1、畢業設計（論文）（2008 屆）論文題目 多功能智能小車的設計與制作（英文）the design & fabrication ofmultifunctional intelligent vehicle摘要智能作為現代社會的新產物，是以后的發展方向，他可以按照預 先設定的模式在一個特定的環境里自動的運作，無需人為管理，便可 以完成預期所要達到的或是更高的目標。本設計主要體現多功能小車 的智能模式，設計中的理論方案、分析方法及特色與創新點等可以為 自動運輸機器人、采礦勘探機器人、家用自動清潔機器人等自動半自 動機器人的設計與普及有一定的參考意義。同時小車可以作為玩具的 發展對象，為中國玩具

2、市場技術含量的缺乏進行一定的彌補，實現經 濟收益，形成商業價值。整個小車平臺主耍以51單片機為控制核心，通過無線遙控實現 前進后退和轉向行駛；通過紅外線傳感器，實現小車的自適應巡航、 避障等功能。設計采用對比選擇，模塊獨立，綜合處理的研究方法。通過翻閱 大量的相關文獻資料，分析整理岀有關信息，在此基礎上列岀不同的 解決方案，結合實際情況對比方案優劣選出最優方案進行設計。從電機車體，最小系統到無線遙控，紅外線對管的自動尋跡再到紅外線自動避障和語音控制，完成各模塊設計。通過調試檢測各模塊, 得到正確的信號輸出，實現其應有的功能。最后將各個調試成功的模 塊結合到小車的車體上，結合程序，通過單片機的控

3、制，將各模塊有 效整合在一起，達到所預期的目標，完成最終設計與制作，能使小車 在一定的環境中智能化運轉。關鍵詞：智能，紅外線傳感器，自動尋跡，語音控制，綜合處理abstractas a new product of modern society, intelligence is the trend in future development. it can work in some specific environment according to the mode which sets in advance. dispensing with behavior adjustment manag

4、ement,but it can achieve the expected, even higher goal. the design mainly reflected a smart-car model, the theoretical scheme, analysis method, uniqueness and innovation etc. that pointed in this paper, i think they are will be certain reference value in design and popularity of automatic or semi-a

5、utomatic robot such as automatic transportation robot, prospecting robot, cleaning household robot etc. this car can be used as a model of development of toy, to make up the deficiency of technical content in the chinese toy market,to realize economic profit and to form commercial value.the design t

6、akes micro-controller 51 as control center, use wireless control to make car go forward, go backward or turn around; use infrared sensor to achieve the function of adaptive cruise and avoiding barriersusing methods of contrast selection, module independence, integrated treatment; consulting a large

7、number of related literature and data; and listing differnet solution; according to practical situation and choose the best scheme to design.the motor car body, the minimum system and wireless control, the auto-guiding of infrared diode or auto-avioding barriers and voice-control, step by step, the

8、design is forming gradually. and then, debugging and checking every single module, getting the correct signal output. finally, combining program, conforming every module efficiently to make it work.key words: intelligence, infrared sensor, auto-guiding, voice- control, combined processing.第一章項目概述單片機

9、以其價格低廉、功能強大、體積小、性能穩定等優點，深受廣大電子設計愛好者喜愛。目前，各類產品中都能看到單 片機的身影，如門鈴、報警器、玩具，以及各類數據采集系統 和控制終端等。單片機是現代電子設計中使用最廣泛的電子元 件。而其中的51系列單片機是最早興起的一類。51系列單片 機功能完備、指令系統豐富，發展的最為成熟。 51系列單片機是指intel的mcs-51系列以及和其具有兼容內核 的單片機。mcs-51系列單片機是最早、最基本的單片機，功 能也最簡單。intel公司生產的mcs-51系列單片機包括8031、 8051、8032、8052、8751、8752 等。現在集成電路的飛速發展，各大芯

10、片廠商提供了很多與其兼容 的單片機。比如atmel公司的at89c系列 at89s系列，silicon laboratories 公司的 c8051f 系列，還有 philips 公司的 8xc552 系列等。這些單片機采用兼容的mcs-51的結構和指令系統， 只是對其功能和內部資源等方面進行了不同程度的擴展。51系列單片機以其高性能、高速度、體積小、價格低廉、可 重復編程和方便功能擴展等優點，在市場上得到廣泛的應用。 其主要應用于如下幾個領域。家電產品及玩具。由于51系列單片機價格低、體積小、控制 能力強、功能擴展方便等優點，使其廣泛應用于電視、冰箱、 洗衣機、玩具、家用防盜報警器等方面。機

11、電一體化設備。機電一體化設備是指將機械技術、微電子技 術和計算機技術結合在一起，從而產主具有智能化特性的產 品，它是現代機械及電子工業的主要發展方向。單片機可以 作為機電一體化產品的控制器，從而簡化原機械產品的結構, 擴展其功能。智能測量設備。以前的測量儀表體積大、功能單一，限制了測 量儀表的發展。采用單片機改造各種測量控制儀表，可以使 其體積減少、功能擴展，從而產生新一代的智能化儀表，如 各種數字萬用表、示波器等。自動測控系統。采用單片機可以設計各種數據采集系統、自適 應控制系統等。例如溫度的自動控制、電壓電流的數據采集。計算機控制及通信技術。51系列單片機都集成有串行通信接 口，可以通過該

