基于单片机的智能化避障小车设计毕业设计论文(19页).doc

-基于单片机的智能化避障小车设计毕业设计论文-第 16 页毕业设计（论文）报告 题 目 基于单片机的智能化避障小车设计 机电工程 院（系）电气工程及其自动化 专业 学 号 100616007 学生姓名 * 指导教师 * 起讫日期 2014/01/012014/04/30 设计地点 *摘要随着社会的发展和科技的进步，各种各样的高科技开始出现在人们眼前，作为一名工科男更应该跟上时代的脚步，与时俱进不断创新。说到高科技，汽车应该是大家最常接触，也是广大男生更为关注的话题。智能汽车更是所有男生的追求，那么智能汽车的概念提出以后将给我们今后的生活带去怎样的变化呢？在当今科技如此迅猛发张的形势下，智能汽车成为了时代发展所不可阻挡的趋势，我国作为一个科技大国，在汽车领域的研究也在不断的深入，虽然我们现在就汽车领域而言与国外还有一定的差距，但是我们通过对科技的不断研究，一定会超越他们的。在这种情况下，智能化避障小车的设计就很有意义。虽然我们做的只是最简单，基础的设计，但是这能为许多人打开一扇窗户，让他们走进来，为我国今后的科技发展贡献一份力量。 本此设计中所设计的智能化避障小车是通过安装在小车头部的避障模块感应障碍物的距离，然后将感应到的信号传送到STC89C52单片机组成的控制系统，再由控制系统对L289N芯片控制的电机驱动模块发出信号指令，来控制小车后面两个轮子上电机的运行于停止，从而使小车完成避障功能。关键词：智能小车；STC89C52单片机； L298N；红外对管 ABSTRACTAlong with social progress and technological development, a variety of high-tech began to appear in front of people, as a man should keep up with the pace of engineering times, the times and innovate. When it comes to high-tech, we should be the most contact with the car, but also the majority of the boys are more concerned about the topic. Proposed the concept of intelligent vehicle to the automotive industry also brought opportunities and challenges. Intelligent car is bound to be the future trend of the development of the automobile industry, in this context, we carried out a study of microcontroller-based obstacle avoidance smart car. China, as a scientific and technological power, in the automotive sector has also been studied in depth, although we first in the automotive sector and abroad for the purposes there is a gap, but we continue to study through science and technology, will be beyond their. In this case, the design of the intelligent car obstacle avoidance makes sense. Although we do is the most simple, basic design, but for many people it can open a window and let them come in, contribute to a future of technological development in China.Based infrared detection of