智能小車(chē)設(shè)計(jì)電子設(shè)計(jì)大賽報(bào)告

1、全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽報(bào)告智能小車(chē)設(shè)計(jì)摘要：智能小車(chē)的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用涉及傳感技術(shù)、電氣技術(shù)、電氣控制技術(shù)、智能控制等學(xué)科，智能控制技術(shù)是一門(mén)跨科學(xué)的綜合性技術(shù)，當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。智能作為現(xiàn)代社會(huì)的新產(chǎn)物，是以后的發(fā)展方向，它可以按照預(yù)先設(shè)定的模塊在一個(gè)特定的環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)行，可運(yùn)用于科學(xué)勘探等用途，無(wú)需人為的管理，便可以完成預(yù)期所要達(dá)到的或更高的目標(biāo)。本設(shè)計(jì)采用c8051f410 單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了一輛智能小車(chē)并對(duì)其功能進(jìn)行測(cè)試，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的啟停和轉(zhuǎn)彎；利用超聲波傳感器檢測(cè)道路上的障礙，實(shí)現(xiàn)了小車(chē)的避障功能、避免撞到障礙物、行車(chē)時(shí)間和壁障距離的數(shù)碼顯示三大功

2、能。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性能高，測(cè)試結(jié)果均能滿足個(gè)環(huán)境要求。關(guān)鍵詞：l298n 循跡 避障 測(cè)距 測(cè)速 c8051f410abstract: the research, development and application of intelligent car involved in sensing technology, electrical technology, electrical control technology and intelligent control discipline, intelligent control technology is a cross s

3、cience comprehensive technology, the contemporary research is very active, are applied widely. smart as a new product of modern society, is the future development direction, it can be in accordance with the pre-set module automatically run in a specific environment, can be used in scientific explora

4、tion purposes, without human management, can accomplish expected to achieve goals or higher. this design uses c8051f410 the single chip processor as the core, to design a smart car and to test its functionality, using single-chip microcomputer realize car stop and turn; using ultrasonic sensors to d

5、etect road obstacles, the car of the ultrasonic control, to avoid hitting obstacles, driving time and mileage of the digital display the three functions. the circuit of the whole system has simple structure, reliable performance is high, the test resultskeywords:l298 tracking obstacle avoidance velo

6、city measurement 目 錄1 引言12 方案論證與分析1 2.1 車(chē)體方案論證與分析1 2.2 微控制器的論證與分析1 2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊論證與分析1 2.4 循跡模塊論證與分析2 2.5 避障測(cè)距模塊論證與分析2 2.6 測(cè)速模塊論證與分析3 2.7 顯示模塊論證與分析33 系統(tǒng)設(shè)計(jì)3 3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3 3.2 車(chē)體部分設(shè)計(jì)4 3.3 微控制器模塊設(shè)計(jì)4 3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)5 3.4.1 l298n介紹5 3.4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路6 3.4.3 l298n電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片引腳說(shuō)明6 3.5循跡模塊模塊設(shè)計(jì)7 3.6 避障測(cè)距模塊設(shè)計(jì)7 3.7 測(cè)速模塊設(shè)計(jì)8 3.8

7、lcd顯示模塊設(shè)計(jì)94 軟件設(shè)計(jì)9 4.1 軟件調(diào)試平臺(tái)9 4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)11 4.2.1 循跡程序流程圖11 4.2.2 避障程序流程圖12 5 系統(tǒng)調(diào)試12 5.1系統(tǒng)的性能指標(biāo)12 5.1.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)12 5.1.2 超聲波測(cè)距模塊13 5.2測(cè)試工具14 5.3測(cè)試過(guò)程146 設(shè)計(jì)總結(jié)157 參考文獻(xiàn)158 附錄15 8.1控制及顯示原理圖15 8.2控制部分pcb圖16 8.3總程序171 引言 近年代，隨著電子科技的迅猛發(fā)展， 人們對(duì)技術(shù)也提出了更高的要求。汽車(chē)的智能化在提高汽車(chē)的行駛安全性，操作性等方面都有巨大的優(yōu)勢(shì)，在一些特殊的場(chǎng)合下也能滿足一些特殊的需要。智能小車(chē)是