12、接口和計算機的串行接口進行通信，實現計 算機的程序控制和通信等。自世界上第一片單片機誕生以來，51系列單片機不斷推陳出 新，目前已有兒十個系列、上百種型號。這些新產品都基于 51內核，各個型號基本都兼容。以下是一些典型的51系列 單片機。美國intel公司的mcs48系列、mcs51系列、mcs96系列單片機;美國atmel公司的at89系列單片機；美國 motorola 公司的 6801、6802、6803、6805 和 68hc11 系列單片機；美國zilog公司的z8、super8系列單片機；美國fairchild公司的f8和3870系列單片機;美國ti公司的tms7000系列單片機；美

13、國ns公司的ns8070系列單片機；日本nec公司的h pd7800系列單片機；日本hitachi公司的hd6301、hd6305系列單片機單片機應用系統的開發是以單片機為核心，配合一定的外部電 路及程序，從而實現特定測量及控制功能的應用系統。其中 單片機的選型、資源分配以及程序設計是整個系統設計的關 鍵。一般來說，一個完整的單片機應用系統設計包括分析測 控系統、單片機選型、硬件資源分配、單片機程序設計、仿 真測試并最終下載到實際硬件電路中執行。單片機開發的整 個流程，如圖所示。單片機開發流程.在51系列單片機應用系統開發過程中，單片機是整個設計的 核心，因此選擇合適的單片機型號很重要。目前，

14、市場上的 單片機種類很多，不同廠商均推岀很多不同側重功能的單片 機類型。第二章方案設計與論證根據題目的要求，確定如下方案：在現有玩具電動車的基礎上， 加裝光電檢測器，實現對電動車的速度、位置、運行狀況的實吋測量, 并將測量數據傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據所檢測的各 種數據實現對電動車的智能控制。這種方案能實現對電動車的運動狀態進行實時控制，控制靈活、 可靠，精度高，可滿足對系統的各項要求。一直流調速系統方案一：串電阻調速系統。方案二：靜止可控整流器。簡稱v-m系統。方案三：脈寬調速系統。旋轉變流系統由交流發電機拖動直流電動機實現變流，由發電機 給需要調速的直流電動機供電，調節發電機的

15、勵磁電流即可改變其輸 出電壓，從而調節電動機的轉速。改變勵磁電流的方向則輸出電壓的 極性和屯動機的轉向都隨著改變，所以g-m系統的可逆運行是很容 易實現的。該系統需要旋轉變流機組，至少包含兩臺與調速電動機容 量和當的旋轉電機，還要一臺勵磁發電機，設備多、體積大、費用高、 效率低、維護不方便等缺點。且技術落后，因此擱置不用。v-m系統是當今直流調速系統的主要形式。它可以是單相、三相 或更多相數，半波、全波、半控、全控等類型，可實現平滑調速。v-m 系統的缺點是晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統的可 逆運行造成困難。它的另一個缺點是運行條件要求高，維護運行麻煩。 最后，當系統處于低速運行

16、時，系統的功率因數很低，并產生較人的 諧波電流危害附近的用電設備。采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里 晶閘管不受和位控制，而是工作在開關狀態。當晶閘管被觸發導通時, 電源電壓加到電動機上，當晶閘管關斷時，直流電源與電動機斷開， 電動機經二極管續流，兩端電壓接近于零。脈沖寬度調制(pulse width modulation),簡稱pwm。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導通時間, 即通過改變脈沖寬度來進行直流調速。與vm系統相比，pwm調速系統有下列優點：(1) 由于pwm調速系統的開關頻率較高，僅靠電樞電感的濾 波作用就可以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續，系統的

17、低速運行平穩，調速范圍較寬，可達1： 10000左右。市于電流波形 比v-m系統好，在相同的平均電流下，電動機的損耗和發熱都比較 小。(2) 同樣由于開關頻率高，若與快速響應的電機相配合，系統 可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應性能好，動態抗擾能力強。(3) 由于電力電子器件只工作在開關狀態，主電路損耗較小， 裝置效率較高。根據以上綜合比較，以及本設計中受控電機的容量和直流電機調 速的發展方向，本設計采用了 h型單極型可逆pwm變換器進行調速。脈寬調速系統的主電路采用脈寬調制式變換器，簡稱pwm變換 器。脈寬調速也可通過單片機控制繼電器的閉合來實現，但是驅動能 力有限。為順利實現電動小汽車的前行

