西南科技大學本科生畢業論文 1 第 1章 緒 論 1.1課題背景 目前 ，在企業生產技術不斷提高、對自動化技術要求不斷加深的環境下，智能車輛以及在智能車輛基礎上開發出來的產品已成為自動化物流運輸、柔性生產組織等系統的關鍵設備。世界上許多國家都在積極進行智能車輛的研究和開發設計。移動機器人是機器人學中的一個重要分支，出現于 20世紀 06年代。當時斯坦福研究院 (SRI)的 Nils Nilssen和 charles Rosen等人，在 1966年至 1972年中研制出了取名 shakey的自主式移動機器人，目的是將人工智能技術應用在復雜環境下，完成機器 人系統的自主推理、規劃和控制。從此，移動機器人從無到有，數量不斷增多，智能車輛作為移動機器人的一個重要分支也得到越來越多的關注。 智能小車，是一個集環境感知、規劃決策，自動行駛等功能于一體的綜合系統，它集中地運用了計算機、傳感、信息、通信、導航及白動控制等技術，是典型的高新技術綜合體。 智能車輛也叫無人車輛，是 一個集環境感知、規劃決策和多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統 。它具有道路障礙自動識別、自動報警、自動制動、自動保持安全距離、車速和巡航控制等功能。智能車輛的主要特點是在復雜的道路情況下，能自動地操縱 和駕駛車輛繞開障礙物并沿著預定的道路 (軌跡 )行進。智能車輛在原有車輛系統的基礎上增加了一些智能化技術設備 : (1)計算機處理系統，主要完成對來自攝像機所獲取的圖像的預處理、增強、分析、識別等工作 ； (2)攝像機，用來獲得道路圖像信息 ； (3)傳感器設備，車速傳感器用來獲得當前車速，障礙物傳感器用來獲得前方、側方、后方障礙物等信息。 智能車輛技術按功能可分為三層，即智能感知 /預警系統、車輛駕駛系統和全自動操作系統團。上一層技術是下一層技術的基礎。三個層次具體如下 : (1)智能感知系統，利用各種傳感器來獲得車輛 自身、車輛行駛的周圍環境及 駕駛員本身的狀態信息，必要時發出預警信息。主要包括碰撞預警系統和駕駛員狀態監控系統。碰撞預警系統可以給出前方碰撞警告、盲點警告、車道偏離警告、換道 / 西南科技大學本科生畢業論文 2 并道警告、十字路口警告、行人檢測與警告、后方碰撞警告等 .駕駛員狀態監控系統包括駕駛員打噸警告系統、駕駛員位置占有狀態監測系統等。 (2)輔助駕駛系統，利用智能感知系統的信息進行決策規劃，給駕駛員提出駕駛建議或部分地代替駕駛員進行車輛控制操作。主要包括 :巡航控制、車輛跟蹤系統、準確泊車系統及精確機動系統。 (3)車輛自動駕駛系統，這是智 能車輛技術的最高層次，它由車載計算機全部自動地實現車輛操作功能。目前，主要發展用于擁擠交通時低速自動駕駛系統、近距離車輛排隊駕駛系統等。 這種智能小車的主要應用領域包括以下幾個方面 : (1)軍事偵察與環境探測 現代戰爭對軍事偵察提出了更高的要求，世界各國普遍重視對軍事偵察的建設，采取各種有效措施預防敵方的突然襲擊，并廣泛應用先進科學技術，不斷研制多用途的偵察器材和探測設備，在車上裝備攝像機、安全激光測距儀、夜視裝置和衛星全球定位儀等設備，通過光纜操縱，完成偵察和監視敵情、情報收集、目標搜索和自主巡邏等任務， 進一步擴大偵察的范圍，提高偵察的時效性和準確性。 (2)探測危險與排除險情 在戰場上或工程中，常常會遇到各種各樣的意外。這時，智能化探測小車就會發揮很好的作用。戰場上，可以使用智能車輛掃除路邊炸彈、尋找和銷毀地雷。民用方面，可以探測化學泄漏物質，可以進行地鐵滅火，以及在強烈地震發生后到廢墟中尋找被埋人員等。 (3)安全檢測受損評估 在工程建設領域，可對高速公路自動巡跡，進行道路質量檢測和破壞分析檢測 ；對水庫堤壩、海岸護岸堤、江河大壩進行質量和安全性檢測。在制造領域，可用于工業管道中機械損傷，裂紋等缺陷的探尋 ，對輸油和輸氣管線的泄漏和破損點的查找和定位等。 (4)智能家居 在家庭中，可以用智能小車進行家具、遠程控制家中的家用電器，控制室溫等等。