基于单片机的智能寻迹避障小车设计..docx

沧州师范学院2019届毕业设计（论文） 题 目：基于单片机的智能循迹避障小车设计学 院：机械与电气工程学院专 业：自动化年 级：2015级姓 名：李颖学 号：1514226126指导教师：鲁明珠、岳勇教师职称：教 授 2019 年 06 月 19 日 郑重声明本人的毕业设计（论文）是在指导教师鲁明珠和岳勇的指导下独立撰写并完成的。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，其中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果。所有合作者对本研究所做的任何贡献均已在设计（论文）中作了明确的说明并表示了谢意。如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任；并愿意通过网络接受公众的监督。特此郑重声明。毕业设计（论文）作者（签名）： 年 月 日论文使用授权说明本人完全了解沧州师范学院有关保留、使用学位设计（论文）的规定，即：学校有权保留送交设计（论文）的复印件，允许设计（论文）被查阅和借阅；学校可以公布设计（论文）的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存设计（论文）。 毕业设计（论文）作者（签名） 指导教师（签名） 年 月 日目 录基于单片机的智能循迹避障小车1摘 要1Abstract21绪论31.1研究背景31.2研究现状41.3研究目的41.4研究内容52系统总体方案及各模块设计52.1总体方案设计52.2各模块方案论证62.2.1供电模块的设计62.2.2循迹部分设计62.2.3速度检测模块设计72.2.4避障模块设计82.2.5驱动电机选择92.2.6电机驱动器件102.2.7核心控制器113硬件设计123.1单片机控制电路123.2电机驱动电路143.3速度检测模块电路153.4PWM调速原理163.5循迹检测电路163.6障碍物检测电路183.7液晶显示电路194软件设计214.1系统控制流程图214.2驱动单元的实现214.2.1循迹算法设计214.2.2避障驱动设计224.2.3速度检测及控制设计234.3路径规划设计244.4小车位置设计255调试286结论30参考文献32致 谢34附 录35附录一原理图35附录二程序36沧州师范学院2019届毕业设计（论文）基于单片机的智能循迹避障小车李颖摘 要 由于交通事故的频繁和军事以及工业等方面的需求，研究智能追踪避障车已被提上了日程。通过分析，确立了以STC89C52RC单片机为核心控制器的智能寻迹避障小车。并对软硬件进行设计，采用红外光电传感器对行驶道路进行感知，采用超声波检测装置对障碍物进行识别，采用L293D驱动芯片对直流电机进行驱动，通过对PWM脉冲波的控制实现对小车速度的控制。最后，结合PID控制算法对程序的编写实现小车整体运行效果，并可在液晶显示器中显示小车行进速度。关键词 STC89C52RC 传感器 PWM调速 循迹避障 PID控制算法1沧州师范学院2019届毕业设计（论文） Intelligent tracing obstacle avoidance trolley based on single chip microcomputerLi Ying Directed by Lu Mingzhu and Yue Yong Abstract Due to the frequent traffic accidents and military and industrial requirements, research on intelligent tracking and obstacle avoidance vehicles has been put on the agenda. Through analysis, the