black lines and the road obstacles, and use a STC89C52 MCU as the controlling core for the speed and direction, A electronic drived, which can automatic track and avoid the obstacle, was designed and fabricated. In which, the car is drived by the L298N circuit, its speed is controlled by the output PWM signal from the STC89C52. Key Words:Smart Car; STC89C52 MCU; L298N; Infrared Emitting Diode目 录1 引言41.1 智能小车的意义和作用41.2智能小车的现状42 方案设计与介绍62.1 主控系统62.2 电机驱动模块62.3 避障模块72.4 电源模块82.5 STC89C52单片机83 硬件设计103.1 总体设计103.2 驱动电路设计103.3 信号检测模块设计123.4 主控电路设计133.5 L298N芯片介绍134 软件设计154.1 控制程序设计154.2 实物图165 安装调试176 元件清单177 总结18参考文献19致谢20第一章 引言1.1 智能小车的意义和作用 从世界上第一台机器人的产生到现在，机器人已经出现在我们生活中的各个领域，在全球科技飞速发展的当今社会，智能化越来越普及，它正悄悄的改变着我们的生活。如今的工厂到处都是智能化，各种机器人代替了人类的劳动力，如果我们不去努力的学习科学知识，将会被这个社会无情的淘汰，为了争取我们在这个社会的价值，努力学习科学知识显得尤为重要。现在社会，对机器人的研究已经取得了很大的成功。人体是通过身体上无数的感觉器官来感受周围一切的，这是冰冷的机器和人体本身一个很大的区别，但是现在人类对机器人的研究已经可以代替这些我们人类天生拥有的功能。记得最近刚看的一期科技节目，其中一位科技人员表示现在机器人可以代替人类常用的所有感官系统，并且比人类自身的感官系统更为敏锐。这些高端的科学技术同样可以转换为战斗力。在军事方面发挥出强大的力量。增强了军队的战斗能力，同时高科技武器的存在可以更大限度的减少人的参与，从而减少了人类的牺牲。我们在好莱坞大片机械战警和机械公敌中可以看到如今人类对为来机器人发展预测，未来的机器人通过其极强的学习能力，将会有自己的思维，和人脑一样，不在受人类的控制，相当于成为一个新的种族存在。到那时候，汽车人不是我们现在只能在电视上看到了，而是和我们一样走在大街上。那个时候的社会又将该如何发展呢。讲了这么多，想要说明的是，智能小车也是机器人的一种，我们可以透过智能小车来进一步了解智能化的发展。我们想象一下，以后我们不用早上起来匆匆的吃个早餐赶紧开车去上班，而是起来后座上小车，设置好目的地，然后再路上悠闲的享用着自己丰盛的早餐，吃完早饭，车到公司，然后全身散发着满足自信的光芒走进公司，开始一天的工作。这样的场景是多么的美妙。本此设计的作用就体现的淋漓尽致。1.2 智能小车的现状我国的智能化小车和过外的相比还是有一定的差距，这很主要的原因是因为科学技术水平的差距导致的。不过我国现在的一些汽车厂商也开始对这方面的研究加大力度。我们国家现在也有很多这样的电子设计大赛，在这些大赛上也有很多优秀的作品，也给了现在很多有知识有才能的年轻人展现自己的舞台。同时我们国家还采取了汽车生产厂商和学校和作，建立科学实验室共同研发高科技的产品。同时大学和大学之间也相互和作技术分享共同研发。这些举措目前已经去的了很好的成效。在2003年，一汽集团国防科技大学共同研究设计的无人驾驶汽车，其设计技术可以和当今世界各国的先进技术相媲美。同时我国几所重点大学也联合研究设计出了军用的无人驾驶汽车。汽车上搭载有各种科技侦破设备，大大增强了破案的成功率，同时减少了人员伤亡。伴随着智能小车技术的进步，与其密切联系的其他系统也要随之一起进步。其中相互影响最多的就是交通系统了。智能化交通系统简称ITS。我们国家对ITS技术的研究也有了自己专业的团队。其团队由来自于各大高校和科学研究机构的人组成。而且各大汽车厂商也对ITS技术投入了大量的资金与人才。