智能小车的发展背景论文

第1章 绪 论1.1 智能小车的发展背景 自第一台工业机器人诞生以来，机器人的民展已经遍及机械、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，制造能替代人工作的机器一直是人类的梦想。 其中智能小车可以作为机器人的典型代表。其需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，实现自动识别路线，选择正确的行进路线，使用传感器感知路线并作出判断和相应的执行动作。智能小车设计与开发涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科。它可以分为三大部分：传感器检测部分，执行部分，CPU。 现智能小车发展很快，从智能玩具到各行业都有实质成果，其基本可实现循迹、避障、检测贴片，寻光入库、避崖等基本功能，有向声控系统发展的趋势。比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列，我们此次的设计主要实现循迹这一个功能。 开展自主寻迹智能小车的研究工作，正适合机电一体化专业，制作智能小车为机电一体化专业学科的学生学习和掌握机电一体化技术有很大的帮助，对机电一体化专业学科的学生进一步巩固已学知识加深已学知识起到促进作用，引导和激励学 第一章 绪论 生实事求是、刻苦钻研、勇于创新、多出成果、提高素质，发现和培养一批在学术科技上有作为、有潜力的优秀人才。 我们从来没接触过智能小车方面的知识，这对于我们来说是一个巨大挑战，整个研究的过程，我们都是摸着石头过河的。由于知识和经验的缺乏，我们经常会遭到失败，有时一个小小的因素，就会影响到设计，所以我们的步伐前进得很慢。研究的进程大概可能分为：资料收集及整理阶段、硬件制作阶段和调试阶段。公欲善其事，必先利其器，在做每件事之前都要先经过思考，我们在制作之前会先从网上、书上及请教老师来收集资料，把资料经整理理解透了之后，做出设计。接着就是制作硬件，工具和电子元件都需要购买，途径可以是网购或是商店，由于设计不是完美的，我们不能做到一次就把需要的元件都列出来，一次性购买，所以我们分了好几次去商店买元件；因为方案没有最终确定，若是直接焊接电路板，设计如果不成功，整个电路板就没用了，这样就增加了制作的成本，所以我们需要用面包板制作硬件，在调试阶段完成最终确立设计之后，我们才做出电路板。调试阶段就是要测试设计是否成功、合理，当然经常会失败，但我们

要在每次的失败中吸取经验、改正错误，
取得最后的成功。整个过程是漫长的，但我们在无数的挫败之后终于成功制作出了智能小车 2 第二章 系统设计2.1 智能小车的工作原理 本次智能小车的工作原理，正如现在工厂中用的变频器一样，把小车的每个轮子的动力机构，也就电动机，把它做成一个闭环的系统，让每个电动机的转速恒定，无论哪些影响它的因素改变，它的输出转速依然恒定，如小车爬坡和小车下坡，让它们的速度时刻匀速，电机的工作采用 PWM 脉冲调制，让它的速度可控，适应我们的转速要求，如小的平滑启动，小车的加速超车，采用两三个单片机做数据处理，第个电机用一个单片机做它的数据处理，在用第三个单片机做总数据发送，采用三个单片机的多机通信模式实现数据的交换，让两个从机做为电机的驱动部分，这样做出来的小车平台就可以在使用中更佳灵活与轻便，电机采用通电机主轴转速，让它的主控单片机计数，采用 100ms 抽样，这样就可以把电机的转速确定出来，一但电机转速不足于预设值时，马上经过算法去增加 PWM 值，让电机升速，直到电机转速达到要求为止，保留当前 PWM 值，如果电机转速过高，电机这时处于发电状态，马上经过算法去减小 PWM 值，让电机减速，直到电机转速达到要求为止。 第二章 系统设计2.2 研究方案的选择与内容2.2.1 电机计数传感器选择方案一：光电码盘 采用光电对管，利用它的对射原理，在直流电动机的主轴上加上一个圆盘，在圆盘的表面上均匀的加上不同的格子，在把这些格子间隔性的涂上黑色和白色，这样对于光电对管发出来的红外光就会有不同的反光率，在光电对管上在配备上电压比较模块，这样就可以很清晰表现出一上高低电平，也就是我们想要的数字电压信号，正好有利于单片机的信号采集。但是这种方案有一种弊端，就是两个直流电动机是一个很大的功率器件，它的启动和动转都会对电网的电压造成一定的波动。正是这上波动很容易造成处理器工作不稳定，容易出现死机或者是计数不准确的现象。方案二：磁传感霍尔传感器 采用磁传感霍尔传感器，它的外围电路设计简单，工作可靠，在电机主轴上粘上一个或多个强磁铁，磁铁越多计数也就越精确，当有强磁从霍尔元件的表面划过时，霍尔元件就会产生一个高电平，霍尔元件实际上是一个开关量，它的输出引脚上只有高电平，或者是低电平，它不会出现高阻状态，这样输出的信号可靠稳定。它就是本身的价格要贵些，但是它的工作可靠性还是值得考虑的。 42.2.2 控制器的选

