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自动化论文
本科生毕业设计
（申请学士学位）
论文题目双智能小车的设计
作者姓名
专业名称自动化
指导教师
2013年6月
学生：
（签字）
学号：
答辩日期：
年月日
指导教师：
（签字）
目录
摘要1
Abstract1
1设计意义及要求2
1.1设计意义2
1.2设计要求2
2方案论证3
2.1总体设计方案3
2.2单元模块方案论证与选择4
2.2.1主控模块方案论证与选择4
2.2.2寻迹模块方案论证与选择4
2.2.3声控模块方案论证与选择4
2.2.4感光模块方案论证与选择5
2.2.5电机驱动模块方案论证与选择5
2.2.6电源模块模块方案论证与选择5
2.2.7测距模块方案论证与选择6
3单元模块设计6
3.1单片机最小系统设计6
3.2声控模块设计8
3.3寻迹模块设计8
3.4感光模块设计10
3.5电机驱动模块设计12
3.6电源模块设计13
3.7测距模块设计14
4程序设计15
4.1寻迹模块程序设计15
4.2感光模块程序设计16
5测试结果与分析16
结论17
参考文献18
附录一电路总原理图19
附录二实物图19
附录三元器件及使用仪器清单20
附录四主要源程序20
致谢22
双智能小车的设计
摘要：
本设计双智能小车具有声音控制、寻迹、感光、测距、电机驱动及电源模块。
小车以AT89S52为核心，控制L298N驱动两个直流电机，其功能包括运用声控电路实现声音控制，然后采用RPR220传感器实现寻迹（按路面的黑色轨道行驶），并且通过颜色传感器TCS230实现红绿灯的识别，以及采用光电反射式接近开关实现测距等。
在小车行驶过程中，当红外传感器RPR220探测到黑线时，红外光大部分被吸收，不能被反射到三极管而导致其截止，电压比较器输出低电平，单片机控制小车转弯或直线动作；当颜色传感器探测到前方红光源时，小车停止3秒后继续行驶；当两辆小车行驶到同一跑道时，利用光电反射式接近开关测试车间距，安全距离为20cm，如果达到要求小车继续前进，否则后面一辆小车减速；此外为了到达终点的时间尽量短，在整个调试过程中需要不断调整PWM值使小车更稳定地高速行驶。
测试结果表明：
小车在测试过程中，速度平稳，能够正常寻迹，测距结果达到要求，功能基本满足设计要求。
关键词：
最小系统；直流电机驱动；感光模块；寻迹模块；声控模块
DesignofTwoIntelligentCars
Abstract:
Thedesignofdoublesmartcarswithvoicecontrol,tracing,sensitive,ranging,motordriveandpowersupplymodule.ThecartakesAT89S52asthecore,controlL298NdrivetwoDCmotors,itsfunctionsincludesound-controlcircuitrealizationofvoicecontrol,andthenusestheRPR220sensortorealizetracing（runningaccordingtotheblackRailRoad）,andbyidentifyingthecolorsensorTCS230realizethetrafficlight,andtheuseofopticalreflectiveproximityswitchlocation,andsoon.Inthecardrivingprocess,whentheinfraredsensorRPR220todetectblackline,infraredlightmostisabsorbed,cannotbereflectedtothetriodecauseditscut-off,voltagecomparatoroutputlowlevel,MCUcontrolcarturnorlineaction;whenthecolorsensordetectsthefrontredlight,thecarstoppedafterthreesecondswhencontinuedtotravel;twocarsdrivetothesamerunway,usingphotoelectricreflectiontypeapproachswitchtestvehiclespacing,securitydistancefor20cm,ifmeettherequirementsofthecartomoveon,orthebackofacarspeed;inadditiontothearrivaltimeasshortaspossible,inthedebuggingprocessthecarneedstocontinuetoadjustthePWMvaluetomakethecarmorestablerunningathighspeed.Thetestresultsshowthat:
thecarspeedisstableintheprocessoftest,properlytracing,rangingresultsmeettherequirements,thebasicfunctionstomeetthedesignrequirements.
