電氣專(zhuān)業(yè)：遙控機(jī)器人設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、武漢東湖學(xué)院武漢東湖學(xué)院 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 論論 文文 題題 目：目： 遙控機(jī)器人設(shè)計(jì) 姓姓 名：名： 柏冠群 院院 系：系： 工學(xué)院 專(zhuān)專(zhuān) 業(yè)：業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班班 級(jí)：級(jí)： （一）班 指指 導(dǎo)導(dǎo) 教教 師：師： 蔡麗 摘 要 智能作為現(xiàn)代社會(huì)的新產(chǎn)物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)定的 模式在一個(gè)特定的環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，無(wú)需人為管理，便可以完成預(yù)期所要達(dá) 到的或是更高的目標(biāo)。本設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)多功能小車(chē)的智能模式，設(shè)計(jì)中的理論 方案、分析方法及特色與創(chuàng)新點(diǎn)等可以為自動(dòng)運(yùn)輸機(jī)器人、采礦勘探機(jī)器人、 家用自動(dòng)清潔機(jī)器人等自動(dòng)半自動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與普及有一定的參考意義。同 時(shí)小車(chē)可以

2、作為玩具的發(fā)展對(duì)象，為中國(guó)玩具市場(chǎng)技術(shù)含量的缺乏進(jìn)行一定的 彌補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益，形成商業(yè)價(jià)值。 整個(gè)小車(chē)平臺(tái)主要以 51 單片機(jī)為控制核心，通過(guò)無(wú)線遙控實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退和 轉(zhuǎn)向行駛；通過(guò)紅外線傳感器,實(shí)現(xiàn)小車(chē)的自適應(yīng)巡航、避障等功能。 設(shè)計(jì)采用對(duì)比選擇，模塊獨(dú)立，綜合處理的研究方法。通過(guò)翻閱大量的相 關(guān)文獻(xiàn)資料，分析整理出有關(guān)信息，在此基礎(chǔ)上列出不同的解決方案，結(jié)合實(shí) 際情況對(duì)比方案優(yōu)劣選出最優(yōu)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。 從電機(jī)車(chē)體，最小系統(tǒng)到無(wú)線遙控，紅外線對(duì)管的自動(dòng)尋跡再到紅外線自 動(dòng)避障和語(yǔ)音控制，完成各模塊設(shè)計(jì)。通過(guò)調(diào)試檢測(cè)各模塊，得到正確的信號(hào) 輸出，實(shí)現(xiàn)其應(yīng)有的功能。最后將各個(gè)調(diào)試成功的模塊結(jié)合到

3、小車(chē)的車(chē)體上， 結(jié)合程序，通過(guò)單片機(jī)的控制，將各模塊有效整合在一起，達(dá)到所預(yù)期的目標(biāo)， 完成最終設(shè)計(jì)與制作，能使小車(chē)在一定的環(huán)境中智能化運(yùn)轉(zhuǎn)。 abstract as a new product of modern society, intelligence is the trend in future development. it can work in some specific environment according to the mode which sets in advance. dispensing with behavior adjustment management,b

4、ut it can achieve the expected， even higher goal. the design mainly reflected a smart-car model,the theoretical scheme, analysis method, uniqueness and innovation etc. that pointed in this paper, i think they are will be certain reference value in design and popularity of automatic or semi-automatic

5、 robot such as automatic transportation robot, prospecting robot, cleaning household robot etc. this car can be used as a model of development of toy, to make up the deficiency of technical content in the chinese toy market,to realize economic profit and to form commercial value. the design takes mi

6、cro-controller 51 as control center, use wireless control to make car go forward, go backward or turn around; use infrared sensor to achieve the function of adaptive cruise and avoiding barriers. using methods of contrast selection, module independence, integrated treatment; consulting a large numbe

7、r of related literature and data; and listing differnet solution; according to practical situation and choose the best scheme to design. the motor car body, the minimum system and wireless control, the auto- guiding of infrared diode or auto-avioding barriers and voice-control, step by step, the des

8、ign is forming gradually. and then, debugging and checking every single module, getting the correct signal output. finally, combining program, conforming every module efficiently to make it work. key words: intelligence, infrared sensor, auto-guiding, voice- control, combined processing 目 錄 1 引言.1 2

9、 總體設(shè)計(jì).2 2.1 各模塊分析選擇 .2 2.1.1 主控單元方案 .2 2.1.2 避障單元方案 .3 2.1.3 尋跡單元方案 .3 2.1.4 遙控單元方案 .3 2.1.5 語(yǔ)音控制單元方案 .4 2.2 總體設(shè)計(jì)框圖 .4 3 硬件設(shè)計(jì).6 3.1 單片機(jī)控制模塊.6 3.2 無(wú)線遙控模塊.8 3.3 紅外對(duì)管尋跡模塊.11 3.4 紅外避障模塊.14 3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 .15 3.6 語(yǔ)音控制模塊 .16 4 軟件設(shè)計(jì).18 4.1 模糊控制算法 .18 4.1.1 模糊理論的發(fā)展.18 4.1.2 模糊控制算法原理.18 4.1.3 智能小車(chē)中的模糊控制算法.19 4.2