intelligent tracing obstacle avoidance car with STC89C52RC MCU as the core controller is established. The software and hardware are designed, the infrared photoelectric sensor is used to sense the driving road, the ultrasonic detecting device is used to identify the obstacle, the L298 driving chip is used to drive the DC motor, and the control of the PWM pulse wave is used to control the speed of the trolley. . Finally, the overall running effect of the car is realized by writing the program, and the traveling speed of the car can be displayed in the liquid crystal display.Keywords STC89C52RC Sensor PWM speed regulation Tracking obstacle avoidance PID control algorithm 1绪论1.1研究背景众所周知的是，智能小车也被叫做轮式机器人，随着其逐渐的发展，当前已经成为衡量一个国家科学技术水平和工业自动化水平的标准 1。机器人不仅非常灵活，还能够帮助人们在危险环境中进行探索，同时也能帮助人们提高生产率。它已被广泛用于世界各地的生产和生活领域，它不仅在智能玩具类有广泛的应用，在其他领域也有卓越的成就。基本上，它可以实现一些简单的，如跟踪，避障，检测补丁，搜索光线，避免悬崖。飞思·卡尔智能车处于最前沿。随着全球高科技技术的进步，机器人制造业迅猛发展并且日益壮大。作为移动机器人的基础，智能汽车在智能全球化浪潮中的作用越来越大，正在应用更多的高科技和硬件设备。智能车不仅能用于竞争的模式，还能广泛地服务于公众。我国作为一个科技大国，在诸多科技领域已经走在世界前列，在不断改进生产技术和不断提高自动化技术的环境下，智能汽车的发展掀起了一场飓风。在经济全球化、科学技术的快速传播的环境下，很多国家都在积极开展和研发在智能汽车上的应用。智能跟踪车，也称为自动导引车(AGV)2，是一种不需要人为操作运行，而可根据自身设定的行车路线行走的安全运输车辆。其特点为高度自动化和智能化，可以根据要求在具体的实施环境下，通过电脑程序来控制其行动轨迹和动作，实现了灵活准确、安全的更改小车运行线路的目的，且降低了运输过程中所产生的资金消耗。AGV汽车依靠电池提供动力源，且具有清洁环保，运输过程中无噪音的特点，符合当前环保的主流趋势。此外AGV汽车通常还装有装卸功能的设备，能够自动实现对货物的装卸，符合当前自动化系统及人工智能系统综合发展的趋势。从AGV的初步生产到现在已经占据了机械，电子，计算机，自动控制，信号处理和传感器等多个学科领域。它的发展主要经历了三代技术创新：(1)第一代智能车没有装备任何检测装置及传感器，只是装有几个简单的开关元件，通过程序的编写只能实现在已知的的环境下运行，同时这个环境是不能改变的。(2)支持离线编程的第二代智能车具有感知功能，且能够根据周围环境的改变做出简单的应对。此种小车是根据闭环反馈控制理念进行设计的，并开始装备有简单的传感器，能够对自身车速、运行线路、及其它简单的物理量进行读取3。(3)第三代智能车所具备的智能化功能仍处于研发阶段，利用各种外部传感器构成传感系统，根据外部环境和信息的变化而变化。智能跟踪车辆对结构化或半结构化工作环境中的环境变化具有一定的适应性。