對這種小車的研究，將為未來環境探測術上的有力支持 。 西南科技大學本科生畢業論文 3 1.2課題研究的目的和意義 目前，國內外的許多大學及研究機構都在積極投入人力、財力研制開發針對 特殊條件下的 安全監測系統。其中包括研究使用 遠程、無人的 方法來 進行實現 ，如 機器人、遠程監控 等。 無線傳輸 的發展使得測量變得相對簡單而且使得處理數據的速度變得很快甚至可以達到實時處理”。 該智能小車可以作為機器人的典型代表。 它可以分為三大組成部分：傳感器檢測部分、執行部分、 CPU。機器人要實現自動避障功能，還可以擴展循跡等功能，感知導引線和障礙物。可以實現小車自動識別路線，選擇正確的行進路線，并檢測到障礙物自動躲避。 通過構建智能小車系統，培養設計并實現自動控制系統的能力。在實踐過程中，熟悉以單片機為核心控制芯片，設計小車的檢測、驅動和顯示等外圍電路，采用智能控制算法實現小車的智能循跡。靈活應用機電等相關學科的理論知識，聯系實際電路設計的具體實現方法，達到理論與實踐的統一。在此過程中，加深對控制理論的理解和認識。 1.3 本設 計的內容及意義 1.3.1 設計的內容 （ 1） 路面檢測模塊 （ 2） 電源模塊為 5V； （ 3） 直流電機的驅動模塊電路，及相應的驅動程序； （ 4） 控速模塊 （ 5） 循線功能電路及程序； （ 6） 復位電路模塊 1.3.2 本設計的意義 隨著汽車工業的迅速發展，關于汽車的研究也就越來越受人關注。全國電子大賽和省內電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究。可見其研究意義很大。本設計就是在這樣的背景下提出的，本題目是結合科研項目而確定的設計類課題。本設計就采用了比較先進的 C51為控制核心， C51采用 CHOMS工藝，功耗很低 。該設計具有實際意義，可以應用于考古、機器人、醫療器械等許多方面。尤其是在足球機器人研究方面具有很好的發展前景；在考古方面也應 西南科技大學本科生畢業論文 4 用到了超聲波傳感器進行檢測。所以本設計與實際相結合，現實意義很強。智能小車國內外研究現狀 : 世界各國在智能微型車領域進行了很多研究，己經應用于各個領域，在探測和軍事領域使用特別多。近年來，我國也開展了很多研究工作，以滿足不同用途的需要。 世界各國開發、研制星球探測車系統己經有了多年的歷史。美國和前蘇聯是從 20世紀 60年代末期開始進行月球表面探測任務的。美國曾在 1966-1968 年間，向月球成功發射了兩次無人巡游探測器。 1997年，由美國 JPL(全稱 JetPropulsion Laboratory，美國太空總署噴氣推進實驗室 )研制的 Sojourner號探測車登上了火星。它驗證了小型火星車的性能，并完成了一系列技術試驗。 2004年 1月，美國的 “ 勇氣號 ” 和 “ 機遇號 ” 火星探測車再度登陸火星。前蘇聯在 1959-1976 年間，總共成功發射了兩個月球探測車。 單片機的應用領域越來越廣泛，無論是在生活，生產上，單片機無處不在。 ATMEL公司的 AT89S51單片機可以廣泛應用于計算機外部設備 、工業實時控制、儀器儀表、通訊設備、家用電器等各個領域。 AT89S51可以說是單片機領域的主流產品 ，其應用如此廣泛，所以有必要去學習和應用該單片機，以滿足實際產品開發的需要， 也是適應社會智能化、自動化的趨勢。 通過構建智能小車系統，培養設計并實現自動控制系統的能力。在實踐過程中，熟悉以單片機為核心控制芯片，設計小車的檢測、驅動和顯示等外圍電路，采用智能控制算法實現小車的智能循跡。靈活應用機電等相關學科的理論知識，聯系實際電路設計的具體實現方法，達到理論與實踐的統一。在此過程中，加深對控制理論的理解和認識。 1.4 論文各部分的主要內容 第一章 對智能循跡小車的現狀、研究意義和設計要求進行簡單闡述。 第二章介紹了該智能循跡小車系設計方案比較和選擇，分析了各模塊的功能。 