10、 軟件設(shè)計(jì)框圖 .19 4.3 軟件程序設(shè)計(jì)部分源程序 .20 5 制作和調(diào)試.24 5.1 使用的儀器儀表及軟件 .24 5.2 系統(tǒng)制作 .24 5.3 系統(tǒng)調(diào)試 .24 5.3.1 硬件調(diào)試 .25 5.3.2 軟件調(diào)試.27 5.3.3 聯(lián)合調(diào)試.27 6 結(jié)論與展望.28 致 謝.29 參考文獻(xiàn).30 附錄 畢業(yè)設(shè)計(jì)作品說(shuō)明書(shū).33 1 引言 智能化作為現(xiàn)代社會(huì)的新產(chǎn)物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)定 的模式在一個(gè)特定的環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，無(wú)需人為管理，便可以完成預(yù)期所要 達(dá)到的或是更高的目標(biāo)。 中國(guó)自1978年把“智能模擬”作為國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃的主要研究課題， 開(kāi)始著力研究

11、智能化。從概念的引進(jìn)到實(shí)驗(yàn)室研究的實(shí)現(xiàn)，再到現(xiàn)在高端領(lǐng)域 （航天航空、軍事、勘探等）的應(yīng)用，這一過(guò)程為智能化的全面發(fā)展奠定基石。 智能化全面的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)其對(duì)資源的合理充分利用，以盡可能少的投入得到最 大的收益，大大提高工業(yè)生產(chǎn)的效率，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)水平從自動(dòng)化向智能 化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)今智能化發(fā)展由高端向大眾普及。從先前的模擬電路設(shè)計(jì)，到 數(shù)字電路設(shè)計(jì)，再到現(xiàn)在的集成芯片的應(yīng)用，各種能實(shí)現(xiàn)同樣功能的元件越來(lái) 越小為智能化產(chǎn)物的生成奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。 本設(shè)計(jì)以智能化全面發(fā)展的普及與應(yīng)用為目的，整體開(kāi)發(fā)過(guò)程簡(jiǎn)單易懂， 所選擇的平臺(tái)與各電子元件恰當(dāng)合理，無(wú)需花費(fèi)過(guò)多的人力財(cái)力便可達(dá)到預(yù)期 所要求各

12、功能的實(shí)現(xiàn)，也符合課題研究的意義。設(shè)計(jì)的理論方案、分析方法及 特色與創(chuàng)新點(diǎn)等可以為國(guó)內(nèi)自動(dòng)運(yùn)輸機(jī)器人、采礦勘探機(jī)器人、家用自動(dòng)清潔 機(jī)器人等自動(dòng)半自動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與普及有一定的參考意義。小車(chē)也可以作為 玩具的發(fā)展對(duì)象，為中國(guó)玩具市場(chǎng)技術(shù)含量的缺乏進(jìn)行一定的彌補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì) 收益，形成商業(yè)價(jià)值。同時(shí)作為高校畢業(yè)設(shè)計(jì)研究課題，對(duì)學(xué)生的思維、動(dòng)手 能力以及總結(jié)論述等綜合能力得到充分鍛煉，有利于以后獨(dú)立及全面的發(fā)展。 設(shè)計(jì)主要以簡(jiǎn)易智能機(jī)器人為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，選擇通用、價(jià)廉的 51 單片機(jī)為控 制平臺(tái)，選擇常見(jiàn)的電機(jī)模型車(chē)為機(jī)械平臺(tái)，通過(guò)細(xì)化設(shè)計(jì)要求，結(jié)合傳感器 技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等相關(guān)知識(shí)實(shí)現(xiàn)

13、小車(chē)的各種功能。設(shè)計(jì)完 成以由無(wú)線電遙控、紅外線對(duì)管的自動(dòng)尋跡、紅外線自動(dòng)避障以及語(yǔ)音控制組 成的硬件模塊結(jié)合軟件設(shè)計(jì)組成多功能智能小車(chē)，共同實(shí)現(xiàn)小車(chē)的前進(jìn)倒退、 轉(zhuǎn)向行駛，自動(dòng)根據(jù)地面黑線尋跡導(dǎo)航，檢測(cè)障礙物后停止和語(yǔ)音信號(hào)的控制 等功能，實(shí)現(xiàn)智能控制，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。 2 總體設(shè)計(jì) 本課題設(shè)計(jì)主要是制作一款能進(jìn)行智能判斷并能做出正確反應(yīng)的小車(chē)。小 車(chē)具有以下幾個(gè)功能：自動(dòng)避障功能；尋跡功能（按路面的黑色軌道行駛）； 無(wú)線遙控功能和語(yǔ)音控制。作品既可以對(duì)高端智能化進(jìn)行剖析，也可以作為高 級(jí)智能玩具發(fā)展對(duì)象，同時(shí)可成為大學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。 作品以?xún)芍绷麟妱?dòng)機(jī)為主驅(qū)動(dòng)，通過(guò)各類(lèi)傳感

14、器件來(lái)采集各類(lèi)信息，送入 主控單元 51 單片機(jī)，處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)動(dòng)作，以達(dá)到自身控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電 路采用高電壓，高電流，四通道驅(qū)動(dòng)集成芯片；避障采用紅外線收發(fā)來(lái)完成， 自動(dòng)尋跡采用紅外線接收二極管完成；無(wú)線遙控則是由接收模塊和發(fā)送模塊完 成以及附加功能的語(yǔ)音模塊是以柱極式話筒脈沖波經(jīng)過(guò)處理后完成。最后由控 制單元處理數(shù)據(jù)后通過(guò)匯編程序有序合理的將各模塊信號(hào)整合在一起并完成相 應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了智能控制，相當(dāng)于簡(jiǎn)易機(jī)器人。 2.1 各模塊方案 2.1.1 主控單元方案 采用 51 單片機(jī)來(lái)作為整機(jī)的控制單元。紅外線探頭采用市面上通用的發(fā)射 管與及接收頭，經(jīng)過(guò)比較芯片調(diào)制處理后由控制系統(tǒng)接收。路線

