自动避障循迹小车 毕业论文文档格式.docx
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2.5.1数码管的结构及工作原理14
2.5.2数码管的选择15
2.6控制系统模块15
2.6.1单片机的发展15
2.6.2AT89C52单片机的简单介绍17
2.7电源模块17
3硬件设计18
3.1总体设计18
3.1.1小车总体概述18
3.1.2小车总体设计框图19
3.2驱动电路设计19
3.3信号检测模块电路设计21
3.3.1循迹模块信号检测电路21
3.3.2壁障模块和显示信号检测电路22
3.4显示模块电路设计24
3.5主控电路设计27
3.5.1单片机最小系统设计27
3.5.2主控电路图30
4软件设计31
4.1主程序设计31
4.1.1主程序框图31
4.1.2主程序流程图32
4.2循迹模块程序设计33
4.3显示模块程序设计33
4.4避障模块程序设计34
5制作安装与调试35
5.1小车的安装35
5.2小车的调试35
5.3智能小车的功能36
结论37
参考文献38
附录：
40
中文译文44
致谢52
1绪论
1.1智能小车的研究与意义
移动机器人是机器人领域的一个分支，他的研究始于60年代末期，斯坦福研究院（SRI）的NitsNilssen和CharlesRosen等人，在1966年至1972年间研制出了名为Shake的自主移动机器人[1]。
进入20世纪80年代以后，人们的研究方向逐渐转移到了面向实际应用的室移动机器人的研究，并逐步形成了自主式移动机器人AMR（IndoorAutonomousMobileRobot）概念。
美国国防高级研究计划局（DARPA）专门立项，制定了地面天人作战平台的战略计划。
从此在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕，如DARPA的“战略计算机”计划中的自主地面车辆（ALV）计划（1983—1990），能源部制定的为期十年的机器人和智能系统计划（RIPS）（1986—1995），以及后来的太空机器人计划；
日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划；
欧洲尤里卡中的机器人计划等。
初期的研究，主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理，并建立试验系统进行验证。
虽然由于80年代对机器人的智能行为期望过高，导致室外机器人的研究未达到预期的效果，但却带动了相应技术的发展，为探讨人类研制智能机器人的途径积累了经验。
同时，也推动了其他国家对移动机器人的研究与开发[2]。
智能小车作为移动机器人的典型代表，目前国外的许多大学都在积极投入人力、财力进行开发。
主要表现在大学生的各种大型的创新比赛，比如：
亚洲广播电视联盟亚太地区机器人大赛（ABUROBCON）、全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛等众多重要竞赛都能很好的培养大学生对于机电一体化的兴趣与强化机电一体化的相关知识。
但很现实的状况是，国不论是在机械还是电气领域，与国外的差距还是很明显的，必须加倍努力，为逐步赶上国外先进水平并超过之而努力。
智能小车，是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统，它可以分为三大组成部分：
传感器检测部分、执行部分、CPU。
机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。
可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避[3]。
在移动机器人中，传感器起着举足轻重的作用。
视觉、激光、红外、超声传感器等都在实际系统中得到了广泛的应用。
其中，超声波传感器以其信息处理简单、速度快和价格低，被广泛用作移动机器人的测距传感器，以实现避障、定位、环境建模和导航等功能[4]。
考虑实际情况，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和超声波传感器来充当。
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和速度。
单片机驱动直流电机一般有两种方案：
第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能的单片机，这样可以实现精确调速；
第二，可以由软件模拟PWM输出调制，需要占用单片机资源，难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大[5]。
考虑到实际情况，本文选择第二种方案。
CPU使用STC89C52单片机，配合软件编程实现。
单片机在现今社会的应用领域越来越广泛，无论是生活，生产上，单片机的身影无处不在。
ATMEL公司的STC89C52单片机可以广泛的应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。
STC89C52可以说是单片机领域的主流产品，其应用如此广泛，所以有必要学习和应用该单片机，以满足实际产品开发的需求，也是适应社会智能化、自动化的趋势[6]。
以89C52为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制智能小车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。
89C52是一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。
它是第三代单片机的代表。
第三代单片机包括了Intel公司发展MCS-51系列的新一代产品，如8ｘC152﹑80C51FA/FB﹑80C51GA/GB﹑8ｘC451﹑8ｘC452,还包括了Philips﹑Siemens﹑ADM﹑Fujutsu﹑OKI﹑Harria-Metra﹑ATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色﹑与80C51兼容的单片机。
新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以实现Microcomputer完善的控制功能为己任，将一些外部接口功能单元如A/D﹑PWM﹑PCA（可编程计数器阵列）﹑WDT（监视定时器）﹑高速I/O口﹑计数器的捕获/比较逻辑等。
这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。
