智能循迹小车设计软件 硬件.docx

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智能循迹小车设计软件硬件

毕业设计（论文）

专业：

测控技术与仪器

班级：

09测控2班

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学号：

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课题：

智能循迹小车的设计

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2013年6月10日

摘要

本文论述了基于单片机的智能循迹小车的控制过程。

智能循迹是基于自动引导机器人系统，用以实现小车自动识别路线，以及选择正确的路线。

智能循迹小车是一个运用传感器、单片机、电机驱动及自动控制等技术来实现按照预先设定的模式下，不受人为管理时能够自动实现循迹导航的高新科技。

该技术已经应用于无人驾驶机动车，无人工厂，仓库，服务机器人等多种领域。

本设计采用STC89C52单片机作为小车的控制核心；采用红外发射、接收管作为红外检测来探测道路中央黑线位置，采集信号并将信号转换为能被单片机识别的数字信号；驱动电路采用芯片L9110来控制直流电机，其中软件系统采用C程序，本设计的电路结构简单，容易实现，可靠性高。

关键词：

单片机；红外检测；驱动电路；智能循迹

Abstract

Thispaperdiscussestheintelligenttracingelectrictrolleycontrolprocess.Automatictracingisusedtomakethecaridentifyrouteautomatically,andchoosingtherightroute,basedontheautomaticguiderobotsystem.Intelligenttracingelectrictrolleyisanadvancedtechnologytorealizeautomatictracingnavigation.Itisoutofhumanmanagementbutunderthedesignedmodethatuseoftheuseofatransducer,singlechip,motordriveandautomaticcontrol.Thistechnologyhasbeenappliedinunmannedvehicle,unmannedfactory,warehouse,servicerobotandmanyotherfields.

ThisdesignusesSTC89C52singlechipmicrocomputerasthecorecontrolofthecar;infraredtransmitterandreceivertubeasinfrareddetectortodetectroadcentralblacklineposition,signalacquisitionandsignalisconvertedtoadigitalsignalthatcanbeidentifiedmicrocontroller;drivercircuittocontroltheuseofchipL9110DCmotor,whereinthesoftwareprogramusingC,thedesignofthecircuitstructureissimple,easytoimplement,andhighreliability.

Keywords:

singlechipmicrocomputer;infrareddetector;drivecircuit;intelligenttracking

第一章绪论

进入二十一世纪，随着计算机技术和科学技术的不断进步，机器人技术较以往已经有了突飞猛进的提高，智能循迹小车即带有视觉和触觉的小车就是其中的典型代表。

1.1智能循迹小车概述

智能循迹小车又被称为AutomatedGuidedVehicle，简称AGV，是二十世纪五十年代研发出来的新型智能搬运机器人。

智能循迹小车是指装备如电磁，光学或其他自动导引装置，可以沿设定的引导路径行驶，安全的运输车。

工业应用中采用充电蓄电池为主要的动力来源，可通过电脑程序来控制其选择运动轨迹以及其它动作，也可把电磁轨道黏贴在地板上来确定其行进路线，无人搬运车通过电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作，无需驾驶员操作，将货物或物料自动从起始点运送到目的地。

AGV的另一个特点是高度自动化和高智能化，可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等改变而灵活改变行驶路径，而且改变运行路径的费用与传统的输送带和传送线相比非常低廉。

AGV小车一般配有装卸机构，可与其它物流设备自动接口，实现货物装卸与搬运的全自动化过程。

此外，AGV小车依靠蓄电池提供动力，还有清洁生产、运行过程中无噪音、无污染的特点，可用在工作环境清洁的地方。

1.1.1循迹小车的发展历程回顾

随着社会的不断发展，科学技术水平的不断提高，人们希望创造出一种来代替人来做一些非常危险，或者要求精度很高等其他事情的工具，于是就诞生了机器人这门学科。

世界上诞生第一台机器人诞生于1959年，至今已有50多年的历史，机器人技术也取得了飞速的发展和进步，现已发展成一门包含：

机械、电子、计算机、自动控制、信号处理，传感器等多学科为一体的性尖端技术。

循迹小车共历了三代技术创新变革：

第一代循迹小车是可编程的示教再现型，不装载任何传感器，只是采用简单的开关控制，通过编程来设置循迹小车的路径与运动参数，在工作过程中，不能根据环境的变化而改变自身的运动轨迹。