15、尋找采用紅外 線管對(duì)路面信號(hào)采集，送到單片機(jī)系統(tǒng)處理，同樣包括無(wú)線遙控信號(hào)和語(yǔ)音控 制信號(hào)。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來(lái)解決復(fù)雜的硬件電路部分，使系統(tǒng) 硬件簡(jiǎn)潔化，各類(lèi)功能易于實(shí)現(xiàn)，能很好地滿(mǎn)足題目的要求。 2.1.2 避障單元方案 采用紅外線避障，利用單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生信號(hào)對(duì)紅外線發(fā)射管進(jìn)行調(diào)制發(fā)射， 發(fā)射出去的紅外線遇到避障物的時(shí)候反射回來(lái)，紅外線接收管對(duì)反射回來(lái)信號(hào) 進(jìn)行解調(diào)，輸出比較電平。外界對(duì)紅外信號(hào)的干擾比較小，且易于實(shí)現(xiàn)，價(jià)格 也比較便宜。 紅外線避障方法，利用一管發(fā)射另一管接收，接收管對(duì)外界紅外線的接收 強(qiáng)弱來(lái)判斷障礙物的遠(yuǎn)近，由于紅外線受外界可見(jiàn)光的影響較大，因此通過(guò)調(diào) 制信號(hào)產(chǎn)

16、生的載波來(lái)減少外界的一些干擾。只要障礙物在限定范圍內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生 相對(duì)的電平供單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)避障功能。 2.1.3 尋跡單元方案 利用集成型紅外對(duì)管作為尋跡單元的傳感器，其中紅外線發(fā)射管發(fā)射紅外 線，紅外線二極管進(jìn)行接收。采用紅外線發(fā)射，外面可見(jiàn)光對(duì)接收信號(hào)的影響 較小，再用射極輸出器對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離。 當(dāng)小車(chē)底部的某邊紅外線收發(fā)對(duì)管遇到黑帶時(shí)，可以檢測(cè)到輸入電平為高 電平，反之為低電平。結(jié)合單片機(jī)查詢(xún)方式，通過(guò)程序控制小車(chē)哪邊輪胎轉(zhuǎn)動(dòng) 來(lái)改變方向。這樣不斷循環(huán)檢測(cè)，方向控制，使小車(chē)按黑線行走。 2.1.4 遙控單元方案遙控單元方案 無(wú)線電遙控也由發(fā)射和接收兩大部分組成，由于無(wú)線電遙控模塊在市場(chǎng)上

17、 非常普及，加上無(wú)線電遙控有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)方向性等優(yōu)點(diǎn)， 對(duì)于小車(chē)的控制是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。 2.1.5 語(yǔ)音控制單元方案 采用柱極式話筒產(chǎn)生不同的頻率信號(hào)來(lái)完成聲音提示，經(jīng)放大整形后產(chǎn)生 一個(gè)脈沖電平輸入給單片機(jī)完成聲音提示功能。方案給人以提示的可懂性比較 差，但在一定程度上能滿(mǎn)足要求，而且易于實(shí)現(xiàn)，成本也不高。 柱極式話筒接收聲波信號(hào)，通過(guò)三極管放大信號(hào)，使信號(hào)通過(guò)整流的二極 管得到一個(gè)脈沖信號(hào)，并經(jīng)過(guò)取反后供單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制。 2.2 總體設(shè)計(jì)框圖 此系統(tǒng)是以單片機(jī)為控制核心，處理執(zhí)行各個(gè)外部傳感器檢測(cè)得到的電平 信號(hào)，其中外部信號(hào)有四部分得到：尋跡模塊，避障模塊，遙

18、控模塊和語(yǔ)音模 塊。最后把處理結(jié)果傳遞給小車(chē)電機(jī)，使得到相應(yīng)效果。如圖 2-1 總體設(shè)計(jì)框 圖 單片機(jī)核心控制 語(yǔ)音控制 自動(dòng)尋跡 避障模塊 無(wú)線遙控 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 3 硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)硬件主要有六大模塊組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模塊、無(wú)線遙控模塊、紅外 對(duì)管尋跡模塊、紅外線避障模塊、電機(jī)控制模塊和語(yǔ)音控制模塊。 3.1 單片機(jī)控制模塊 本模塊采用 51 系列單片機(jī)作為核心處理器。單片機(jī)控制系統(tǒng)基本由最小系 統(tǒng)和外圍信號(hào) i/o 口組成，其中最小系統(tǒng)包括電源，cpu 時(shí)序電路，復(fù)位電路。 有了以上三塊，單片機(jī)就能夠正常工作。 3.1.1 時(shí)鐘電路 單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生有兩種方法：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。系統(tǒng)

