智能玩具小车毕业设计说明.docx
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智能玩具小车毕业设计说明
摘 要
随着科学技术的进步，智能化和自动化技术越来越普及，各种高科技技术也广泛应用于智能小车河机器人玩具制造领域，使智能机器人越来越多样化。
智能小车是一个多种高新技术的集成体，融合了机械，计算机硬件，软件，电子，人工智能等多种科学技术的知识，可以涉及到当今许多前言领域的技术。
利用红外对管来检测黑线，利用超声波实现避障，并以STC89C51单片机为主控芯片控制小车的转向和速度，从而使小车实现自动循迹避障的功能。
其中由L298N驱动电路对小车驱动，单片机输出的PWM波控制速度。
由内置程序分别控制位于小车左右的直流电机的运转，实现小车的自动识别路线的功能，能够有效的控制小车遇到障碍物时能够转弯角度与循迹行驶。
本设计的结构相对简单，比较易于实现，体现了一定程度的智能。
关键词：
智能小车；红外对管；STC89C51单片机；超声波；L298N
Abstract
Withtheprogressofscienceandtechnology,intelligentandautomationtechnologyismoreandmorepopular,varioushigh-techtechnologyisalsowidelyusedinthefieldofintelligentcarriverrobottoymanufacturing,makeintelligentrobothasbecomemoreandmorediversified.Smartcarisanintegrationofavarietyofhightechnology,theintegrationofmechanical,computerhardware,software,electronics,artificialintelligenceandmanyotherkindsofscientificandtechnologicalknowledgecaninvolvestomanyoftoday'sintroductioninthefieldoftechnology.
Usinginfraredtubetodetecttheblackline,inordertoavoidobstaclesbyusingultrasonicwave,andtheSTC89C51MCUasthemaincontrolchiptocontrolthecar'ssteeringandspeed,soastoenablethecartoachievethefunctionofautomatictrackingandobstacleavoidance.WhichisdrivenbytheL298Ndrivercircuit,theoutputofthemicrocontrollerPWMwavecontrolspeed.Bythebuilt-inprogramcontrollocatedinthecaraboutDCmotorrunning,thecarautomaticrecognitionroutefunction,caneffectivelycontrolthecarencounteredobstaclestothesteeringangleandtrackingroad.Thestructureofthedesignisrelativelysimple,thecomparisoniseasytorealize,anditembodiestheintelligenceofacertaindegree..
Keywords:
intelligentvehicle; infraredtube; STC89C51MCU; ultrasonic; L298N
目 录
引言
随着微电子技术的不断发展，单片机不但集成程度越来越高，已可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器／计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器、A／D转换器、D／A转换器等多种电路，而且体积越来越小，功耗越来越低，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统[8]。
这种技术促使机器人技术也有了突飞猛进的发展，目前的机器人技术发展异常迅速，已经出现了各种各式的用于各种用途的机器人了，机器人的设计与制造已经不是很高难度的事情了，已经具有普及性了。
本文设计以STC89C52单片机作为检测和控制核心。
采用红外光电传感器检测路面黑线及障碍物，应用超声波传感器测距，利用单片机控制电动机的转动方向和转速。
通过软件编程实现小车的行进、绕障。
通过对电路的优化组合，可以最大限度地利用51单片机的全部资源。
P0口用于连接VCC，P1口用于传感器的数据采集与中断控制，P2口用于电动机的驱动控制。
这样做的优点是：
简单有效，降低了总体设计的成本。
1绪论
1.1智能玩具的意义和作用
自从第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经在机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域遍布。
由于机器人的智能水平的不断提高，人们的生活方式迅速地改变着。
在人们不断认识、改造、探讨自然的过程中，替代人劳动的机器的实现一直是人类的梦想。
由于科学技术的进一步发展，机器人的感觉传感器种类逐渐增加，视觉传感器对自动行走和驾驶的功能的实现起到主要作用。
自主式智能导航系统是视觉的典型应用领域，图像处理技术对于视觉的各种技术而言已相当发达，而基于图像的理解技术相对落后，需要通过大量的运算的机器视觉也只能识别部分结构化环境相对简单的目标。
摄像管或CCD是视觉传感器的核心器件，CCD目前已能实现自动聚焦。
但CCD传感器的使用方式、价格、体积上不占优势，因此在只需要粗略感觉不要求清晰图像的系统中的一种实用有效方法是使用接近觉传感器。
机器人想要实现自动导引、避障功能需感知导引线和障碍物，感知导引线相当于给机器人添加一个视觉功能。
自动导引小车（AVG—auto-guidevehicle）系统使智能小车基于它实现自动识别、判定进而自动避开障碍，选择正确的行驶路径。