支持离线编程的第二代循迹小车具有一定感知和适应环境的能力，这类循迹小车装有简单的传感器，可以感觉到自身的的运动位置，速度等其他物理量，电路是一个闭环反馈的控制系统，能适应一定的外部环境变化。

第三代循迹小车是智能的，目前在研究和发展阶段，以多种外部传感器构成感官系统，通过采集外部的环境信息，精确地描述外部环境的变化。

智能循迹小车，能独立完成任务，有其自身的知识基础，多信息处理系统，在结构化或半结构化的工作环境中，根据环境变化作出决策，有一定的适应能力，自我学习能力和自我组织的能力。

为了让循迹小车能独立工作，一方面应具有较高的智慧和更广泛的应用，研究各种新机传感器，另一方面，也掌握多个多类传感器信息融合的技术，这样循迹小车可以更准确，更全面的获得所处环境的信息。

1.1.2智能循迹分类

AGV从发明至今已经有50多年的历史，随着应用领域范围的不断扩大，其种类和形式也变得更加多样化。

一般根据行驶的导航方式将智能循迹小车分为以下几种类型：

（1）电磁感应式

电磁感应式引导一般在地面上，沿预定路径埋电线，当高频电流通过导线，电线周围产生电磁场流动，AGV小车上安装两个对称的电磁感应传感器，他们收到的电磁信号差异可以反映的AGV偏离程度路径的程度。

 AGV自动化控制系统，基于这种偏差值，以控制车辆的转向，连续的动态的闭环控制设置能够保证AGV对设定路径的稳定自动跟踪。

在目前商业用途的AGV中，特别是大型和中型小车，绝大多数都采用电磁感应导航。

（2）激光式

安装有可旋转的激光扫描器的AGV，可安装在墙壁或有高反射激光定位标志的支柱上或者路径上运行，AGV依靠激光扫描器发射激光束，然后接收由四周定位标志反射回的激光束，车载计算机，计算出当前车辆的位置和运动方向，通过内置的数字地图和校准位置相比，以实现自动处理。

目前，这种AGV类型的应用比较广泛。

基于同样的原理，如果激光扫描仪被红外线发射器，或超声波发射取代，激光制导的AGV小车可以转变为红外引导和超声引导的AGV。

（3）视觉式

视觉引导式AGV是的迅速发展和比较成熟的AGV，这种AGV配备CCD摄像机，传感器和车载电脑，在车载计算机中设置有AGV欲行驶路径周围环境图像数库。

在AGV的行驶过程中，相机得到的图像与图像数据库进行比较，以确定当前位置和车辆周围的图像信息并对驾驶下一步作出决定。

这种AGV小车并不需要设置任何的人工物理路径，所以在理论上具有灵活性，在计算机图像采集，存储和处理技术飞速发展的今天，这种类型的AGV实用性越来越强。

此外，还有铁磁陀螺惯性引导式AGV、光学引导式AGV等多种形式的AGV。

1.1.3智能循迹小车的应用

智能循迹小车发展历史及主要应用场所如下：

（1）仓储业

1954年，来自美国南卡罗来纳州的MercuryMotorFreight公司成为第一批把AGV小车的应用到仓库的使用者，来实现出入库货物的自动处理。

至今世界上有超过2100个厂家把大约2万台大型或小型的AGV小车应用到自己的仓库中。

中国的海尔集团在2000年把9台AGV小车投产到了自己的仓库区，形成一个灵活的AGV自动数据库处理系统，轻松地完成了每天至少33500的储存和装卸货物的任务。

（2）制造业

在制造业的的生产线中AGV小车大显身手，快速，精确，灵活的完成材料的运送任务。

由多台AGV小车组成的物流运输处理系统，较人工搬运系统来说更灵活，运输路线可以根据生产过程及时调整，使一条生产线，生产十几个产品，大大提高了生产的灵活性，企业的竞争力。