第三章闡述了智能小車系統的硬件電路的設計，其中包括單片機最小系統模塊電路、電機驅動模塊電路、以及附帶的信號提示電路等。 第四章首先介紹了該系統程序調試過程中所用到的程序調試軟件及其調試環境。 最后總結部分說明了本論的主要內容，舉出了在系統測試過程中所發現的問題，并提出了可能的解決方案。 西南科技大學本科生畢業論文 5 第 2章 智能循跡小車系統 2.1 系統設計任務與設計要求 2.1.1系統設計任務 1.熟悉 51單片機集成開發環境，運用 C語言編寫工程文件； 2.熟練應用所選用單片機的內部結構、資源，以及軟硬件調試設備的基本方法； 3.自行構建基于單片機的最小系統，完成相關硬件電路的設計實現； 4.了解電機、路面檢測的原理和實現方法。 2.1.2系統設計要求 1.完成單片機最小系統設計； 2.完 成外圍應用電路（包括系統供電單元、運動控制單元、循跡檢測單元） 的 設計和實現； 3.完成軟件對硬件檢測和調試工作； 4.查閱國內外的研究動態和發展前沿信息，閱讀相關外文文獻。 2.2 系統方 案論證 2.2.1 控制器方案論證 按照 題目要求，控制器主要用于控制電機， 通過相關傳感器 對 路面的軌跡信息 進行處理， 并將處理信號傳輸給控制器，然后控制器做出相應的處理，實現電機的前進和后退，保證在允許范圍類實現蹺蹺板的平衡 。 方案一：可以采用 ARM為系統的控制器，優點是該系統功能強大，片上外設集成度搞密度高， 提高了穩定性 ， 系統的處理速度 也很高 ，適合作為大規模實時系統的控制核心。 方案二： 采用 AT89S52 作為系統控制的方案。 AT89S52單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大， 功耗低、體積小、技術成熟 ， 成本 也比 ARM 低 。 考慮到性價比問題，本設計選擇 用 AT89S52 單片機做控制器。 2.2.2 供電單元方案論證 方案一：采用單電源供電，通過單電源同時對單片機和 直流電機進行供電，此方案的優點是，減少機身的重量，操作簡單，其缺點是，這樣會使單片機的波動變大， 西南科技大學本科生畢業論文 6 影響單片機的性能，穩定性比較弱。 方案二：采用雙電源供電，通過兩個獨立的電源分別對單片機和直流電機進行供電，此方案的優點是，減少波動，穩定性比較好，可以讓小車更好的運作起來，唯一的缺點就是會增加小車的重量。 綜合以上的優缺點，本設計決定采用第二種方案。 2.2.3 運動單元方案論證 方案一： 采用直流電機，配合 LM293驅動芯片組合。優點在于硬件電路的設計簡單。 當外加額定直流電壓時，轉速幾乎相等。這類電機用于錄音機、錄相機、唱機或激光唱機等固定轉速的機器或設備中。也用于變速范圍很寬的驅動裝置 。容易受到外部因素干擾，影響穩定的轉速和轉矩輸出。電路如 圖 2-1： 圖 2-1 直流電機 +LM293 組合電路原理 方案二：采用步進電機，配合 LM298驅動芯片組合。步進電機可以實現精確的轉腳輸出， 只要施加合適的脈沖序列，電機可以按照人們的預定的速度或方向進 行連續的轉動 ， 便于控速 ，但是軟件程序的編寫較直流電機稍顯復雜。但是 LM298芯片的硬件電路比較復雜。如圖 2-2： 圖 2-2 步進電機 +LM298 組合電路原理 西南科技大學本科生畢業論文 7 方案三：采用 直流電機配合 由雙極性管組成的 H橋電路。用單片機控制晶體管使之工作在占空比可調的開關狀態，精確調整電機轉速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高； H橋電路保證了可以簡單地實現轉速和方向的控制；電子開關的速度很快，穩定性也很高，是一種廣泛采用的調速技術， 其電路原理 簡 圖如圖 2-3所示。 圖 2-3電 機驅動原理簡圖 綜合 3種方案的優缺點， 鑒于本系統設計體積較小，自身重量 較輕 ，對電機功率輸出要求不高， 決定選擇方案 3。 