19、的時(shí) 鐘電路設(shè)計(jì)是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。 3.1.2 復(fù)位電路 復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳 rst 通過(guò)一 個(gè)觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，觸發(fā)器用來(lái)抑制噪聲，它的輸出在每個(gè)機(jī)器周期中 由復(fù)位電路采樣一次。 復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。所謂上電復(fù)位，是 指計(jì)算機(jī)加電瞬間，要在 rst 引腳出現(xiàn)大于 10ms 的正脈沖，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位 狀態(tài)。按鈕復(fù)位是指用戶(hù)按下“復(fù)位”按鈕，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。 3.2 無(wú)線遙控模塊 此模塊實(shí)現(xiàn)了無(wú)線電遠(yuǎn)距離控制小車(chē)的停啟、方向行駛的功能，在整個(gè)小 車(chē)系統(tǒng)中起到不可忽視的作用。 3.2.1 無(wú)線遙控

20、工作原理 圖 3-4 是無(wú)線電遙控設(shè)備方框圖，由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組 成。發(fā)射機(jī)主要包括編碼電路和發(fā)射電路。編碼電路由操縱器(操縱開(kāi)關(guān)或電位 器等)控制，操縱者通過(guò)操縱器；使編碼電路產(chǎn)生所需要的控制指令。這些控制 指令是具有某些特征的、相互間易于區(qū)分的電信號(hào)，例如：用頻率為 270hz 的 正弦信號(hào)作為控制左舵的指令，用頻率為 350hz 的正弦信號(hào)作為控制右舵的指 令，即不同頻率的正弦信號(hào)代表不同的控制指令。除了可利用頻率特征外，還 可用正弦信號(hào)的幅度及相位特征、脈沖信號(hào)的幅度、寬度及相位特征以及碼組 特征等表示各種指令。 圖 3-4 無(wú)線電遙控設(shè)備方框圖 編碼電路產(chǎn)生的指令信號(hào)

21、都是頻率較低的電信號(hào)，無(wú)法直接傳送到遙控目 標(biāo)上去，還要將指令信號(hào)送到發(fā)射電路，使它載在高頻信號(hào)(載波)上，才能由 發(fā)射天線發(fā)送出去。我們把指令信號(hào)載到載波上去的過(guò)程叫調(diào)制，調(diào)制作用由 發(fā)射電路的調(diào)制器完成。發(fā)射電路的主要作用是產(chǎn)生載波，并由調(diào)制器將指令 信號(hào)調(diào)制在載波上，經(jīng)天線將已調(diào)載波發(fā)送出去。接收機(jī)由接收電路及譯碼電 路組成。接收電路又包括高頻部分及解調(diào)器部分。由接收天線送來(lái)的微弱信號(hào) 經(jīng)接收機(jī)高頻部分的選擇和放大后，送到解調(diào)器。由于“卸”下來(lái)的各種指令 信號(hào)是混雜在一起的、還要送到譯碼電路譯碼。譯碼電路的工作就象把卸下來(lái) 的貨物鑒別分類(lèi)，再分別送到使用場(chǎng)地一樣，它對(duì)各種指令信號(hào)進(jìn)行簽別

22、，送 到相應(yīng)的執(zhí)行放大電路。執(zhí)行放大電路把指令信號(hào)放大到具有一定的功率，用 以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械動(dòng)作，例如電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、電磁鐵 的吸動(dòng)等，帶動(dòng)被控的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控目標(biāo)的控制。 3.3 紅外對(duì)管尋跡模塊 尋跡是指小車(chē)在白色地板上循黑線行走，本系統(tǒng)采取的方法是紅外探測(cè)法， 即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車(chē)行駛 過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射， 反射光被裝在小車(chē)上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車(chē)上的 接收管接收不到紅外光。由此過(guò)程來(lái)改變接收管的輸出電壓，單片機(jī)以電壓的 變化為依據(jù)來(lái)執(zhí)行小車(chē)電

23、機(jī)確定行走路線。 圖3-8為紅外線尋跡安裝圖： 圖 3-8 紅外線尋跡安裝圖 3.4 紅外避障模塊 紅外避障模塊主要實(shí)現(xiàn)小車(chē)的避障處理，當(dāng)小車(chē)檢測(cè)到前面有障礙物時(shí)， 由單片機(jī)發(fā)出指令實(shí)現(xiàn)小車(chē)停止功能。其實(shí)現(xiàn)原理與紅外線對(duì)管尋跡模塊基本 一致，只是為了實(shí)現(xiàn)更好的避障效果（主要是距離問(wèn)題），所以采用了自制紅 外接發(fā)電路。 3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 小車(chē)電機(jī)為直流減速電機(jī)，帶有齒輪組，考慮不需調(diào)速功能，所以采用電 機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 l293d。l293d 是著名的 sgs 公司的產(chǎn)品。為單塊集成電路，高電壓， 高電流，四通道驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)用來(lái)接收 dtl 或者 ttl 邏輯電平，驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載(比 如繼電器，直流和

24、步進(jìn)馬達(dá))，和開(kāi)關(guān)電源晶體管。內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電 路。l293d 可直接的對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，無(wú)須隔離電路。通過(guò)單片機(jī)的 i/o 輸入 改變芯片控制端的電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，停止的操作，非常方便， 用程序輸入對(duì)應(yīng)的碼值，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，有效控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，如圖 3-13 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖。j16 和 j17 控制左邊電機(jī)，j18 和 j19 控制右邊電機(jī)。取左邊 電機(jī)為例，當(dāng) j16 輸入數(shù)字電平“1”， j17 輸入數(shù)字電平“0”時(shí)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)； 當(dāng) j16 輸入數(shù)字電平“0”， j17 輸入數(shù)字電平“1”時(shí)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)；當(dāng) j16 輸入 數(shù)字電平“0（1）”， j17 輸入數(shù)字電平“

