基于自动循迹避障的智能小车的硬件设计.docx

基于自动循迹避障的智能小车的硬件设计.docx

《基于自动循迹避障的智能小车的硬件设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于自动循迹避障的智能小车的硬件设计.docx（57页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

基于自动循迹避障的智能小车的硬件设计

摘要：

本设计的主控芯片是在单片微信计算机的基础之上设计的一款能够实循迹功能遥控功能和避障功能三个功能的智能小车。

可以实现智能小车通过在小车前方的四个红外传感器的检测使小车能够沿着在白色地面上面的黑线进行循迹功能和当小车发现前方有障碍物时通过超声波模块进行避障并自动选择没有障碍物的一方进行运动的功能以及可以通过安卓手机与小车蓝牙模块之间形成的虚拟蓝牙线路进行通信，使小车按照手机上位机发出的指令做出相应的动作三个功能。

本设计的机械部分是使用前方两个驱动轮后方一个万向轮的结构，使得小车在运动过程中可以灵巧，运动自如。

本次的设计已经做出了相应的实物，实物可以按照预定的方案实现。

关键字：

智能小车,单片机,超声波模块,蓝牙模块,循迹模块

Abstract:

ThisdesignisanintelligenttrackingavoidanceremotecontrolVehicle,whichisbasedonsinglechipmicrocomputer.thedesignleadstotheachievementofthreefunctions.ThefirstfunctionisthattheVehiclecantrackalongtheblacklinesabovethewhitegroundbyusingthefourinfraredsensorsinfrontoftheVehicletodetect.Thesecondfunctionincludesobstacleavoidanceandselectingthesideofnoobstacle.Last,communicatingbythevirtualBluetoothcommunicationlinespassedbetweenAndroidphonesandcarBluetoothmodule,theVehiclecanmaketheappropriateactioninaccordancewithinstructionsissuedbythephone.Inthemechanicalaspect,thedesignusesthestructureoftwodrivingwheelandauniversalwheelstomakethevehiclerunssmoothlyandflexibly.Thedesignhasmade​​theappropriatekind,kindcanachieveaccordingtoapredeterminedplan.Thisdesignhasmadethecorrespondingphysicalaccordingtothepredeterminedplanimplementation.

Keywords:

Smartcar,MCU,theUltrasonicModule,theBluetoothmodule,theTrackingModule

1前言

1.1智能小车的研究背景及意义

智能现在已成为科学技术的发展方向，是现代社会一种新型的产物。

智能的含义是在一种特定的环境为前提之下，人们通过预先设定的方案使其能够高效的完成各种工作任务而不用人亲自和直接的去操作。

本设计的智能小车是一种能够完成循迹避障和遥控三个功能的智能移动机器人，在设计之中的理论、方案设计、分析的方法等可以为智能运输机器人、自动采矿机器人、民用家居清洁机器人等自动与半自动的机器人的设计制造和运用普及具有或多或少的参考意义。

智能小车也是玩具市场发展的一部分，研究和开发好智能玩具小车能够实现一定的经济利益和商业价值。

智能小车是一种轮式机器人，属于移动激动机器人的一种。

智能小车是一种能够按照认得意愿在特定的环境之中完成对现场环境的感知决策并完成各种特定的任务。

智能小车的运动轨迹、启动和停止已经不再需要人为的去干预，通过单片机的控制已经得到了智能的实现。

它的运动方向的改变时通过对单片机烧写的程序的改变来实现。

智能小车要实现循迹功能、避障功能和遥控的功能，这就要求智能小车必须要自动的感知黑线和障碍物并且对接收到的信号能够自行正确的进行处理。

本设计的智能小车其遥控部分功能是主要是在基于Android手机上的蓝牙功能和智能小车上面后端插有的蓝牙模块之上，通过Android手机的上位机发出指令通过虚拟的蓝牙串口线对小车的运动做出相应的指示，使智能小车能够完成预定的各项功能，从而实现了通过手机对智能小车的遥控控制功能。

智能小车的避障功能是在小车的前端装有一个超声波避障模块，在超声波避障模块下面有一个舵机，舵机能够实现180度的旋转，通过舵机带动超声波模块的旋转能够实现对周围环境的感知，当超声波模块前方出现障碍物时，超声波模块发出信号给单片机，单片机处理过后发出指令使小车停止前进，此时舵机将带动超声波模块进行旋转，旋转到一方没有障碍物时，小车将继续向前行驶，从而实现了智能小车的避障功能。