18、與倒車，本設計采用了可逆 pwm變換器。可逆pwm變換器主電路的結構式有h型、t型等類 型。我們在設計中采用了常用的雙極式h型變換器，它是由4個三 極電力晶體管和4個續流二極管組成的橋式電路。二檢測系統檢測系統主要實現光電檢測，即利用各種傳感器對屯動車的避障、位置、行 車狀態進行測量。1 行車起始、終點及光線檢測：本系統采用反射式紅外線光電傳感器用于檢測路面的起始、終點 (2cm寬的黑線)，玩具車底盤上沿黑線放置一套，以適應起始的記 數開始和終點的停車的需要。利用超聲波傳感器檢測障礙。光線跟蹤, 采用光敏三極管接收燈泡發出的光線，當感受到光線照射吋，其c-e 間的阻值下降,檢測電路輸出高電平，

19、經lm393電壓比較器和74ls14 施密特觸發器整形后送單片機控制。本系統共設計兩個光電三極管，分別放置在電動車車頭的左、右 兩個方向，用來控制電動車的行走方向，當左側光電管受到光照時， 單片機控制轉向電機向左轉；當右側光電管受到光照時，單片機控制 轉向電機向右轉；當左、右兩側光電管都受到光照時，單片機控制直 行。見圖2.1電動車的方向檢測電路(a)。行車方向檢測電路(見圖2.2電動車的方向檢測電路(b)采用反 射接收原理配置了一對紅外線發射、接收傳感器。該電路包括一個紅 外發光二極管、一個紅外光敏三極管及其上拉電阻。紅外發光二極管 發射一定強度的紅外線照射物體，紅外光敏三極管在接收到反射回

20、來 的紅外線后導通，發出一個電平跳變信號。此套紅外光電傳感器固定在底盤前沿，貼近地面。正常行駛時， 發射管發射紅外光照射地面，光線經白紙反射后被接收管接收，輸出 高電平信號；電動車經過黑線時，發射端發射的光線被黑線吸收，接 收端接收不到反射光線，傳感器輸出低電平信號后送80c51單片機處 理，判斷執行哪一種預先編制的程序來控制玩具車的行駛狀態。前進 時，驅動輪直流電機止轉，進入減速區時，由單片機控制進行pwm變 頻調速，通過軟件改變脈沖調寬波形的占空比，實現調速。最后經反接 制動實現停車。前行與倒車控制電路的核心是橋式電路和繼電器。電 橋上設置有兩組開關，一組常閉，另一組常開。圖2.1電動車的

21、方向檢測電路(a)尋謹圖2.2電動車的方向檢測電路(b)電橋一端接電源，另一端接了一個三極管。三極管導通吋，電橋通過 三極管接地，電機電樞中有電流通過；三極管截止時，電橋浮空，電 機電樞中沒有電流通過。系統通過電橋的輸出端為轉向電機供電。通 過對繼電器開閉的控制即可控制電機的開斷和轉速方向進而達到控 制玩具車前行與倒車的目的，實現隨動控制系統的糾偏功能。如圖2.3前行與倒車控制電路所示。圖2.3前行與倒車控制電路 檢測放人器方案：方案一：使用普通單級比例放大電路。其特點是結構簡單、調試 方便、價格低廉。但是也存在著許多不足。如抗干擾能力差、共模抑制比低等。方案二：采用差動放大電路。選擇優質元件

22、構成比例放大電路， 雖然可以達到一定的精度，但有時仍不能滿足某些特殊要求。例如， 在測量本設計中的光電檢測信號時需耍把檢測過來的電平信號放大 并濾除干擾，而且要求對共模干擾信號具有相當強的抑制能力。這種 情況下須采用差動放大電路，并應設法減小溫漂。但在實際操作中， 往往滿足了高共模抑制比的要求，卻使運算放人器輸出飽和；為獲得 單片機能識別的ttl電平卻又無法抑制共模干擾。方案三：電壓比較器方案。電壓比較器的功能是比較兩個電壓的大小,例如將一個信號電壓ui和一個參考電壓ur進行比較，在ui>ur 和uivur兩種不同情況下，電壓比較器輸出兩個不同的電平，即高電 平和低電平。而ui變化經過5

23、時，比較器的輸出將從一個電壓跳變 到另一個電平。比較器有各種不同的類型。對它的耍求是：鑒別耍準確，反應耍 靈敏，動作要迅速，抗干擾能力要強，還應有一定的保護措施，以防 止因過電壓或過電流而造成器件損壞。比較器的特點：(1) 工作在開環或正反饋狀態。放人、運算電路為了實現性能穩 定并滿足一定的精度要求，這些電路中的運放均引入了深度負反饋；而為了提 高比較器的反應速度和靈敏度，它所采用的運放不但沒有引入負反 饋，有時甚至還加正反饋。因此比較器的性能分析方法與放大、運算 電路是不同的。(2) 非線性。由于比較器中運放處于開環或正反饋狀態，它的兩 個輸入端之間的電位羌與開環電壓放大倍數的乘積通常超過最

24、大輸 出電壓，使其內部某些管子進入飽和區或截止區，因此在絕大多數情 況下輸出與輸入不成線性關系，即在放大、運算等電路中常用的計算 方法對于比較器不再適用。(3) 開關特性。比較器的輸出通常只有高電平和低電平兩種穩定 狀態，因此它相當與一個受輸入信號控制的開關，當輸入電壓經過閾 值時開關動作，使輸出從一個電平跳變到另一個電平。市于比較器的 輸入信號是模擬量，而它的輸出電平是離散的，因此電壓比較器可作 為模擬電路與數字電路之間的過渡電路。由于比較器的上述特點，在分析時既不能象對待放大電路那樣去 計算放大倍數，也不能象分析運算電路那樣去求解輸出與輸入的函數 關系，而應當著重抓住比較器的輸出從一個電平

