基于AVR单片机的智能小车毕业设计论文Word文档下载推荐.docx
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AVRmicrocontroller,Smartcar,Traction,Obstacleavoidance
目 录
1绪论 1
1.1研究的背景和意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.2.1国外智能车辆研究现状 1
1.2.2国内智能车辆研究现状 2
1.3本次设计的主要任务 3
2系统方案设计 4
2.1总体设计框图 4
2.2核心控制单元的选择 4
2.3寻迹方案设计 5
2.4避障方案设计 6
2.5电机驱动方案选择 7
2.6电机选择 7
2.7小车选择 7
3系统硬件电路设计 9
3.1最小系统电路 9
3.2寻迹模块电路 10
3.3避障模块 11
3.4电机驱动模块 13
3.4.1L298N电机驱动芯片 13
3.4.2PWM调速原理 14
3.4.3驱动电路 15
3.5系统抗干扰设计 16
3.5.1干扰的基本要素 16
3.5.2干扰的分类 16
3.5.3硬件抗干的设计 16
4系统软件设计 18
4.1ICCAVR简介 18
4.2主控制模块主程序设计 19
4.3红外循迹模块子程序设计 19
4.4红外避障模块子程序设计 21
4.5电机控制子程序设计 22
5结论 24
致 谢 25
参考文献 26
附录A总电路图 27
附录B源程序 28
1绪论
1.1研究的背景和意义
随着计算机，微电子技术的快速发展，智能化技术的开发越来越快，智能程度也越来越高，应用的范围也得到了极大的扩展。
智能小车系统以迅猛发展的汽车电子技术为背景，涵盖了电子，计算机，机械，传感技术等多个学科。
同时，当今机器人技术的发展日新月异，其应用于考古，探测，国防等众多领域。
无人飞船，外星探测，智能化生产等等无不得益于机器人技术的发展。
一些发达国家已经把机器人设计制作竞赛作为创新教育的战略手段。
从某种意义上来说，机器人技术反映的是一个国家综合技术实力的高低，而智能小车是机器人的雏形，它的控制系统的研究与制作将有助于推动智能机器人控制系统的发展。
随着智能化技术的发展，对于智能化技术的研究也越来越受关注。
全国电子竞赛与各省电子竞赛几乎每次都有智能小车方面的题目，全国各大高校也都重视该项目的研究，可见智能小车具有较大的研究意义。
1.2国内外研究现状
智能车辆作为智能交通系统的关键技术，是许多高新技术综合集成的载体。
智能车辆驾驶是一种通用性术语，指全部或部分完成一项或多项驾驶任务的综合车辆技术。
智能车辆的一个基本特征是在一定道路条件下实现全部或者部分的自动驾驶功能，下面简单介绍国内外智能小车研究的发展情况。
1.2.1国外智能车辆研究现状
国外智能车辆的研究历史较长，始于上世纪50年代。
它的发展历程大体可以分成三个阶段：
第一阶段：
20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。
1954年美国Barrett
Electronics公司研究开发了世界上第一台自主引导车系统AGVS（AutomatedGuidedVehicleSystem）。
该系统只是一个运行在固定线路上的拖车式运货平台，但它却具有了智能车辆最基本得特征即无人驾驶。
早期研制AGVS的目的是为了提高仓库运输的自动化水平，应用领域仅局限于仓库内的物品运输。
随着计算机的应用和传感技术的发展，智能车辆的研究不断得到新的发展。
第二阶段：
从80年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车辆开展了卓有成效的研究。
在欧洲，普罗米修斯项目于1986年开始了在这个领域的探索。
在美洲，美国于1995年成立了国家自动高速公路系统联盟（NAHSC），其目标之一就是研究发展智能车辆的可能性，并促进智能车辆技术进入实用化。
在亚洲，日本于1996年成立了高速公路先进巡航辅助驾驶研究会，主要目的是研究自动车辆导航的方法，促进日本智能车辆技术的整体进步。
进入80年代中期，设计和制造智能车辆的浪潮席卷全世界，一大批世界著
名的公司开始研制智能车辆平台[1]。
第三阶段：
从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段。
最为突出的是，美国卡内基梅隆大学（CarnegieMellonUniversity）机器人研究所一共完成了
Navlab系列的10台自主车（Navlab1—Navlab10）的研究，取得了显著的成就。
目前，智能车辆的发展正处于第三阶段。
这一阶段的研究成果代表了当前国外智能车辆的主要发展方向。
在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构研发的智能车辆具有代表性的有：
德意志联邦大学的研究：