为了使智能车具有独立的工作能力，一方面，它应具有更高的智能性和更广泛的应用能力来研究新的传感器；另一方面，有必要掌握各种传感器信息融合技术，使循迹小车能够更快，更准确地获得周围环境，及时得到正确的响应。1.2研究现状从20世纪80年代到今天，由于计算机，电子通信技术和大数据的快速发展，越来越多的技术已经从理论领域转向实际领域。因此，智能机器人的研究浪潮已经在国外建立起来，世界各国或国际组织都加大了对机器人的研究力度并投入了巨额资金。其中，许多具有研究价值和重要军事意义的机器人已经受到许多西方国家的关注。韩国科技部在20世纪末启动了一系列机器人项目。在信息社会技术计划中，欧盟启动了很多可用于危险领域的机器人，并利用机器人的互动行为等项目研究，如博物馆的存在。2013年，Irobot推出了一款名为braava的新型机器人，它可以模拟人工蹲姿，并使用室内GPS导航系统的先进GPS技术生成房间地图。确定方向，以及遇到障碍物和记忆的区域。同一年，我国发射了首颗“玉兔”号月球探测小车。可以看出，由于在国家层面引入了各种计划和制度，中国机器人的发展得到了进一步发展。同时，要大力推进工业自动化控制系统的自动化，就要不能忽略工业机器人技术、关键材料和配件的开发和市场化的重要性，这对中国机器人制造业未来的发展和应用具有重要的积极作用。1.3研究目的我们设计了智能跟踪车，通过计算机编程控制小车。它不需要人类的判断和控制。该智能车的成功研究对智能车的开发和发展具有重要意义，也为车辆的发展提供了合理可行的研究方向。且其还具有较为广泛的应用背景，比如，应用在月球探测上，通过小车精准着落，准确运行，可推动我们对月球的探索步伐；在医疗领域上的成功应用，可以减小手术对人体的伤害，较为准确的探寻到病原体位置，从而达到彻底根除病原体目的；在快递运输方面，可推动无人驾驶汽车的快速发展，降低人工劳动力，提高运输效率；在军工方向的运用，可研发出更多智能化的高尖端武器，降低人员伤亡。由此可见，智能循迹小车的研究具有较为宽广的应用背景，且其的进步和发展对各行各业具有重要的意义。1.4研究内容本次设计的智能车通过软件编写及硬件电路的设计，基本上使小车具有了自动识别、跟踪、避障、速度显示等功能，且还能实现在特定地点的准确停车。在设计中，我采用PWM模式实现对小车速度的调控，通过LCD屏幕显示电车的速度5。该软件采用常用的PID控制算法作为主模式，实验测试结果满足要求。本文把控制电路作为核心，采用红外遥控器控制小车的启动和停止，起到了远程控制的作用。很容易实现启动，停止，向左转，向右转，向前和向后移动以选择最佳路径的功能。论文一共分为五部分，第一部分为绪论，简单介绍了智能循迹避障小车的背景意义；第二部分是介绍整体方案的总体设计；第三部分是关于硬件的设计，第四部分是关于软件的设计；第五部分是设计物理设计的调试过程，第六部分是整个设计的总结。本次具体的设计流程总结为以下几个方面：第一部分，查阅了与题目相关的一些资料,了解了本次研究的意义，并对国内外智能寻迹小车的研究现状及未来发展的广阔方向有了细致的了解6。第二部分，设计介绍了解决方案的总体设计和总体设计框图。第三部分，主要介绍了系统的硬件电路。硬件电路由诸如显示模块，跟踪模块，障碍物避障模块和电动机驱动模块等模块设计。第四部分，介绍了小车软件部分的设计，主要包括软件部分的流程图，以及循迹、避障和速度等部分的具体算法。第五部分，对本设计的实物进行调试，分析调试过程中的问题，对问题进行分析，并最终得出结果。第六部分，对此次毕业设计做出总结，对设计中存在的不足之处在今后的学习中再不断完善，不断改进。2系统总体方案及各模块设计2.1总体方案设计在进行广泛的资料搜集和一些方案的对比，以及本次设计的要求，三者相结合最终确立了一种成本低且简单可行的方案。即将光电检测装置应用于现有的电动四驱小车上，并以单片机为控制核心，通过软件程序的编写，在单片机接受到检测装置传递来的信号后，对小车的运行速度、方向、位置、轨迹进行实时控制4。