25、跳變到另一個電平的 臨界條件所對應的輸入屯壓值(閾值)來分析輸入量與輸出量之間的 關系。如果在比較器的輸入端加理想階躍信號，那么在理想情況下比較 器的輸出也應當是理想的階躍電壓，而且沒有延遲。但實際集成運放 的最大轉換速率總是有限的，因此比較器輸出電壓的跳變不可能是理 想的階躍信號。電壓比較器的輸出從低電平變為高電平所須的時間稱 為響應時間。響應時間越短，響應速度越快。減小比較器響應時間的主要方法有：(1) 盡可能使輸入信號接近理想情況，使它在閾值附近的變化接近 理想階躍且幅度足夠大。(2) 選用集成電壓比較器。(3) 如果選用集成運放構成比較器，為了捉高響應速度可以加限 幅措施，以避免集成運

26、放內部的管子進入深飽和區。具體措施多為在 集成運放的兩個輸入端并聯二極管。如圖2. 4電壓比較器電路所示:圖2.4電壓比較器電路在木設計中，光電傳感器只輸出一種高低電平信號且伴有外界雜 波干擾，所以我們嘗試采用了一種滯回比較器。簡單電壓比較器結構 簡單，而且靈敏度高，但它的抗干擾能力差，也就是說如果輸入信號 因受干擾在閾值附近變化，則比較器輸出就會反復的從一個電平跳到 另一個電平。如果用這樣的輸出電壓控制電機或繼電器，將出現頻繁 動作或起停現彖。這種情況，通常是不允許的。而滯回比較器則解決 了這個問題。滯回比較器有兩個數值不同的閾值，當輸入信號因受干 擾或其他原因發生變化時，只要變化量不超過兩

27、個閾值之差，滯冋比 較器的輸出電壓就不會來回變化。所以抗干擾能力強。但是，滯回比較器畢竟是模擬器件，溫度的漂移是它無法消除的。 方案四：施密特觸發器。綜合考慮系統的各項性能，最后我們決定采用數字器件一一施密 特觸發器。施密特觸發器是雙穩態觸發器的變形，它有兩個穩定狀態，觸發 方式為電平觸發，只要外加觸發信號的幅值增加到足夠大，它就從一 個穩定狀態翻轉到另一個穩定狀態。施密特觸發器具有與滯回比較器 相類似的滯回特性，但施密特觸發器的抗干擾能力比滯回比較器更 強。2 行車距離檢測由于紅外檢測具有反應速度快、定位精度高，可靠性強以及可見 光傳感器所不能比擬的優點，故采用紅外光電碼盤測速方案。具體電

28、路同圖2.5行車距離檢測電路所示：+5v o圖2.5行車距離檢測電路紅外測距儀由測距輪，遮光盤，紅外光電耦合器及凹槽型支架組 成的。測長輪的周長為記數的單位，最好取有效值為單一的數值（如 本設計屮采用0.1米），精度根據電動車控制的需要確定。測距輪安 裝在車輪上，這樣能使記數值準確一些。遮光盤有一缺口，盤下方的凹形物為槽型光電耦合器，其兩端高 出部分的里面分別裝有紅外發射管和紅外接收管。遮光盤在凹槽中轉 動吋，缺口進入凹槽吋，紅外線可以通過，缺口離開凹槽紅外線被阻 擋。由此可見，測距輪每轉一周，紅外光接收管均能接收到一個脈沖 信號經過整形器后送入計數器或直接送入單片機中。為實現可逆記數功能，我

29、們在測距儀屮并列放置了兩個槽型光電 耦合器，遮光盤先后通過凹槽可產生兩個脈沖信號。根據兩個脈沖信 號發生的先后順序與兩個光屯耦合器的位置關系，即可計算出玩具車 的行駛方向（前進或后退）。遮光盤及槽型光電耦合器均安裝在不透光的盒子里,以避免外界 光線的干擾，使電路不能正常工作。測距原理：將光柵安裝在電機軸上，當電機轉動吋，光柵也隨z 轉動，同時安裝在光柵一側的紅外發光二極管點亮，在光柵的另一側 設有紅外三極管，用于接收紅外發光二極管發出的紅外線信號。由于 光柵隨電機高速轉動，則紅外線三極管接收到的就是一系列脈沖信 號。將該信號傳輸到80c51單片機的內部計數器計數，根據預先實測 的數據換算關系即