1985年，第一辆VAMORS智能原型车辆在户外高速公路上以100kmblockdiagram
2.2核心控制单元的选择
ATMEL公司新推出的ATmega系列单片机内含高速闪存FLASH，是基于增强精简指令RISC（ReducedInstructionSetCPU）结构的单片机，简称AVR单片机，该系列单片机在吸收PIC及8051单片机的优点的基础上，做出了重大的改进。
AVR单片机的特点
（1）速度快
AVR单片机在单一时钟周期内执行功能强大的指令，每MHz可实现阶段MIPS的处理能力，是具有最高MIPSmw能力的确良8位单片机。
AVR单片机采用了大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令。
其快速存取RISC寄存器文件由32个通用工作寄存器组成。
AVR用32个通用寄存器代替累加器，避免了传统的累加器与存储器之间的数据传送，可在一个时钟周期内执行一条指令来访问两个独立的寄存器，代码效率比常规CISC微控制器快十倍。
AVR单片机是用一个时钟周期执行一条指令的，即在执行前一条指令时就取出下一条指令，然后以一个周期执行指令（与
DSP类似），是8位单片机中第一种真的RISC单片机。
（2）性能价格比高
AVR单片机中既有引脚少的器件（8脚），也有存储容量较大、引脚较多的器件，给用户以充分的选择余地。
AVR单片机采用Harvard结构，程序存储器和数据存储器是分开的，可以直接访问8M字节程序存储器和8M的数据存储器。
AVR单片机片内资源丰富。
包括：
1K-128K字节可下载的Flash存储器、64-4K字节
EEPROM、128-4K字节RAM、5-32条通用的IO线，32个通用工作寄存器、摸拟比较器、定时器计数、可编程异步串行口、内部及外部中断、带内部晶振的可编程看门狗定时器、为下载程序而设计的SPI串行口、10位AD转换器、以及闲置摸式和掉电摸式2个可选择的省电摸式等[3]。
（3）系统内从新编程（ISPIn-SystemProgramming）功能
AVR单片机片内可下载FLASH存储器，可以通过SPI串行接口或一般的编程器
进行系统内重新编程（ISPIn-SystemProgramming），给新产品的开发、老产品的级和维护带来极大的方便。
总之，AVR单片机在一个芯片内将增强性能的RISC8位CPU与可下载的
FLASH相结合使其成为适合于许多要求、具有高度灵活性和低成本的嵌入式高效微控制器。
2.3寻迹方案设计
方案1：
用光敏电阻组成光敏探测器
光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。
当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。
因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。
将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。
但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。
方案2：
用CCD摄像头传感器
对于黑白摄像头的图像信号，图像越黑，电压越低，图像越白，电压越高。
通过单片机的AD采集亮度信号，利用复合同步信号来控制采集像素的时序。
采用视频分离芯片，从模拟信号中分离出场、行同步信号和奇偶场信号后，接单片机的外部中断口，产生中断，在中断服务程序中对AD采集的数据进行图像存储，从而形成一个二维的数字图像。
最后对图像信号进行处理，获得时序正确的数字图像信息，即实际的黑线路径参数。
CCD摄像头寻迹方案的优点是可以更远更早地感知路径的变化，路径分辨率高，前瞻性较强，缺点是对单片机片内资源消耗大，实时性略差。
方案3：
用RPR220型光电对管
RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。
红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。
其具有如下特点：
1、内置可见光过滤器能减小离散光的影响。
2、体积小，结构紧凑。
3、当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。
4、电路简单，工作性能稳定。
由于光敏电阻易受光照影响，CCD摄像头对单片机片内资源消耗大等原因，本设计选择方案3。
2.4避障方案设计
使用超声波探测器
超声波探测器的优点是比较耐脏污，即使传感器上有尘土，只要没有堵死就可以测量，可以在较差的坏境中使用。
缺点是精度较低，且成本较高。
同时，超声波探测具有几厘米甚至几十厘米的盲区，这对于小车是个致命的限制。
使用激光测距传感器
激光测距传感器工作原理为：
由激光二极管对准目标发射激光脉冲，经目标反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。
雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。
记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。
激光测距传感器测量范围广，响应速度快；
测量精度高，量程大。
但其体积大，价格昂贵，不适用于本次智能小车的开发设计。
使用红外避障传感器
红外避障传感器E18-D80NK平均有效探测距离为0—80cm可调，且抗外界背景光干扰能力强，可在日光下正常工作，这满足了信号发射与接收的要求。
该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人及智能车避障、流水线计件等众多场合。
由以上分析，本设计最终确定方案3。
2.5电机驱动方案选择
继电器控制
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。
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。
采用由晶体管组成的H桥电路
用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；
H桥电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；
电子开关的速度很快，稳定性也很高，是一种广泛采用的调速技术。
采用L298N驱动芯片
L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。
用该芯片作为电机驱动，操作方便，
稳定性好，性能优良。
由于继电器的响应时间慢、易损坏不适用于本次智能小车的设计。
而L298N驱动芯片有各方面的优势，本设计选择方案3。
2.6电机选择
采用步进电机
由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。
虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。
采用直流减速电机
直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。
由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大转矩。
由以上分析，步进电机不适用于本次设计的要求，故本设计采用方案2。
2.7小车选择
小车选用常见的智能车模型，小车总长20cm，宽150cm，车轮直径6.5cm。
小车为三轮结构，前两轮驱动，后轮为万向轮，采用前轮差动转向。
小车外形如图2.2所示。
图2.2小车外形
Fig.2.2Carshape
3系统硬件电路设计
3.1最小系统电路
本系统采用ATMEGA16单片机作为中央处理器。
其主要任务是在小车行走过程中不断读取传感器采集到的数据，将得到的数据进行处理后，来控制小车运动。
ATMEGA16是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含16kBytesISP（In-system
programmable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的
ATMEGA16可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
其应用范围广，
性能良好，可用于解决复杂的控制问题。
如图3.1是较为常见的带烧录接口的单片机最小系统图。
图3.1最小系统电路
Fig.3.1Minimumsystem
3.2寻迹模块电路
寻迹模块电路所用传感器是RPR220，如图3.2所示。
RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。
图3.2RPR220
Fig.3.2RPR220
红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体，红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通，发出一个电平跳变信号。
当小车在非黑色地面行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线信号，经反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，那么光敏三极管将导通。
寻迹模块电路如图3.3所示。
图3.3寻迹模块电路图
Fig.3.3Tracingmodulecircuit
当小车行驶到黑色引导线上时，红外线信号被黑色吸收后，光敏三极管截止，经
LM339电压比较器输出低电平，从而实现了通过红外线检测信号的功能。