因为这项技术对他们而言是一个很大的商机，一旦这项技术研究成熟后，多少人去除了不会开车不懂交通法规的担忧，而开始纷纷拿出银行存款买车。这样不仅仅可以使人们的出行更加方便快捷，还大大减少了交通事故的发生。我们国家在这方面已经做的很不错了。 我国不仅是一个经济大国，科技大国，同时也是一个人口大国，我国是世界上人数最多的国家。因此我们过家的发展和其他国家相比有着自己特殊情况，我们不仅看到总体，还要看每一个人。就具体国情而论，智能化的发展对我国有着特殊的意义，可以更为快速的管理和维护国家的治安，同时增加我国人民的生活水平和生活质量。我们要为此付出更多的努力。不管怎么说智能小车的发展速度是大家能够感觉和体会到的。在近几年世界先进的汽车厂商，宝马，奥迪，奔驰这样的大品牌将推出量产型智能汽车，这将是一次革命性的标志。作为中国人，希网我们国家能够为这历史性的转变尽一份力。希望中国的智能化发展道路越走越顺利。我相信通过我们一代人一代人的努力，未来科技的世界是更为灿烂精彩的。第二章 方案设计与介绍 我们采用的设计方案是：用轮子和电路板组装成简易的小车，再将设计所需的各电子元件焊接在电路板上，完成小车整体结构的设计。其设计思路如下：在组装好的小车板子前端焊接上设计好的避障电路，实现对障碍物的检测和反馈。再另取一块板子放置在刚才板子的上方将主控模块和电机驱动模块焊接上，用来处理避障模块反馈的数据以及根据数据控制电机的运行停止。2.1 主控系统本次设计中主控系统需要完成的任务是接收来自避障模块的信号，然后分析处理信号，再将信号传递给电机驱动模块。根据这样的设计思路，其需要处理的信号量少，数据的处理量也不大，又因为我们学习过单片机原理及接口技术，觉得单片机的特点特别适用于此模块。首先来说，单片机体积小。再次，能够满足我们对小车控制的要求。对于我们学生很重要的一点是它价格便宜。然后是单片机的选择问题。由于我们课本上主要介绍了AT89C51和AT89C52单片机。我们对这类单片机比较熟悉，使用起来比较容易上手。但是在网上购买时STC的居多，经过查阅相关资料，发现STC的和AT的功能上很相似，而且都能够满足我们对控制的要求。由于以上讲到的问题，我们选择了STC89C52RC单片机。2.2 电机驱动模块电机驱动模块要完成的任务是控制安装在小车两个轮子上的直流电机的运行与停止。功率三极管可以很容易的完成此目的。首先，我们将功率三级管作为功率放大器。这样他的输出就可以用来控制直流电机的运行。然后，我们可以用达林顿管连接成H型桥式电路。这种电路用来实现现行驱动非常合适。原因在于其结构和原理都比较简单。重点是这种电路的效率很高。因为达林顿管总是工作在饱和截止模式下。这种管子的稳定性高，效率高的特点，使其成为现在主流的PMW调速技术。和前面主控系统中遇到的问题一样。我们不想花费时间去焊接H型桥式电路，我们想要寻找一种已经集成有此电路的芯片。用这种芯片来代替此电路的功能，这样做既可以减少时间，而且还可以减少空间，使设计更为美观。经过查阅资料我们最后采用L298N芯片作为电极驱动模块的核心部件。图2.1 H桥式电路图2.2 L298N2.3 避障模块避障模块主要是用红外对管的红外感应来完成，开始我们的设计是在小车前方正中安装一个红外对管用来感应障碍物，但是经过试验测试以后发现这样设计的缺点很明显，就是感应不准确，如果前方左右两边遇到障碍物时由于红外对管安装在正中的位置，感应不到障碍，使得小车不能够完成避障。因此，我们在小车前方的左右两边各安装一个红外对管，这样就大大提高了小车的避障成功率。 2.4 电源模块电源模块的设计主要是用来给两组红外对管组成的避障模块和单片机以及电机驱动模块供电。由于轮子上的两个电机要带动整个小车的运动，因此电机驱动模块所需的电能较大，由于这个原因，我们开始是想设计两个电源模块，一个单独用来给电机驱动模块供电，另外一个用来给红外避障模块和单片机供电，但是考虑到小车设计的简单化和设计空间的问题，最后决定由四节5号干电池作为电源模块同时给三个模块供电。这样虽然不是最佳的设计选择，但是足以使小车完成避障任务。2.5 STC89C52单片机STC89C52是知名的电气生产厂家STC公司生产的。其内核为MCS-51。虽然为51内核，但是该内核已经经过了几次改进，比原有内核功能更多，更强大。该芯片的可编程存储空间有8K。不仅如此，该单片机的CPU是8为的CPU。这样的CPU运算速度相当快。STC89C52单片机最大、最为突出的优点是，其运算速度快，控制性灵活，功耗低。 