25、0（1）”時(shí)實(shí)現(xiàn)停止；最后結(jié)合左 右電機(jī)通過(guò)單片機(jī)共同實(shí)現(xiàn)小車(chē)的前后左右四個(gè)方向行駛。 圖 3-13 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖 3.6 語(yǔ)音控制模塊 本模塊為小車(chē)的附加功能模塊，主要采用柱極式話筒接收聲波信號(hào)，通過(guò) 三極管放大電路放大信號(hào)，使信號(hào)經(jīng)過(guò)電容和整流的二極管得到一個(gè)電壓峰值 為一伏的脈沖信號(hào)，并經(jīng)過(guò) 74hc04 取反后供單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制。如圖 3-14 語(yǔ)音控制模塊原理圖。 圖 3-14 語(yǔ)音控制模塊原理圖 其中圖中 p15 為連接柱極式話筒的接口，p16 為電源接口，r23 的作用是調(diào) 節(jié)話筒的靈敏度，c7 則是用來(lái)濾除波形中的直流部分。中間電路為典型的三極 管共 e 極放大電路，

26、其放大倍數(shù)可以根據(jù) r24 和 r25 來(lái)確定。但由于 9013 管的 自身特性，使的其最大的放大電壓為 1 伏，經(jīng)過(guò)電容的整形形成直流電壓輸入 二極管。當(dāng)話筒沒(méi)有接受到一定強(qiáng)度的聲波時(shí)，由于二極管的管壓降，使電壓 不能經(jīng)過(guò)其到非門(mén)芯片而讓芯片輸出電平為數(shù)字“1” ，但當(dāng)話筒接收到的聲波 信號(hào)經(jīng)放大后超過(guò)二極管的管壓降，非門(mén)的輸入端上有一個(gè)正電壓，而使輸出 端為低電平“0” ，實(shí)現(xiàn)跳變觸發(fā)的產(chǎn)生，進(jìn)而讓單片機(jī)的中斷口進(jìn)行判斷，作 出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制。 4 軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)小車(chē)智能運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵所在，相當(dāng)于人類(lèi)大腦思維活動(dòng)，通 過(guò)軟件設(shè)計(jì)可將各個(gè)變化信號(hào)數(shù)據(jù)有效的結(jié)合處理，產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作反

27、應(yīng)。在 小車(chē)運(yùn)行的控制過(guò)程中，我們采用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)樣本訓(xùn)練。 4.1 模糊控制算法 4.1.1 模糊理論的發(fā)展 20 世紀(jì) 60 年代，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)著名教授扎德發(fā)表了一篇關(guān)于模糊 集合的論文，由此提出了模糊理論。四十多年來(lái)，在模糊理論算法、模糊推理、 工業(yè)控制應(yīng)用，以及穩(wěn)定性理論研究方面，都有不少研究論文發(fā)表。 80 年代后，自動(dòng)控制系統(tǒng)隨著被控對(duì)象的復(fù)雜化，它不僅表現(xiàn)在控制系統(tǒng) 具有多輸入、多輸出的強(qiáng)偶合性、參數(shù)時(shí)變性和嚴(yán)重的非線性等特性，更突出 的是從系統(tǒng)對(duì)象所能獲取的知識(shí)信息量相對(duì)的減少，以及與此相反的對(duì)控制性 能的要求卻日益高度化。 如今，對(duì)模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、模糊推理

28、算法，以及模糊控制穩(wěn)定性等問(wèn) 題的研究成果已進(jìn)入實(shí)用化時(shí)期，其成果應(yīng)用主要集中于工業(yè)窯爐方面，如退 火爐，電弧冶煉爐，水泥爐及造紙機(jī)的控制等。 目前，模糊控制技術(shù)有了更大的發(fā)展，過(guò)去將大型機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程作 為控制對(duì)象，而現(xiàn)在模糊控制技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始大量應(yīng)用在家用電器、交通工具等 方面。 4.1.2 模糊控制算法原理 模糊控制的關(guān)鍵和核心是模糊控制規(guī)則，即用人的自然語(yǔ)言對(duì)操作者的手 動(dòng)控制策略加以描述，得到一些不精確的、定性的、判定的規(guī)則，這些規(guī)則就 是模糊控制技術(shù)中的模糊控制規(guī)則。這些模糊控制規(guī)則的來(lái)源是根據(jù)操作者對(duì) 被控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)性的認(rèn)識(shí)、表達(dá)和對(duì)被控對(duì)象的控制經(jīng)驗(yàn)，從這些抽出輸入 和輸出

29、關(guān)系，加以描述，實(shí)質(zhì)上就是被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。在實(shí)際應(yīng)用中，特 別是人工操作控制，并不需要建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。為了模擬人工控制過(guò) 程，對(duì)人工控制操縱的經(jīng)驗(yàn)和策略進(jìn)行歸納、總結(jié)，建立一系列的模糊控制規(guī) 則，將這些規(guī)則進(jìn)行一定的處理便產(chǎn)生相應(yīng)的模糊控制算法，利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí) 現(xiàn)這些模糊語(yǔ)句，此時(shí)就構(gòu)成了一個(gè)模糊控制器，而其中的模糊控制算法則描 述了控制器的行為特征。 對(duì)于模糊控制規(guī)則的建立方法很多，主要有：以專(zhuān)家知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)建 立模糊控制規(guī)則；以熟練操作者的手動(dòng)操作策略、經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)建立模糊 控制規(guī)則，根據(jù)被控對(duì)象的模糊模型建立模糊控制規(guī)則以及根據(jù)學(xué)習(xí)算法建立 模糊控制規(guī)則等。 模糊控制