Keywords:
Theminimumsystem;Directmotordriven;Photosensitivemodule;Tracingmodule;Voicecontrolmodule
1设计意义及要求
1.1设计意义
随着我国科学技术的进步，智能化和自动化技术越来越普及，各种智能科技也广泛应用于智能小车和机器人玩具制造领域，使智能小车越来越多样化。
智能小车是一个多种高新技术的集成体，它融合了电子、软件、传感器、人工智能、机械、计算机硬件等很多学科的知识，涉及许多前沿领域的技术。
安徽省电子大赛和全国电子大赛几乎每年都有智能小车的题目，全国各高校也都很重视该题目的设计，许多国家已经把电子设计比赛作为创新教育的战略性手段。
电子设计涉及到多个学科，自动控制技术、传感器技术、电子技术、人工智能控制技术、计算机与通信技术等等，是众多领域的高新技术。
电子设计技术，它是一个国家高科技实例的一个重要标准，可见其研究意义很大。
本设计实现两智能小车的各项功能，采用AT89S52单片机为控制核心，通过L298驱动电机转动使小车前进，通过红外传感器RPR220来检测路面黑线，实现小车在车道上正常行驶，并通过颜色传感器TCS230来识别路灯颜色改变小车行驶状态，电源模块可以通过LM7805或者LM7812来完成，电路结构设计简单。
本设计的思路典型，运用的元器件都是市场上易购的，使得设计比较容易实现所以，双智能小车制作无论从理论联系实际目的，还是从培养学生的角度来看都是很有价值的毕业设计课题。
（1）通过小车程序设计和调试，逐步掌握模块化程序设计方法，提高调试能力与软件设计能力；
（2）通过设计进一步熟悉和掌握了单片机的结构及工作原理；
（3）通过单片机的应用系统开发，掌握设计硬件电路的基本方法，以及相关模块参数的测算方法。
通过此毕业课题的设计，加深对智能小车理论知识的理解，学会将学习的理论知识在实际中运用，培养动手与解决实际问题的能力，为今后从事相关工作打下基础。
1.2设计要求
双智能小车设计的基本要求如下：
（1）设计制作A、B两辆智能小车，小车能按声音指令同时从起点出发（起点在上面一个菱形分叉处），往菱形上下两条边走；
（2）在上下两个菱形的汇合点前设限宽限高门，限宽限高门框架上设置红绿灯。
两个红绿灯只能有一个为绿灯（允许通行），另一个是红灯。
小车遇红灯必须停车，停车不能超过汇合点，且一旦停车必须停够3秒，车上亮起红灯，3秒后灭灯继续行驶；
（3）在下面一个菱形道路的分岔处，如果第一辆车从右边道路通过，第二辆车必须从左边通过，反之亦然；
（4）A、B两车到达终点的时间应该尽量短。
在行驶过程中小车不能明显脱离跑道；
（5）当两车在同一车道行驶时，后一辆车能保持和前车20厘米的安全距离（在弯道区设立限高限宽门进行测量）；
（6）完成设计好的黑色路线寻迹，并且尽可能少的偏离跑道。
图1-1小车寻迹跑道
通过分析双智能小车的的设计基本要求，完成任务分析、功能设计、硬件系统设计、制作与调试，软件系统设计及整机调试等工作任务。
2方案论证
2.1总体设计方案
本系统包括主控模块、寻迹模块、声控模块、电机驱动模块、电源模块、感光模块及测距模块，单智能车总体电路最终方案设计如下：
图2-1单智能小车的总体方案框图
整个系统是以控制模块为核心，由单片机来完成控制。
电源模块为主控模块和驱动模块提供足够稳定的电压，因为干电池的电压随时间的损耗不是非常精确稳定，所以需要辅助芯片来稳定这个电压。
循迹模块用来探测地面上黑色路线，主要的应用原理来自于红外感应，通过红外传感器RPR220来实现寻迹功能。
驱动模块是硬件的必备部分，实现小车的基本驱动要求。
声控模块只是给小车一个小信号来启动小车，用声音传感器模拟电路即可实现。
保护电路是来保护驱动模块，因为小车在行驶过程中可能会因为电压的变化而发生芯片烧坏等情况，所以需要保护电路。
2.2单元模块方案论证与选择
2.2.1主控模块方案论证与选择
方案一：
采用PLD器件设计
可采用可编程逻辑器件，其集成度很高，能满足设计一般的设计系统的要求，能够提供多种逻辑编译能力、特性、和电压特性，使小车设计结构清晰，模块设计相对简单，但是PLD含有复杂的数字信号处理算法和存储器控制器，占用资源较多，且PLD器件价格比较高。
方案二：
采用单片机设计
用AT89S52单片机芯片作为控制部分，单片机的I/0功能强大且选择性强，容易对其进行功能选择和端口扩展，使设计更加灵活完善。