8、一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng), 它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù),是典型的高新技術(shù)綜合體。本設(shè)計(jì)的智能小車(chē)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)顯示速度和壁障距離，循跡控制，自動(dòng)避障三大功能。2 方案論證與分析 2.1車(chē)體方案論證與分析 方案一：自己到電子市場(chǎng)買(mǎi)到所需小車(chē)組件，進(jìn)行組裝，價(jià)格比較便宜但實(shí)用性較差，可能不能滿足制作小車(chē)的需要。需要自己制作花費(fèi)精力，又不能保證在一定時(shí)間內(nèi)做出，因?yàn)橐紤]到要在短時(shí)間做出，所以排除此種方案。 方案二：網(wǎng)購(gòu)小車(chē)車(chē)體，易于電路的安裝和調(diào)試，外形美觀，價(jià)格一般，也方便后邊整改電路，能滿足此次設(shè)計(jì)要求。 方案三：采用rp

9、5履帶車(chē)底盤(pán)，其比較專(zhuān)業(yè)，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，扭矩大，造型美觀，擴(kuò)展性強(qiáng)，但價(jià)格昂貴。 比較三種方案，考慮到時(shí)間、精力，價(jià)格方面，方案二能滿足此次制作要求。2.2 微控制器的論證與分析 微控制器是系統(tǒng)控制的中心部件，負(fù)責(zé)控制與協(xié)調(diào)各種傳感器的監(jiān)測(cè)工作?？刂破鞯暮脡闹苯佑绊懙杰?chē)子的整體性能，控制器的類(lèi)型很多，主要有： 方案一：采用可編程邏輯器件cpld。cpld可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、io資源豐富、易于進(jìn)行功能擴(kuò)展且具有各種ip核可以調(diào)用。其采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度

10、的要求也不是非常高，且從使用及經(jīng)濟(jì)的角度考慮，我們放棄了此方案。 方案二：采用mcs-51系列單片機(jī)。采用mcs-51系列單片機(jī)，經(jīng)典的mcs-51單片機(jī)功能和速度有限；而高檔的mcs-51系列衍生產(chǎn)品價(jià)格昂貴、冗余資源較多、使用范圍較窄，價(jià)格較貴。 方案三：采用單片機(jī)c8051f410。c8051f系列兼容了51指令，片內(nèi)資源豐富，單片機(jī)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活，自由度大，可與常用51單片機(jī)兼容，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低，體積小，技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛?？紤]到此次設(shè)計(jì)的難易程度、價(jià)格因素等單片機(jī)的要求就選擇c8051f410這種單片機(jī)作為小

11、車(chē)的控制核心。 綜上述幾種方案論證，選擇方案三作為這次比賽的控制核心部件。2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊論證與分析 方案一：采用傳統(tǒng)的功率三極管搭建驅(qū)動(dòng)橋作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，成本低，加速能力強(qiáng)，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)距運(yùn)行時(shí)，通過(guò)電阻r的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大，對(duì)環(huán)境要求較高，不能滿足制作要求。 方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制,通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車(chē)的速度進(jìn)行調(diào)整.此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢,易損壞,壽命較短,價(jià)格貴，笨拙可靠性不高。 方案三：采用專(zhuān)用芯片l298n作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。l298n是一個(gè)具有高電壓大電流

12、的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片l298n可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良，容易買(mǎi)到。且由l298n結(jié)合單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)速度的精確控制。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性?xún)?yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。 綜合考慮，我們選用方案三作為此次設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)部件。2.4 循跡模塊論證與分析 巡跡是指小車(chē)在白色地板上檢測(cè)黑線，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，通常采用的方案有： 方案1：利用光敏電阻組成光敏探測(cè)器。光敏電阻的阻值可以跟隨周?chē)h(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)

13、射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時(shí)，阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過(guò)比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。 方案2：采用顏色傳感器。顏色傳感器對(duì)顏色具有較高分辨率，能較準(zhǔn)確區(qū)分各種顏色，但它易受外界光的干擾并且價(jià)格昂貴，在此處只為區(qū)分黑白色，沒(méi)有必要使用。 方案3：采用紅外探測(cè)法實(shí)現(xiàn)。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，反射光被裝在電動(dòng)小車(chē)上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，電動(dòng)小車(chē)上的接收管接

