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1、毕业设计正文引 言随着控制技术、计算机技术、信息处理技术和传感器检测技术以及汽车工业的飞速发展，智能小车在工业生产和日常生活中已经扮演了非常重要的角色，近年来，智能车在野外、道路、现代物流及柔性制造系统中都有广泛应用，已成为人工智能领域研究和发展的热点之一。智能小车作为移动式机器人的一个重要分支，具有环境感知、规划决策、自动行驶等功能，它是计算机控制与电子技术的融合，集传感探测（光源、障碍物）、单片机自动控制、电机调速等一体、可以说是计算机、传感器、信息、通讯、导航、人工智能及自动控制等技术于一体高新技术综合体1。现在，机械、电气和电子信息已经不再明显分家，自动控制在工业领域中的地位已经越来越

2、重要，特别是作为机械行业的代表产品汽车，其与电子信息产业的融合速度也显著提高，呈现出两个明显的特点：一是电子装置占汽车整车（特别是轿车）的价值量比例逐步提高，汽车将由以机械产品为主向高级的机电一体化方向发展；二是汽车开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展，使其不仅作为一种代步工具、同时能具有交通、娱乐、办公和通讯等多种功能2。另外，大学生各种大型的创新比赛中，智能车已是一个不可缺少的部分，比如：亚洲广播电视联盟亚太地区机器人大赛（ABU ROBCON）、全国大学生“飞思卡尔”3杯智能汽车竞赛等众多重要竞赛都有智能车的登场，设计与制作智能车能很好的培养大学生对于机电一体化的兴趣与强化机电一体化的

3、相关知识。为了适应机电一体化的发展和自己所学知识的有机结合，提出寻迹避障遥控于一体智能小车的构想，目的在于通过设计并制作一辆具有寻迹避障遥控智能化小车，获得项目整体设计的能力，并掌握多通道多样化传感器综合控制的方法。此次设计的智能小车车体部分由PVC线槽为材料制作而成，采用4轮支撑结构，来增强整车的承载能力。其中小车小车的转向机构是本设计的一大创新点，既有三轮车转向灵活的特点，又有四轮车承载能力强的特点。控制部分由硬件和软件两大部分组成。其中硬件有：AT89S52单片机最小系统；TCRT5000红外光电传感器模块4；红外遥控器收发模块；电机驱动模块以及其他指示外围电路组成。软件中应用模糊控制算

4、法控制小车的运行速度，使小车能够在不同条件下，不同的环境中能够灵活稳定的运行，使其具有一定的自适应能力。编程语言选用C语言进行模块化函数编程，主要有外部中断0红外解码程序，PWM波定时中断T1函数，路径检测函数，遥控函数，避障函数以及小车运行控制函数等组成。最终通过硬件和软件的有效结合，以红外遥控为载体进行人机交互，当按下路经检测功能键时，小车根据引导线作出相应的判断并按照规定的路线自主行驶使其具有自主寻线能力；当按下避障功能键时，小车由避障模块返回的信息确定周围物体的方位，简易避开前方障碍物体的能力；当按下红外遥控功能键时，小车进入手动驾驶状态，可以前进、后退、左转、右转、左后转和右后转等功

5、能，并且在前进时可高速、中速、低速三档运行。第一章 小车总体系统方案的设计本设计中的智能车主要由机械部分、控制单元、传感检测部分、电机模块以及电源部分等五部分组成。本章对这五部分进行方案的初步拟定、比较和论证。加之现有情况最终确定一种灵活地、可靠地、实时地控制方案，来满足系统的各项要求。使其具有一定的自主性和智能化。1.1械部分方案的拟定与比较从车体的实现方法和行走转向机构两方面进行分析：1.1.1实现方法方案一：购买现成的小车车体，如玩具小车，淘宝网上出售的智能车车模等。这些车体外观好看、机械强度好、运行稳定、能满足多种设计要求。但其价格昂贵，整体已成型，不利于改装和个人设计的发挥，具有一定