择 方案一： AVR 单片机 高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位 一直是衡量
单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。 AVR 单片机废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机CISC追求指令完备的做法；采用精简指 令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中指令集中占大多数的单周期指令都是如此，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。 AVR 单片机硬件结构采取 8 位机与 16 位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆32 个寄存器文件和单体高速输入/输出的方案即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑。提高了指令执行速度1Mips/MHz，克服了瓶颈现象，增强了功能；同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。AVR 单片机内嵌高质量的 Flash 程序存储器，擦写方便，支持 ISP 和 IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新。内嵌长寿命的 EEPROM 可长期保存关键数据，避免断电丢失。 AVR 单片机的 I/O 线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入/输出、可设定（初始）高阻输入、驱动能力强（可省去功率驱动器件）等特性，使的得 I/O 口资源灵活、功能强大、 第二章 系统设计可充分利用。 AVR 单片机片内具备多种独立的时钟分频器，分别供URAT、I2C、SPI 使用。其中与 8/16 位定时器配合的具有多达10 位的预分频器可通过软件设定分频系数提供多种档次的定时时间。 AVR 单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电 BOD，多个复位源自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、BOD 复位，可设置的启动后延时运行程序，增强了嵌入式系统的可靠性。 AVR 单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行（5-2.7V），抗干扰能力强，可降低一般 8 位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。 方案二：AT89S51 单片机 AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内 含 4k Bytes ISPIn-system programmable的 可 反 复 擦 写1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S51 具有如下特点：40 个引脚，4K Bytes Flash 片内程序存储器，128Bytes 的随机存取数据存储器（RAM），32 个外部双向输入/输出（I/O）口，5 个中断优先级

2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器2 个全双工串行 6通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。AT89S51 设
计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU 暂停工作，而 RAM 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有 PDIP、TQFP 和 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 采用方案二。由于本系统电路简单，不需要更多的 I/O 口资源，AT89S51 单片机已经能完全胜任，并且对 AT89S51 单片机熟悉，用起来得心应手，综合各方面利弊，所以选则方案二。2.2.3 电机驱动模块选择 方案一： 采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更重要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大，分压不仅降低效率，而且实现起来很困难。 方案二： 采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的转速的调整。此方案的优点是电路比较简单，缺点是继电器的响应时间慢，机械结构易损坏，可靠性不好。 方案三：采用有达林顿管组成的 H 型 PWM 电路。具体采用电机专用驱动芯片 L298N。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，精确调整电机的转速。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 型电路保证 第二章 系统设计了可以简单地实现转速和方向的控制，稳定性极强，是一种被广泛采用的 PWM 调速技术，承受负载能力大。 采用专用电机驱动芯片 L298N，控制方便。2.2.4 显示模块的选择 方案一：LED 静态显示模块 该显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将要显示的数据送出后就不再控制 LED，直到下一次显示时再传送一次新的数据。只要当前显示的数据没有变化，就无须理睬数码显示管。静态显示的数据稳定，占用的 CPU 时间少。静态显示中，每一个显示器都要占用单独具有琐存功能的 I/O 口，该接口用于笔画段字型代码。这样单片机只要把显示的字型数据代码发送到接口电路，该字段就可以显示要发送的字型。要显示新的数据时，单片机再发送新的字型码。 方案二：LCD 显示模块 LCD 为平面超薄的显示设备，它由一定数量的彩色或黑白像素组成，放置于光源或者反射面前方。液晶显示器功耗很低，适用于使用低耗的电子设备。它的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。并且该设备机身薄