传感器用于感知路线和障碍并且做出判定和相应的执行动作。
智能避障小车可以分为三大组成部分：
传感器检测部分、执行部分和CPU。
机器人在实现自动避障功能的同时，还可以拓展循迹等功能，可以感知导引线和障碍物。
使小车实现自动识别路线，选择正确的行进路径，检测到障碍物并自动避开。
基于以上要求，考虑到小车不需要感知特别清晰的图像，传感检测部分只需要粗略感知便可，所以不使用昂贵的CCD传感器而考虑邮性价比高的的红外反射式传感器来替代。
智能小车的驱动部分，是由直流电机来实现，主要控制小车的行进速度和方向。
单片机驱动直流电机有两种可行方案：
第一，，选择有PWM功能的单片机不需要占用单片机资源，可以实现精确的调速；第二，PWM输出调制由软件模拟实现，需占用单片机资源，很难精确调速，但单片机型号的选择性比较大。
综合考虑，我们选择第二种方案。
CPU由STC89C52单片机配合软件编程实现。
1.2智能小车的现状
1.2.1国外移动机器人的状况
到20世纪90年代，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，适应性强的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，展开了移动机器人更高层次的研究。
随着技术的进步，移动机器入开始在更现实的基础上，开拓各个应用领域，向实用化前进。
如1997年牛津大学机器人研究小组采用分布式滤波及局部智能控制代理的系统模式，利用卡尔曼滤波方法融合来自摄像机、激光测距、声纳的数据信息，设计出了在已知或未知的工厂环境下工作的移动机器人。
美国国家航空和宇宙航行局（nasa）资助研制的八足行走机器人。
丹蒂Ⅱ”，作为能实现远程探险的高性能移动机器人，于1994年在斯珀火山的火山口迸行了成功的表演。
美国nasa研制的火星探测机器人“sojourner”于1997年登上火星，验证了自主移动机器人在火星表面运动和进行科学试验的可行性。
2003年，美国nasa又派出两个火星着陆器，这两个着陆器上各带勇气号和机遇号火星漫游者，到火星上采集数据．在任务期间，“勇气”创造了日行27.5米的纪录，打破了“sojourner”97年创下的日行7米的记录；“机遇”号也己成功地在火星上进行了多种科学实验。
后来，美国宇航局又在研究另一种新型的火星探测器一火星科学实验室（MSL），是一种适用于所有地形的多用途机器人，乃执行任务。
德国研制了一种轮椅机器人，并在乌尔姆市中心车站的客流高峰期的环境中和1998年汉诺威工业商品展览会大厅环境中进行了超过36小时的考验，所展现的性能是其它现存的轮椅机器人和移动机器人所不可比的。
另外，自从1996年成功地举行了第一次世界机器人足球赛以来，现在一年一度的世界机器人足球赛已经吸引了越来越多的团体参加，极大地推进了多移动机器人技术的研究，成为研究和验证人工智能成果的实验床。
1.2.2国内移动机器人的状况
在国内，从“七五”开始，我国的移动机器人研究开始起步，经过多年来的发展，已经取得了一定的成绩。
清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定。
涉及到五个方面的关键技术：
基于地图的全局路径规划技术研究；基于传感器信息的局部路径规划技术研究；路径规划的仿真技术研究；传感技术、信息融合技术研究；智能移动机器人的设计和实现。
香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人。
中国科学院沈阳自动化研究所得AGV和防暴机器人。
中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统。
哈尔滨工业大学于1996年研制成功的导游机器人等。
自主移动机器人的研究虽取得了很大的进展，但是对于复杂的应用，仍不能令人满意。
2方案设计与论证
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：
系统的核心部件选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15），实现控制和处理的功能。
CPLD具有速度快、资源丰富、编程容易、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行软件的编写开发。
但CPLD在控制上和单片机有较大的差距。
并且CPLD的处理速度特别快，而小车的行驶速度不能太快，从而系统处理信息的需求也就不是太高，由此，MCU可以胜任了。
若采用这个方案，定会在控制上添加了很多没必要添加的难题。
为此，我们不采用这种方案，并且提出了第二种设想。
方案二：
整个系统的核心由单片机来实现，用其来控制行驶中的小车，实现其性能指标。
经过充分的分析这个的系统，发现关键在于小车自动控制的实现，，单片机在这一点上就能显现出来它的优势——控制简单、快捷、方便。
这样一来使单片机资源丰富、控制功能强大及可位寻址操作功能、低廉的价格等优点就可以充分发挥。
因此，这种方案是较为理想的。
针对本次设计的特点——多开关量输入的复杂程序控制系统，单片机需要处理多开关量，因此不能使用程序存储器的小体积和精简I/O口的单片机，也不必选用D/A、A/D功能。
根据这些分析,本设计选定P89C51RA单片机为的主控装置，51单片机有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，多达8K的程序空间，对于本设计也可以完全胜任，并且51单片机有着非常低廉的价格。
经过综合考虑两部电机的驱动、传感器等因素后，我们决定应用一片单片机，对STC89C52单片机的资源充分利用。
2.1.1AT89C52单片机简介
在众多的单片机系列中，AT89C52是一种低功耗，高性能CMOS8位微控制器，具有8K系列可编程Flash存储器。
使用Atmel公司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允许程序储存器在系统可编程，也适应于常规编程。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超高效的解决方案。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
2.1.2单片机的发展
1946年第一台电子计算机诞生至今，依靠微电子技术和半导体技术的进步，从电子管——晶体管——集成电路——大规模集成电路，使得计算机体积更小，功能更强。