14、收不到紅外光。單片機(jī)根據(jù)是否收到反射回來(lái)的紅外光來(lái)確定黑線的位置，從而控制小車(chē)的行走路線。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。紅外探測(cè)法常采用的元件是反射式紅外線光電傳感器。它的特點(diǎn)是尺寸小、使用方便、工作狀態(tài)受溫度影響小。它的外圍電路簡(jiǎn)單且工作可靠。 經(jīng)過(guò)比較分析，從經(jīng)濟(jì)性和可靠性選擇方案3作為巡跡檢測(cè)電路的方案。 2.5 避障測(cè)距模塊論證與分析 方案一：采用激光傳感器測(cè)距。能非常準(zhǔn)確地測(cè)出小車(chē)與障礙物的距離，但是單個(gè)發(fā)射器的照射范圍不能太小，而且價(jià)格昂貴、速度快，因此不使用激光管作為測(cè)距模塊。 方案一：紅外反射式傳感器優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)周期短，能夠較實(shí)時(shí)的

15、對(duì)小車(chē)進(jìn)行控制；缺點(diǎn)是前瞻距離小，處理電路復(fù)雜，檢測(cè)精度低，功耗大。 方案二：采用超聲波傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播，而且抗干擾能力強(qiáng)，不受物體表面顏色的影響等特點(diǎn)。超聲波由發(fā)射和接受兩大部分組成，除了電路，主要器件是超聲換能器，其基本原理是基于壓電效應(yīng)。發(fā)射與接受往往使用同一個(gè)探頭。超聲波測(cè)距是通過(guò)發(fā)射聲波，接受反射回波并計(jì)算回波時(shí)間從而得出與反射物體的距離。r=vt/2簡(jiǎn)易機(jī)器人往往應(yīng)用超聲波探測(cè)前方障礙物的距離，從而實(shí)現(xiàn)避障功能。超聲波不受被測(cè)物體的透明度、顏

16、色、電導(dǎo)率的影響，但不適合測(cè)量海棉或棉織物等吸音材料。而且它不僅可用于測(cè)距，還可用于避障。 考慮到經(jīng)濟(jì)可靠，選用第三種方案。2.6 測(cè)速模塊論證與分析 方案一：采用紅外傳感器進(jìn)行測(cè)速。但無(wú)論是反射式紅外傳感器還是對(duì)射式紅外傳感器，他們對(duì)都對(duì)外圍環(huán)境要求較高，易受外部環(huán)境的影響，穩(wěn)定性不高，安裝困難且價(jià)格較為昂貴。 方案二：采用霍爾開(kāi)關(guān)元器件a44e檢測(cè)輪子上的小磁鐵從而給單片機(jī)中斷脈沖，達(dá)到測(cè)量速度的作用?；魻栐哂畜w積小，頻率響應(yīng)寬度大，動(dòng)態(tài)特性好，對(duì)外圍電路要求簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)，價(jià)格低廉等特點(diǎn)，電源要求不高，安裝也較為方便。但是它的轉(zhuǎn)換率較低，溫度影響大，要求轉(zhuǎn)換精度高時(shí)，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)

17、償。 方案三：采用光電傳感器。光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾性較強(qiáng)，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。光電傳感器是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號(hào)（紅外、可見(jiàn)及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。它的優(yōu)點(diǎn)為：檢測(cè)距離長(zhǎng)、對(duì)檢測(cè)物體的限制少、響應(yīng)時(shí)間短、分辨率高、可實(shí)現(xiàn)非接觸的檢測(cè)、可實(shí)現(xiàn)顏色判別、便于調(diào)整。 綜上考慮，選用方案三，配合電機(jī)碼盤(pán)進(jìn)行測(cè)速。2.7 顯示電路論證與分析 方案一：led數(shù)碼管顯示。優(yōu)點(diǎn)：亮度高、工作電壓低、小型化、壽命長(zhǎng)、耐沖擊和性能穩(wěn)定、易于查看。缺點(diǎn)：數(shù)碼管的只能顯