30、可計算出電動機車的行車距離。三顯不電路本設計中用兩片4位八段數碼管gem4561ae作顯示器，并具有雙重功能,在小車不行駛時其中一片顯示年、月，另一片顯示時、分；當小 車行駛吋,分別顯示吋間和行駛距離。四系統原理圖簡易智能電動車采用80c51單片機進行智能控制。開始由手動啟 動小車，并復位，當經過規定的起始黑線，由超聲波傳感器和紅外光 電傳感器檢測，通過單片機控制小車開始記數顯示并避障、調速；系 統的自動避障功能通過超聲波傳感器正前方檢測和紅外光電傳感器 左右側檢測，由單片機控制實現；在電動車進駛過程中，采用雙極式 h型pwm脈寬調制技術，以提高系統的靜動態性能；采用動態共陰 顯示行駛時間和里

31、程。80c51t1td顧卩xix2ri0汀15 亙24互rdwr31系統原理圖如圖2.6所示。看門狗電路77 rxd10 txd. 君一aij7p7二 pslin圖2.6系統原理圖光電開關（光電傳感器）是光電接近開關的簡稱，它是利用被檢測物對光束（紅外、可見及紫外光輻射）的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線 的物體均可被檢測。光電傳感器的工作原理如下圖所示:加汎劍信號的發駅行innr(a)眈財霑(匕)按收遙本產品是一種紅外光漫反射式光電傳感器，它是一種集發射器和 接收器于一體的傳感器，當前面有被檢測物體時，物體將發射器發出 的紅外光線反射到接收器

32、，于是光電傳感器就產生了開關信號。當被 檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，漫反射式的光電傳感器 是首選的檢測模式。漫反射式傳感器的應用范圍十分廣泛，機器人避障礙物或走迷 宮、材料的定位剪切控制、流水線上產品的計數、液面的高低檢測、 光 電測速、程控小車循黑線線和避懸崖等等。也許你會想，這樣的一個傳感器還不簡單！用一個紅外線發射管 接通電源發射紅外光，然后用一個紅外線接收管做接收，當前面有物體反射紅外光時紅外接收管導通，當前面沒有物體時紅外接收管 截止。在理論的環境下，這種做法是可以，但是實際上紅外線光源無處不在，比如說人體能發岀紅外光、日光燈光線下有紅外光、太 陽光線下也有紅外光，干擾源如此

33、z多怎能確保你的傳感器能正常工作？這樣的紅外漫反射式傳感器恐怕只能等晚上關燈了再用了 （汗！ ！）市面上的漫反射式傳感器品種繁多，其性能也大有差別，從幾元 到幾百元不等。價格低的同類產品抗干擾能力非常的差，大多數沒有 光信號的調制和解調電路，在普通的日光燈或者太陽光下容易受到干 擾輸出錯誤的判斷信號，在要求比較高的環境下無法采用。本紅外線漫反射式光電傳感器是本店自主研發的一利噺型產品， 抗干擾能力強，穩定性高，而且價格低廉。在同樣性能的產品中難找 這樣價格的了。創新的硬件設計思路：模塊中用單片機作為38kiiz載波信號和基波信號的產生，并且把信號 調制之后再用紅外光發射二極管發射出去；接收方面

34、用一體化紅外接收頭作信號接收、放大、解調、整形輸出,發射與接收的過程如下圖所示:一體化紅外線接收頭再將解調之后的信號送到單片機中，單片機再以每秒重復約50次的頻率去檢查接收到的基波信號是否與 發射前的一致，如果是一致就是出低電平“0”（0伏），如果不同 便輸出高電平“1”（約+5伏）。這樣的設計已經將可靠度提高到最高。當然，如果你要傳感器在如此強烈的干擾下正常工作是不可能的事情，任何一款傳感器都無法做到的，因為發射端的信號已經被干擾信號完全覆蓋了。使用說明1室外使用時，應避免陽光直射，太陽光線中的紅外光會覆蓋掉紅外 發射管發出的紅外信號。為了獲得更好的抗干擾能力，請在一體化紅外接收頭上繞2圈黑

35、色半 透明塑料袋，或者加裝黑色遮光板，再將紅外發射管發光亮度調大(調節可調電阻)。2.在紅外線干擾比較小的室內使用時，為了獲得更遠的感應距離，可 以直接使用。3在單片機系統應用中，為了提高系統的可靠性，請增加“防抖”程 序，下面提供一段防抖程序：ttinclude <at89x51. h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit hongwai d=p1 0;/*延時子程序*/void delay(uint n)uint i, j;for(j=n; j>0; j)for (i=70;i>0;i一一)

36、;/*防抖例程*/void start(void)uchar a;aa:while(hongwai d) ;/如果紅外傳感器d端為高電平，程序將不斷 循環執行/空白語句。/如果紅外傳感器d端為低電平，向下執行。for(a=0;a<50;a+)/規定時間內，重復檢查50次d端是否為低 電平。delay (1)；while(hongwai_d)/規定吋間內出現了高電平，返回重新掃描。goto aa;第三章小車方案論證1總體設計根本本課題需要，我們主要是設計一款能進行智能判斷并能做 出正確反應的小車。小車具有以下一個功能：前后驅動、自動壁 障、尋跡、超聲波測距、自動顯示行走距離與速度。2.各模