6、的局限性。方案二：自己手工制作车体。这种方法有利于个人设计的发挥，便于创新设计，且价格低廉成本较低，适合在校大学生的创新设计。不过其外光丑陋，材料的选取比较繁琐。1.1.2行走机构方案一：采用三轮式支撑结构。典型的配置方法是后两轮独立驱动，再加一个万向轮作为支撑，并靠两轮的转速差来改变移动方向。这种小车结构简单紧凑，转向灵活，控制简单，能满足一般的设计要求。但由于其结构的原因其承载能力和运动速度受到一定的限制。方案二：采用四轮式支撑结构。其典型的配置方案有两种形式：一种是左边两个轮共同驱动，右边两个轮共同驱动，转向和三轮车类似也靠左右两边轮的速度差来改变移动方向。另一种是和汽车行走转向机构相同

7、的四连杆机构，后两轮用差动齿轮装置驱动，前两轮用舵机的转角大小控制四连杆实现转向。这两种行走一般用于承载能力强，运动速度快等的场合。特便是后一种，其控制精度高，转向误差小，运行稳定，在各大智能车竞赛中得到了广泛的应用。但其机械结构复杂，控制繁琐，成本也较高，在控制精度要求不高的场合不宜使用。方案三：该方案小车的行走结构简图如图1-1所示。采用前两轮作驱动轮，后轮作随动轮5。其最大的特点是控制前两轮的速度可以独立的进行左、右转向，这样可以减小转弯半径，提高回转精度。故其既有三轮车转向灵活的特点，又有四轮车承载能力强，运行稳定的特点，适合转弯频繁转弯半径较小的场合。但其有个的缺点是转向时对驱动轮的

8、速动控制要求较高，转向完成后对两轮进行适当的修正。图1-1 方案三小车行走机构简图根据以上方案的拟定和比较，确定小车的机械部分实现的方法采用方案二手工制作。行走机构选用方案三，这是本设计的一大创新，在同类制作中属于首例。1.2控制单元方案的拟定与比较方案一：采用各类数字电路来组成小车的控制系统，对外围路经检测信号，红外遥控信号，避障信号进行处理。本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于小车智能化的扩展，对各路信号处理比较困难。方案二：采用AT89S52单片机来作整车的控制单元。AT89S52单片机是一款低功耗，高性能的8为单片机，32个I/O口，3个可编程16位定时器/计数器和8个中断源。采

9、用软件方法解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁、灵活，各类功能易于实现，能很好的满足设计的要求。方案三：采用PIC系列单片机，具有体积小，驱动能力强、集成度高、易扩展、可靠性好、低功耗、系统功能强大、片上集成度密集、处理速度快、稳定性强等特点。适合作为大规模实时系统的控制核心。比较以上三种方案，方案二简洁、灵活、可扩展性好。能达到设计的要求，且有一定的智能化，故采用方案二来实现。1.3传感检测部分方案的拟定与比较传感检测部分由遥控模块、路径检测模块和避障模块组成。1.3.1 遥控模块方案一：采用红外遥控，红外遥控是利用波长为0.761.5之间的近红外线来传达控制信号的，一般由发射和接受两部分

10、组成6。其特点是方向性好，不受电磁干扰，不影响周边环境，不干扰其他电气设备，解码容易，可进行多路遥控，在家用电器的遥控设备当中得到了广泛的应用。但其不能阻挡，遥控距离不能超出7m，在远距离控制中有一定的局限性。方案二：采用无线电遥控，无线电遥控是用无线电波来传送控制信号的，常用的编码方式有两种：固定吗和滚动码两种。它的特点是无方向性，可以不面对面控制，遥控距离远，可达数十米，甚至数公里，但易受电磁干扰。在工业控制领域中达到了广泛的应用。本设计遥控距离有限，选用红外遥控可达到设计要求，并且红外遥控编码程序已在遥控器中固化，不需要进行编程，给设计带来了方便。1.3.2路径检测模块方案一：采用光敏电

11、阻组成光敏探测器，光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线反射强烈，光线照射到黑线上时，光线反射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显变化。将阻值的变化值经过比较器可获得高低电平。但这种方案受光照影响较大。不能够稳定的工作。方案二：采用红外对管TCRT5000光电寻线传感器。TCRT5000由红外发射管和接收管两部分组成，红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色地面时，地面将红外线反射到接收管，接受三极管导通，输出低电平；当发出的红外线照射到黑色地面时，黑色地面将光线吸收，接受管没有接收到反射后的红外线而使三极管截止，输出高电平。这样外接