18、示簡(jiǎn)單的數(shù)字，功耗大，其電路復(fù)雜，占用資源較多,顯示信息少，不宜顯示信息量大的特點(diǎn)。 方案二：采用lcd1602液晶顯示器?？梢燥@示各種英文及數(shù)字，微功耗，尺寸小，超薄輕巧，顯示信息量大，字跡美觀，視覺(jué)舒適，而且容易用單片機(jī)進(jìn)行控制。經(jīng)比較選擇lcd1602液晶顯示器作為顯示器件。3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本組智能小車(chē)的硬件主要有以c8051f410作為核心的主控器部分、自動(dòng)循跡部分、顯示部分、路程檢測(cè)部分、障礙物檢測(cè)部分、測(cè)速部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分。小車(chē)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制器測(cè)速電路循跡模塊壁障模塊測(cè)距模塊顯示電路驅(qū)動(dòng)電路測(cè)試模塊 3.2 車(chē)體設(shè)計(jì)智能小車(chē)采用前后輪驅(qū)動(dòng)，四

19、個(gè)輪子各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制四個(gè)輪子的轉(zhuǎn)向來(lái)控制小車(chē)行進(jìn)方向，采用四輪小車(chē)控制靈活，沒(méi)有甩頭也沒(méi)有推頭，能滿足各個(gè)環(huán)境的要求。3.3 微控制器設(shè)計(jì)經(jīng)上述論證，我們采用c8051f410芯片作為主控芯片，其主要完成以下任務(wù)：電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向控制、數(shù)碼管顯示控制等。 根據(jù)題目的要求，我們制作了c8051f410的最小系統(tǒng)板，這樣用起來(lái)方便、靈活可根據(jù)需求搭建任意電路，其主要包括：電源、isp下載接口、晶振電路、復(fù)位電路。 c8051f410單片機(jī)主要有以下特征： 模擬外設(shè)：12位 adc；兩個(gè)12位電流輸出dac；兩個(gè)比較器（可編程回差電壓和 響應(yīng)時(shí)間、可配置為喚醒或復(fù)位源、上電復(fù)位/欠壓檢測(cè)

20、器、電壓基準(zhǔn) 1.5v、2.2v（可編程） 在片調(diào)試：片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試（不需仿真器）；支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、觀察/修改存儲(chǔ)器和寄存器；完全的開(kāi)發(fā)套件 供電電壓 2.0v 5.25v：內(nèi)建ldo穩(wěn)壓器：2.1或2.5 v；高速8051微控制器內(nèi)核；流水線指令結(jié)構(gòu)；70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期；速度可達(dá)50mips（時(shí)鐘頻率為50mhz時(shí)）；擴(kuò)展的中斷系統(tǒng) 存儲(chǔ)器：2304字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)ram（256+2048）；32/16kb flash；可在系統(tǒng)編程，扇區(qū)大小為512字節(jié)；64字節(jié)電池后備ram（smartclock） 數(shù)字外設(shè)：24個(gè)端口i/o；推挽或漏極

21、開(kāi)路，耐5.25 v電壓 ；可同時(shí)使用的硬件smbus（i2c兼容）、spi和uart串口；4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器；16位可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（pca），有6個(gè)捕捉/比較模塊和wdt；硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘（smartclock），工作電壓可低至1v，64字節(jié)電池后備ram和后備穩(wěn)壓器 時(shí)鐘源;內(nèi)部振蕩器：24.5mhz，2%精度，可支持uart操作；時(shí)鐘乘法器可達(dá)50mhz；外部振蕩器：晶體、rc、c、或外部時(shí)鐘；smartclock振蕩器：32khz晶體或諧振器；可在運(yùn)行中切換時(shí)鐘源 32腳lqfp或28腳5x5 qfn封裝 溫度范圍：-40c - +85c 3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)3.4

22、.1 l298n介紹l298n是一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。l298n的主要特點(diǎn)是:工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46v;輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3a，持續(xù)工作電流為2a；內(nèi)含兩個(gè)h橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器、線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)ttl邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作；有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。內(nèi)含兩個(gè)h橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)

23、準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作.l298內(nèi)部的原理圖如圖1所示：3.4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 l298是sgs公司的產(chǎn)品，比較常見(jiàn)的是15腳multiwatt封裝的l298n，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路?？梢苑奖愕尿?qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。 l298n芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50v，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的io口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便?？紤]到節(jié)省能耗和成本的高低，我們選用l298驅(qū)動(dòng)兩相步進(jìn)電機(jī)。原理圖如圖2所示：圖23.4.3 l298n電機(jī)驅(qū)動(dòng)