智能小车是运动轮式机器人的一种。

本设计的组成可以分为五大组成部分：

红外传感器检测部分、超声波测距部分、蓝牙遥控部分、执行部分和CPU。

对汽车产业产业的发展具有重要的意义，在这种背景之下研究智能小车的意义就显得十分重要了。

智能小车的循迹功能在汽车自动控制领域得到了广泛的应用，汽车可以实现不需要人为的直接操作进行智能的倒车等功能，避障功能在汽车自动控制领域的应用及其广泛，汽车的尾部装有超声波避障设施，可以自动感知汽车后方的障碍物距离，同时随着距离的变换能够放出提示音使驾驶员注意行驶的安全。

遥控作为现代新型的产物在汽车自动控制方面也得到了广泛的应用，汽车上面的遥控钥匙实现了不需要人直接的去用钥匙打开汽车的车门，站在一定距离的地方通过遥控钥匙就可以实现了对汽车的开锁，关锁功能。

智能在汽车自动控制行业的应用数不胜数，上面只讲了其中的一部分内容，总之智能现在在人类生产生活的各个行业的发展情景是十分大的。

1.2智能小车的现状与发展前景

智能小车在现代的生活之中随处可见，其发展速度迅猛，从最简单的智能玩具小车到社会上的各行各业。

智能小车的功能基本上可以实现了循迹功能、避障功能、红外走迷宫功能、倒车入库功能、蓝牙遥控无线遥控等基本功能。

就近几年全国范围内举行的各种电子设计大赛来看，智能小车的发展将向着声控方面进行发展。

飞思卡尔电子设计大赛时现在国内电子设计大赛的最高级别的比赛走在了前列。

而本设计的智能小车实现了三个功能主要是循迹功能、避障功能和遥控功能。

现在对智能小车的开发已经涵盖了传感、电气以及智能等多个智能控制技术，然而智能控制技术是一门综合的跨科学技术。

在现在对智能控制技术的研究异常的火热，在其应用方面变得越来越广泛。

当今社会的新产物智能，变为了当今社会的发展方向，其主要功能是在预先就设定好了的功能能够在特定的环境之中自动的运行而不需要人为的控制。

现代凡是人类不宜亲自或者直接接触的事物，均可以用智能机器人代为完成，并且可以达到人直接完成效果的更高的水平之上。

智能机器人可以适应各种复杂的环境，与人类无法亲自触及的危险复杂环境，智能小车就是其中的一种体现，智能也被称之为轮式机器人。

如果能把这门技术运用到我们现实的生活当中，无疑我们的生活会变得更加的方便、快捷和智能。

智能小车的研究开发具有潜在的军用价值，还被广泛的运用在了科学研究方面、抢险救灾方面和地质勘探等人类生产和生活的多个方面。

2方案设计

本次设计的总体方案的系统流程框图如图2.1所示：

主控模块的选择可以采用CPLD方案和单片机方案，2.1和2.2部分对CPLD和单片机做了详细的介绍

循迹模块

避障模块

MCU驱动模块

蓝牙模块

图2.1

2.1基于单片机的方案设计

单片微型计算机是单片机（MCU）的全称，单片微型计算机是嵌入式微控制器一种很典型的代表。

单片微型计算机的组成部分是由计算器部分、控制器部分和存储器部分还有各种输出和输入设备组成的。

单片微型计算机是一种集成芯片其集成了大型计算机的控制芯片。

在社会发展的各个行业之中在工业控制行业等行业之中单片微型计算机得是最早被应用的。

单片机内部结构图如图2.2所示：

单片机的优点：

1、系统的结构简单，使用方便，实现模块化；

2、单片微信计算机可靠性很高，其可以工作10^6~10^7个小时没有任何故障；

3、处理功能强，速度快；

4、低电压，低功耗，便于生产便携式产品；

5、控制功能强；

6、坏境适应能力强；

图2.2单片机内部结构图

2.2基于CPLD的方案设计

复杂的可编程逻辑器件CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）是一种由可编程逻辑阵列PLA器件和可编程逻辑器件GAL器件发展而来的。

复杂的可编程逻辑器件CPLD是一种大规模的集成电路，CPLD拥有的特点是结构及其之复杂，规模异常的大，用户在对CPLD应用时可以依据自己的需求来对其自行构造逻辑功能的一种数字集成电路。

对原理图的设计、对硬件描述语言的开发和集成开发软件平台的设计是三种对可编程逻辑器件CPLD进行设计和开发的三种基本设计方法，CPLD能够生成与设计开发时相互对应的目标文件，目标文件可以通过下载电缆把CPLD自动生成的目标代码传送到了目标芯片里，从而实现了设计数字系统。

