。
总结时钟及复位电路如图9所示：
图9时钟及复位电路
3.6按键控制模块设计
这次设计中，我采用了四个独立式按键对小车进行四种不同模式的控制。
按键电路如图10所示，按键检测信号由单片机的P3.0-P3.3端口采集，输出低电平时说明有键按下。
图10按键电路图
S2键：
由单片机P3.0检测，作为步进电机正转的启动键。
S3键：
由单片机P3.1检测，作为步进电机反转的启动键。
S4键：
由单片机P3.2检测，作为步进电机的加速键。
S5键：
由单片机P3.3检测，作为步进电机的停止键。
3.7LCD显示电路
采用型号为LCD1602的液晶显示器进行小车行车时间和行程的显示，其电路如图
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