单片机运算速度足够且准确度高，抗干扰性较强，有丰富的中断源方便使用，并且C语言的灵活运用，编程方便。
此外单片机的成本比较低。
综上所述，AT89S52资源丰富，程序编写也灵活简单，性价比也高，所以本设计选择AT89S52作为主控芯片。
2.2.2寻迹模块方案论证与选择
方案一：
采用摄像头寻迹
通过摄像头把智能车前面的路径信息传输到控制系统，是路径识别的寻迹方法之一。
摄像头包括线阵和面阵两种。
此方法的优点是可以更早更远的感知跑道的变化。
但是硬件电路比较复杂，信息量大，如何对摄像头记录的图像进行分割和识别，加快处理速度是摄像头的难点。
方案二：
采用光电传感器寻迹
路径识别电路由一系列发光二极管，接受二极管组成。
一个发光二极管和一个接受二极管构成一对，这与摄像头的像素相似。
因为跑道中存在寻迹指示黑线，落在黑线区域内光电二极管接受的发射光线强度和白色的赛道不同，由此判断行车的方向。
此方案的优点是硬件电路简单，信号处理量小而且速度快。
方案三：
采用激光识别寻迹
采用激光识别跑道，容易实现，易于操作，并且灵敏性也较好，可以保证准确识别道路，虽然存在一些繁琐的调整。
基于三种方案的优缺点，以及智能小车控制核心AT89S52处理速度和内部资源，本设计采用了方案二。
2.2.3声控模块方案论证与选择
方案一：
采用模拟电路直接搭建，电路主要由柱体声音传感器和普通的三极管构成的声控电路，电路设计简单、成本低、功耗低、结构简单、调试方便，能直接获得高低电平为单片机所用，为硬件制作节省时间，但信号采集不够灵敏。
方案二：
采用声控的集成模块，该元件的信号采集更为精确，但是调试难度相对高，成本和功耗也稍逊，且还没有采购到该元件。
综上，经比较验证，根据题目要求和基于实际情况，声控电路是启动智能小车，方案一本身是与小车相兼容的，性能也比较好，且比较符合我的实际情况，故本设计采用方案一。
2.2.4感光模块方案论证与选择
方案一：
采用光敏三级管，光敏三极管在接受光的信号将其变为电信号为目的而制成的晶体管，温度对光电流的影响较小，但是考虑到实际情况，放弃此方案。
方案二：
采用光敏电阻，光敏电阻在有光时，其本身电阻值会降低很大。
从电路到事物都极为简单，电路原理清晰简明，所用元件也很少，调试非常方便。
方案三：
用摄像头作为感应特殊图像的硬件，当摄像头拍摄到红光时，会给单片机一个信号，让单片机有一个3秒左右的延时，然后3秒过后小车又开始行进。
方案四：
用颜色传感器TCS230专门进行颜色检测，TCS230上面有三种颜色的滤波器，当给引脚S2、S3低电平时，选定红色滤波器，若接收的红色光强到一定程度，TCS230会输出一定频率的方波，当频率达到一定值时，利用单片机程序会输出高低电平，利用高低电平给单片机完成延时操作。
方案一和方案二经过实际的焊接测试后均被放弃，第三种方案技术含量相对较高，由于从未接触摄像头的应用而且又未及时采购到，所以本设计我选取方案四，程序简单易实现。
2.2.5电机驱动模块方案论证与选择
方案一：
采用分立元件组成的平衡式驱动电路，这种电路可以由单片机直接对其进行操作，但由于分立元件占用的空间比较大，还要配上两个继电器。
方案二：
采用直流电机驱动芯片L298N驱动电机，L298N是一个具有大电流高电压的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N驱动芯片可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端，用此芯片驱动直流电机，稳定性好，操作方便。
鉴于以上分析，本设计采用第二种方案。
2.2.6电源模块模块方案论证与选择
方案一：
采用电池作为电源直接提供电压后，用稳压器稳压得到理想的电源电压。
这种获取电源的方法简单方便，且电源输出电流能力大。
缺点是直流电流放电受到自身影响大，放电时间受限，不能长时间工作，而且价格昂贵，不符合实际电路特征要求。
方案二：
采用低压差线性稳压器LM2940CT-5和LM2940CT-12进行稳压，稳压电路和LM7805一样，电路结构相同，电容容值有稍微差别且LM2940的转换效率比LM7805高，而且它的静态电流也比LM7805小很多，电流消耗比较小。
方案三：
采用变压器将220V电压变压后，经整流桥整流滤波，再经三端稳压器LM7805稳压后得到直流电压。
这种电路实现简单灵活，且能输出不同的电压，满足电路设计的要求。