，节省空间，省电，不产生高温，完全无辐射，有益健康，画面柔和不伤眼。 采用方案二，LED 显示画面单一，不具有视觉表现力，而LCD 可视性好，画面可以根据具
体要求改变，直观方便的将所要现实的数据显示出来。功耗低更适于本系统的要求。 8 吉林工程技术师范学院毕业论文 第3章 硬件系统设计与实现 3.1 硬件系统概述 按键扫描 无线模块 避障检测 主机 语音播报显示 从机 从机 显示 电机驱动 电机驱动 电机 测速 测速 电机 第三章 硬件系统设计与实现 3.2 控制器电路设计3.2.1 AT89S51 系列基本组成及特性 AT89S51 是一种带 4k 字节闪烁可编程可擦除只读存储（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read OnlyMemory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。而在众多的 51 系列单片机中，要算 ATMEL 公司的 AT89C51更实用，也是一种高效微控制器，因为它不但和 8051 指令、管脚完全兼容，而且其片内的 4K 程序存储器是 FLASH 工艺的，这种工艺的存储器，用户可以用电的方式达到瞬间擦除、改写。而这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。 AT89S51 基本功能描述如下：AT89S51 是一种低损耗、高性能、CMOS 八位微处理器，而且在其片种还有 4k 字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器，能重复写入擦除 1000 次，数据保存时间为十年。它与 MCS-51 系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替 MCS-51 系列单片机，而且能使系统具有许多 MCS-51 系列产品没有的功能。AT89S51 可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积 增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于 4k 四个 I/O 口全部提供给用户。可用 5V 电压编程，而且写入时间仅 10 毫秒 仅为8751/87C51 的擦除时间的百分之一，与 8751/87C51 的 12V 电压擦写相比 不易损坏器件 没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。AT89S51 芯片提供三级程 10 吉林工程技术师范学院毕业论文序存储器锁定加密， 提供了方便灵活而可靠的硬加密手段 能完全保证程序或系统不被仿制。另外AT89S51 还具有 MCS-51系列单片机的所有优点。128×8 位内部 RAM 32 位双向输入输出线 两个十六位定时器/计时器 5 个中断源 两级中断优先级一个全双工异步串行口及时钟发生器等。 AT89S51 有间歇、掉电两种工作模式。间歇模式是由软件来设置的 当外围器件仍然处于工作状态时 CPU 可根据工作情况适时地进入睡眠状态 内部 RAM 和所有特殊的寄存器值将保持不变。这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。掉电模式是 VCC 电压低于电源下限