2.2.4 循跡單元方案論證 方案一 ：用光敏電阻組成光敏探測器 用光敏電阻組成光敏探測器 ， 光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線發射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發生明顯的變化。將阻值的變化值經過比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩定的工作。 方案二 ：采用 RPR220 型光電對管。 RPR220 是一種一體化反射型光電探測器，其發射器是一個砷化鎵紅外發光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。 綜上所述，我們采用方案二。 2.3 系統總體方案 經過對方案的設計要求的分析和方案論證， 采用 51 單片機控制平臺，經過紅外傳感模塊檢測路面的信息，控制運動模塊 的電機運動方式 ， 近而 控制 這個智能小車系 西南科技大學本科生畢業論文 8 統的運動。 系 統框圖如圖 2-4。 圖 2-4 系統總體框圖 H 橋電機驅動模塊 左電機 車體 右電機 AT89S51 最小系統 時鐘振蕩電路 路面檢測電路 西南科技大學本科生畢業論文 9 第 3 章 智能循跡小車硬件部分 3.1 系統硬件電路介 紹 智能小車采用 AT89S51單片機進行智能控制， 開始由手動啟動小車， 并復位。當有紅外遙控信號時，根據信號進入相應的行駛狀態，在運動過程中由紅外光電傳感器檢測，通過單片機控制小車進行循跡，系統的自動循跡功能通過紅外線傳感器正前方檢測，由單片機控制實現 在小車行駛過程中，通過 接收 的信號脈沖控制直流電機，以提高系統的靜動態性能。 系統功能原理圖如圖 3-1所示 。 運動系統 電路 包括 供電電路、電機驅動和控制電路兩部分。 圖 3-1 系統功能原理 圖 供電電路：運動系統供電采用雙電源分別對電機和控制器供電。考慮到小車是個不斷運動的實驗設備，采用干電池供電。總的供電系統是有 9V 的大功率電池儲能，經過電壓轉換單元。由一個 9V 轉為 5V 對控制單元供電；另一個 9V 電池直接對電機的供電端連接。供電部分的分析將在后 面 3.3 節結合 整個系統的供電電路進行詳細介紹。 電機驅動和控制電路：通過 51 單片機，控制端口對直流電機的轉速和轉向來對電機進行控制。 西南科技大學本科生畢業論文 10 3.2 單片機最小系統 單片機最小系統由復位電路、時鐘振蕩電路、數據采集接口和電機控制接口組成，單片機最小系統圖如圖 3-2所示 。 圖 3-2 圖 3-2 單片機最小系統 3.2.1 單片機使用資源規劃 由于 51 單片機具有比較強大的系統資源，本系統在設計時充分利用了它的自身特性，并進行合理規劃。 見表 3-3。 表 3-3 單片機資源分配表 系統資源類型 用途 備注 看門狗 防止系統跑飛 定時器 0 定時喂狗 P1 端口 路面檢測 輸入 P3 端口 電機控制 輸出 西南科技大學本科生畢業論文 11 3.2.2 單片機功能模塊介紹 單片機本電路的控制核心，它接收傳感器測得 的信號，并控制電機的轉動與停止。傳感器的 輸入 有兩根信號線，接單片機的 P3.6與 P3.7引腳。傳入放入信號為高低電平，在小車沒有走到黑線上時，輸入都為低電平，此時單片機會驅動兩個電機同時轉動，不需要轉彎，當某端輸入高電平時，表明小車的相應一側一走到黑線上，單片機便使改側的電機停止轉動，另一側的繼續轉動，直到兩側都不走到黑線上，程序采用輪詢的方式，可以及時的檢測到是否走到黑線上 。 3.3 供電單元介紹 高性能的電源管理系統對于電子系統穩定運行是至關重要的。作為智能車源，電源模塊為系統的控制器，執行機構，傳感器等 各個模塊提供可靠的工作電壓。設計中，除了需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數之外，還要在電源轉換效率、降低噪聲、防止干擾和電路簡單等方面進行優化，電源管理模塊的功能是對電池進行分配和電壓調節，為其他各個模塊的正常工作提供可靠的工作電壓。 