在1974年瑞典的沃尔沃卡尔马的汽车组装厂，提高了运输系统的灵活性，使用以AGV小车为载运工具的装配线，采用该装配线后，减少了20%装配时间、减少了39%组装错误，减少了57%投资资金回收时间以及减少了5%的员工费用。

目前，在世界主要的汽车生产厂家，如通用、丰田、克莱斯勒、大众AGV小车已被广泛应用。

近年来，作为CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystems，直译为基于计算机的现代集成制造系统）的基础搬运工具，AGV已经深入到机械加工，家电制造，微电子制造，烟草等行业，生产业和加工业已成为AGV小车使用最广泛的领域。

（3）邮局、图书馆、港口码头和机场

在邮局，图书馆，码头和机场候机楼等人口密集的公众场所，存在着大量的物品的运送工作，充满不定性和动态性强的特点，搬运过程往往也很单一。

AGV有着可并行工作、自动化、智能化和处理灵活的特点，可以很好的满足这些场合的运输要求。

1983年瑞典的大斯得哥尔摩邮局，1988年日本东京的多摩邮局，1990年中国上海的邮政相继开始使用AGV小车来完成邮品的搬运工作。

在荷兰的鹿特丹港口，50辆被称为“院子里的拖拉机”的AGV小车每天都在把集装箱从船边运送到几百米以外的仓库中。

（4）烟草、医药、化工、食品

对于处理一些需要在清洁、安全、无排放污染等其他特殊环境要求的产品生产如烟草、制药、食品、化工等产品时应考虑AGV小车的应用。

在全国许多卷烟企业，如青岛颐中集团、玉溪红塔集团、红河卷烟厂、淮阴卷烟厂，应用激光引导式AGV完成托盘货物的搬运工作。

（5）危险场所和特种行业

在军事方面，以AGV小车为基础有着自动驾驶和检测功能的设备，可用于战场侦察和扫雷，英国军方正在开发MINDER侦察系统，这是一种具有地雷探测、销毁和路线验证能力自动型侦察车。

在钢铁厂，AGV小车负责炉料运输，大大降低了工人们的劳动强度。

在核电厂的核储存地点使用AGV小车，以避免辐射的危险。

AGV小车可在黑暗环境中，准确、可靠的运输物料。

1.2智能循迹小车研究中的关键技术

现在全世界越来越多的国家都在做着研究智能化、多样化的自动汽车导航的工作。

自动汽车导航是一个非常复杂的系统，它不仅应具有正常的运动功能的成分，而且还应具有任务分析，路径规划，信息感知，自主决策等类似人类的智能行为。

人类可以利用自己的听觉、视觉、味觉、触觉等功能获取事物的信息，人类的大脑再根据已经掌握的知识对这些信息进行综合分析，从而全面了解认知事物。

这样一个认识事物、分析事物和处理信息的过程称之为信息融合过程。

多传感器信息融合的基本原理就是模仿人类大脑的这个过程，得到一个对复杂对象的一致性解释或结论。

多传感器信息融合是协调多个分布在不同地点，相同或不同种类的传感器所提供的局部不完整观测量信息加以综合，协调使用，消除可能存在的冗余和矛盾，并加以互补，以减少不确定性，得到对物体或环境的一致性描述的过程。

多传感器信息融合具有许多性能上的优点：

（1）增加了系统的生存能力；

（2）减少了信息的模糊性；（3）扩展了采集数据覆盖范围；（4）增加了可信度；（5）改善了探测性能；（6）提高了空间的分辨力；（7）改善了系统的可靠性；（8）信息的低成本性。