CPLD内部逻辑电路图如图2.3所示：

CPLD的优点：

CPLD拥有其编程较为灵活、设计开发时的开发周期时间不长、对其研究和开发的工具十分的先进、设计的成本和制造的成本相比较而言不高、集成程度很高，而且对于设计CPLD的设计者而言对硬件研究的经验要求并不需要很高。

CPLD标准产品不需要进行测试。

保密的性能较强，价格并不是很高，因而对大规模的电路设计可以进行实现。

据上述之优点CPLD被充分的运用在产品的原型设计和产品的生产之中。

在现在的电子行业中，可编程逻辑器件CPLD已然的成为了不能够缺少的组成部分之一。

CPLD的缺点：

在矩阵单元中可编程逻辑的宏单元结构相比较而言是十分复杂，而且CPLD具有较为复杂的结构I/O单元互连结构，因设计者不同的需求能够生成与之相适应的电路结构，即可用来实现和完成一些特定的功能。

分段式互联结构具有其预测不完全的缺点为了避免它，可编程逻辑器件CPLD的内部采用了具有一定大小的金属线来对其各个逻辑模块进行互连设计，所以逻辑电路设计的时间具有了可预测的特性。

图2.3CPLD内部逻辑电路图

2.3主控模块的方案选择

本设计的智能小车在对主控模块的选择上具有了稳定性好、功耗低和设计使用的效率高等的特点，使智能小车的三个功能遥控功能、避障功能和循迹功能能够按照预定的设计去实现。

因此我对智能小车的主控系统设计了两个方案如下所示：

方案一：

主控系统的核心部位使用的是一片CPLD（如EPM7128LC84-14），从而来达到了能够实时处理控制各个模块信息的功能目的。

优点：

CPLD的特性具有处理速度迅速、编写程序较为容易、CPLD资源十分丰富、其开发的周期不长等诸多的优点。

缺点：

如果运用了上诉的方案，显然在控制上面增加了许多不必要的难题。

单片机在控制方面较CPLD来说具有较大的优势，虽然CPLD在处理速度方面十分的快捷，但是智能小车的运行速度不是很高，导致了系统处理信息的要求变得很低。

方案二：

主控系统的核心部位使用单片机，从而来达到了能够实时处理控制各个模块信息的功能目的。

优点：

单片机若作为主控系统的核心部位具有在控制上方便快捷程序烧写较为方便这是单片机对于CPLD来说具有的无法比拟的优点。

能够很好的实现对小车的自动控制。

充分的发挥单片机的学习应用资源十分丰富这一优点，而且具备了强大功能控制功能与可位寻址的功能。

并且单片机的价格十分低廉等诸多的优点。

根据上述两种方案的比较，本次设计智能小车的主控系统我采用了方案二的设计。

对于此次设计的各种特点来充分的分析之后，不能使用程序储存器和有被减少了的I/O口的单片机体积小的单片机来作为控制系统D/A、A/D功能也不必选用。

故本设计我选用了单片机来作为智能小车的主控模块。

在上诉的分析过后,对于本次设计的智能小车的主控系统设计我决定了使用51单片机作为本次设计智能小车的主控系统。

51单片微型计算机拥有位操作指令很强大的功能，51单片机的I/O口都可以按位来寻址，51单片机的程序空间能够达到8K之大，但是对于本次的设计来说却是无法全部用及，51单片机的价格却是很便宜的这对于本次设计来说是十分弥足珍贵的。

在上述的对本次设计的主控系统分析了过后并且考虑了本次设计循迹、避障、遥控功能和很多的因素了之后，本次设计智能小车的主控系统我决定采用的是stc89c51型号的单片机，如图2.4所示。

充分的去应用上诉单片机上所拥有的资源。

图2.451单片机

2.4驱动模块的方案选择

本次的设计的电机驱动模块要求稳定性高、效率高、加速能力强等的特点，我计了三种电机驱动模块的方案如下所示：

方案一：

通过驱动电动的工作状态的开或是关状态来实现，驱动电机的开关状态由继电器来对其进行控制,对驱动电机的开关状态的控制实现了小车速度的改变。

采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.

优点:

电路较为简单.