以该方案研究发明的小车具有可靠、精度高、控制方便等特点，且能较好的满足设计的要求。其系统整体较为详细的设计框图如图2.1所示。 图2.1 系统总体设计框图2.2各模块方案论证2.2.1供电模块的设计通过查阅给单片机小车供电的相关设计资料，本次设计初步提出了两种电源模块的设计方案给小车提供动力，其具体设计及特点如下所示：(1)一个电源供电方案，即用一个电源同时给单片机和电机供电。这种供电方法设计简单成本节约，但是其供电的稳定性不好，可能会对单片机或电动机的稳定工作产生影响。(2)两个电源供电方案，即用两个电源分别对单片机与电动机供电。这种供电方式虽然成本较高一点，但是它的稳定性好，不会因为供电不足而对某个模块的运行产生影响，从而影响整个系统的运行。2.2.2循迹部分设计当前被用来用作循迹部分的器件有多种，根据本次设计的需求提出了以下两种设计方案：(1)使用CCD传感器来采集路面信息CCD传感器的使用获取大量图像信息成为可能，因此我们可以更全面，准确地掌握路径信息。同时，还可以预测和识别长距离图像，抗干扰能力强。但是对于本项目来说，使用CCD传感器也有其不足之处。例如，CCD传感器的使用需要大量的图像处理工作和处理大量数据等问题。因为它旨在实现小车的视觉，所以实施起来非常麻烦。(2)使用光电传感器来收集路面信息使用红外传感器的最大优势是它的结构简单，不但实施起来简单而且成本低，红外传感器也存在相应的缺点，如：获取的信息不完整。它只能在路面上进行简单的黑白识别，不仅检测的距离短，而且外界环境会对它产生直接的干扰，因此抗干扰能力差。轨道检测通常用于传感器。根据小车的设计要求，有两种选择，可以选择红外光电传感器，也可以选择CCD传感器。经过查阅资料发现这两种解决方案都能满足小车循迹的要求。传感器的不同决定了两种不同的选择具体区别见表2.1。表2.1 循迹检测方案对比通过将两种控制方案进行对比，我们可以看出在实时性和主控芯片要求等方面，红外传感器具有鲜明的优点。又从成本与实际设计要求出发最终选定了红外传感器作为作为寻迹模块设计的主要器件。2.2.3速度检测模块设计在电机速度测量中，有两个选项可以作为参考：一种是使用光学编码器盘，另一种是霍尔传感器。两种方案的主要区别如表2.2。表2.2速度检测系统方案对比从上表可以看出，光学编码盘在所有方面都具有一定的优点，因此该设计使用快速拨号来测量速度。本设计中使用的光电编码器用作测量元件其数原理如图2.3所示。.图2.3 码盘计数原理从上图可以看出，在光电编码器输出的脉冲在一个周期中为四次。我们使用了改进的光伏板，如图2.4所示，其中透射光电开关的接收和发射管是对齐的。当光路打开时，没有障碍物。此时的接收管所处于0和1之间的切换状态，从而营造出了不同的脉冲信号。通过对不同脉冲信号的分析，可以归纳出小车行驶时的车速5。光电开关非常灵敏，可以解决小间隙。每次转动轮子时，可以检测到12个信号，使得编码器轮和安装在轮轴上的轮子同轴旋转，从而获得用于轮子旋转的脉冲信号。这辆车每周可以计算12次，车的行程约为11.9厘米。因此，行程的测量精度可精确到1厘米，可满足小车的精度要求。推车的速度v与推车的行进距离s之间的关系除以推车的行进时间t。码盘实物如图2.4所示。图2.4 码盘2.2.4避障模块设计根据实际需求选择一种合理的避障方案是小车能够正常行走达到设计要求的前提条件，其当前被应用最广的障碍物检测方法有红外光检测和超声波测距两种。这两种方案都是在检测到障碍物后产生一定信号给控制器件，然后调节小车的位置从而越过障碍物。图2.5为超声波避障装置，图2.6为红外检测装置。图2.5 超声波避障装置 图2.6 红外检测装置其中根据这两种避障方案的优缺点，我做了如表2.3所示的表格将其做了比较。表2.3 障碍检测系统方案对比通过方案对比表可以看出，在感知范围以及抗干扰程度上来说，超声波检测方案要比红外检测方案更优良。