24、芯片引腳說(shuō)明 l298n可接受標(biāo)準(zhǔn)ttl邏輯電平信號(hào)，vss可接457 v電壓。4腳vs接電源電壓，vs電壓范圍vih為2546 v。輸出電流可達(dá)25 a，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。l298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，out1，out2和out3，out4之間可分別接電動(dòng)機(jī)，5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ena，enb接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。l298n邏輯功能控制表如圖3所示，外形及封裝如圖4所示：enain1in2運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)0停止110正轉(zhuǎn)101反轉(zhuǎn)111剎停110停止 圖3 l298n功能 in3，in4

25、的邏輯控制表與上表相同。由上表可知ena為低電平時(shí)，輸入電平對(duì)電機(jī)控制不起作用，當(dāng)ena為高電平，輸入電平為一高一低，電機(jī)正或反轉(zhuǎn)。同為低電平電機(jī)停止，同為高電平電機(jī)剎停。圖3 l298n實(shí)物圖3.5 循跡模塊設(shè)計(jì) 循跡是指小車(chē)在白色地板上循黑線行走通常采取的方法是紅外探測(cè)法,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 ,單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)來(lái)確定黑線的位置和小車(chē)的行走路線 ,從而實(shí)現(xiàn)小車(chē)的

26、循跡功能。紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限一般最大不應(yīng)超過(guò)3cm。循跡功能如圖所示：3.6 避障測(cè)距模塊設(shè)計(jì) 超聲波模塊是用來(lái)測(cè)距并且避障用的，當(dāng)檢測(cè)到距離障礙物很近時(shí)，就給主程序一個(gè)信號(hào)，提示要轉(zhuǎn)彎了，而轉(zhuǎn)彎的角度則通過(guò)不斷的測(cè)距來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)距離穩(wěn)定后則不再偏轉(zhuǎn)。我們沒(méi)有選用現(xiàn)有的超聲波測(cè)距模塊，而是自己根據(jù)超聲波的原理，利用超聲波探頭和一些外圍電路而搭建起超聲波模塊。超聲波測(cè)距的原理如下： 首先超聲波傳感器向空氣中發(fā)射聲脈沖, 聲波遇到被測(cè)物體反射回來(lái), 若可以測(cè)出第一個(gè)回波達(dá)到的時(shí)間與發(fā)射脈沖間的時(shí)間差t,利用,即可算得傳感器與反射點(diǎn)間的距離s , 測(cè)量距離,若sh 時(shí),則d s。系統(tǒng)中有三個(gè)超聲波

27、模塊，其中每個(gè)都有接收探頭與發(fā)射探頭，這兩個(gè)模塊分別位于小車(chē)的左、右處，來(lái)進(jìn)行測(cè)距以達(dá)到避障的效果。對(duì)于放射探頭，我們選用的是發(fā)射頻率為40khz的一種，該類(lèi)型現(xiàn)在應(yīng)用較普遍，電路也比較簡(jiǎn)單，只需給發(fā)射端40khz的脈沖，發(fā)射探頭即不斷的往外發(fā)送超聲波。對(duì)于接收探頭，因?yàn)榻邮盏某暡ㄐ盘?hào)很微弱而且考慮到干擾的因素，接收端有放大電路與濾波電路。當(dāng)接收到超聲波時(shí)，io口即為高電平。若此io支持外部中斷，則可在mcu中引發(fā)中斷。在我們的系統(tǒng)中，三個(gè)超聲波模塊接收端都有外部中斷功能的io口來(lái)確定是否檢測(cè)到超聲波。因此通過(guò)計(jì)算測(cè)的距離障礙物的距離然后就可以判斷是否轉(zhuǎn)彎。3.7測(cè)速模塊設(shè)計(jì)測(cè)速模塊的功能是

28、完成當(dāng)前小車(chē)速度信息采集，并輸出標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，供單片機(jī)處理，運(yùn)算出小車(chē)實(shí)時(shí)速度。我們使用的是光電傳感器，光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。光電式傳感器的工作原理是:首先將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過(guò)光電器件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電式傳感器一般由輻射源、光學(xué)通路和光電器件三部分組成。被測(cè)量通過(guò)對(duì)輻射源或光學(xué)通路的影響，將被測(cè)信息調(diào)制到光波上，通常改變光波的強(qiáng)度、相位、空間分布和頻譜分布等，光電器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。電信號(hào)經(jīng)后續(xù)電路的解調(diào)分離出被測(cè)信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的測(cè)量。3.8 lcd顯示模塊設(shè)計(jì)采用市面上容易購(gòu)買(mǎi)1602lcd，由單片機(jī)的總線模式連接。為節(jié)約電源電量并

