第第 1 1 章章 系统概述系统概述智能化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。中国自 1978 年把“智能模拟”作为国家科学技术发展规划的主要研究课题，开始着力研究智能化。从概念的引进到实验室研究的实现，再到现在高端领域（航天航空、军事、勘探等）的应用，这一过程为智能化的全面发展奠定基石。智能化全面的发展是实现其对资源的合理充分利用，以尽可能少的投入得到最大的收益，大大提高工业生产的效率，实现现有工业生产水平从自动化向智能化升级，实现当今智能化发展由高端向大众普及。从先前的模拟电路设计，到数字电路设计，再到现在的集成芯片的应用，各种能实现同样功能的元件越来越小为智能 化产物的生成奠定了良好的物质基础。本设计以智能化全面发展的普及与应用为目的，整体开发过程简单易懂，所选择的平台与各电子元件恰当合理，无需花费过多的人力财力便可达到预期所要求各功能的实现，也符合课题研究的意义。设计的理论方案、分析方法及特色与创新点等可以为国内自动运输机器人、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。小车也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。同时作为高校毕业设计研究课题，对学生的思维、动手能力以及总结论述等综合能力得到充分锻炼，有利于以后独立及全面的发展。设计主要以简易智能机器人为开发平台，选择通用、价廉的 51 单片机为控制平台，选择常见的电机模型车为机械平台，通过细化设计要求，结合传感器技术、电机控制技术、无线通信技术等相关知识实现小车的各种功能。设计完成以由无线电遥控、红外线对管的自动寻迹、红外线自动避障以及语音控制组成的硬件模块结合软件设计组成多功能智能小车，共同实现小车的前进倒退、转向行驶，自动根据地面黑线寻迹导航，检测障碍物后停止和语音信号的控制等功能，实现智能控制，达到设计目标。1.11.1 智能小车的意义和作用智能小车的意义和作用 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。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为基于单片机的智能小车设计2自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。视觉传感器的核心器件是摄像管或 CCD，目前的 CCD 已能做到自动聚焦。但 CCD 传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。避障控制系统是基于自动导引小车（AVGAUTO-GUIDE VEHICLE）系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线。使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分：传感器检测部分、执行部分、CPU。机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的 CCD 传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。智能小车的执行部分，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。单片机驱动直流电机一般有两种方案：第一，勿需占用单片机资源，直接选择有 PWM 功能的单片机，这样可以实现精确调速；第二，可以由软件模拟 PWM输出调制，需要占用单片机资源，难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大。考虑到实际情况，本文选择第二种方案。CPU 使用 STC89C52RC 单片机，配合软件编程实现。1.21.2 设计目标设计目标本设计的主要任务就是设计一个以单片机为核心的智能小车，主要实现循迹及简单的障碍物检测功能。通过装在小车前面的红外传感器，获取路面黑线位置信息，输入到单片机中，再由单片机输出控制信号，由驱动模块驱动电机实现小车的自主循迹行驶，同时当路线前方检测到有障碍物时，进行相应的避障措施。1.31.3 设计工具简介及运行环境设计工具简介及运行环境1.电路原理图.DDB 文件，PROTEL 99 SE 软件设计。其主要包含两大部分：电路工程设计部分和电路仿真与 PLD 部分。2.程序代码.UVPROJ 文件，KEIL UVISION2 软件编写。KEIL UVISION2 是美国 KEIL 河北化工医药职业技术学院毕业论文 3SOFTWARE 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统，使用接近于传统 C 语言的语法来开发，与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入汇编，您可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。3.运行环境：其程序，电路图部分在 WIN7 环境下完成。