3.3.1系統供電單元介紹 智能車控制系統中，不同電路模塊需要的工作電壓和電流容量各不相同。芯片需要提供 5V的工作電壓，而電機所需的電壓為 9V，本設計中用到的是 9V的電源供電，然后通過三端穩壓器 LM7805將電壓變換為 5V 電壓供給電路系統。電源系統的電路圖如圖 3-4所示。 圖 3-4穩壓電源轉換電路 西南科技大學本科生畢業論文 12 3.3.2 穩壓芯片簡介 三端穩壓集成電路 lm7805 電子產品中，常見的三端穩壓集成電路有正電壓輸 出的 lm78 系列和負電壓輸出的 lm79 系列。顧名思義，三端 IC 是指這種穩壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管， TO- 220 的標準封裝，也有 lm9013樣子的 TO-92封裝。 圖 3-5 lm7805 樣品 用 lm78/lm79 系 列三端穩壓 IC 來組成穩壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩壓 IC 型號中的 lm78 或 lm79 后面的數字代表該三端集成穩壓電路的輸出電壓，如 lm7806 表示輸出電壓為正 6V， lm7909 表示輸出電壓為負9V。 因為三端固定集成穩壓電路的使用方便，電子制作中經常采用。在實際應用中，應在三端集成穩壓電路上安裝足夠大的散熱器（當然小功率 的條件下不用）。當穩壓管溫度過高時，穩壓性能將變差，甚至損壞。 當制作中需要一個能輸出 1.5A 以上電流 的穩壓電源，通常采用幾塊三端穩壓電路并聯起來，使其最大輸出電流為 N 個 1.5A，但應用時需注意：并聯使用的集成穩壓電路應采用同一廠家、同一批號的產品，以保證參數的一致。另外在輸出電流上留有一定的余量，以避免個別集成穩壓電路失效時導致其他電路的連鎖燒毀。 3.4 運動單元介紹 本系統采用 9V 直流電動機作為智能玩具車的動力源。用電機驅動專用芯片 L298作為電機的驅動。 L298N 是 SGS公司的產品，內部包含 4通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個 H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準 TTL邏輯電平信號，可驅動 46V、 2A以下的電機。電機驅動模塊硬件電路圖如圖 3-6所示。 西南科技大學本科生畢業論文 13 圖 3-6 電機驅動模塊硬件電路圖 3.5 循跡單元介紹 3.5.1 循跡單元工作原理 循跡是指小車在白色地板上循黑線行走通常采取的方法是紅外探測法 ,紅外探測法即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點 ,在小車行駛過程中不斷地向地面發射紅外光 ,當紅外光遇到白色紙質地板時發生漫反射反射光被裝在小車上的接收管接收 ,如果遇到黑線則紅外光被吸收小車上的接收管接收不到紅外光 ,單片機就是否收到反射回來的紅 外光為依據來確定黑線的位置和小車的行走路線 ,從而實現小車的循跡功能。 紅外探測器探測距離有限一般最大不應超過 3cm。 循跡功能如圖 3-7所示 圖 3-7 循跡功能圖 西南科技大學本科生畢業論文 14 本設計需要檢測 小車的運行狀態，沿著路面黑線運動。 采用反射取樣式，單光束紅外傳感器接收信號，再分別用運放 LM393比較電壓信號進行放大。圖 3-5的電路在5V 電壓下工作，根據該型號傳感器紅外發射管所需的工作壓降（紅外發射管的正向壓降在 1 1.3V）和工作電流（紅外發射管的電流為 2 10mA），選取負載電阻R1=2.2K ，紅外 發射 管負載電阻 R2=220 。 調節電位器使檢測信號能被識別。 3.5.2 LM393比較器簡介 比較器是將一個模擬電壓信號與一個基準電壓相比較的電路。