29、且不影響lcd的功能，lcd的背光用單片機(jī)進(jìn)行控制，使lcd的背光在小車(chē)行駛的過(guò)程中不亮，因?yàn)槲覀儾槐乜雌滹@示；在其它我們需要看顯示的內(nèi)容的時(shí)候lcd背光亮。4 軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件調(diào)試平臺(tái)keil for c51是美國(guó)keil software公司出品的c語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，c語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。keil c51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到keil for c51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)

30、發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。下面詳細(xì)介紹keil for c51開(kāi)發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。c51開(kāi)發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開(kāi)軟件，我們寫(xiě)的源程序要變?yōu)閏51可以執(zhí)行的機(jī)器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機(jī)器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。隨著c51開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語(yǔ)言到逐漸使用高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，單片機(jī)的開(kāi)發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，keil軟件除了致力于單片機(jī)的編程開(kāi)發(fā)平臺(tái)外，還針對(duì)目前最流行c51開(kāi)發(fā)項(xiàng)目出品了keil for 51軟件平臺(tái)以及支持在線調(diào)試的串口燒寫(xiě)。從近年來(lái)各仿真機(jī)廠商紛紛宣布全面支持keil即可看出。keil提供了包括c編譯器、宏匯編、連接器

31、、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（uvision2）將這些部份組合在一起。如圖4-1所示圖4-1 keil for 51 開(kāi)發(fā)平臺(tái)截圖keil for c51 編譯平臺(tái)對(duì)51單片機(jī)的器件選型設(shè)置。如圖4-2所示。圖4-2 mcu選型設(shè)置4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.2.1循跡程序流程圖若小車(chē)偏左的時(shí)候，車(chē)輪將向右偏轉(zhuǎn)；若小車(chē)偏右，車(chē)輪將向左偏轉(zhuǎn)；為了識(shí)別大小彎道我們用一個(gè)長(zhǎng)的循跡模塊和一個(gè)短的循跡模塊配合使用，這樣更能避免小車(chē)沖出跑道，若沒(méi)有偏移，小車(chē)將繼續(xù)向前；若小車(chē)完全偏離黑色軌跡，小車(chē)后邊的循跡傳感器會(huì)自動(dòng)讓它停車(chē)。后邊的循跡模塊主要完成終點(diǎn)線的檢測(cè)

32、。4.2.2 避障程序流程圖我們的作品用2個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)蔽障，前后兩個(gè)用來(lái)判斷前方是否有障礙物。左右靠前的位置有兩個(gè)傳感器，探測(cè)距離比較近，防止左右碰壁。左邊車(chē)身中間位置有一個(gè)傳感器，此傳感器探測(cè)距離比較遠(yuǎn)，用來(lái)判斷左邊是否是出口。上邊還加一個(gè)超聲波避障傳感器，來(lái)配合紅外避障。軟件設(shè)計(jì)時(shí)當(dāng)前面?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到障礙物，左邊車(chē)身中間的傳感器也檢測(cè)到障礙物時(shí)則向左轉(zhuǎn)，否則向右轉(zhuǎn)，當(dāng)完成了4次轉(zhuǎn)彎，即進(jìn)入第三條直到，只需檢測(cè)左邊這個(gè)傳感器，當(dāng)無(wú)障礙物時(shí)，向右轉(zhuǎn)，然后直走，直到前面兩個(gè)傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，向右轉(zhuǎn)，然后進(jìn)入正常檢測(cè)，最終完成蔽障。5 系統(tǒng)調(diào)試5.1 系統(tǒng)計(jì)算與分析5.1.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)計(jì)算與