特别是近20年时间里，计算机技术获得飞速的发展，计算机在工农业，科研，教育，国防和航空航天领域获得了广泛的应用，计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志[14]。
单片机诞生于20世纪70年代，象Fairchild公司研制的F8单片微型计算机。
所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（CenterProcessingUnit,也即常称的CPU）和数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛[14]。
20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，象Fairchild公司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。
类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器。
1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。
它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑[20]。
在MCS-48的带领下，其后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，象Zilog公司的Z8系列。
到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，象INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell公司的6501及6502系列等等,此外,日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机[20]。
80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机，功能越来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64kB，可以说，单片机发展到了一个新的平台。
单片机经历了SCM、MCU、SOC三大阶段[21]。
1.SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。
“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。
在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。
2.MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：
不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。
它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。
从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。
在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。
Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。
因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩[14]。
单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。
随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。
因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统[13]。
2.2电机驱动模块
方案一：
电动机的开或关由继电器对进行控制,对小车的速度通过开关的切换进行调整.该方案优点是电路简单,缺点是继电器的响应时间慢,寿命较短，易损坏,可靠性不高。
方案二：
电动机采用数字电位器或电阻网络调节达到分压的目的。
但电阻网络仅能实现有级调速，并且数字电阻的元器件价格较为昂贵。
更关键的问题是一般的电动机的电阻很小，但电流却很大，导致不仅分压回降低效率，并且实现很困难。
方案三：
由功率三极管当作功率放大器的输出控制直流电机实现。
线性型驱动电的路结构以及原理简单，加速能力较强，采用由达林顿管构成的H型桥式电路（如图2.1）。
用单片机控制的达林顿管使它工作在占空比可调整的开关状态下，可以精确调整电动机的转速。
由于此电路工作在管子的饱和截止的模式下，所以效率特别高，H型桥式电路确保了简单的实现控制转速和方向，并且电子管的开关速度非常快，同时稳定性也很强，是一种可以广泛应用的PWM调速技术。
现在市面上有很多款此种芯片，而我则选用了L298N（如图2.1）。
此种调速方式的有优点调速特性优良、调速范围广、调整平滑、能承受频繁的负载冲击、过载能力大，并且可实现频繁地无级快速启动、反转及制动等。
因此我决定使用功率三极管作功率放大器的输出控制直流电机。
图2.1L298N
2.2.1H桥式电路工作原理
电路得名于“H桥式驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。
4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。
H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。
要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。
根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。
2.2.2PWM调速技术
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。