Philips公司还为这一代单片机80C51系列8ｘC592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线----CAN（ControllerAreaNetworkBUS）[5]。
该设计的实际意义是通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。
在实践的过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测、驱动和显示等外围电路，采用算法实现小车的智能控制。
灵活的运用所学的相关学科的理论知识，结合实际电路设计的具体实现方法，达到理论和实际的统一。
在此过程中，加深对理论知识的理解和认识。
且该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、娱乐等许多方面。
尤其是在玩具机器人研究方面具有很好的发展前景。
所以本设计与实际相结合，现实意义很强境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统——它集中地运用了计算机、传感、信息、通讯、导航、人工智能及自动控制等技术——是典型的高新技术综合体[3]。
1.2智能小车的现状
1.2.1国外移动机器人研究
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[2]。
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，所表出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[6]。
1.2.2国移动机器人的状况
在国，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。
工业大学于1996年研制成功的导游机器人等[1]。
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。
1.2.3小车避障现状综诉
避障的目标就是没有人的干预下使机器人有目的地移动并完成特定任务，进行特定操作。
机器人通过装配的信息获取手段，获得外部环境信息，实现自我定位，判定自身状态，规划并执行下一步的动作。
要实现移动机器人更高的智能化，机器人在行走和探索的过程中，避障行为是必不可少的。
在行走过程中实现避障行为是非常重要的，它可以避免造成机器人本体的损坏以及重要设备的损坏，使机器人无论在什么环境下都能够正常工作，因此机器人的避障控制系统的成为当今研究的热门课题[1]。
采用先进、可靠的传感器和计算机技术实现智能机器人的避障研制,传感器融合技术近年来被引入到了机器人导航研究中，并已取得令人振奋的成果，采用常规传感器导航的移动机器人将成为机器人产业的主要发展方向[5]。
当然，在一些复杂的地理条件下，非视觉传感器的探测围就不如视觉系统那么完整，目前对于一些高精度的导航还难以胜任，因而开发新型传感器或按照一定融合策略构造传感器阵列以弥补单个传感器的缺陷，以及提出新的融合方法来完善探测的结果，都将是重要的研究方向[3]。
1.2.4智能小车的现状
智能小车作为移动式机器人的一个重要分支，随着机器人研究的深入受到越来越多人的关注。
它是计算机控制与电子技术的融合，集传感器探测（光源、障碍物）、单片机自动控制、电机调速等于一体，可以说是计算机、传感器、信息、通讯、导航、人工智能及自动控制等技术的一个综合体，为电子设备智能化提供了很好的实例[5]。
现今社会智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。
其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能[7]，这几界的电子设计大赛智能小车又在向声控系统发展。
比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。
我此次的设计主要实现循迹避障这两个功能。
根据实际设计制作基于STC89C52单片机智能小车的过程，在智能小车的自动循线、避障、检测、控制、显示等方面提出一些见解。
1.3论文研究容与主要结构
1.3.1基于单片机控制的智能循迹避障小车
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。
1.3.2文章主要结构
文章主要包括下面几个容：
1、综述小车的研究与现状，阐述文章的大致方向
2、对智能小车进行方案总设计，主要包括车体的选择、电驱模块驱动电机的选择、循迹模块和壁障模块传感器的选择控制系统模块和电源模块的选择
3、对小车进行硬件的设计，给出电路图
4、结合自己所学的专业知识，对小车进行软件设计，使得小车能自动的壁障和循迹
5、对小车进行制作安装与调试，对测试的结果进行分析
2方案选型设计
2.1车体设计
直接购买的3轮车版，小车为3轮结构。
其中前面两个车轮由前轮电机控制，在信号控制下前后摆动，来调节小车的前进方向和为小车提供动力。
在自然状态下，保持前进。
后面1个车轮有轴承，为整个小车提供方向，所以又称后面的轮子为方向轮，驱动的两个轮子为驱动轮。
能适应题目中小车准确前进、后退、转弯的要求，而且这种车版一般都价格适中。
而自己制作车版成本比较高，且比较粗糙，对于白色基板上的道路面行驶，车身重量以及平衡都要有精确的测量，而且也要控制好小车行驶的路线和转弯的力矩及角度，这些都比较难良好地实现。
2.2电机驱动设计
2.2.1电机选择
使用直流电机作为电动车的驱动电机，直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则电机转速越高。
对于直流电机的速度调节，可以采用改变电压的方法，也可采用PWM调速方法。
PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。
虽然采用步进电机有诸多优点，如可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位但是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。
所以最后确定使用直流电机。
2.2.2驱动选择
开始时想采用SM6135W电机遥控驱动模块。
SM6135W是专为遥控车设计的大规模集成电路。
能实现前进、后退、向右、向左、加速五个功能，但是其采用的是编码输入控制，而不是电平控制，这样在程序中实现比较麻烦，而且该电机模块价格比较高，所以放弃。
图1
后采用电机驱动芯片L298N（见图1）。