12、一个比较器就可以与单片机连接，减少电路的连接，给设计带来了方便，但周围环境对其有一定的影响。方案三：采用RPR220型光电对管。RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发射管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。其具有灵敏度高、体积小、工作性能稳定的特点，但其价格高，购买不不方便。综合以上三种方案：选择方案二作为路径检测模块。1.3.3 避障模块方案一：使用超声波探测器。超声波探测器探测距离远，测距方便。但由于声波衍射现象较严重，且波包扩散大，易造成障碍物的错误判断。同时，超声波探测具有几厘米甚至几十厘米的盲区。方案二：使用红外避障传感器，红外传感器是一种集发射

13、与接收鱼一体的光电传感器。具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于安装、使用方便等特点，广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。方案三：使用光电对管。光电对管价格低廉，性能稳定，反应灵敏，但其探测距离近，一般不超过5cm，要求小车制动性能好，对颜色比较敏感，反光物体的探测效果好于吸光物体的探测效果。虽然红外避障传感器有诸多优点，但由于手头只有光电对管，加之小车的运行速度慢，光电对管也能实现简单避障功能，选择方案三。1.4电机方案的拟定与比较1.4.1电机驱动方案一：选用步进电机，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的线位移的开环控制元件。电机的停止位置、转速和转向取决于脉冲信号的个数、

14、脉冲信号的频率和通电的相序。其最大的特点是抗干扰能力强、无累积误差、控制性能好等特点，常被用作一般精度的开环控制系统中。但其运行速度慢，成本高、必须用驱动装置来驱动，不适应于小车等有一定速度要求系统。方案二：选用直流减速电机，直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电机提供原始动力源，带动变速齿轮组，可以产生较大的力矩。加之其具有调速方便、平滑，调速范围广，承载和过载能力强，能实现频繁快速、制动以及逆向旋转等特点，在高速的系统中得到了广泛的应用。其弱点是换向机构的磨损快，受负载影响大。1.4.2电机驱动芯片方案一：采用专用的芯片L298N作为电机的驱动芯片。

15、L298N是一个具有高电压大电流的双H全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。方案二：对于直流电机用分立三极管元件构成H桥驱动电路。由分立元件构成H桥电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定，焊接搭线繁琐。通过以上方案的比较，采用直流减速电机驱动，选用L298N为减速电机的驱动器。1.5 电源模块方案的拟定与比较方案一：选用台式电脑电源供电。台式电脑电源经过稳压处理后，电流的驱动能力及电压的稳定性最好，且负载对电源的影响最小。但由于需要电线对小车供电，影响了

16、小车运行动的灵活性及运动范围，并且在运行过程中要人为的为其拖拉电缆。方案二：采用蓄电池供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力和较好的电压稳定性，经7812芯片稳压后给电机供电，再经降压接7805芯片给单片机及其他模块供电。但蓄电池体积相对庞大，重量过大，造成电机负载过大。方案三：选用干电池组供电。用四节5号干电池给整个系统供电，经二极管降压到5V给单片机和传感检测部分供电，而电机驱动部分直接供6V电压。干电池供电具有体积小、质量轻、以获取等特点。通过各方案的比较，再加上车体由PVC制作而成，承载能力较弱。确定在调试时选用台式电脑供电，在以后的运行中选用干电池供电的方案。1.6 系统方案的总体确定图

17、1-2 系统框图经过反复比较与论证，最终确定小车总体设计方案为：车体机械部分手工制作完成；行走导向机构选用自己设计的方案三，前轮驱动，转向靠两电机速度差来实现；AT89S52为主控单元；外遥控器进行人机交互；TCRT5000作寻线和避障探头；L298N驱动两直流减速电机来完成设计要求。整个系统框图如图1-2。第二章 硬件电路的设计本设计硬件电路主要由五六大模块组成：电源模块、控制单元、电机驱动电路、红外遥控模块、路径检测模块和简易避障模块。2.1 电源模块电路设计单片机和传感器的工作电压为3.55.5V，电机驱动模块的工作电压为346V。由于单片机和传感器用电量小，二者采用集中供电的方式，而电