比較器的兩路輸入為模擬信號，輸出則為二進制信號，當輸入電壓的差值增大或減小時，其輸出保持恒定。因此，也可以將其當作一個 1位模 /數轉換器（ ADC）。 對路面檢測的電路設計就是通過電位器設定一個閾值，以此確定是否有光反射。并且以此閾值為標準，向單片機輸入滿足 TTL電平的數字信號 。如圖 3-8所示 。 圖 3-8 LM393芯片示意圖 西南科技大學本科生畢業論文 15 第 4章 智 能循跡小車軟件部分 4.1 軟件調試平臺 Keil for C51 是美國 Keil Software 公司出品的 C 語言軟件開發系統，與匯編相比， C 語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。 Keil C51 軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，全 Windows 界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到 Keil for C51 生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發大型軟件時更能體現高級語言的優勢。下面詳細介紹 Keil for C51 開發系統各部分功能和使用。 C51 開發中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的源程序要變為 C51可以執行的機器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。隨著 C51 開發技術的不斷發展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發，單片機的開發軟件也在不斷發展， Keil 軟件 除了致力于單片機的編程開發平臺外，還針對 目前最流行 C51 開發 項目出品了Keil for 51 軟件 平臺以及支持在線調試的 串口燒寫 。 從近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持 Keil 即可看出。 Keil 提 供了包括C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境（ uVision2）將這些部份組合在一起。 如圖4-1 所示。 圖 4-1 Keil for 51 開發平臺截圖 西南科技大學本科生畢業論文 16 KEIL for C51 編譯平臺對 51 單片機的器件選型設置。如圖 4-2 所示。 圖 4-2 MCU 選型設置 4.2 系統軟件流程 系統軟件流程圖如圖 4-3所示 。 圖 4-3 系統流程圖 西南科技大學本科生畢業論文 17 4.3 系統軟件 程序 #include /包含單片機寄存器的頭文件 #include /包含延時子程序的頭文件 /宏定義 #define uchar unsigned char /無符號八位字符型數據 #define uint unsigned int /無符號 16 位整形數據 #define ulong unsigned long /無符號三十二位長整型 /狀態定義 uchar go=0xFA； /1111_1010 前進 uchar back=0xF5； /1111_0101 后退 uchar left=0xFE； /1111_1110 左轉 uchar right=0xFB； /1111_1011 右轉 /延時函數 void delay() uint i,j； for(i=0；i500；i+) for(j=0；j800；j+)； 西南科技大學本科生畢業論文 18 /啟動軟件看門狗 WDTRST 防止程序跑飛增加系統的穩定性 sfr WDTRST=0xA6； /看門狗寄存器 0xA6 /喂狗程序 void FeedDog() WDTRST=0x1e； /給寄存器裝值 WDTRST=