将检测到的信号送到单片机IO口，当IO口检测到的信号为低电平时，表明红外光被地上的黑色引导线吸收了，表明小车处在黑色的引导线上；
同理，当IO口检测到的信号为高电平时，表明小车行驶在白色地面上。
为了保证小车沿黑线行驶，采用了四个检测器并行排列，检测器排列位置如图3.4所示。
其编号1至4对应的硬件电路分别接在单片机的PA0、PA1、PA2、PA3端口。
在小车运动过程中，结合查询方式，通过程序控制小车运动轨迹。
如果2号红外对管和
3号红外对管检测到黑线，则单片机控制小车向前直走；
如果2号红外对管偏离黑线，
3号红外对管检测到黑线，则单片机控制小车轻微左移；
如果3号红外对管偏离黑线，
2号红外对管检测到黑线，则单片机控制小车轻微右移；
如果2号和3号红外对管偏离
黑线，1号红外对管检测到黑线，则单片机控制小车向左移动；
如果2号和3号红外对管偏离黑线，4号红外对管检测到黑线，则单片机控制小车向左移动。
图3.4检测器位置
Fig.3.4Detectorarrangedlocation
3.3避障模块
避障模块采用型号为E18-D80NK的红外避障传感器，如图3.5所示。
图3.5E18-D80NKFig.3.5E18-D80NK
E18-D80NK是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出，有效的避免了可见光的干扰。
透镜的使用，也使得这款
传感器最远可以检测80cm距离。
检测障碍物的距离可以根据要求通过尾部的电位器旋钮进行调节。
该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。
加调制发射管
接电源
整流稳压
放大器
解调器
时钟逻辑
负载
调制器 整流稳压发射器
接电源
接收器
图3.6E18-D80NK原理图
Fig.3.6E18-D80NKPrinciplecircuit
E18-D80NK电气特性如表3.1。
表3.1E18-D80NK电气特性
Tab.3.1ElectricalCharacteristics
红色
绿色
黄色
工作电压
工作电流
驱动电流
感应距离
VCC
GND
OUT
5VDC
10-15mA
100mA
3-80CM
使用时注意事项：
在接线的时候，请避免出现电源和地接错的现象，该操作有可能造成传感器永久性损坏；
信号输出端请加上拉电阻；
为保护动作的可靠和寿命长，请避免有关规定以外的温度外界（户外）条件下，接近传感器虽为耐水结构，若装上罩使用，勿使水和水容性切削油等淋到，则可更好地提高可靠性及寿命。
还请避免在有化学药剂，特别是在强碱、酸、硝酸、铭酸、热浓硫酸等气候中使用[4]。
E18-D80NK红外避障传感器检测到目标时输出低电平，正常状态下是高电平输出。
黄色线为输出端口，接单片机的PB口，将传感器信号输入单片机进行处理，并做出相应的输出，避障模块电路如图3.7所示。
避障模块采用三只红外避障传感器，安装于小车两侧及下中央，可以检测两侧和正前方是否有障碍，检测后将信号送入单片机，单片机对信号进行处理并发出相应的信号驱动小车电机，使小车躲避障碍。
其左中右三个传感器的硬件电路分别接到单片机的PB0、PB1、PB2端口。
当三个传感器检测到无障碍时，小车正常前进行驶；
当前侧传感器检测到有障碍时，小车右转；
当左侧或左及前侧传感器检测到障碍时，小车右转；
当右侧或右侧及前侧传感器检测到障碍时，小车左转；
当三个传感器都检测到有障碍或左右侧传感器检测到有障碍时，小车停止。
图3.7避障模块电路
Fig.3.7Obstacleavoidancemodulecircuit
3.4电机驱动模块
3.4.1L298N电机驱动芯片
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片采用15脚其实物图及直流电机实物如图3.8所示。
图3.8L298N及电机实物图
Fig.3.8L298NandMotorphysicalshape
L298N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；
额定功率25W。
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。
使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。
图3.9L298N引脚
Fig.3.9L298NPin
Pin1和Pin15可与电流检测用电阻连接来控制负载的电路；
out1、out2和out3、
out4之间分别接2个直流电机；
input1~input4输入控制电位来控制电机的正反转；
Enable则控制电机停转。
3.4.2PWM调速原理
脉冲宽度调制（PWM）是英文“PulseWidth
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