当振荡器停止振动时CPU 停止执行指令。该芯片内 RAM 和特殊功能寄存器值保持不变 一直到掉电模式被终止。只有 VCC 电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位、掉电模式可被终止
。3.2.2 AT89S51 系列引脚功能 AT89S51 有 40 引脚双列直插（DIP）形式。其与 80C51 引脚结构基本相同，其逻辑引脚图如图 2-1。 12个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两 信号）（当使用外部振荡器时，XTAL1 接地，XTAL2 接收振荡器 XTAL2——反向放大器的输出，输入到内部时钟发生器 XTAL1——输入到振荡器的反向放大器 GND——接地 VCC——运行和程序校验时加5V 1．电源和晶振 各引脚功能叙述如下： 图 3.12 AT89S51 逻辑引脚图 15S98TA 82 51A/7.2P SSV 41A/6.2P 02 72 62 31A/5.2P 52 21A/4.2P 42 11A/3.2P DR/7.3P 71 32 01A/2.2P RW/6.3P 61 22 9A/1.2P 1T/5.3P 51 12 8A/0.2P 0T/4.3P 41 1TNI/3.3P 31 8 4XEC/7.1P 0TNI/2.3P 21 7 3XEC/6.1P DxT/1.3P 11 6 2XEC/5.1P DxR/0.3P 01 5 1XEC/4.1P 4 0XEC/3.1P 3 ICE/2.1P GORP/ELA 03 2 XE2T/1.1P NESP 92 1 2T/0.1P PPV/AE 13 TSR 7DA/7.0P 9 23 6DA/6.0P 33 5DA/5.0P 43 4DA/4.0P 53 3DA/3.0P 63 2DA/2.0P 73 2LATX 1DA/1.0P 81 83 1LATX 0DA/0.0P 91 93 CCV 04 第三章 硬件系统设计与实现 吉林工程技术师范学院毕业论文地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。 2．I/O（4 个口，32 根） P0 口——8 位、漏极开路的双向 I/O 口。当使用片外存储器（ROM、RAM）时，作地址和数据分时复用。在程序校验期间，输出指令字节（需加外部上拉电路）。P0 口（作为总线时）能驱动 8 个 LSTTL 负载。 P1 口——8 位、准双向 I/O 口。在编程/校验期间，用于输入低位字节地址。P1 口可驱动 4 个 LSTTL 负载。对于 80C51，P1.0——T2，是定时器的计数端且位输入；P1.1——T2EX，是定时器的外部输入端。这时，读两个特殊输入引脚的输出锁存器应由程序置 1。 P2 口——8 位、准双向 I/O 口。当使用片外存储器（ROM及 RAM）时，输出高 8 位地址。在编程/校验期间，接收高位字节地址。P2 口可以驱动 4 个 LSTTL 负载。 P3 口——8 位、准双向 I/O 口，具有内部上拉电路。P3 口提供各种替代功能。在提供这些功能

时，其输出锁存器应由程序置 1。P3 口可以输入/输出 4 个 LSTTL 负载。 第三章 硬件系统设计与实现 3．串行口 P3.0——RXD（串行输入口），输入。 P3.1——TXD（串行输出口），输出。 4．中断 P3.2——INT0 外部中断 0，输入。 P3.3——INT1外部中断1，
输入。 5．定时器/计数器 P3.4——T0 定时器/计数器 0 的外部输入，输入。 P3.5——T1 定时器/计数器 1 的外部输入，输入。 6．数据存储器选通 P3.6——WR 低电平有效，输出，片外存储器写选通。 P3.7——RD 低电平有效，输出，片外存储器读选通。 7．控制线共 4 根 输入： RST——复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 EA/Vpp——片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。在编程时，其上施加 21V 的编程电压。 注意：在加密方式 1 时，EA 将内部锁定为 RESET；当 EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP）。 输入、输出： ALE/PROG——地址锁存允许信号，输出。ALE 以 1/6 的振荡频率稳定速率输出，可用作对外输出的时钟或用于定时。在 14 吉林工程技术师范学院毕业论文EPROM 编程期间，作输入，输入编程脉冲（PROG）。ALE 可以驱动 8 个 LSTTL 负载。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 注意：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 输出： PSEN——片外程序存储器选通信号，低电平有效。在从片外程序存储器取址期间，在每个机器周期中，当 PSEN 有效时，程序存储器的内容被送上 P0 口（数据总线）。PSEN 可以驱动 8个 LSTTL 负载。3.2.3 AT89S51 系列单片机的功能单元 1．并行 I/O 接口： 单片机芯片内有一项主要功能就是并行 I/O 口。51 系列共有 4 个 8 位的并行 I/O 口，分别记作 P0、P1、P2、P3 每个口都包含一个锁存器，一个输出驱动器和输入缓冲器。实际上，它们已被归入专用寄存器之列，并且具有字节寻址和位寻址功能。在访问片外扩展存储器时，低八位地址和数据由 P0 口分时传送， 第三章 硬件系统设计与实现高八位地址由 P2 口传送。 2．定时器/计数器 定时器/计数器（Timer/Counter）是单

片机中的重要部件，其工作方式灵活、编程简单，使用它对减轻 CPU 的负担和简化外围电路都大有好处。 S51 系列包含有两个 16 位的可编程定时器/计数器分别称为定时.