基于单片机的智能小车设计4第第 2 2 章章 智能小车设计智能小车设计根据要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装光电检测器，实现对电动车的速度、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处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。2.12.1 智能小车的智能小车的设计设计要求要求本设计的主要任务就是设计一个以单片机为核心的智能小车，主要实现循迹及简单的躲避障碍物功能。通过装在小车前面的红外传感器，获取路面黑线位置信息，输入到单片机中，再由单片机输出控制信号，由驱动模块驱动电机实现小车的自主循迹行驶，同时当路线前方以及左右方检测到有障碍物时，采取相应的避让措施。2.22.2 系统总体设计思路系统总体设计思路智能小车采用前轮驱动，前轮左右两边各用一个电机驱动，调制前面两个轮子的转速起停从而达到控制转向的目的，后轮是万象轮，只是起支撑的作用。当循迹模块左边的传感器检测到黑线时，主控芯片控制左轮电机停止，右轮继续向前转动，从而将车向左修正，当车身下右边传感器检测到黑线时，主控芯片控制右轮电机停止，左轮继续向前转动，从而将车向右修正。当全部的传感器都检测到黑线时，主控芯片控制左右轮电机都停止，小车停止。如图 2.1 所示。STC89C52RC循迹红外对管时钟电路复位电路电机驱动避障红外对管河北化工医药职业技术学院毕业论文 5图 2.1 结构简图 避障的原理和循线一样，分别在车身右边左边以及前方装一个光电对管，当其检测到障碍物时，主控芯片给出信号控制车子是继续向前还是左转或者右转，从而避开障碍物，在小车的转动角度的控制方面采用的时间电路的方法，通过不断的调试最终确定一个中断时间，让小车在转弯时可以转出个 90 度角。这个时间的设定也不是一成不变的，不同的路面由于路面的摩擦力不同，时间的设定也会有所不同。通过对上面这句话的深入理解和建模转化，最后设计出以下方案。本系统共分为 5 块模块。1：主控制模块，主要实现各个模块传输的数据处理，输出指令等功能。2：电机驱动模块，主要控制小车电机的启动和停止，使小车的电机在配合下达到小车的行走、停止、转弯等动作。3：循迹模块，通过小车前方的 3 个红外对管寻找地上的黑线，从而让小车按着黑线行走。4：避障模块，检测小车的周围是否有障碍物，向单片机传输信号，从而让小车避开障碍物。5：电源模块，分别用 2 个 6 伏直流电源给单片机和电机供电，并加大小车的重量，让小车在行走过程中更加稳定。2.2.3 3 系统的硬件选择系统的硬件选择1、单片机的选择采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。针对本设计特点多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简 I/O 口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D 功能也不必选用。根据这些分析,我选定了 STC89C52RC 单片机作为本设计的主控装置，51 单片机具有功能强大的位操作指令，I/O 口均可按位寻址，程序空间多达 8K，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是 51 单片机价格非常低廉。基于单片机的智能小车设计6在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片单片机，充分利用 STC89C52RC 单片机的资源。2、驱动模块的选择用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H 型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的 PWM 调速技术。现市面上有很多此种芯片，我选用了 L298N。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。3、循迹模块的选择采用红外一体化传感器。此方案可以降低可见光的干扰，灵敏度高，同时其尺寸小、质量轻、价格也低廉。外围电路简单，安装起来方便，电源要求不高，用它作为近距离传感器是最理想的.4、避障模块的选择采用一只红外对管置于小车左右侧。通过测试此种方案就能很好的实现小车避开障碍物，且充分的利用资源而不浪费。5、电源模块的选择采用 2 个 4 支 1.5V 电池双电源分别给单片机与电机供电可解决问题且能让小车完成其功能。河北化工医药职业技术学院毕业论文 7第第 3 3 章系统硬件的设计章系统硬件的设计3.3.1 1 驱动电路的设计与原理分析驱动电路的设计与原理分析 L298 是 SGS 公司的产品，比较常见的是 15 脚 MULTIWATT 封装的 L298N，内部同样包含 4 通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N 芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的 IO 口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。L298N 可接受标准 TTL 逻辑电平信号 VSS，VSS 可接 457 V 电压。4 脚 VS 接电源电压，VS 电压范围 VIH 为2546 V。输出电流可达 25 A，可驱动电感性负载。1 脚和 15 脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