缺点:

继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。

方案二：

实现分压的目的是为了调节电动机的电压，其方法是通过电阻网络或是数字电位器来实现，从而实现了调节电动机电压的功能。

缺点：

现在一般的电动机电流较大，分压使得效率变得很低，使得有效功率不高。

只能通过对有级调速来实现对电阻网络进行调速，从价格方面来说而数字电阻元件价格很贵。

方案三：

直流电机的功率放大器由采用了功率放大器三极管的功率放大器来进行输出控制。

优点：

功率放大器运用了功率三极管来对其进行输出的控制。

采用的H型桥式电路（如图4.1）由达林管组成，线性型驱动的电路结构原理简单，其实现加速的能力很强。

在占空比可以进行调节的开关状态之下，用单片机控制达林顿管可以十分精确的调整驱动电机的转速。

这种H型桥式电路的工作模式有饱和模式和截止模式，因此其工作时候的效率变得很高。

这种电路实现了对转速和方向的控制，电子管稳定性很强其开关的速度变得很快。

这种PWM调速技术在社会上得到了广泛的采用。

本设计我选用的是L298N型号的驱动模块。

根据上述比较对三种方案设计的对比之后，本次的设计我决定采用的是方案三来作为本次设计的电机驱动模块。

上诉方案分析中方案三所讲的电机驱动模块调速方式有调速的特性十分优越、调整的特性十分平滑、调速的范围很大、过载的能力大，能够承受很频繁的负载冲击特性，并且能够达到无数次的无级迅速启动、电机迅速制动和电机急速反转等诸多的优良特性。

故此本设计的直流电机的功率放大器我决定使用采用功率放大器（运用功率三极管）作为输出控制。

L298N的引脚图如图2.4所示，L298N电路图如图2.5所示：

图2.5L298N引脚图

图2.6L298N电路图

3单片机硬件设计

3.1主控电路

主控模块是对循迹避障遥控功能模块发送而来的信号进行处理分析，并且能够给出PWM波控制驱动电机的转速，开始和停止功能。

其主控电路电路图如下图3.1所示：

图3.1主控电路

3.2主控芯片

现在的51单片机（MCU）都能够兼容Intel8031指令系统。

51系列型号的单片机在其最初时是Intel8031单片机，伴随着Flashrom技术的迅速发展8031单片机的发展日新月异。

8031单片机现如今成为了世界上应用十分广泛的8位单片机中的其中一种，现在ATMEL公司生产研发的AT89系列单片微型计算机的代表型号是8031单片微型计算机。

本设计对智能小车的主控系统采用的是宏晶44脚LQFP封装的单时钟/机器周期（1T）增强型51单片微型计算机stc89c52。

Stc89c52型号的单片机其主要性能参数如下：

1、工作电压：

3.5V-5.5V；

2、stc89c51型号的单片微型计算机的工作频率为：

0-35MHz,相当于普通8051系列单片机的0-420MHz；

3、用户应用程序空间：

8K；

4、stc89c51单片机的片上集成了1280字节的RAM；

5、stc89c51单片机拥有44个通用的I/O口，可以设置成四种模式：

准双向口/弱上拉模式、强推挽/强上拉模式、仅为输入/高阻模式、开漏模式，stc89c51+单片机上面的每个I/O口驱动的能力都可以实现20mA，但是他的所有的芯片都不能超越120mA；

6、时钟源：

外部高精度晶振/时钟、内部RC时钟：

11MHz-17MHZ共4个16位定时器；

7、路外部I/O口中断；

8、两个通用全双工异步串行口（UART）；

主控芯片如图3.2所示：

图3.2主控芯片电路图

3.3脚口介绍

P0口：

P0是一个双向8位三态I/O口。

作为输出端口，每位能驱动8个TTL负载。

P0口也可作为低8位地址/数据复用口使用。

P0口线内没有固定的上拉电阻，由两个MOS管串联组成，既可以实现开漏输出，又可实现处于高阻时的“浮空”状态，故称P0口为三态的I/O口。

P1口：

8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。

内部具有上拉电阻。

引脚号第二功能：

P1.0T2（定时/计数器T2的外部计数输入），时钟输出。

P1.1T2EX（定时/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）。

P1.5MOSI（在系统编程用）

P1.6MISO（在系统编程用）

P1.7SCK（在系统编程用）

P2口：

P2口是一个8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。

具有内部上拉电阻。

P3口：

P3口是一个8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。

具有内部上拉电阻。

P3口也作为第二功能复用口使用，如下表3.1所示。

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

INTO（外中断0）

P3.3

INT1（外中断1）

P3.4

TO（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器1）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

