陈和仁何健军谭斌冠迷宫小车论文Word格式.docx
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本课题研究的背景和意义随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。
全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。
可见其研究意义很大。
近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。
人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。
而近几十年来中国在航天领域的发展越来越快，世界各国也从没停止过探索外星的脚步。
在外星球恶劣的环境下探索全由人去完成是不可能的。
那么可以自动驾驶的小车就发挥了它的作用了。
用带有摄像头的小车就可以让我们在地球上看到外星球的地貌。
如何让小车自动的准确的按照人预设的路线去进行工作成了人们开始研究的课题，现在也有很多的相关成果。
寻迹小车要实现自动导引功能就必须要感知导引线，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。
避障控制系统是基于自动导引小车（AGV—auto-guidevehicle）系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线。
使用传感器感知路线和障碍并做出判断和相应的执行动作。
本设计就采用了比较先进的80C51为控制核心，80C51采用CHOMS工艺，功耗很低。
该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。
尤其是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景；
在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。
所以本设计与实际相结合，现实意义很强。
该智能小车可以作为机器人的典型代表。
它可以分为三大组成部分：
传感器检测部分、执行部分、CPU。
实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线。
传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。
智能小车的执行部分，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向。
实现了小车根据路线自动转向也就可以让小车去完成人预设的任务。
例如智能运输系统。
公共交通是城市发展的必然产物，也是城市赖以生存的重要基础设施之一。
它作为城市动态大系统中一个重要组成部分，是城市整体发展中不可缺少的物质条件和基础产业，也是联系社会生产、流通和人民生活的纽带。
公交系统具有运载量大、运送效率高、能源消耗低、相对污染少、运输成本低等项优点。
随着我国改革开放的深入和经济建设的持续快速发展，城市规模不断扩大，交通需求也不断增加。
有关资料表明，1996年全国城市机动车保有量为884.5万辆，比1977年增长近9倍，年均增长33.8%，全国城市自行车超过1.8亿辆，占全国总量的40%，城镇每百户拥有率达198辆。
道路建设虽突飞猛进，从1980年至1994年，全国城市道路总长从2.95万公里增至11.1万公里，年平均增长率为9.9%,人均道路面积从2.8m2增至6.6m2，道路面积增长率为年均11.6%，这样的速度仍然赶不上车辆的增长速度。
同时，由于多种原因致使公交车辆运营速度由每小时12-14公里下降至5-10公里，新增的运力被运输效率下降抵消，公交承担运量不断减退，居民出行方式逐年由公交向自行车等个体交通方式转移，这无疑加剧了交通的拥挤程度。
如何解决城市居民出行交通需求的不断增加与公共交通发展相对滞后的矛盾成为摆在我们面前的一项迫切任务。
智能运输系统（IntelligentTransportationSystems，ITS）。
它是在关键基础理论模型研究的前提下，把先进的信息技术、数据通信技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效地综合运用于地面交通管理体系，从而建立起一种大范围、全方位发挥作用、实时、准确、高效的交通运输管理系统。
它利用无线通讯专网低频段以低成本实现了公交企业运营数据的实时采集、快速传输，自行开发研制了无线通讯系统车载智能终端设备及控制系统，使公交企业能够充分利用无线通讯系统采集和传输的车辆运营数据进行车辆调度和车辆运营管理，且具有数据和话音双重传输功能。
具有用户容量大、网络范围覆盖广、调度信息响应速度快、全自动语音报站自动化、信息发布广泛、出行者信息服务智能化、设备自动维护智能化的特点。
智能公交系统的提出，必将大大改善公交管理水平，提高公交系统经济效益，减少政府财政补贴。
由于采用公交出行的居民增加，相对减少了其它车辆出行，这势必会缓解城市交通压力，减少环境污染，降低交通事故发生率，改善交通环境，带来巨大的社会效益。
方案设计与论证
根据要求，确定如下方案：
在现有玩具电动车的基础上，加装光电检测器，实现对电动车的位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。
这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。
2.1主控系统
根据设计要求，我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。
据此，拟定了以下两种方案并进行了综合的比较论证，具体如下：
方案一：
选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。
CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。
但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。
同时，CPLD的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。
若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。
为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。
方案二：
采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。