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脚封装，为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。
对照表1通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。
调试时在依照逻辑关系表，用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作。
采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。
线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的H型桥式电路（见图2）[17]。
用单片机控制达林顿管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。
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型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术[6]。
ENA（B）
IN1（IN3）
IN2（IN4）
电机运转情况
H
L
正传
反转
快速停止
X
停止
表1L298N的引脚和输出引脚的逻辑关系
图2H桥式电路
2.2.3H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。
2.2.4PWM调速技术
这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速围广、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，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。
2.3.3光电传感器的选择
这里的循迹是指小车在白色地板上循黑线行走，通常采取的方法是红外探测法。
红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体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，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，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，小车上的接收管接收不到红外光。
单片机就是否收到反射回来的红外光为依据确定黑线的位置和小车的行走路线。
红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3CM[5]。
开始时采用发光二极管+光敏电阻，但是该方法缺点明显：
易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到黑线，主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。
克服此缺点的方法：
采用超高亮度的发光二极管能降低一定的干扰，但这又会增加检测系统的功耗。
后采用脉冲调制的反射式红外发射接收器。
由于采用带有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界的干扰；
此外红外发射接收管的工作电流取决于平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50～100mA）（ST-188允许的最大输入电流为50mA），则大大提高了信噪比。
此种测试方案反应速度大约在5us。
2.4避障模块
探测障碍的最简单的方法是使用超声波传感器，它是利用向目标发射超声波脉冲，计算其往返时间来判定距离的。
该方法被广泛应用于移动机器人的研究上。
其优点是价格便宜，易于使用，且在10m以能给出精确的测量。
2.4.1超声波测距的原理
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。
它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。
利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，结合不同的电路，可以制成超声波仪器及装置，在通讯、医疗及家电中获得广泛应用[7]。
作为超声波传感器的材料，主要为压电晶体。
压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，故它分为发送器和接收器。
通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。
这与雷达测距原理相似。
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
（超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：
s=340t/2）
2.4.2超声波传感器的分类
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制造了许多超声波发生器。
总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：
一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。
电气方式包括压电式、磁致伸缩型和电动型等。
机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性不相同，因而用途也也不相同。
目前，常用的是压电式超声波发生器。
压电式超声波发生器实际是利用压电陶瓷晶体的谐振来工作的。
超声波发生器的部结构，有两个压电芯片和一个共振板。
当两极外加脉冲信号，其频率等于晶体的固有频率时，压电芯片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。
如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电芯片做共振，把机械能转化成电信号，这时就成了超声波接收器。
2.4.3超声波测距特点
超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
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