表3.1P3口引脚与第二功能

3.4模块功能介绍

3.4.1晶振电路

在本设计的选用的单片微型计算机stc89c51上有反相放大器（高增益），其上的引脚XTAL1是放大器的输入端，XTAL2是放大器的输出端。

时钟的产生方式有内部产生方式以及外部产生两种方式。

外接的定时元件接在XTAL1引脚与XTAL2引脚之上，自激振荡就由内部振荡器产生。

石英晶体和电容组成了并联谐振回路由，如图3.3所示。

晶振电路对其外部的时钟信号占空比没有要求是因为经过二分频触发后的外部时钟信号作为了外部时钟电路的输入。

本次设计的晶振使用的是12MHZ无源晶振，晶振的是为系统提供时钟信号。

图3.3单片机晶振电路图

3.4.2复位电路

复位电路在单片机中是很关键的，当程序运行不正常或停止运行时，这时就需要进行复位操作。

MCS-5l系列单片机的复位引脚RST出现两个机器周期的高电平时，芯片就会执行复位操作。

如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

复位操作通常有两种基本形式：

上电自动复位和开关复位。

上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET相连，电压全部加在了电阻上，RESET的输入为高，芯片被复位。

随之+5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。

并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。

一般来说，只要RST管脚上保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效的复位。

图3.3所示的复位电阻和电容为经典值，实际制作是可以用同一数量级的电阻和电容代替，读者也可自行计算RC充电时间或在工作环境实际测量，以确保单片机的复位电路可靠。

51单片机的EA/VPP（31脚）是内部和外部程序存储器的选择管脚。

当EA保持高电平时，单片机访问内部程序存储器，图3.3所示。

图3.3MCU及复位电路

图3.4单片机复位电路图

图3.5晶振的等效电路原理图

3.4.3时钟电路

微处理器上的时钟管教如下所示：

XTAL1：

单片机内部振荡电路的输入端

XTLA2：

单片机内部振荡电路的输出端

微处理器上面的时钟管教XTAL1与XTAL2都是单独的输入反相放大器和输出反相放大器，在石英晶振内两个时钟管脚都可以使用为片内振荡器，也能作为器件外部时钟的直接驱动。

在两个时钟管教外接上由一个石英晶体与两个电容共同组成的定时元件。

自激振荡便由内部振荡器自动产生。

晶振的功耗随着晶振的频率增加而逐渐增大，在本设计中石英晶振采用的是11.0592M。

两个与晶振并联的电容由于对振荡的频率有所影响，但是却起到了微调频率的作用。

单片机的时钟电路图如图3.6所示：

图3.6单片机时钟电路图

3.4.4LED流水灯及蜂鸣器

LED流水灯常用于调试程序时输出调试信息，或者在产品应用中用于指示信息。

图中采用共阳极连接方式，同样使用1K电阻做限流电阻，用J2做开关，工作时，J2短接，当在LED灯的阴极输出低电平，LED灯导通发光，输出逻辑高电平，LED截止。

流水灯电路图如图3.7所示：

图3.7流水灯电路图

蜂鸣器常用语输出警示信息，由于单片机I/O口输出电流有限，因而图中使用PNP型三极管Q3作功率放大，图中Q3工作于饱和区，也就是起开关及功率放大的作用，R3作限流保护作用，当BELL端输出逻辑零时Q3导通，输出逻辑高是Q3截止，通过Q3一定频率的通断，可以使蜂鸣器发出一定音调的声音。

蜂鸣器电路图如图3.8所示：

图3.8蜂鸣器电路图

3.4.5插接件、按键及去抖电路的设计

插接件常用于外围传感器与主控板之间的电源、信号连接，具有结构简单，使用灵活，接触可靠等优点。

插接件原理图如图3.9所示：

图3.9接插件原理图

按键是最常用的输入器件，如电路中说示，当按下K1时，P2.4引脚被拉低，当单片机检测时会得到逻辑低信号，当按键放开时，由于内部上拉电阻的作用，单片机检测是会得到逻辑高信号，因而实现了信息的输入。

值得注意的是，由于机械按键在按下时会产生机械抖动，而相比机械抖动而言，单片机读引脚的而速度很快，因而为了防止按键按下时由于抖动而出现只按下一次而检测到多次按下信息，常常在检测到第一次按下之后，加一个延时，等待按键抖动停止而后再处理。

按键原理图如图3.10所示：

图3.10按键原理图

由于在按键的时候，机械开关按键的接触并不完好，有一定的机械抖动，在很短的时间当中电压会发生很多次的抖动，这就相当于好几个的脉冲信号。

故这种开关是不能够直接去作为驱动开关使用的，因为这样会使电路产生了错误的信号。

为了避免这种错误，可以接一个基本的RS触发器在驱动电路与机械开关之间，RS触发器如图3.11所示。

当没有按下RS触发器上的按键开关时S=0，R=1时可以测出A=1，A=0。

当按下按键时S=1，R=0，可以得出A=0，A=1，这样就