从具体的运行路径及性价比来分析，选用超声波检测方案更符合此次设计的条件。2.2.5驱动电机选择我提出了两种在本次设计中可以选用的驱动电机方案，并将其主要特性进行比较。方案一：对于带有适当减速比的变速箱的直流电机，直流电机具有更好的速度调节和相对简单的控制。只要直流电机连接到直流电源，它就可以连续旋转。PWM模式通常被称之为脉冲宽度调制模式，该方式性能良好，且操作电路简单可行。方案二：使用步进电机。步进电机具有良好的控制性能。当步进电机接收到电脉冲信号的时候，输出轴会随之旋转相应的角度，这一点与直流电动机不同，若要实现连续旋转，则需要连续输入相应的信号，并且旋转速度的大小与脉冲的频率有关6。然而，步进电机的驱动是很复杂的，它内部包含的主要器件是控制器和功率放大器。其主要特性之间的区别如表2.4所示。表2.4 直流电机与步进电机区别通过上表我们可以看出直流电机具有调速性能好，容易实现对其控制，且价格低等特点。综合考虑，根据本次设计的具体要求，最终确定了选用直流电机作为驱动电机。2.2.6电机驱动器件在此部分设计当中我提出了两种驱动方案，一种是通过继电器来控制电机运转，如图2.7为继电器。其特点是电路的运行设计容易实现，但是长时间的运转会对开关器件以及电机产生较大的损害，缩短了器件的使用周期，并且对正常驱动电机运转的可靠性不高；另一种是采用当前应用最为广泛的PWM脉冲技术，通过开关的占空比的调整来实现对驱动电机速度的控制，其特点为工作模式多样且具有较高的效率。通过具体设计要求和两种方案的对比，我发现PWM脉冲技术对电机的速度和方向的控制设计简单，比较符合本次设计，所以最终确立了PWM技术对电机进行驱动。从价格等方面考虑，在查阅相关资料后选定了较为常见的L293D驱动芯片。图2.7 继电器L293D集成H桥芯片。其外形、管脚分布如图2.8所示。 图2.8 L293D外形、管脚分布图2.2.7核心控制器根据设计需求，控制器的主要作用是负责电机的启停，对检测电路检测到的信息进行处理，并做出相应的反应，从而达到对小车前进、后退、启停的控制的目的。为了实现这种控制，在控制器件的选择上提出了两种选择方案，并对其进行了详细的比较如表2.5所示。表2.5 ARM控制系统与单片机操作系统对比表通过表2.5我们可以发现在要求简单，价格低廉的单个个体设计中使用单片机作为控制系统较为合适。所以综合考虑决定选用STC89C52RC作为本次设计的控制器。3硬件设计3.1单片机控制电路STC89C52RC单片机作为本次设计的控制器件相当于人体的大脑，能够对小车的实时状态进行检测调控。有许多方法可以对它进行控制，其中微控制器控制是最主要的方式。微程序控制器要完成的控制有很多，比如：电机控制，线路控制和障碍物检测金属检测控制。在这个设计中，我们最着名的STC89C52RC微控制器用于控制智能小车。虽然该MCU本身没有PWM模块，但如果使用具有自己的PWM模块的微控制器，则会浪费资源7。我们可以通过软件编程生成PWM，可以很好的满足题目要求设计了如图3.1所示的最小控制系统图。图3.1 单片机最小系统STC89C52RC是一款低功耗微控制器，具有8K系统内可编程闪存，且其最小控制系统中设计有一个用于小车复位的复位按键。其中在P1.0引脚上有PWM脉冲信号诞生，引脚P1.1P1.5被用于对控制电机的驱动,另一个P端口使用各种控制开关用于外部控制智能车，P0端口连接到外部LCD1602的10K上拉电阻8。3.2为其引脚接口图。 图3.2 STC89C52RC引脚排列图其主要性能如表3.1所示。表3.1 STC89C52RC主要性能图具有第二功能的P1和P3端口部分引脚功能说明表如表3.2所示。表3.2具有第二功能的P1和P3端口部分引脚功能说明3.2电机驱动电路小车微控制器输出的信号是非常微弱的，不能够被小车所采用的直流电机所识别到，所以必须装配相应的电机驱动装置来驱动直流电机9。因此，可以根据设计的需要来控制电动机的旋转，PWM和脉冲宽度调制模式是DC电动机中常用的。