30、的控制過(guò)程，如果由人來(lái)實(shí)現(xiàn)，都是按照這樣的一個(gè)順序進(jìn)行的： 感覺(jué)器官的觀測(cè)（獲取信息）-人腦的思維、判斷（存儲(chǔ)和處理信息）- -手動(dòng)的調(diào)整（信息的實(shí)施） 。 4.1.3 智能小車(chē)中的模糊控制算法 本設(shè)計(jì)的模糊控制規(guī)則的建立方法是：智能小車(chē)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)建 立模糊控制規(guī)則。其主要控制過(guò)程為：尋跡與避障的紅外發(fā)射裝置發(fā)送信息， 由收裝置接收，接收裝置相當(dāng)于人的感覺(jué)器官獲取信息傳給單片機(jī)，單片機(jī)相 當(dāng)于人的大腦，可以存儲(chǔ)和處理信息，通過(guò)訓(xùn)練樣本庫(kù)，測(cè)試出小車(chē)尋跡最佳 偏轉(zhuǎn)角度，最佳避障距離等，包括其他的遙控信號(hào)、語(yǔ)音信號(hào)等，從而命令智 能小車(chē)執(zhí)行相應(yīng)的操作，完成智能行駛。 4.2 軟件設(shè)計(jì)框圖

31、 本系統(tǒng)中通過(guò)遙控啟動(dòng)后，小車(chē)一直處于自動(dòng)尋跡和尋找障礙信號(hào)的狀態(tài) 中，當(dāng)避障信號(hào)和遙控信號(hào)任一信號(hào)給單片機(jī)收集到后都轉(zhuǎn)入相應(yīng)的狀態(tài)停止 和遙控方向行駛。另外中斷控制程序語(yǔ)音控制則是實(shí)現(xiàn)當(dāng)外部有一定強(qiáng)度的信 號(hào)進(jìn)入控制核心就對(duì)整個(gè)小車(chē)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)停止等待功能，其主程序流程如圖 4-1 所示。 開(kāi)始 初始化各端口 查詢(xún)按鍵 向前 d 按下？ n y 尋跡行駛 遙控控制？ 方向行駛 避障控制？ 避障控制？ 停止 結(jié)束 yy y n n n 中斷 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) 語(yǔ)音控制 行駛停止 中斷返回 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 圖 4-1 程序流程圖 4.3 軟件程序設(shè)計(jì)部分源程序 本程序以匯編的形式編輯，結(jié)合硬件實(shí)現(xiàn)小車(chē)整個(gè)系統(tǒng)功能

32、。小車(chē)以自動(dòng) 尋跡為主體，不斷測(cè)試避障信號(hào)，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)避障，并通過(guò)遙控控制小車(chē)的方向 行駛。此程序主要以查詢(xún)方式實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也結(jié)合了語(yǔ)音控制的中斷方式，主體 程序如下： org 0000h ljmp start org 03h ljmp int0 ;跳入中斷程序，進(jìn)行語(yǔ)音控制 start: mov ie,#81h setb it0 ;開(kāi)放中斷11 jb p0.1,hou jb p0.0,qian ;查詢(xún)判斷按鍵，當(dāng)有遙控按鍵按下 出 jb p0.3,zuo ;現(xiàn)高電平就跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)子程序，運(yùn) 行 jb p0.2,you ;小車(chē) jmp start int0: setb p3.5 ;中斷語(yǔ)音控制子程序

33、 setb p3.4 setb p3.6 setb p3.7 call anjian ;中斷停止后可由遙控重新啟動(dòng) call delay1s jmp int0 reti qian: clr p3.4 ;前行子程序 clr p3.7 loop1: setb p3.5 ;左輪 setb p3.6 ;右輪 call delay1s clr p3.5 clr p3.6 ;通過(guò)延時(shí)減慢電機(jī)轉(zhuǎn)速 call delay1s jnb p2.6,bting ;實(shí)現(xiàn)避障功能 call anjian ;實(shí)現(xiàn)遙控按鍵控制，并不斷執(zhí)行尋 跡 jmp loop1 hou: clr p3.5 ;后退子程序 clr p3.6

34、 loop: setb p3.4 setb p3.7 call delay1s clr p3.4 clr p3.7 call delay1s call anjian jmp loop zuo: clr p3.4 ;左轉(zhuǎn)子程序 clr p3.7 loop2: clr p3.5 setb p3.6 call delay1s clr p3.5 clr p3.6 call delay1s jnb p2.6,bting call anjian jmp loop2 you: clr p3.4 ;右轉(zhuǎn)子程序 clr p3.7 loop3: setb p3.5 clr p3.6 call delay1s cl