37、塊分析選擇2.1主控單元方案比較和分析方案一：采用各類數字電路來組成小車的控制系統，對外圍避障 信號，自動尋跡信號，無線遙控信號，語音控制信號進行處理。本方案電路復雜，靈活性不高，效率低，不利于小車智能化的擴 展，對各路信號處理比較困難。方案二 采用at89s51單片機來作為整機的控制單元。紅外線探 頭采用市面上通用的發射管與及接收頭，經過比較芯片調制處理 后由控制系統接收。路線尋找采用紅外線管對路面信號采集，送 到單片機系統處理，同樣包括無線遙控信號和語音控制信號。此 系統比較靈活，采用軟件方法來解決復雜的硬件電路部分，使系 統硬件簡潔化，各類功能易于實現，能很好地滿足題目的要求。比較以上兩

38、種方案的優缺點，方案二簡潔、靈活、可擴展性好， 更能達到題目的設計要求，因此采用方案二來實現。2.2電機驅動方案小車電機以兩直流電動機為主驅動，帶有齒輪組，考慮不需調速 功能，所以采用電機驅動芯片l293do l293d是著名的sgs公司 的產品。為單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅動，設計 用來接收dtl或者ttl邏輯電平，驅動感性負載(比如繼電器， 宜流和步進馬達)，和開關電源晶體管。內部包含4通道邏輯驅動 電路。l293d可直接的對電機進行控制，無須隔離電路。通過單 片機的i/o輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機進行正反 轉，停止的操作，非常方便，用程序輸入對應的碼值，能夠實現

39、對應的動作，有效控制電機運動。o通過單片機的i/o輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機 進行正反轉，停止的操作，非常方便，用程序輸入對應的碼值，能夠 實現對應的動作，有效控制電機運動，如圖3-13電機驅動原理圖。 j16和j17控制左邊電機，j18和j19控制右邊電機。取左邊電機為 例，當j16輸入數字電平“1” ,j17輸入數字電平“0”時實現正轉；當j16輸入數字電平“0” ,j17輸入數字電平“1”時實現反轉;當j16輸入數字電平“0 (1) ”，j17輸入數字電平“0 (1) ” 時實現停止；最后結合左右電機通過單片機共同實現小車的前后左右 四個方向行駛。圖3-13電機驅動原理圖23

40、避障單元方案比較與選擇方案一：采用超聲波避障，超聲波受環境影響較大，電路復雜, 而且地面對超聲波反射，會影響系統對障礙物的判斷。方案二：采用紅外線避障，利用單片機來產生38kh7信號對紅外 線發射管進行調制發射，發射出去的紅外線遇到避障物的時候反 射回來，紅外線接收管對反射回來信號進行解 調，輸出比較 電平。外界對紅外信號的干擾比較小，且易于實現，價格也比較 便宜。故采用方案二。紅外線避障方法，利用一管發射另一管接收，接 收管對外界紅外線的接收強弱來判斷障礙物的遠近，由于紅外線 受外界可見光的影響較大，因此通過調制信號產生38khz的載波 來減少外界的一些干擾。只要障礙物在限定范圍內就會產生相

41、對 的電平供單片機控制，實現避障功能。24尋跡單元方案比較與選擇方案一：采用發光二極管發光，用光敏二極管接收。由于光敏二 極管受可見光的影響較大，穩定性差。方案二：利用集成型紅外對管作為尋跡單元的傳感器，其中紅外 線發射管發射紅外線，紅外線二極管進行接收。采用紅外線發射, 外面可見光對接收信號的影響較小，再用射極輸出器對信號進行 隔離。本方案也易于實現，比較可靠。因此采用方案二。當小車底部的某邊紅外線收發對管遇到黑帶時, 可以檢測到輸入電平為高電平，反之為低電平。結合單片機查詢 方式，通過程序控制小車哪邊輪胎轉動來改變方向。這樣不斷循 環檢測，方向控制，使小車按黑線行走。2. 5超聲波測距方案

42、的比較和選擇隨著計算機技術、自動化技術和工業機器人的不斷發展和廣泛 應用，測距問題顯得越來越重耍。目前常用的測距方式主要有雷 達測距、紅外測距、激光測距和超聲波測距4種。方案一：雷達測距受惡劣天氣的影響比較人，且成本比較高，雷 達還必須滿足電磁兼容要求。方案二：紅外測距安全，但測量范圍比較窄，若精度要求高的話 成本也會更高。方案三：激光測距速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力 強，但制作難度較大，成本較高，而且光學系統需要保持干凈， 否則將影響測量。方案四：與上訴測距方案比較，超聲波測距有幾大優點。1、超聲波測距對色彩和光照不敏感，可用于識別透明及漫反 射性的物體，可在黑暗，有灰塵或煙霧的