充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。
这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。
因此，这种方案是一种较为理想的方案。
针对本设计特点——多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D功能也不必选用。
根据这些分析,我选定了STC89C52RA单片机作为本设计的主控装置，51单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是51单片机价格非常低廉。
在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片单片机，充分利用STC89C52单片机的资源。
2.2电机驱动模块
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方向进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。
采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。
但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。
更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
方案三：
用单片机控制使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。
是一种广泛采用的PWM调速技术。
现市面上有很多此种芯片，我选用了L298N。
这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。
2.3循迹模块
采用简易光电传感器结合外围电路探测，但实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。
在使用过程极易出现问题，而且容易因为该部件造成整个系统的不稳定。
故最终未采用该方案。
我们采取7只红外对管来进行寻迹。
中间三只用来做校正，左右各两只用来做左右旁别，正前方一只用来识别左转路口和丁字路口。
前方靠左的位置用来识别终点。
红外对管的工作原理图如下：
通过比较，我选取第二种方案来实现循迹。
上图是对红外对馆的灵敏度进行调试，通过改变电位器从而改变阀值电压
2.4通信系统
主板与从板两块单片机之间采用nRF24L01无线模块进行通信，此模块是半双工无线模块，由于通信距离不远，通信效果较为理想。
从板与电脑之间采用串口通信，上位机通过串口接收小车运动情况和速度等信息，绘画地图，再通过从板发送最优路径信息给小车。
2.5机械系统
本题目要求小车的机械系统稳定、灵活、简单，可选用三轮和四轮式，考虑到现在的汽车多采用四轮式我选用四轮式的设计，使设计更贴近生活需求。
驱动和转向方式和现在的汽车一样。
驱动部分：
采用玩具小车原有的驱动电机，由L298N双通道马达驱动模块驱动前后两个马达，其力矩完全可以达到模拟效果。
电池的安装：
将电池放置在车体的下面，降低车体重心，提高稳定性，同时可增加驱动轮的抓地力，减小轮子空转所引起的误差。
电源模块：
采用11V航模电池给电机供电，再用稳压芯片对电池电压进行降压给单片机。
采用一套电源可减少小车的负重。
整体组装效果如图3所示。
图3小车组装效果
主要器件介绍
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实物如图4。
图4STC89C52引脚示意图
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，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的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用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
引脚号第二功能
P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5MOSI（在线系统编程用）
P1.6MISO（在线系统编程用）
P1.7SCK（在线系统编程用）
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2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用。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3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用。
P3口亦作为STC89C52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
端口引脚第二功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2INTO（外中断0）
P3.3INT1（外中断1）
P3.4TO（定时/计数器0）
P3.5T1（定时/计数器1）
P3.6WR（外部数据存储器写选通）
P3.7RD（外部数据存储器读选通）
此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。
RST——复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当STC89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。
FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
L298是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片的主要特点是:
工作电压高，最高工作电压可达46V;
输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；
内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；
采用标准TTL逻辑电平信号控制；
具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；