在这种设计中，用于电机驱动器的L293集成H桥芯片对直流电机进行驱动，其H桥驱动电路如图3.3所示。从而使电机的使能端接受到高低电平信号，还可以通过单片机实现对驱动电机的软控制9。采用此种驱动器件符合了电路设计的条件。图3.2 H桥式电机驱动电路此外，L293具有较大的驱动功率，能够在6至46V电压组成的电路中产生2A的额定电流。它可以根据不同的电压和功率输出解决负载能力不足的问题。同时，使用微控制器调节高低电平和PWM脉冲，达到驱动和控制直流电机的目的。电路如图3.3所示。图3.3 电机驱动电路3.3速度检测模块电路在小车速度检测模块，该设计采用的是HJ-IR6对射式光电开关。这对光电开关的发射头和接收头的中心轴在同一直线上。这样可以接收头能准确地接收到来自发射头的信号，当码盘的光栅经过中心轴时，光线就会被遮住，难以让接收头接收。而被遮挡的次数与脉冲数有直接关系，再通过计数器进行计数，这样就可以有效而准确的测量速度。它通常有四个引脚：(1)VCC接电源正极3.3V-5V。(2)GND接电源负极。(3)D0(TTL开关信号输出）连接到微控制器的外部中断。(4)A0无效。通过将光电码盘固定到小车的两个后轮附近，就可以检测两个轮子的速度。一个脉冲走的距离为：6.5cm*3.14/20约=1cm，根据圆的周长公式：C = 2r，所以将圆平均分为20份，一格约=1 cm。这样就可以根据 S=VT公式可以算出V=S/T。速度检测模块设计原理图如图3.4所示。图3.4 速度检测模块设计原理图 3.4PWM调速原理脉冲宽度调制又被称作是PWM，与交流电机的PWM调速原理不同，直流PWM调速方式是调幅，通过调节驱动电压脉冲宽度的方式，并与电路中一些相应的储能元件配合，改变了输送到电枢电压的幅值，从而达到对直流电机进行调速的目的。如图3.4所示。这个电压可以由脉冲的宽度调节。t图3.4 PWM等效图示意图PWM脉宽调制对直流电机的调速是很容易达到目的，且整体电路设计并不复杂，所以通常可直接将驱动的电路的控制输入与微控制器相连。当向前移动时，两个直流电机都被驱动向前旋转，当它们缩回时，两个电机都被反转。当进入减速区时，PWM频率控制由已下载好程序的单片机控制，通过设计的程序改变输出的PWM脉冲信号从而改变脉冲宽度的占空比，以达到对速度进行调节的目的。3.5循迹检测电路 在查阅相关资料后，决定采用内部结构简单且搭配的外部电路也简单的ST178红外光电传感器作为红外光线的收发装置。根据红外光线对不同颜色的物体表面的反射情况的差异的原理，对小车前进路线进行循迹。当红外传感器检测到白色路径时，小车上的红外对管接受信号。当红外光遇到黑色路径时，红外光线被吸收，则红外对管接收不到信号10。图3.5为本次设计的检测电路图。图3.5 ST168检测电路正确合理的将红外线光电传感器安装在小车合适的位置是保证小车能够高效循迹的前提条件，经过多次实体测试在靠近地面的小车前部安装传感器较为合理，其具体分布图如图3.6所示。在正常行驶过程中，发射管向地面发射红外光。当智能车行驶在黑色路径上时，红外传感器发出的光被黑色路面吸收，接收端接收不到反射的光。从而确定执行哪个预编程序以控制小车的运行状态。图3.6 循线传感器布局图3.7为小车运行轨道模拟图，我将其运行轨道设计为简易的椭圆形，以便观察红外光管对黑线的检测情况，从而总结设计出更加完善的运行程序。图3.7 循迹轨道上的小车3.6障碍物检测电路根据本设计任务书功能的要求，设计中的小车必须能够准确地避开驾驶过程中遇到的障碍，并能选择最优的路径，因此对检测距离有一定的要求。由于在障碍物检测过程中受到车的速度和避障车的速度的限制，车会在距离障碍物10CM左右做出正确的反应11。而以超声波避障为基础，通过程序设计便可以使小车在成功绕过障碍物的同时找到进入下一个路径的最佳位置和方向。否则，如果范围太大，可能导致在判断障碍物的过程中做出错误的反应；范围太小，很容易导致身体撞到障碍物或避开理想的定位方案13。