43、環境當中使用。2、超聲波測距對電磁場及其他電磁干擾不敏感，可用于電磁 干擾強、有毒、有害等惡劣環境中。3、超聲波傳感器結構簡單、體積小、成本低、技術難度小、 信息處理簡單可靠、易于小型化和集成化。當然超聲波測距也有一定的缺點，比如受溫度、氣流、材質的影 響。綜上所述，再結合我們的設計目標，采用超聲波測距最符合 設計要求。第四章硬件軟件設計木系統硬件主要有六大模塊組成：單片機控制模塊、無線遙控模 塊、紅外對管尋跡模塊、紅外線避障模塊、電機控制模塊和語音控制 模塊。4.1單片機控制模塊本模塊采用51系列單片機作為核心處理器。單片機控制系統基 木由最小系統和外圍信號"0 口組成，其中最小系

44、統包括電源（地）, cpu時序電路（一般使用11.0592m或者12m和30p電容組成），復 位電路。有了以上三塊，單片機就能夠正常工作。at89s51是一個低功耗，高性能cmos 8位單片札 片內含4k bytes isp（in-system programmable）的可反復擦右 1000 次的 flash 只讀 程序存儲器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術制 造，兼容標準mcs-51指令系統及80c51引腳結構，芯片內集成了通 用8位中央處理器和isp flash存儲單元，功能強大的微型計算機的 at89s51可為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案。其 應用范圍

45、廣，性能良好，可用于解決復雜的控制問題。利用at89s51 的1/o端口對傳感器信號進行實時判斷監控來控制步進電機做出相 應的反映。如圖41是較為常見的帶燒錄接口的單片機最小系統圖。j2j3si sw-pb10kc；2ufp5ci°i，uf anc2丁曲廠iotuf *3tvcc匕尹 "30in4004ji7j7titi'header 5x2a162 73 84 95 1020vccxtal1p0 0/ad0p0 1/ad1xtal2p0.2/ad2p0.3/ad3p0 4/ad4p0.5/ad5p0.6/ad6p07/ad7rste* a a rn nn 1 na

46、t'oea/vrrr i.u/rzpsenale/prog"d 1 1/towr 1.1/ 1 zitap1.2/ecip30/rxdp3 1/txdp1.3/cex0p1.4/cex1p1.5/cex2pl 6/cex3p3.2/int0p1.7/cex4p3 3/int1p3 4/top2 0/a8p3.5/t1p2 1/a9p3.6/wrp2.2/a10p37/rdp2.3/a11vssp24/a12p2.5/a13p2.6/a14p27/ai5p89c51rc2bn/01|vcc_39_j7 亶 j6 szzzj5 6 j4j3j2ji126j8j9j1ojllj12

47、j13j14j15圖4-1帶燒錄接口的單片機最小系統4.1.1時鐘電路單片機的時鐘產生有兩種方法：內部時鐘方式和外部時鐘方式。系統的時鐘電路設計是采用的內部方式，即利用芯片內部的振蕩 電路。at89單片機內部有個用于構成振蕩器的高增益反相放大器。 引腳xtal1和xtal2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器 與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構成一個自激振蕩器。外接晶 體諧振器以及電容c1和c2構成并聯諧振電路，接在放大器的反饋冋 路中。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響震 蕩器頻率的高低、震蕩器的穩定性、起振的快速性和溫度的穩定性。 因此，此系統電路的晶體振蕩器的值

48、為12mhz,電容應盡可能的選擇 陶瓷電容，電容值通常取30pfo在焊接刷電路板吋，晶體振蕩器和 電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保 證震蕩器穩定和可靠地工作。4. 1.2復位電路復位是由外部的復位電路來實現的。片內復位電路是復位引腳 rst通過一個觸發器與復位電路相連，觸發器用來抑制噪聲，它的輸 出在每個機器周期中市復位電路采樣一次。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。所謂上電 復位，是指計算機加電瞬間，要在rst引腳出現大于1oms的止脈沖, 使單片機進入復位狀態。按鈕復位是指用戶按下“復位”按鈕，使單 片機進入復位狀態。如圖4-2是上電復位及按鈕復位

49、的一種實用電 路。ulxtal1 xtaupovadopo 1/ad1rst eah/pp psem alerogp3 0/rxdp3 1/txdp3 2/imtbp3 j/ffrfip3 4rrop3 5tt1p3 6/wp3 7/rfp! qh7 pi 1h7ex p12/ec】 pi vcexo p14/cex1 pl5a7ex2 pi 6/cex pi/wcex4vssp89c5irc2bnahp2 0/a3p2 i/a9 p2 2/ai0 p2 3/ai1 p24/ai2 p2 5/ai3 p2 6/ai4p27ta15po 2/ad2p0 3/ad3p0 4/ad4p0 5/ad5

50、p0 6/ad6po wad7r_l-一_一 .ttl 一：f-vcc圖4-2復位電路上電吋，+5v電源立即對單片機芯片供電，同吋經電阻r對電容c3充電。c3上電壓建立的規程就產生一定寬度的負脈沖，經反向后, rst上出現正脈沖使單片機實現了上電復位。按鈕按下時，rst上同 樣出現高電平，實現了按鈕復位。在應用系統中，有些外圍芯片也需 要復位。如果這些芯片復位端的復位電平和單片機一致，則可以與單片機復位腳相連，因此，非門在這里不僅起了反向作用，還增大了驅 動能力，電容cl, c2起慮波作用，防止干擾竄入復位端產生誤動作 o4.1.3燒寫接口電路rst置高電平，然后向單片機串行發送編程命令。p1