因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。
2.3循迹模块
利用光电传感器实现循迹的基本原理
2.3.1光电传感器的工作原理
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。
光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：
发送器、接收器和检测电路。
发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。
光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。
接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。
在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。
在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。
此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。
三角反射板是结构牢固的发射装置。
它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。
它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。
2.3.2光电传感器的分类和工作方式
1、槽型光电传感器把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。
发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。
但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。
输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。
槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。
2、对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。
由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。
它的检测距离可达几米乃至几十米。
使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。
3、反光板型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式（或反射镜反射式）光电开关。
正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。
4、扩散反射型光电开关它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。
正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。
当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。
方案选择
方案一：
采用外围电路结合简易光电传感器探测，但是实际效果却并不理想，对于行驶过程中小车的稳定性要求非常高，并且误测的机率比较大、容易受到光线环境及路面介质的影响。
所以在使用的过程中极易出现问题，并且容易由该部件导致整个系统的不稳定。
所以未采用该方案。
方案二：
采用两个红外对管（如下图2.3），分别放置于车身前的轨道的两侧，由两只光电开关接收到白线和黑线的情况控制小车的转向来调整车的方向，经测试表明，只需合理安装两只光电开关的位置就可以实现循迹的功能。
方案三：
采用三个红外对管，一个放置于轨道的中间，两个放置于轨道的外侧，当小车脱离轨道的时候，即当放置于中间的一个光电开关脱离轨道的时候，等到外面任一个检测到黑线以后，做出相对应的转向调整，一直到中间的光电开关再次检测到黑线（回到轨道时）再恢复至正向行驶。
现场试验表明，小车在寻迹的过程中有一定的左右摇摆，虽然可正确的循迹但是其成本与稳定性都不如第二种方案。
通过对比，我选取了第二种方案用以实现循迹。
图2.2红外对管
对于标志线的检测，经过考虑和实验，最终选择了红外对管TCRT5000，TCRT5000它的测量距离近，但反应灵敏、准确。
其体积较小,价格低,安装容易。
2.4避障模块
方案一：
采用一个红外对管放置于小车中央。
其安装很简易，可以检测到障碍物，但是难以确定的是小车在水平方向上是否会撞到障碍物，也不易使小车做出精准的转向反应。
方案二：
采用二个红外对管分别放置于小车的前端的两侧，方向与小车的前进方向平行，对于小车与障碍物的相对距离与方位能作出比较准确的判断和及时的反应。
但这个方案过于的依赖硬件、缺乏创造性、成本较高，并且置于小车的左方的红外对管使用的几率很小，所以最终并未采用。
方案三：
使用超声波传感器是探测障碍的最简单的方法，超声波传感器是利用向目标发射出超声波脉冲，计算他的往返的时间来判定与其距离的。
这种方法被广泛的应用于移动机器人研究上。
它的优点是价格比较便宜，易于使用，并且在10m以内都能给出比较精确的测量。
通过比较我采用方案三。
HC—SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可高达3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。
其工作原理如下:
（1）采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号；
（2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；
（3）有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。
测试距离=（高电平时间*声速（340m/s））/2;其实物图如2.5所示
2.4.1超声波测距的原理
超声波是一种在弹性介质中
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