智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)哈爾濱理工大學(xué)畢業(yè)論文

1、哈爾濱理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)語學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：學(xué)院：自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)：自動(dòng)化任務(wù)起止時(shí)間： 2010年 3月 8日至 2010年 6月 25日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的評(píng)語：論文論述了智能小車的制作與控制，介紹了基本原理，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行基于單片機(jī)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小車的控制，最終實(shí)現(xiàn)智能化。該論文結(jié)構(gòu)合理，格式規(guī)范，語言流暢，方案設(shè)計(jì)合理，理論分析正確，達(dá)到了本科畢業(yè)學(xué)位論文要求，同意參加答辯。指導(dǎo)教師簽名：指導(dǎo)教師職稱：工程師評(píng)閱教師對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的評(píng)語：評(píng)閱教師簽名：評(píng)閱教師職稱：答辯委員會(huì)對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的評(píng)語：答辯委員會(huì)評(píng)定，

2、該生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績?yōu)椋捍疝q委員會(huì)主席簽名：職稱：年月日教務(wù)處制表哈爾濱理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：學(xué)院：自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)：自動(dòng)化任務(wù)起止時(shí)間： 2010年 3月 8日至 2010年 6月 28日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)工作內(nèi)容：了解控制原理及設(shè)計(jì)規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行智能小車系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。時(shí)間安排如下：第 12 周：查閱相關(guān)資料并翻譯外文資料；第 34 周：學(xué)習(xí)智能車的相關(guān)知識(shí)，開發(fā)出最小系統(tǒng)板；第 56 周：熟悉智能車的工作原理及開發(fā)調(diào)試過程；第 79 周：對(duì)智能車的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定并分析；第1012周：對(duì)智能車硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；第1314周

3、：利用keil編寫上位機(jī)程序，并進(jìn)行程序的調(diào)試；第1516周：書寫論文的初稿，進(jìn)一步完善控制系統(tǒng)及功能；第17周：修改并完成書面論文，準(zhǔn)備答辯。資料：1 飛思卡爾半導(dǎo)體公司全國大學(xué)生智能車競賽與飛思卡爾S12單片機(jī).單片機(jī)與入式系統(tǒng)應(yīng)用J2007，(8)：78-792 徐鶴淺談自動(dòng)導(dǎo)向車(AGV)原理與應(yīng)用J天津成人高等學(xué)校聯(lián)合學(xué)報(bào)2005，7(5)：50-52ChenBothe electric power drags along to move automatic control systemversion 2，Peking:the machine industrial publisher

4、 2000：127-1304 高月華.基于紅外光電傳感器的智能車自動(dòng)尋跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)J半導(dǎo)體光電，2009，30(1)：134-137指導(dǎo)教師意見：簽名：年月日系主任意見：簽名：年月日智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要智能作為現(xiàn)代的新發(fā)明，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)環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，不需要人為的管理，可應(yīng)用于科學(xué)勘探等等的用途。智能小車就是其中的一個(gè)體現(xiàn)。智能小車，也稱輪式機(jī)器人，是一種以汽車電子為背景，涵蓋智能控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科的科技創(chuàng)意性設(shè)計(jì)。一般主要由路徑識(shí)別、速度采集、角度控制及車速控制等模塊組成。本次設(shè)計(jì)的簡易電動(dòng)智能小車，采用STC89

5、C52單片機(jī)作為小車的檢測(cè)和控制核心，充分利用了自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)、單片機(jī)最小系統(tǒng)、液晶顯示模塊電路，以及聲光信號(hào)的控制、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。通過Keil C和PROTEUS的仿真，實(shí)踐操作與調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)小車的尋跡、自動(dòng)往返與避障等功能。綜合運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制理論、檢測(cè)技術(shù)等。使小車能在無人操作情況下，借助傳感器識(shí)別路面環(huán)境，由單片機(jī)控制行進(jìn)，實(shí)現(xiàn)初步的無人控制。單片機(jī)具有體積小、重量輕、耗電少、功能強(qiáng)、控制靈活方便且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)的應(yīng)用正從根本上改變著傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，附以外圍電路，采用反射型光電探測(cè)器進(jìn)行尋跡操作，利用光電傳感器檢測(cè)道路上的障礙，

6、運(yùn)用單片機(jī)的運(yùn)算和處理能力來實(shí)現(xiàn)小車的各種功能，最終實(shí)現(xiàn)簡單的智能化。關(guān)鍵詞智能；單片機(jī)；檢測(cè)和控制The Design ofAutomatic CarsSystemAbstractIntelligent as modern new invention, is a later development direction, he can operate in an environment automaticlly accroding to pre-set modes,without the need of human managementand can be used in scientific

7、 exploration and so on purpose. Intelligent car is one of the embodiment.Intelligent car, also called wheeled robot,is a kind of taking automobile electronic as a background, covers intelligent control, pattern recognition, the sensing technology, electrical and electronic, computer, machinery and m

8、ultidisciplinary technology creative design.Generally consists mainly of pathrecognition, speed acquisition, angle control and speed control module.The simple dynamoelectric intelligence car of this design adopts the STC89C52MCU as the examination and control core of thecar, make full use of the aut