具有下表所示标准功能：8k字节Flash32 位I/O 口线7向量4级中断结构512字节RAM全双工串行口4个外部中断3个16 位定时器/计数器MAX810复位电路4KB EEPROM看门狗定时器 另外 STC89C52 单片机有两种节电模式可供选择。其静态逻辑电路的频率最低可以降低至0 Hz。两种节电模式主要是通过控制不同部分的工作状态完成的。例如当CPU工作的时候，可以让时钟部分停止工作，这样就可以节电。该单片机另一个有点是，其具有掉电保护功能。这样可以避免数据的丢失，减少不必要的麻烦，同是提高其控制效率。该单片机最高运作频率为35MHz，6T/12T可选。 STC89C52RC单片机的特点有：8K字节程序存储空间；512字节数据存储空间；内带2K字节EEPROM存储空间；可直接使用串口下载。STC89C52RC单片机的参数如下：1. 工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机）2.工作频率范围：040MHz，相当于普通8051 的080MHz，实际工作 频率可达48MHz3. 用户应用程序空间为8K字节4. 片上集成512 字节RAM5. 通用I/O 口（32 个）6. 具有EEPROM 功能7. 有T0、T1、T2 3 个16 位定时器/计数器8. 工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）9. PDIP封装图2.3 STC89C52RC引脚图第三章 硬件设计3.1总体设计本次设计的智能化避障小车主要是通过避障红外对管来检测前方是否遇到障碍，然后将信号传送到单片机内部，再由单片机将接收到的信号传送到电机驱动模块，最后电机驱动模块根据接收到的信号控制安装在两个轮子上的电机的停转来实现小车的避障转弯。当小车前方左边的红外对管检测到前方有障碍物时，就会产生一个低电平，经过一系列的传送，最后控制小车右边的电机停止转动，小车左边的电机继续转动，小车将避开左边的障碍物向右边运动。同理，当小车右边前方有障碍物时，小车左边的电机将停止转动，小车右边的电机单独运行，小车将避开右前方的障碍物向左边转弯，当两边的红外对管同时感应到前方有障碍物时，本设计指定为右边的电机运行，左边的电机停止运行，小车向左转弯，当两边的红外对管都没有检测到障碍物时，表示前方没有障碍，这时，小车左右两边的电机同时运行，小车将直线行走。下图是本次设计的总体设计图。电源避障红外对管 电机驱动 STC89C52RC复位电路图3.1 总体设计3.2驱动电路 出于对设计的考虑，我们将优先选择简单容易实现的驱动方式，因为本设计的目的是打开对此感兴趣的同学的思路，在平时设计中我们常见到的电机驱动方式有很多种，可是经过我们仔细认真的考虑和琢磨之后觉得H桥式驱动电路最为适合我们的设计，也与我们的设计理念相符。但是要是直接根据电路图连接处H桥式电路不仅会很占用电路板的空间而且稳定和一次性成功也很难保证，我们希望能够找到一个内部已经集成有H桥式驱动电路的芯片来代替复杂的电路焊接。经过我们大家上网查阅资料，去图书馆查阅资料以后，我们发现L298N芯片不仅结构小巧而且其各种特性都很适合我们本次驱动电路设计的需要。经过我们讨论以后决定采用L298N芯片作为我们本次设计的驱动芯片。该芯片通过接收主控系统发出的信号对电机的停转进行控制。在3.5节中我们对该芯片做了详细的解释，其中包括该芯片的主要特点，和其对电压电流等的要求，以让大家更为清楚该芯片的使用方法。图3.2为该芯片的引脚图。图3.3为该芯片的驱动原理图。图3.2 L298N引脚图图3.3 电机驱动电路3.3信号检测模块图3.4 红外避障电路上图为红外避障模块的电路图，从图中我们可以清楚的看到，D3和D2为红外对管部分前面的两个灯，灯D3是用来向前方发射红外线，灯D2是用来接收碰到障碍物之后返回的红外信号。如果障碍物的距离较远灯D2将接收到的信号通过LM567芯片再从图中最右端的2引脚输出高电平发送给主控模块。同理，如果障碍物的距离较近则从最右端的2引脚发出低电平到主控系统。再由主控系统完成对后轮两个电机的控制。图中LM567芯片的各引脚功能如下：1、2引脚为定时元件（如图中所示分别在1引脚和2引脚后接上电容然后相连与地接通，就形成了简单地滤波网络）；3引脚为信号输入端；4引脚为电源接入端；5、6引脚为输出滤波电容端；7引脚为接地端；8引脚为信号输出端。