18、机驱动模块需要的电流大，采用独立供电的方式。为保证整个系统的稳定性和可靠性，电源模块的设计比较关键。在调试过程中采用台式电脑电源，该电源经过稳压处理后输出电压为+5V，可以直接使用。而用四节干电池供电时最高电压可达6V左右，高于单片机和传感器电压，故采用串接二极管使电压降至5V左右的措施给单片机和传感器供电。而电机驱动模块可以直接使用，不需要减压。2.2 控制单元电路设计本模块采用AT89S52单片机作为核心处理器。单片机控制单元基本由最小系统和外围信号I/O口组成，其最小系统包括电源（地），CPU时序电路（一般使用11.0592M或者12M和30P电容组成），复位电路。有以上三部分，单片机就

19、能够正常工作。AT89S52使一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦始于常规编程器。在芯片上，拥有灵活的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用提供高灵活，超有效的解决方案7。AT89S52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52

20、可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保护，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。如图2-1是较为常见的51系列单片机最小系统原理图。图2-1 单片机最小系统2.2.1 时钟电路单片机的时钟产生有两种方法8：内部时钟方式和外部时钟方式。系统的时钟电路设计是采用内部方式，即利用芯片内部的振荡电路，电路连接图如图2-2所示。AT89S52单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器

21、与作为反馈原件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振器，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽量可能的选择陶瓷电容，电容值通常取30PF。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应可能安装的与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好的保证振荡器可靠稳定的工作。图2-2 内部震荡电路2.2.2 复位电路复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST通过一个触发器与复位电路相连，触发器用来抑制噪声，

22、它的输出在每个机器周期中由复位电路采样一次。图2-3 复位电路复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式9。所谓上电复位，是指单片机加电的瞬间，要在RST引脚出现大于10ms的正脉冲，使单片机进入复位状态。按钮复位是指用户按下“复位”按钮，使单片机进入复位状态。常见的上电复位和按钮复位电路如图2-3所示。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能撤销复位信号，以防止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震荡稳定后保证复位高电平持续时间大于2个机器周期，一般电阻R去10K

23、电容C取22uF。2.2.3 并口下载线电路ATMEL公司推出的AT89S系列单片机支持ISP功能和在线编程功能，即在RST引脚处在高电平的情况下，利用P1.5/MOSI（串行数据输入端），P1.6/MISO（串行数据输出端），P1.7/SCK（同步时钟信号）三各引脚的数据设置或传送实现程序下载的功能。使用25针的并口和8位锁存器74H373构成了简单的ISP编程电缆，其接口电路如图2-4所示。其中的74LS373是低低功耗的肖特基图2-4 并口下载线接口电路TTL8D锁存器，74LS373内有8个相同的D型（三态同相）锁存器，由两个控制端（11脚CP，1脚OE）控制。当OE接地，CP为高电平

24、时，74LS373接受PPU输出的地址信号；如果CP为低电平时，则将地址信号锁存。这里的74LS373的其缓冲隔离单片机和计算机的作用。2.3 电机驱动电路L298N是SGS公司的产品。其内部包含4通道逻辑驱动电路，即内含两个H桥的高压大电流双全桥式驱动器，接受标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。由L298N构成的PWM功率放大器的工作形式为单极可逆模式，2个H桥的下侧桥晶体管发射极在一起，其芯片引脚排列如图2-5所示，1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。L298N可驱动2个电机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10

25、、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA、ENB接控制使能端，控制电机的停转10。图2-5 L298N芯片引脚图在本设计，对于电机的调速，我们采用PWM调速的方法11。其原理是在一个周期内高电平通电的时间为，低电平的时间为，则电机两端的平均电压U=Vcc*(t/T)= Vcc。其中， =t/T（占空比），Vcc是电源电压。电机的转速与电机两端的电压成正比，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成正比，占空比越大，电机速度远快。其PWM脉冲波形如图2-6所示。图2-6 PWM脉冲波形图改变占空比的有3种方法：1. 定宽调频法：保持高电平不变，只改变低电平的大小，

26、使周期（或频率）也随之改变。2. 调宽调频法：保持变低电平不变，只改高电平的大小，使周期（或频率）也随之改变。3. 定频调宽法：使周期（或频率）保持不变，同时改变高电平和低电平的大小。图2-7 电机驱动电路图设计中采用第3种改变占空比的方法来驱动L298N芯片，及将周期保持不变，改变使能端ENA和ENB的通电时间来改变两电机的转速，实现小车的调速和转向功能。其硬件连接电路图如图2-7所示，L298N采用独立供电的方式，其电压为四节干电池的电压+6V。将单片机的P1.0P1.3口连接到L298N的IN1IN4口上，通过改变P1.0P1.3口上的高低电平变化来控制小车的前进与后退，通过改变P1.4