本文主要由五章组成，第1章为绪论，主要讲述循迹小车的发展历程及在目前所应用领域中的作用。

第2章主要是总体规划智能循迹小车系统的设计。

第3章是系统的硬件设计，其中包含单片机电路的设计，光电传感器模块和电机驱动电路。

第4章为系统的软件设计，主要介绍的是软件实现过程的框图。

第5章是对硬件和软件的调试，最终保证了系统的正常运行。

第二章智能循迹小车总体设计方案

2.1整体设计方案

本系统采用简单明了的设计方案。

通过红外线发射与接收二极管组成的传感器循迹模块判断黑线路经，然后由STC89C52通过I/O口控制L9110驱动模块改变两个直流电机的工作状态，最后实现小车循迹。

2.1.1系统设计步骤

（1）根据设计要求，确定控制方案。

（2）利用Protel99se设计合理的硬件原理图。

（3）画出程序流程图，使用C语言进行编程，运用KeiluVision2进行模拟调试。

（4）将程序烧录到单片机内。

（5）进行调试以实现控制功能。

2.1.2系统基本组成

智能循迹小车主要由STC89C52单片机电路、红外对管循迹模块、L9110电机驱动模块、直流电机、小车底板、电源模块等组成。

图2.1智能循迹小车控制系统结构框图

（1）单片机电路：

采用STC89C52芯片作为控制单元。

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

（2）红外发射、接收探头循迹模块：

红外收发对管是一种利用红外线的开关管，接受管在接受和不接受红外线时电阻发生明显的变化，利用外围电路可以时输出产生明显的高低电平的变化，高低电平的变化输入单片机就可使之识别，然后单片机生成指令来控制驱动模块来控制两个直流电机的工作状态，来完成自动循迹。

（3）L9110电机驱动模块：

采用L9110作为电机驱动芯片。

L9110是为控制和驱动电机设计的两通道腿挽式功率放大专用集成电路器件，它可使外围器件成本降低，整机可靠性提高。

具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反转运动，它具有较大的电流驱动能力。

L9110被广泛应用于玩具汽车电机驱动和步进电机驱动以及开关功率等电路上。

（4）直流电机：

采用双直流电动机。

直流电动机的控制方法比异步电动机简单，只需给电机两条控制线加上适当的电压就能使电机旋转，在正常工作电压范围，电压越高直流电机转速越高。

直流电动机调速方法分为两种：

一种是直接调整电压，另一种通过PWM调速。

PWM调速就是使加在直流电机两端的电压波形为矩形波，改变矩形波的占空比就能实现电压的改变，从而实现电机转速的改变。

（5）电源模块：

电源是由四节串联的1.5V干电池组成。

2.2整体控制方案确定

图2.2为循迹小车的系统控制框图。

引导线是小车跟踪的目标，检测系统检测车的相对路径，然后将此信息输入到单片机，单片机处理此信息后，将控制命令输出到驱动模块，以控制小车的直流电机，保证小车快速平稳地沿预先设定好的路线行驶。

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图2.2智能循迹小车系统控制框图

采用4节1.5V的干电池组作为主电源。

STC89C52单片机作为主控制器。

因为小车电机内部装有减速齿轮组，所以不需考虑调速功能，采用电机驱动芯片L9110控制直流电机。

L9110是利用TTL电平进行控制，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正转、反转和停止操作，亦能满足直流减速电机的要求，用该芯片作为电机驱动具有的操作方便、稳定性好等优点。

这样单片机和循迹传感器组成了一个带有反馈信号的系统。

第三章硬件设计

3.1循迹模块

红外收发对光管如下图3.1，3.2所示:

图3.1红外发射探头图3.2红外接收探头

智能循迹小车之所以能够寻迹，主要是由前方的两对红外发射与接收探头来完成的。

根据光的反射特性，当前方的红外发射出来的光线遇到物体时，就会形成反射的光线，而这个经反射的红外光线刚好被红外接收探头接收到。

当红外接收探头接收到信号后，再将信号送到单片机由单片机内部的程序来控制机器人的运行情况。

但对于不同的物体反射特性是不一样的，特别是对白色反光的物体，红外光线的反射量将会多一点。

而对黑色不反光的物体，红外反射量将会大量的减少。

那么我们就可利用这个特性来完成黑与白的判断。

小车循迹原理是小车在画有黑线的白纸“路面”上行驶，由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”—黑线。

本次设计规定正常行驶时三对红外探头都在黑色轨迹之内，如果有探头检测到车体开始偏离轨道则由控制系统做出相应响应使车体回到轨道上。

此电路模块就是用于检测车体是否超出轨道并反馈给下一级电路。

这一方法经常被叫做红外探测法。

红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射性质的特点。

在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色地面时发生漫发射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，则红外光被吸收，则小车上的接收管接收不到信号。

如图3.3轨迹识别电路所示，发射管（V1、V3、V6端）与阻值为220欧姆的电阻串联发射红外线，起到降压与限流的作用。

接收管（V2、V4、V5）与阻值为15K欧姆的电阻串联，起到将接收管接收到的光信号转变成电信号的作用。

将转变后的信号传给单片机加以处理。

图3.3黑色轨迹识别电路

3.2MAX232CPE串口驱动模块

3.2.1MAX232CPE的介绍

MAX232CPE是16针SMD封装IC，如图3.4所示，用于完成计算机232端口数据电平转换，连接CMOS电路的，换言之，如果离开它，我们就无法用软件监控电源状态了（需要串口返回信号）。

而PIC16F870则为24脚8位CMOS闪存控制器。

用于可监控UPS当中。

MAX232CPE完成232电平与TTL电平转换，提供一个本地接口，为调试和维护提供方便。

TXD接SX52的RA2脚，RXD接SX52的RA3脚，RS-RXD和RS-TXD是RS232电平，为标准串口电平。

数据可以从串口输入到单片机SX52，SX52再把数据送到RTL8019AS传出去。

用于嵌入式设备上的应用。

MAX232CPE引脚图如下：

图3.4MAX232CPE引脚图

主要功能就是实现串口通讯功能驱动、与串口数据接收功能，集成IC这个MAX232CPE的芯片必须接+5V电源才会工作。

主要用在外围设备中主要起到与电脑或单片机这一块串口通讯。

3.2.2MAX232CPE串口通讯功能驱动电路

MAX232是个电脑串口电平转换的专用芯片，它有着兼容性好、稳定性好、外围电路简单、容易制作等优点。

主要用在外围设备中，起到与电脑或单片机等的串口通讯中。

应用电路如图3.5所示：

图3.5MAX232CPE串口通讯功能驱动电路

3.3蜂鸣器电路

在单片机应用的设计上，很多方案都会用到蜂鸣器，大部分都是使用蜂鸣器来做提示或报警，比如按键按下、开始工作、工作结束或是故障等等。

这里对单片机在蜂鸣器驱动上的应用作一下描述。

由于自激蜂鸣器是直流电压驱动的，不需要利用交流信号进行驱动，只需对驱动口输出驱动电平并通过三极管放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音，很简单，这里就不对自激蜂鸣器进行说明了。

这里只对必须用1/2duty的方波信号进行驱动的他激蜂鸣器进行说明。

由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。

图3.5蜂鸣器电路

3.4STC89C52单片机控制电路

3.4.1STC89C52单片机介绍

该单片机是宏晶公司生产的STC89C52，其片内带有8K字节闪速可编程、可擦除寿命1000次程序存储器。

该产品与工业标准8051中单片机完全兼容，并且还可支持两种软件可选的省电模式，工作时钟最高可达到24MHz。

使实时控制、实时处理的功能更加完善，简化了硬件配置。

与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：

0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。

STC89C52实物如下图3.6。

图3.6单片机引脚图

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

STC89C52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

8位微控制器8K字节在系统可编程Flash。

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使