鉴于以上分析，虽然LM2940的转换效率比LM7805高，而且它的静态电流也比LM7805小很多，电流消耗比较小，但是我在用LM2940调试的时候出现了一点小问题，电压的效果不是很好，但是换成LM7805效果比较好，所以最终还是选用方案三。
2.2.7测距模块方案论证与选择
方案一：
在车头安装了一个博光E18-D80NK红外传感器。
使用前按照安全距离标准静止放置两车，调整红外的信号距离为安全距离20厘米，通过红外返回值，单片机收到的信号即为达到安全距离的信号。
当落后的车检测到信号时减速，没有检测到信号按原速度前进。
方案二：
使用超声波测距，通过超声波发射装置发出超声波，同时在发射时刻开始计时，超声波在空气中传播，途中遇到障碍物立即返回来，接收器接收到反射波立即停止计时，根据接收器接收到超声波时的时间差就可以计算出两车的距离。
根据两个方案的实际测试中超声波测距遇到了一个个人解决不了的问题及考虑光电开关的测试效果好和性价比高，最终选择方案一。
3单元模块设计
按照系统设计的要求，确定设计系统由主控模块、寻迹模块、感光模块、电机驱动模块（保护电路）、声控模块及电源模块组成。
主控芯片使用51系列AT89S52单片机，寻迹模块使用光电传感器RPR220制成寻迹模拟电路，感光模块由颜色传感器TCS230和单片机组成感光电路，电机驱动模块由驱动芯片L298N和减少干扰的光耦组成电路，电源采用的是直流稳压电源、主要由变压器、整流桥、LM317组成的电路及LM7805组成。
3.1单片机最小系统设计
主控模块的最小系统有单片机AT89S52，振荡电路和复位电路组成，如图3-1所示。
图3-1单片机AT89S52
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS、8位微控制器，在系统中具有8K可编程Flash存储器。
使用高密度非易失性存储器技术制造。
允许系统Flash程序存储器可编程，亦适于常规编程器。
AT89S52具有以下标准功能：
32位I/O口线，包括P0、P1、P2、P3四个端口。
8k字节Flash，256字节RAM，2个数据指针，看门狗定时器，三个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，AT89S52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，单片机停止一切工作，直到下一个中断或硬件复位为止。
图3-2振荡电路
如上图所示电路中的C6和C7的典型值通常选择为30pF，外部时钟方式使用现成的外部振荡器产生脉冲信号，XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振，给单片机工作周期时间。
图3-3复位电路
单片机复位电路方式有手动按钮复位和上电复位；手动按钮复位需要人为在复位输入端RST（9脚）输入高电平。
当认为按下按钮时，则5V电平会直接加到RST端口。
手动按钮复位的电路如图3-3所示，电路包括电阻R1和R2、电容C5、按键和单片机组成，由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以完全能够满足复位的时间要求。
图3-4AT89S52最小系统模块
如上图所示本次设计任务在控制模块设计中，根据需要使用了单片机AT89S52两个双向的8位并行I/O端口中的P0和P1端口，端口除了按照字节输入/输出外，还可以按位寻址，便于位控制功能的实现，P0口的字节地址为80H,位地址为80H~87H，作为通用I/O端口时，需要在片外接上拉电阻，为保证正确读入引脚信号，首先先向锁存器写1；P1口是单功能的I/O口，字节地址为90H，位地址为90H~97H，P1口由于有内部上拉电阻，没有高阻抗输入状态，为准双向口，作为输出口时，不需要在片外接上拉电阻，作为“读引脚”输入时，必须先向P1口的锁存器先写入1，本设计采取P1作为输入的功能，31引脚EA接高电平用于选择内程序。
3.2声控模块设计
声控模块如图3-5所示。
图3-5声控模块
当声音传感器MIC有声音信号时，C1电容采集信号，经过三极管Q1将其放大，此时LM358通过电压比较输出低电平；当声敏传感器MIC没有检测到声音信号时，LM358输出高电平。
输出的高低电平由单片机控制。
在用单片机开发板调试声控电路的时候，比较成功，灵敏度比较好，外界声音的强度要大于一定强度才能有低电平输出，但是在接到小车上时，开始的时候有一点问题，小车开关一闭合，不需要外界的声音，小车上的LED指示灯就亮了，后来调了一下电位器，即调整了一下灵敏度就解决问题了，需要外接一定强度的声音才能启动小车。