3.4主控电路该模块主要是将红外避障模块传送过来的信号进行判断，然后根据判断结果输出相应的PMW波到电机驱动模块，由电机驱动模块来控制电机运行和停止。其电路图如图3.5。图3.5 主控电路3.5 L298N芯片介绍 ST公司是国际知名的芯片生产公司。其下生产的各种芯片受到了广泛的好评，L298N就是由ST公司生产制作的。L298N是一款电机驱动芯片。该芯片可以引用于高电压、大电流电极的控制中。L298N有15个引脚，内部集成有两个H型桥式电路。该芯片可以对步进电机和直流电机进行驱动。该芯片的控制十分简单，原因在于其采用的控制方式为电平信号控制。要注意的是该芯片的最高工作电压不能够超过46V。该芯片还有电源输入端，和逻辑电路。简要说明： 一、尺寸：80mmX45mm 二、主要芯片：L298N、光电耦合器 三、工作电压：控制信号直流5V四、最大工作电流：2.5A 五、额定功率：25W 特点：1、具有信号指示。 2、转速可调               3、抗干扰能力强 4、可单独控制一台步进电机               5、PWM脉宽平滑调速               6、可实现正反转 7、采用光电隔离  第四章 软件设计4.1 控制程序#include <reg52.h> sbit L1=P22; sbit L0=P23 ;sbit R1=P24; sbit R0=P25; sbit IL=P10; sbit IR=P11;main() P2=0xff;while(1) while(IL=1&&IR=1) L1=1; L0=0; R1=1; R0=0; while(IL=0&&IR=1) L1=1; L0=0; R1=0; R0=0; while(IR=0&&IL=1) R1=1; R0=0; L1=0; L0=0; while(IR=0&&IL=0) R1=1; R0=0; L1=0; L0=0;4.2 实物图第五章 安装与调试1、焊接和调试：先把所有所需的元件按模块分开放置好，观察其各元件大小，估测其在电路板上需要占据多大的面积，用铅笔在板子上标注出各模块的区域，然后将元件放上去看看是否合适，最后调试出合适的大小，用电烙铁将电器元件按照电路图一个模块一个模块的焊接上去。焊接时一定要保证焊接的牢固紧密，同时还要注意其外表和排布的美观，当然安全永远是第一位的，注意不要让电烙铁烧伤手。2、当我们完成焊接工作以后，用连接线将电路板上的各模板连接在一起，这一步一定要仔细认真，分清哪些是输入接口哪些是输出接口，哪端是正极哪端是负极，高电平应该控制哪部分，低电平应该控制哪部分都要确认清楚。只有这样才能保证我们接下来调试的成功。3、将四节新的五号电池装上，将电源线接好，开始按照工作原理，按先后顺序依次调试，我们首先需要调试的部分是避障红外对管部分，调试无误之后，开始检查主控模块，调试无误之后，开始对电机驱动模块进行检查，当所有部分均调试无误之后，开始运行，如果成功完成避障，即本次设计成功。4、最后需要将各个调试正常的模块连接到一起进行调试，如果各部分都能够正常工作，调试就算成功。第六章 元件清单所需元器件：第七章 总结 在这次课程设计中，让我充分享受到制作的快乐，当然在制作中也遇到许多的困难。例如说我在焊接制作驱动电路部分的时候，焊接完成后试运行，电机不转动检查线路却没有问题。还有焊接传感器电路后，检测输出时不能稳定输出，后来在多次调制后成功输出电平。但是令我感到快乐的是在遇到这些困难时有老师和同学的乐于帮助，让我有更多的热情继续我的制作。在制作过程中让我学到了许多。首先任何一个看上去简单地东西，当你自己动手去做的时候，才会发现它有多复杂，其中涉及有多少你没想到的细节。真的感觉书到用时方恨少啊！以前在书本上学到的知识，考试做题的时候很容易上手，可是当我要将这些知识用于实践的时候，突然发现不知道该怎么使用了，这件事让我感慨道，只是一味的学习书本知识而不通过实践是很难深刻的掌握知识的。这也让我想到了学校的教育，我们国家的教育对实践动手能力这部分的重视度还不够，使得培养出来的很多大学生最后都只知道理论东西，真正到动手去做的时候就瞎了，希望我们国家的教育方式和教育体制能够不断的改善和进步。同时通过设计让我进一步掌握keil，proteus，stc软件的一些基本操作，让我对设计一个东西的设计流程有了更为深刻的了解，这些都将为我今后做类似的设计打下基础。