超声波12运行的原理就是类似于一些没有眼睛的生物，他们发出声波，在遇到障碍物时被反射回来接受识别，其基本原理图如图3.8所示。图3.8 超声波测距原理图假设超声波射出时间为t0，接收到反射回的超声波时间为t1，那么可以计算出超声波传感器到障碍物之间的距离d为：其中V表示声速。超声波运行经过为超声波发生器T发射出的超声波信号等待接收器接受，接收器接收后再将超声波反射回来。为了使汽车能够准确地避开障碍物，在车身前端的左右两侧各安装有超声波传感器。小车可以通过接收的信号响应障碍物，超声波的发射和检测接收电路如图3.9、3.10所示。 图3.9 超声波发射电路 图3.10 超声波接收电路为了使设计的功能更加多样化，还在设计中增加了声光报警功能。只要小车前面有障碍物的存在，该报警装置就会提示，直至小车远离障碍物时，报警功能结束。3.7液晶显示电路由于小车必须显示的内容较多，例如行驶距离等，但是，数码管只能显示一个数字。这就使得硬件电路的复杂度增加同时还增加了额外消耗，所以即使数码管使用简单且价格低廉，也不能选择数码管。相反，液晶显示电路更符合本设计的要求。这里使用1602液晶显示器。液晶13(Liquid Crystal) 是一种高分子材料，因其特殊的物理、化学、光学特性，广泛应用轻薄显示器上。液晶显示器14(Liquid Crystal Display LCD)的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面并配合背部灯管构成画面。各种型号的液晶通常是按照显示字符的行数或液晶点阵的行、列数来命名。例如，1602表示每行显示16个字符，一共可以显示两行。这类液晶通常称为字符型液晶，只能显示ASCII码字符。12232表示液晶显示画面由122列、32行组成，共有122*32个点来显示各种图形。用户可以通过程序控制这些点中任何一个点显示或不显示，从而构成各种图形画面。因此，12232称为图形型液晶。液晶体积小，功耗低，显示操作简单。但其有致命的弱点，即使用温度范围很窄。通用型液晶工作温度为0到+55摄氏度，存储温度为-20到+60摄氏度。其连接电路如下图3.11。图3.11 液晶显示电路1602采用标准的16脚接口，引脚介绍见表3.3。表3.3 1602引脚介绍4软件设计4.1系统控制流程图每一个完整的装置不仅需要硬件设计，更离不开类似于我们大脑的软件设计。在此次设计中我在完成了对小车的组装之后还是远远不够的，还需要软件程序设计来调配小车的运行状态。其整体运行过程大致为，在传感器接收到各种信号之后，单片机对其进行按照编写的程序算法控制小车前进。图4.1为循迹控制系统的流程图，图4.2为避障控制系统流程图。图4.1 循迹控制系统的流程图 图4.2 避障控制系统流程图4.2驱动单元的实现电机驱动程序的实现是通过检测电路检测到信号发生变化后，经过比较器件，转化成单片能识别的电平某种状态电平，然后，再将其驱动信号转发给驱动芯片L293D，从而控制驱动电机转动。4.2.1循迹算法设计我根据传感器的分支不同，将传感器的不同状态用不同的数字表示，我用“1”表示检测到白色线的路径，或者没有检测到路径；用“0”表示小车检测到黑色线的路径15。为了避免遗漏任何状态，我首先考虑传感器的所有状态，用四个二进制的数表示四个传感器的十六种不同的状态。在初始状态下，黑线应在传感器的中间位置，可以用二进制数1001，此时汽车前进16。当小车左转时，此时用二进制可表示为1000，1100，1110，1101。当小车右转时时，用二进制可表示为0001、0011、0111、1011。还有一种情况，但当传感器检测不到任何信号的时候，则可以推断出，小车可能已经到达终点，或者小车是因为完全脱离了轨道，所以才检测不到信号。在实际驾驶过程中，由于轨道设计中存在许多钝角轨道，汽车需要以大角度转弯，导致车辆无法返回。首先让汽车返回，然后执行转弯。