3.3寻迹模块设计
由六个光电传感器和LM339AN构成的寻迹模块构成，当检测到黑线的时候输出端也就是OUT端输出低电平，返回给单片机，单片机做相应的控制。
图3-6红外光电管RPR220
如上图所示黑带检测用到红外传感器RPR220，结构图类似光耦，但是RPR220的发光二极管和光敏三极管中间被隔离开了，使得初始时二极管的光不能被光敏三极管接收到而导通，二极管的光只有被反射到三极管时才能被导通，当RPR220探测到黑线时，二极管的光被吸收了，不能被反射到三极管而截止，因此比较输出低电平，一般情况下检测到白色部分时，输出的是高电平，只有输出低电平时单片机才给出相应的转弯或直线动作。
图3-7寻迹模块原理图
如上图所示，模块中的LM339类似于增益不可调的运算放大器。
每个比较器有两个输入端和一个输出端。
两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。
用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。
当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。
当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。
两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。
（1）LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源需要接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。
选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。
因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。
另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。
对于图中的LM339为电压比较器，一片LM339内部有四路比较器，相同的还有LM393，两者的不同点在于LM393内部含有两路比较器，如果做8路红外光电管的话可以采用两片LM339，相对就简化了电路；
（2）如果采用LM339或LM393在送单片机的输出端需加约2K欧姆的上拉电阻连至5V，这样才能保证比较器在输出高电平时有5V左右的高电平输出，这一点很容易被忽略，应当引起注意，详细请查找芯片的说明文档；
（3）图中R1、R2的选择，R1为限流电阻，不同大小的限流电阻决定了红外发射管的发射功率，R1越小，红外发射管的功率就越大，多个并联后小车的能耗也就大幅增加，但是同时增加了光电管的探测距离，因此可以根据自己的测试情况选择合适的限流电阻，R2为分压电阻，R2的选择和采用红外接收管的内阻有关，由于R2和接收管构成分压电路，因此R2的大小和接收管的电压变化有关；
（4）按照图3-7所示，若电路工作正常在光电管在黑线和白纸上移动式则在图中R2的上端也就是LM339的4脚应该有明显的电压变化，良好的情况下电压变化可以达到3-4V，电压变化非常明显，如果电压变化不明显，可以尝试着更换R2的阻值。
R1、R2阻值的选取直接影响循迹模块的性能及稳定性。
合理选取阻值，使得循迹模块有很好的性能，可以准确采集跑道信息，是后期调试的基础，此处须多花心思，失败往往是因为循迹模块稳定性差，不适应现场环境的变化。
R1、R2阻值的选取因所选光电管而异；
（5）具体选取方法：
R1为限流电阻，其大小可以决定发射管的功率，一般认为发射管发射功率越大可循迹空间范围越大，应根据使发射管工作在额定情况下的参数选取R1阻值；
例如：
型号为TCRT5000的一体光电管，发射管可工作在U=1.25V，I=60mA的额定情况下，已知电源电压Vcc=5V，则：
（3-1）
计算的R1=62.5Ω，实际选用时，应稍微大于该值。
R2为分压电阻，其阻值的选取影响到光电管接收电路输出电压。
实际测得接收管正向电阻随接收到的红外光照强度而变化，其变化范围很大，可以达到几个数量级，如
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