35、r p3.5 clr p3.6 call delay1s jnb p2.6,bting call anjian jmp loop3 bting: setb p3.5 ;停止子程序，電機(jī)兩端都置高 電平實(shí)現(xiàn) setb p3.4 setb p3.6 setb p3.7 call delay1s call anjian jmp bting anjian: jb p0.1,hou ;按鍵子程序，包括遙控，尋跡 jb p0.0,qian jb p0.3,zuo jb p0.2,you jb p2.4,zuo jb p2.5,you ret delay1s:mov r1,#10h ;延時(shí)子程序 del0:

36、 mov r2,#10h del1: mov r3,#100h kk : djnz r3,kk djnz r2,del1 djnz r1,del0 ret end 5 制作和調(diào)試 5.1 使用的儀器儀表及軟件 數(shù)字萬(wàn)用表 單片機(jī)仿真器 燒寫(xiě)器 直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源 示波器 畫(huà)圖制板軟件 編譯軟件 電烙鐵 5.2 系統(tǒng)制作 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)的制作主要是硬件制作，包括三個(gè)部分：面包 板上的調(diào)試，電路板的制作，各元器件的焊接和模塊的連接。面包板上的調(diào)試 是保證系統(tǒng)功能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，在各個(gè)模塊都能產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)后可以根據(jù) 電路圖制作集成 pcb 電路板，使系統(tǒng)電路美觀而且更能保證穩(wěn)定性，最后通過(guò)

37、 焊接元器件，實(shí)現(xiàn)有效功能后連接到小車(chē)平臺(tái)上，形成完美整體。 其中制作集成電路板過(guò)程最為復(fù)雜，在面包板上的調(diào)試過(guò)程完成后根據(jù)已 有的電路，將其通過(guò)電路畫(huà)圖軟件得到原理圖并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化生成 pcb 圖。在得 到 pcb 電路圖后，通過(guò) 1：1 比例打印到熱轉(zhuǎn)印紙，熱轉(zhuǎn)印紙轉(zhuǎn)印到已經(jīng)截好的 銅板上，放進(jìn)三氯化鐵溶液中腐蝕得到成型電路板，最后根據(jù)板上的焊盤(pán)進(jìn)行 鉆孔，完成 pcb 電路板制作。 5.3 系統(tǒng)調(diào)試 本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分：硬件調(diào)試，軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。由于 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用模塊設(shè)計(jì)法，所以方便對(duì)各電路模塊功能進(jìn)行逐級(jí)測(cè)試：?jiǎn)?片機(jī)控制模塊的調(diào)試、無(wú)線遙控模塊的調(diào)試、紅外對(duì)管尋跡模塊

38、的調(diào)試、紅外 線避障模塊的調(diào)試以及電機(jī)控制模塊和語(yǔ)音控制模塊的調(diào)試，最后將各模塊組 合后結(jié)合軟件進(jìn)行整體測(cè)試。 5.3.1 硬件調(diào)試 對(duì)各個(gè)模塊的功能進(jìn)行調(diào)試，主要調(diào)試各模塊能否實(shí)現(xiàn)指定的功能。 1 電機(jī)控制 此模塊調(diào)試實(shí)現(xiàn)的功能是結(jié)合軟件共同實(shí)現(xiàn)，當(dāng)連接單片機(jī)與電機(jī)控制芯 片的 i/0 加上一定的電平可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)左右轉(zhuǎn)向，前后轉(zhuǎn)向以及停止等功能， 同時(shí)通過(guò)程序延時(shí)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速。如表 5-1 為電機(jī)測(cè)試記錄。 表 5-1 電機(jī)測(cè)試記錄 p3.4p3.5p3.6p3.7小車(chē)行駛狀態(tài) 0110小車(chē)向前行駛 1001小車(chē)向后行駛 010（1）0（1）小車(chē)向前右轉(zhuǎn) 0（1）0（1）10小車(chē)向前左轉(zhuǎn) 1

39、00（1）0（1）小車(chē)向左后退 0（1）0（1）01小車(chē)向右后退 0（1）0（1）0（1）0（1）小車(chē)停止行駛 2 無(wú)線遙控 此功能實(shí)現(xiàn)四個(gè)按鍵控制四路方向，按下“d”，小車(chē)向前行駛，“b”對(duì) 應(yīng)向后，“c”對(duì)應(yīng)向左，“a”則實(shí)現(xiàn)向右行駛功能。經(jīng)過(guò)多次的測(cè)試與數(shù)據(jù) 記錄，得出相應(yīng)的結(jié)果，如表 5-2。 表 5-2 遙控測(cè)試記錄分析 次數(shù)第 1 次第 2 次第 3 次第 4 次第 5 次第 6 次第 7 次 按鍵dacbcda 駛向前右左后左停停 距離1m0.9m1m0.5m1.5m3m2.5m 次數(shù)第 8 次第 9 次第 10 次 第 11 次 第 12 次 第 13 次 第 14 次 按鍵b

40、dcabcd 駛向后前停右后左前 距離0.5m2m2m1m0.5m1.5m0.3m 續(xù)表 5-2 最佳距1.5m 以?xún)?nèi) 成功率11/14=89.6% 3 紅外對(duì)管尋跡 尋跡對(duì)管有兩個(gè)組成，所以分別調(diào)試其兩路有效信號(hào)。當(dāng)兩對(duì)管都放置黑 線之外的白色地板上時(shí)，單片機(jī)對(duì)應(yīng) i/o 口收到的電平都為低，輸入電壓為 0.3v 左右，當(dāng)左邊的紅外線管進(jìn)入黑線范圍，對(duì)應(yīng)電平變高，為 4.2v 左右， 同時(shí)指示等紅燈亮，說(shuō)明要控制小車(chē)右轉(zhuǎn)；當(dāng)在右邊時(shí)同左邊情況對(duì)應(yīng)，需控 制左轉(zhuǎn)。其中選取八次硬件測(cè)試記錄如下表 5-3： 表 5-3 尋跡硬件測(cè)試記錄 測(cè)試次 數(shù) 第 1 次第 2 次第 3 次第 4 次第 5