51、7(sck)輸 入移位脈沖，p1.6(m1so)串行輸出,p15(mosi)串行輸入。被燒寫的 單片機一定是最小系統(單片機已經接好電源，晶振，可以運行)。 如圖4-3燒寫接口電路。wcximpoo ado pol. adipo : . ad?u：tpo人g popo mpo i.'adiipo 7/aippl 0 .12p；31tpl 1.12hxale/pz8p12.bcip3 02n 3.ch:plpl 5.cej2p3 l.ldpl i.cex)p： 2 dti0plt.chxip：: milp3 4/10p? o mp3 mlp2p3 "血p22/a10p3 7.

52、wp?3/a11 w v和pmabp?p：7?a15rripc$t,rli£2bw01圖4-3燒寫接口電路4. 3紅外對管尋跡模塊尋跡是指小車在口色地板上循黑線行走，木系統采取的方法是紅 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，在小車行駛過程屮不斷地向地而發射紅外光，當紅外光遇到 白色紙質地板吋發生漫反射，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w。由 此過程來改變接收管的輸出電壓，單片機以電壓的變化為依據來執行 小車電機確定行走路線。4. 3.1模塊系統分析圖4-8為紅外線尋跡安裝圖，圖3-9為尋跡模塊

53、實現原理圖，分析如下：圖4-8紅外線尋跡安裝圖如圖4-9是整個紅外線尋跡過程實現的原理圖。四針接口處p3, p4的1, 2腳是跟紅外線發射管連接，3, 4則是跟接收管相連，放置插 針是為了更容易實現紅外線管的放置。由于紅外線接收光的變化可以 讓接收管上的電壓發生變化，相當于可變電阻，這種特性為設計提供 基本的保障。比較芯片lm358 (lm393)可以根據接收管的電壓和參考 電壓進行比較后輸出相應電平。此圖的比較接法為正接法，就是當紅 外線管遇到黑線時，反射減少，“+”斷輸入電壓增加，使的輸岀端 輸出電壓為高，經上拉電阻r12 (r20)上拉后達到單片機有效接收電 平。小車進入尋跡模式后，即單

54、片機開始不停地掃描與探測器連接的 單片機i/o口，一旦檢測到某個i/o口有信號，即進入判斷處理程序, 先確定2個探測器中的哪一個探測到了黑線，如果左面傳感器(紅燈 亮)探測到黑線，即小車左半部分壓到黑線，車身向右偏出，此時應 使小車向左轉；如果右面傳感器(黃燈亮)探測到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左偏出了軌跡，則應使小車向右轉。在經過了 方向調整后，小車再繼續向前行走，并繼續探測黑線垂復上述動作, 實現方向控制，按照黑線行駛。其中，r11和r19為限流電阻，防止紅外線發生管因電流過大而 燒壞；由r14和一個可變電阻組成的電路為參考電壓電路，由于檢測 小車行駛的過程會因環境或則黑線材料的

55、改變使輸出電壓成一個變 化值，所以通過可變電阻來改變參考電壓，使能止常運行；同時r12 和r20為上拉電阻，讓輸入單片機的電壓達到高電平；發光二極管則 是能更直觀的判斷出哪對傳感器在起作用。4. 3. 2 lm393芯片介紹雙電壓比較器電路lm393,如圖3-10 lm393原理結構圖和表3-1引腳功能表。表3-1引腳功能表引出端序 功能 符號 引出端序 功能 符號輸出端1 0ut1正向輸入端ln+(22)2反向輸入端1n-(16反向輸入端1n- (21)2)3正向輸入端1n+(17輸出端20ut21)續表3-14地gnd8電源vcc4.4紅外避障模塊紅外避障模塊主要實現小車的避障處理，當小車

56、檢測到前面有障 礙物時，由單片機發出指令實現小車停止功能。其實現原理與紅外線 對管尋跡模塊基本一致，只是為了實現更好的避障效果（主要是距離 問題），所以采用了自制紅外接發電路。軟件設計軟件設計是實現小車智能運轉的關鍵所在，相當于人類大腦思維 活動，通過軟件設計可將各個變化信號數據有效的結合處理，產生相 應的動作反應。在小車運行的控制過程中，我們采用模糊控制算法實 現對小車樣本訓練。4. 3模糊控制算法4.3.模糊理論的發展20世紀60年代，美國加利福尼亞大學著名教授扎徳發表了一篇 關于模糊集合的論文，由此提出了模糊理論。四i-多年來，在模糊理 論算法、模糊推理、工業控制應用，以及穩定性理論研究方面，都有 不少研究論文發表。80年代后，自動控制系統隨著被控對象的復雜化，它不僅表現 在控制系統具有多輸入、多輸出的強偶合性、參數時變性和嚴重的非 線性等特性，更突出的是從系統對象所能獲取的知識信息量相對的減 少，以及與此和反的對控制性能的要求卻口益高度化。如今，對模糊控制系統的結構、模糊