另一方面它也培养了我慎密的思维，从开始设计出图纸，然后编写程序，在电脑上用proteus仿真，把仿真成功的程序写到单片机中，最后开始动手将原件焊接到电路板上，然后连接好线路开始调试，直到最后成功，这期间的每一个环节都不可以马虎，否则设计的成品必将是不符合要求的。当然在设计中也不是什么都了解，比如面包板怎么接啊！电烙铁怎么焊接导线，电容的正负级怎么判断等，这些都是以前没使用过的和不了解的。但是通过去图书馆，上网，请教老师同学让我很快的掌握了一些入门。一来加强了我和同学老师之间的交流，二来拓展了我的学习能力。在这里我想对身边每一个帮助我支持我的同学说声谢谢！设计完成后，最令我兴奋和激动的是看着自己设计的小车最后可以实现避障，我所做的这一切让我从内心深处感到自豪和快乐！参考文献1 童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第四版）M.北京：高等教育出版社，2006. 2 邱关源，罗先觉.电路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.3 李朝青.单片机原理及接口技术（第三版）M.北京：北京航天航空大学出版社，2006.4 谢自美.电子线路设计.试验.测试M.武汉：华中科技大学出版社，2004 5 王东锋，王会良，董冠强.单片机C语言应用100例M.电子工业出版社,2009.6 肖景和.红外线热释电与超声波遥控电路M.北京：人民邮电出版社，2003 7 靳桅.单片机原理及应用M.四川：西南交通大学出版社，2004 8 王毅编著.单片机器件手册M.北京：人民邮电出版社,1994 9 何立民.单片机应用系统设计M.北京：北京航空航天大学出版社，1995 10 软件Keil uvision2、ISP 说明书，芯片89C51RA2xx说明书 11 丹尼斯.克拉克机.器人设计与控制M.科学出版社，2004 12 杨帮文.新编传感器实用宝典M.机械工业出版社，2005  13 周坚编.单片机C语言轻松入门M.北京：北京航空航天大学出版社,2006 14 Oppenhein AV, Schafer R·Discrete-Time Signal Processing M ·Englewood Cliffs，NJ: Prentice-Hall, 1989 15 Proakis J G, Manolakis D G·Introducton to Digital Signal Processing M ·New York: Macmillan Publishing Company,1988·234致 谢本次设计是在老师的悉心指导之下完成的，他在设计中给予了我很多建议和指导，使我能够将设计完成，并在各位老师和同学面前展示。肖老师不仅在毕业设计中给了我许多帮助，最重要的是在和肖老师学习和讨论的过程中我学习到了许多能够让我受用终身的东西，比如说对待知识的态度，对待生活的方式，与人相处的学问。对我来说这不仅仅是一次毕业设计，而是一次自我的修行，从修行中我提高了自我。如果我所说这是一次修行，那么肖老师就是这次修行中的大师。在这里我想对肖根福老师说一声谢谢！同时也要感谢我们的其它专业课老师，是他们的敬业和尽心教导，才使我学习到这么多宝贵的知识。最后，向所有帮助我，鼓励我支持我的同学说声谢谢！就用这声谢谢来表达我心中所有想对你们说的话吧！谢谢！1、论文选题与写作本论文选题“基于单片机的智能化避障小车设计”，符合电气工程及其自动化专业培养目标要求，同时又具有一定的实际意义。论文写作比较规范，格式基本符合要求，结构较合理，层次清楚，表述较准确。能够在前期调研的基础上，综合运用有关的基础理论和专业知识进行课题设计，研究方法基本合理，基本上达到毕业设计的要求。2论文内容与工作量本设计的智能化避障小车是通过安装在小车头部的避障模块感应障碍物的距离，然后将感应到的信号传送到STC89C52单片机组成的控制系统，再由控制系统对L289N芯片控制的电机驱动模块发出信号指令，来控制小车后面两个轮子上电机的运行于停止，从而使小车完成避障功能。开题（12月、1月）：8学时；1稿（2月份）：30学时；2稿（3月份）：30学时; 3稿（4月份）：30学时;定稿（5月份）：30学时。3论文结论与创新性作者根据确定的研究内容和研究方案，开展了电机驱动系统的设计、仿真和验证，完成了基于单片机的电机驱动系统的设计，本毕业设计基本达到了预定的目标。设计过程中有些地方具有自己的独特见解和新意，但整体创新性一般。