41、次第 6 次第 7 次第 8 次 放置位 置 雙管黑 線上 左管黑 線上 右管黑 線上 左管黑 線上 雙管黑 線上 雙管黑 線外 左管黑 線上 右管黑 線上 放置距 離 3cm2cm2cm3cm5cm2cm7cm4cm p2.4 電壓 4.31v4.12v0.32v4.15v4.21v0.21v0.12v0.21v p2.5 電壓 4.18v0.25v4.25v0.30v4.30v0.18v0.21v4.23v 由上表可以看出小車(chē)的尋跡紅外線管只要放置在離地面 4cm 之內(nèi)一般都可 以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸出，而實(shí)際車(chē)頭離地面的距離也只有 2-4cm，可以實(shí)現(xiàn)有效控 制。 4 紅外線避障 此模塊的檢測(cè)與

42、紅外線尋跡模塊基本一致，相當(dāng)于一路尋跡信號(hào)，在沒(méi)有 障礙物時(shí)輸入電壓為 0.9v 左右，屬于低電平，碰到障礙物電壓跳變?yōu)?4.7v 左 右，以此來(lái)得到單片機(jī)控制。避障數(shù)據(jù)測(cè)試記錄情況如下表 5-4： 表 5-4 避障數(shù)據(jù)測(cè)試記錄情況 測(cè)試次數(shù) 第 1 次第 2 次第 3 次第 4 次第 5 次 放置距離30cm20cm25cm50cm35cm p2.7 電壓0.89v4.62v4.62v0.87v0.86v 測(cè)試次數(shù) 第 1 次第 2 次第 3 次第 4 次第 5 次 放置距離15cm25cm20cm30cm40cm p2.7 電壓4.70v4.66v4.65v0.89v0.87v 由上表可以

43、得到，在調(diào)節(jié)確定滑變電阻后測(cè)試數(shù)據(jù)可以得到，小車(chē)的避障 有效范圍可以達(dá)到 30cm 左右，同時(shí)也可以再通過(guò)調(diào)節(jié)滑變電阻增加和減小有效 距離。 5 語(yǔ)音控制 主要是得到一個(gè)觸發(fā)跳變信號(hào)，經(jīng)過(guò)此電路的連接，連接與單片機(jī)的 74hc04 的 2 腳在沒(méi)有一定聲波輸入是屬于高電平，電壓為 5v，當(dāng)接收到一定聲 波后電壓馬上變?yōu)?0.1v，產(chǎn)生了觸發(fā)跳變，供單片中斷口實(shí)現(xiàn)功能。但由于硬 件的限制，此信號(hào)得到需要一個(gè)相當(dāng)強(qiáng)的聲音才可實(shí)現(xiàn)效果。 5.3.2 軟件調(diào)試 軟件調(diào)試采用單片機(jī)仿真器 wave6000 及微機(jī)，將編好的程序進(jìn)行調(diào)試，主 要是檢查語(yǔ)法錯(cuò)誤并確認(rèn)硬件完整無(wú)誤。由于本系統(tǒng)是分模塊進(jìn)行程序設(shè)

44、計(jì)的， 所以調(diào)試時(shí)先分模塊進(jìn)行調(diào)試。如小車(chē)紅外線尋跡程序，在調(diào)試時(shí)將它放在一 個(gè)子程序里單獨(dú)測(cè)試，看其是否能夠完成預(yù)定的功能，如能，測(cè)試通過(guò)，否則， 修改并反復(fù)測(cè)試直到通過(guò)。 雖然在軟件的調(diào)試過(guò)程中，綜合利用了設(shè)定斷點(diǎn)、單步、跟蹤等調(diào)試手段， 使得調(diào)試工作更易進(jìn)行。但是也出現(xiàn)了一定的問(wèn)題，如語(yǔ)音程序只能實(shí)現(xiàn)第一 次調(diào)用，電機(jī)延時(shí)沒(méi)起到效果等等。通過(guò)了多次分離合并，修改測(cè)試語(yǔ)句以及 單片機(jī)外加 led 燈觀察現(xiàn)象等方法得以解決，達(dá)到綜合效果。 5.3.3 聯(lián)合調(diào)試 各模塊都調(diào)試通過(guò)之后，將各個(gè)模塊連接起來(lái)與硬件結(jié)合進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。 在進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試時(shí)，經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，不斷的來(lái)修改參數(shù)來(lái)完善結(jié)果。使程序 按照要求設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行。 6 結(jié)論與展望 本設(shè)計(jì)方案按照任務(wù)書(shū)的要求，以51單片機(jī)為控制核心，結(jié)合無(wú)線遙控模 塊、紅外對(duì)管尋跡模塊、紅外線避障模塊、電機(jī)控制模塊和語(yǔ)音控制模塊實(shí)現(xiàn) 小車(chē)的自