有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；
可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。
3.2.1L298的引脚功能
L298芯片的引脚图如下图5，其引脚功能见表1。
图5L298引脚图
表1L298引脚功能表
引脚
符号功能
1
SENSINGA与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号
15
SENSINGB与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号
2
OUT1此脚是全桥式驱动器A的两个输出端，用来连接负载
3
OUT2此脚是全桥式驱动器A的两个输出端，用来连接负载
4
Vs电机驱动电源输入端
5
IN1输入标准的TTL逻辑电平信号，控制全桥式驱动器A的开关
7
IN2输入标准的TTL逻辑电平信号，控制全桥式驱动器A的开关
6
11
8
9
10
12
13
14
ENABLEA 使能控制端.输入标准TTL逻辑电平信号；
低电平时全桥式驱动器禁工作。
ENABLEB使能控制端.输入标准TTL逻辑电平信号；
低电平时全桥式驱动器禁止工作。
GND接地端，芯片本身的散热片与8脚相通
Vss逻辑控制部分的电源输人端口
IN3输入标准的TTL逻辑电平信号，控制全桥式驱动器B的开关
IN4输入标准的TTL逻辑电平信号，控制全桥式驱动器B的开关
OUT3此脚是全桥式驱动器B的两个输出端，用来连接负载
OUT4此脚是全桥式驱动器B的两个输出端，用来连接负载
3.2.2L298的运行参数
L298的运行参数见如下表3
表2L198的运行参数
参数
测试环境
最小值
最大值
驱动电源电压Vs
逻辑电源电压Vss
输入低电平电压ViL
输入高电平电压ViH
使能端低电平电压Ven=L
使能端高电平电压Ven=H
全桥式驱动电压Vce（sat）
持续工作时
-
IL=1AIL=2A
2.5V
4.5V
0.3V
2.3V
1.8V
46V
7V
1.5V
Vss
4.9V
3.2.3L298的逻辑控制
L298的逻辑控制见如下表3。
其中C、D分别为IN1、IN2或IN3、IN4；
L为低电平，H为高电平，※为不管是低电平还是高电平。
表3L298对直流电机控制的逻辑真值表
输入
输出
Ven=H
C=H；
D=L
正转
C=L；
D=H
反转
C=D
制动
Ven=L
C=※；
D=※
没有输出，电机不工作
TCRT5000具有结构紧凑建设发光光源和探测器排列在同一方向，以感知对象的存在从对象使用反射红外线光束。
工作波长为950毫米。
该探测器光电晶体管组成。
工作时由蓝色发射管发射红外线，红外线由遮挡物反射回来被接收管接收。
接收反射光线后的接收管呈导通状态，与一电阻串联即可主城一个由发射管控制的分压电路，由此可实现对遮挡物反射光线强度的检测。
我们经常利用这一特性去实现颜色识别。
其实物图如图6，引脚图如图7所示。
图6TCRT5000实物图图7TCRT5000引脚定义
M324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。
每一组运算放大器可用图8所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；
Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见图9。
图8单个运放符号图9LM324引脚图
下面介绍LM324在电压比较电路中的应用。
当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时（即开环状态）,理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大（实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100dB，既10万倍）。
此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。
当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。
图10LM324电压比较电路
如图10中使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1、R1ˊ组成分压电路，为运放A1设定比较电平U1；
电阻R2、R2ˊ组成分压电路，为运放A2设定比较电平U2。
输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间，当Ui>
U1时，运放A1输出高电平；
当Ui<
U2时，运放A2输出高电平。
运放A1、A2只要有一个输出高电平，晶体管BG1就会导通，发光二极管LED就会点亮。
若选择U1>
U2，则当输入电压Ui越出[U2，U1]区间范围时，LED点亮，这便是一个电压双限指示器。
若选择U2>
U1，则当输入电压在[U2，U1]区间范围时，LED点亮，这是一个“窗口”电压指示器。
此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。
3.5nRF24L01简介
XL24L01P-D01是采用挪威NORDIC公司的nrf24L01p2.4G无线收发IC设计的一款高性能2.4G无线收发模块，采用GFSK调制，工作在2400-2483M的国际通用ISM频段，最高调制速率可达2MBPS。
XL24L01P-D01集成了所有与RF协议相关的高速信号处理部分，如：
自动重发丢失数据包和自动产生应答信号等，模块的SPI接口可以利用单片机的硬件SPI口连接或用单片机的I/O口进行模拟，内部有FIFO可以与各种高低速微处理器接口，便于使用低成本单片机。
模块大小32*15.2mm，2.54mm间距的双排插针接口，使用内置PCB天线设计，开阔地1MBPS速率下，收发10个字节的数据量测试距离最远约70米左右。
管脚次序
管脚定义
功能描述
GND
电源地（方形焊盘）
VIN
输入电源（3.0—3.3V）
CE
工作模式选择，RX或TX模式选择
CSN
SPI使能,低有效
SCK
SPI时钟
MOSI
SPI输入
MISO
SPI输出
8
IRQ
中断输出
硬件设计
4.1总体设计
从智能循迹小车的设计要求出发，经过前面的方案论证我决定用原有的玩具小车作为设计模型。
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