33、分析 電氣時(shí)間常數(shù)：電樞電流從零開(kāi)始達(dá)到穩(wěn)定值的63.2%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。測(cè)定電氣時(shí)間常數(shù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)應(yīng)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)并施加階躍性質(zhì)的驅(qū)動(dòng)電壓。電氣時(shí)間常數(shù)工程上常常利用電樞繞組的電阻和電感求出：/ 機(jī)械時(shí)間常數(shù)：電動(dòng)機(jī)從啟動(dòng)到轉(zhuǎn)速達(dá)到空載轉(zhuǎn)速的63.2%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。測(cè)定機(jī)械時(shí)間常數(shù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)應(yīng)處于空載運(yùn)行狀態(tài)并施加階躍性質(zhì)的階躍電壓。機(jī)械時(shí)間常數(shù)工程上常常利用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和電樞電阻以及電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)e、轉(zhuǎn)矩系數(shù)求出： * * 轉(zhuǎn)速：電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度，工程單位為r/min，即轉(zhuǎn)每分，在國(guó)際單位制中為rad/s，即弧每秒。 工作電流：在單個(gè)電機(jī)正常工作或停止的工作電流 100ma，四

34、個(gè)電機(jī)同時(shí)工作時(shí)總電流 570ma。 直流電機(jī)參數(shù)表：5.1.2 超聲波測(cè)距模塊計(jì)算 參數(shù)： 使用電壓：dc5v 靜態(tài)電流：小于2ma 感應(yīng)角度：不大于15度 探測(cè)距離：2cm-450cm距離計(jì)算公式：d=(s*0.034)/2 cm d為檢測(cè)距離 s為超聲波回來(lái)的時(shí)間 0.034為聲速，環(huán)境溫度不同聲速也不相同 使用方法： 控制口發(fā)一個(gè)10us以上的高電平,就可以在接收口等待高電平輸出.一有輸出就可以開(kāi)定時(shí)器計(jì)時(shí),當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就可以讀定時(shí)器的值,此時(shí)就為此次測(cè)距的時(shí)間,可算出距離.如此不斷的周期測(cè),就可以達(dá)到移動(dòng)測(cè)量的效果。5.1.3 測(cè)速模塊計(jì)算 用紅外對(duì)管傳感器進(jìn)行測(cè)速，經(jīng)實(shí)際測(cè)得

35、輪子圓周為20.5cm，電機(jī)的碼盤(pán)為20個(gè)孔，在一定時(shí)間測(cè)得通過(guò)圓孔的個(gè)數(shù)然后再乘以0.025就知道小車(chē)行駛的路程。d=（c*0.025/500）*2 （cm/s） c為每500ms內(nèi)的計(jì)數(shù)值 0.025是車(chē)輪的周長(zhǎng)（20.5cm）和碼盤(pán)圓孔的個(gè)數(shù)（20個(gè)）的比值 5.2 測(cè)試工具：儀器名稱(chēng)用途電腦調(diào)試及下載程序數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量各種電路工作情況直流穩(wěn)壓電源提供系統(tǒng)工作電壓5.3 測(cè)試過(guò)程 由于智能小車(chē)屬于移動(dòng)性高精度實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域，因此各模塊必須具有精度高、傳感器綜合控制、智能控制等性能要求，所以測(cè)試時(shí)將整個(gè)系統(tǒng)分為傳感器測(cè)試模塊，電機(jī)測(cè)試模塊，程序測(cè)試，總體測(cè)試。傳感器測(cè)試：作品采用了九對(duì)紅外對(duì)

36、管用于信息檢測(cè)，三只用于檢測(cè)黑線，二只用于檢測(cè)障礙小車(chē)，測(cè)試過(guò)程中我們用白紙黑膠帶模擬測(cè)試，用其他物品模擬障礙物，調(diào)整程序來(lái)調(diào)整需要的測(cè)試范圍。超聲波檢測(cè)參數(shù)：工作電流檢測(cè)角度檢測(cè)距離理論值2ma15度2450cm實(shí)際值2.85ma13度2415cm避障模塊檢測(cè)參數(shù)：工作電流檢測(cè)角度檢測(cè)距離理論值2ma35230cm實(shí)際值2.9ma30226cm循跡模塊的檢測(cè)距離測(cè)得為03cmpwm調(diào)速測(cè)試：通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生pwm波形來(lái)控制ln298驅(qū)動(dòng)模塊的使能端進(jìn)行控制小車(chē)速度，中間用按鍵來(lái)控制小車(chē)的速度，調(diào)節(jié)到塞題要求。測(cè)距測(cè)試：用超聲波來(lái)進(jìn)行測(cè)量小車(chē)與障礙物的距離，聲速根據(jù)溫度、環(huán)境的不同而變化，在一般