27、和P1.5口上输出的PWM脉冲的的占空比的大小来改变小车的速度和小车的转向。L298N的逻辑功能表如表2-1所示，图中和表示左边电机和右边电机的占空比大小。表2-1 电机运行状态表左电机右电机使能端输入PWM信号改变脉宽调速小车运行方式IN1IN2IN3IN4左电机占空比 右电机占空比 1010= 向前直行1010 向前右转0101= 向后倒车0101 先后右转0000=0自由停车1111=0立即刹车另外特别给直流电机的电枢两端并联一个瓷片电容104，以稳定电机的电压不致对单片机造成干扰。实际的使用效果也不错，省掉了通过光电隔离实现单片机输出信号与电机驱动信号隔离的环节，节约成本。2.4 红外

28、遥控电路红外遥控系统一般分发射端和接收端两个部分组成。2.4.1 发射部分发射部分由遥控器编码电路、键盘电路、放大电路、红外发光二极管等组成。当键盘有按键按下时，遥控器编码电路通过键盘行列扫描获取的按键的键值，键值通过编码得到一串键值代码，用编码脉冲去调制3050kHz（多为38kHz或 40kHz）的载波信号，放大后通过发光二极管发射出去。在设计中选用学习型万能遥控器，其内部编码芯片是T9012芯片，它是一块用于红外遥控系统中的专用发射集成电路，功耗低，外围元件少。它的发射码采用脉冲位相调制方式（PPM）进行编码，效率高，抗干扰性能好。T9012的振荡频率为fosc=455kHz，高电平的的

29、宽度Tm=256/fosc=0.56ms12。遥控发射编码通过不同的脉宽表示二进制的“0”和“1”，把一组由代表二进制的“0”和“1”的脉冲串作为遥控发射信号。引导码的脉冲宽度为4.5ms，脉宽调制串行码以脉冲宽度为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”，其波形图如图2-8所示。由二进制码的波形图可知，每个脉冲的宽度是一定的（0.56ms），要判断“0”和“1”、还是引导码只要判断脉冲间隔时间就可以。图2-8 红外遥控二进制码“0”和“1” 的波形图一组发射码由32个

30、脉冲二进制码组成，一帧完成的发射码包括引导码、用户码、数据码和数据反码四部分。引导码是一个4.5ms的低电平脉冲；八位用户编码被连续发送两次，以确保所发的用户编码无误；八位的数据码也被连续发送两次，第一次发送的是数据原码，第二次发送的是数据反码。发送完一组编码的时间在4070ms之间。编码波形图如图2-9所示。图2-9 遥控信号编码波形图2.4.2 接收部分图2-10 红外接收原理图接收原理图如图2-10.由于红外发光二极管的发射功率一般都较小（100mW左右），所以光敏二极管接收到的信号比较弱，因此就要增加高增益放大电路。由于红外接收部分对外界干扰十分敏感，红外接收头必须严格屏蔽，但随着集成

31、化的不断提高，现在大多都采用成品的红外接收头。本设计中采用IRM38A一体化遥控接收头。它集成了光电转换、信号放大、滤波、检波和整形等该接收头对主流传输码都支持，可去除噪声或干扰信号所产生的脉冲。电路连接图2-11所示OUT即解调信号的输出端，直接与单片机的P3.2口连接。有红外编码信号发射时，输出为检波整形后的方波信号，并直接提供给单片机的中断口。这样可以通过测量每次中断的时间，来确定遥控信号的脉冲间隔，识别相应的32位二进制编码。图2-11 红外接收电路连接图2.5 路经检测电路路径检测电路的功能是使智能小车能够检测到路面上的黑色引导线，获取路面信息，从而能够按照引导线自主行驶。路径检测电路由TCRT5000红外光电传感器、可调电阻器和电压比较器LM339N组成。路径检测传感器TCRT5000的工作原理：利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色地板时发生漫反射，反射光被接收管接收，三极管导通，输出端为0；如果遇到黑线红外光被吸收，接收管接收不到红外光，三极管截止，输出端为1。图2-12 LM339N1/4