实践证明，这种算法可以实现对小车转向的控制。执行情况如表4.1所示。表4.1 执行情况表4.2.2避障驱动设计在整个设计中，避障在实施起来是有一定困难的，障碍物和小车有一定距离时，小车会根据控制作出相应的反应，在小车规定的距离检测到障碍物时，小车会先后退，然后通过左转和右转来躲开障碍物。这种避障算法在大多数情况下，小车是可以避开障碍物的，但是由于本设计的局限性，在一些特殊情况下，小车还不能实现避障这一功能，总体而言，小车的避障效果和轨迹的角度有直接关系17。4.2.3速度检测及控制设计该设计的测速思想是用一秒内的脉冲数除以20再乘码盘的周长，得到路程s后再除以时间t就得到了速度v。其通信过程如下：(1)若发射管和接受管之间有码盘遮挡时，DO端就会输出高电平；若发射管和接收管之间无码盘遮挡时，DO端就会输出低电平； (2)DO端输出接口直接与单片机的I/O口相连，通过判断发射管和接收管之间是否有码盘遮挡，模块内部会自动计算速度，MCU控制LCD显示出计算的结果。速度检测软件流程图如图4.3所示。图4.3 速度检测模块软件设计本设计由PID控制算法来控制小车的转动速度。比例控制相比于其他两种控制方式要简单的多。比例部分的特点是只要偏差还存在，比例部分就会一直作用，除非偏差消失，且KP的大小决定控制作用的强弱，KP越大，控制作用越强。当系统中只有比例控制时，系统输出将产生稳态错误。积分控制的特点在于不论多小的偏差，积分部分会一直作用，直至偏差为0。引入微分控制器的目的是预测误差变化的趋势，这样便于有效减小偏差，避免严重的超调现象。框图如图4.4所示。图4.4 PID控制框图如遇到向左转弯的弯道，小车两侧传感器检测到的信号不同，小车在轨道左侧检测到的信号强，轨道右侧信号弱，将两信号差值通过计算传递给单片机，单片机通过控制小车的电机，使右侧电机转速增大，左侧电机转速减小，从而使小车两车轮出现转速差，实现向左转弯功能。同理，遇到右转弯弯道，小车在轨道右侧检测到的信号强，轨道左侧信号弱，单片机控制小车左侧电机转速增大，右侧电机转速减小，从而使小车两车轮出现转速差，实现向右转弯功能。PID控制流程图如图4.5所示。图4.5 PID控制流程图4.3路径规划设计在设计过程中，假设让小车在迷宫中自主探索出口，那么把小车放在任意一个入口，小车都会通过循迹避障功能进行路径的识别。通过深度优先搜索18的方法，小车可以探索出所有可以走出迷宫的路径，探索路径结束后，小车在下一次前进时便可直接寻找最佳路径前进。假设小车处在V0，那么小车就有V1,V2两种路径可选，同样当小车在V1时，就会有V3,V4两种选择，当小车处于V3时只有V7可以选择，此时如果V7不是出口，那么小车就会依次退回V3、V1如此循环往复找到出口。在小车走完所有路径后，退回原点，再次识别时就会直接找到最优（用时最短）的路径前进。在整个寻找最优路径过程中，并不一定节点越多速度越慢，节点越少速度越快迷宫图如图4.6所示，深度优先搜索运算法如图4.7所示。图4.6 迷宫图 图4.7 深度优先搜索运算图4.4小车位置设计小车能够按照预先设计的路线前进的基础就是路径轨迹19的推导计算，因为，本次设计选用了光码盘作为小车速度推导的器件基础，所以，设计了一种针对光码盘的车体方位推算导向技术，所采用的结构图如图4.8所示。在设计推导前先假设一下理想条件均满足以下条件：(1)小车行走的路面平整光滑；(2)小车在行驶过程中不会出现横向滑动，且纵向能正常转动；假设小车左轮直径与其右轮分别为DL与DR，左右论之间的距离W在任何情况下都保持不变。图4.8 小车方位坐标图O'点为小车位置对比点，车体中心线O'A与总体坐标轴的夹角代表车体方向，O'的坐标（，和）表示成为车体的方位。假设车体的左右轮都不发生漂移，在这种情况有车位与左右轮转速和之间的关系如： （4-1） （4-2） （4-3）化简得 （4-4） （4-5） （4-6） 通过从光码盘上获得的信息，再结合如上所示的六个关系式，可以计算出小车当时