37、情況下聲速是340m/s。 電機(jī)模塊測(cè)試：我們通過(guò)程序，給電機(jī)下載不同的指令，觀察電機(jī)是否按照設(shè)定的方試轉(zhuǎn)動(dòng)。 程序測(cè)試：通過(guò)與傳感器模塊，電機(jī)模塊一起協(xié)同測(cè)試。 整體測(cè)試：當(dāng)所有的模塊測(cè)試沒(méi)有問(wèn)題后，我們協(xié)力按照大賽要求制作了跑道，通過(guò)跑道進(jìn)一步進(jìn)行精確測(cè)試，認(rèn)真編寫(xiě)程序，通過(guò)分析、修改數(shù)據(jù)參數(shù)，根據(jù)環(huán)境溫度及光照的變化來(lái)調(diào)節(jié)傳感器靈敏度以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。在軌道上也多次調(diào)節(jié)小車(chē)運(yùn)動(dòng)彎度，最終成功完成題目要求。6 設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)過(guò)的奮戰(zhàn)，智能小車(chē)終于能按照設(shè)計(jì)要求在預(yù)定軌道實(shí)現(xiàn)了全部功能。感覺(jué)小車(chē)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)不在控制程序的算法，而在于小車(chē)的環(huán)境溫度，小車(chē)最容易受到電壓波動(dòng)、光照、贓物等東西的影響。只

38、要給小車(chē)的工作環(huán)境能好，在調(diào)程序這樣設(shè)計(jì)起來(lái)受外界影響就小。在整個(gè)過(guò)程中，我們不僅在通力合作中體會(huì)到了團(tuán)結(jié)的重要性。還將理論與實(shí)踐結(jié)合了起來(lái)，培養(yǎng)了一定的科研能力，拓寬了知識(shí)面。展望未來(lái)，智能車(chē)技術(shù)必將在更廣闊的領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本智能小車(chē)系統(tǒng)最誘人的前景就是可用于未來(lái)的智能汽車(chē)上了。當(dāng)駕駛員因疏忽或打瞌睡時(shí)這樣的智能汽車(chē)的設(shè)計(jì)就能體現(xiàn)出它的作用。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于電機(jī)的反復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)引起電壓不穩(wěn)定，導(dǎo)致小車(chē)未按照規(guī)定的賽道奔跑，出現(xiàn)亂跑現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片從而使電壓恢復(fù)正常。7 參考文獻(xiàn)1郭惠，吳迅.單片機(jī)c語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)完全自學(xué)手冊(cè)m.電子工業(yè)出版社,2008.10：1-200.2王東鋒，王會(huì)良，董冠強(qiáng)

39、. 單片機(jī)c語(yǔ)言應(yīng)用100例m. 電子工業(yè)出版社,2009.3：145-300.3韓毅，楊天. 基于hcs12單片機(jī)的智能尋跡模型車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)j.學(xué)術(shù)期 刊，2008，29（18）：1535-1955.4 王曉明. 電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制j. 學(xué)術(shù)期刊，2002，13（15）：1322-1755.5yamato i , et al 1 new conversion system for ups using high fre2quency linkj 1 ieee pesc ,1988 :210-320.6yamato i , et al 1 high frequency link dc/ ac

40、converter for upswith a new voltage clamperj 1ieee pesc ,1990 :52-105.8 附錄8.1 控制及顯示原理圖8.2 控制部分pcb圖8.1 總程序#include c8051f410.h#include 410.h#include ch452.htypedef unsigned char uchar;typedef unsigned int uint ;sfr16 tmr3rl=0x92;sfr16 tmr3 =0x94;sbit left_0 =p20; /左輪電機(jī)sbit left_1 =p21;sbit right_0=p2

41、2; /右輪電機(jī)sbit right_1=p23;sbit track_left=p10; /左邊循跡傳感器sbit track_right=p11; /右邊循跡傳感器sbit track_middle=p12; /右邊循跡傳感器sbit trig = p01; /產(chǎn)生脈沖引腳sbit echo = p00; /回波引腳uchar count;uchar jishu; uchar outcomeh,outcomel;uint distance_data;uchar leiji;uint abc;bit stop_flag_0=0;bit stop_flag_1=0;bit go=1;bit succeed_flag;void deley_ms(uint i) unsigned intj;dofor(j=0;j!=1000;j+);while(-i);/延時(shí)20us void delay_us() char a=50; whil