9、omatic detection technology, MCU smallest system, LCD module circuit, the control of signal, and the motor drive circuit.Through the simulation Keil C and PROTEUS, practice and debugging,finally realize the car tracing, automatic round-trip and obstacle avoidance, and other functions.Comprehensiveus

10、e of microcontroller technology, automatic control theory, the detection technology, etc.That car in unattended operation circumstance, using sensor identify road environment.Travel by single-chip microcomputer control,realize the preliminary unmanned control.MCUhas advantages for its small volume,

11、light weight, less consumption, powerful functions,flexible operations and low in price.The application of MCU is fundamentally changing the traditional control system design ideas and design method.This designadopts MCU as controller core,attached to peripheral circuit, use reflective photoelectric

12、detectortracing operation, using photoelectric sensor detection road barriers, using MCUs operation and processing power to achieve car all sorts of functions, and finally achieve simple intelligent.Keywords automatic；MCU；detection and control目錄摘要IAbstractII第1章緒論11.1 課題背景1研究目的與意義1國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述2論文研究內(nèi)容3第2章系

13、統(tǒng)方案論證與分析4小車構(gòu)架方案論證4電機(jī)選擇方案論證4電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案論證5供電電源方案論證6尋跡檢測(cè)方案論證6避障方案論證6無線遙控方案論證7控制方案論證7本章小結(jié)8第3章硬件設(shè)計(jì)9硬件原理圖9控制電路設(shè)計(jì)93.2.1 STC89C52單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)9最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)10下載端口設(shè)計(jì)12電源模塊設(shè)計(jì)14電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)14尋跡模塊設(shè)計(jì)17避障模塊設(shè)計(jì)18遙控模塊設(shè)計(jì)20本章小結(jié)20第4章軟件設(shè)計(jì)21軟件設(shè)計(jì)環(huán)境簡介214.1.1 Keil開發(fā)環(huán)境介紹214.1.2 STC_ISP程序下載說明23尋跡程序設(shè)計(jì)24避障程序設(shè)計(jì)25遙控程序設(shè)計(jì)26主程序設(shè)計(jì)28本章小結(jié)28結(jié)論29致謝30參考文獻(xiàn)31附

14、錄A32附錄B42附錄C46第1章 緒論1.1 課題背景2010年10月1日18時(shí)59分57秒345毫秒，嫦娥2號(hào)點(diǎn)火，19時(shí)整成功發(fā)射。在飛行后的29分53秒時(shí)，星箭分離，衛(wèi)星進(jìn)入軌道。19時(shí)56分太陽能帆板成功展開這次探月衛(wèi)星的成功發(fā)射，標(biāo)志著中國自動(dòng)化領(lǐng)域進(jìn)入了一個(gè)新的階段。隨著自動(dòng)化的發(fā)展，自動(dòng)化開始向復(fù)雜的系統(tǒng)控制和高級(jí)的智能控制發(fā)展，并廣泛地應(yīng)用到國防、科學(xué)研究和經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的自動(dòng)化，例如大型企業(yè)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、全國鐵路自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)、國家電力網(wǎng)自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)、空中交通管制系統(tǒng)、城市交通控制系統(tǒng)、自動(dòng)化指揮系統(tǒng)、國民經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng)等。自動(dòng)化的應(yīng)用正從工程領(lǐng)域向非工程領(lǐng)域

15、擴(kuò)展，如醫(yī)療自動(dòng)化、人口控制、經(jīng)濟(jì)管理自動(dòng)化等。自動(dòng)化將在更大程度上模仿人的智能，機(jī)器人已在工業(yè)生產(chǎn)、海洋開發(fā)和宇宙探測(cè)等領(lǐng)域得到應(yīng)用，專家系統(tǒng)在醫(yī)療診斷、地質(zhì)勘探等方面取得顯著效果。工廠自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化和農(nóng)業(yè)自動(dòng)化將成為新技術(shù)革命的重要內(nèi)容，并得到迅速發(fā)展。智能小車，也稱輪式機(jī)器人，是一種以汽車電子為背景，涵蓋智能控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科的科技創(chuàng)意性設(shè)計(jì)，更是自動(dòng)化的一種綜合體現(xiàn)。一般主要由路徑識(shí)別、速度采集、角度控制及車速控制等模塊組成。近些年來全國電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究，可見其

16、研究意義很大，也正因此掀起了智能車研究的一股熱潮1。1.1.1 研究目的與意義小車，也就是輪式機(jī)器人，最適合在那些人類無法工作的環(huán)境中工作，該技術(shù)可以應(yīng)用于無人駕駛機(jī)動(dòng)車，無人生產(chǎn)線，倉庫，服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域。在危險(xiǎn)環(huán)境下，機(jī)器人非常適合使用。在這些險(xiǎn)惡的環(huán)境下工作，人類必需采取嚴(yán)密的保護(hù)措施。而機(jī)器人可以進(jìn)入或穿過這些危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行維護(hù)和探測(cè)工作，且不需要得到像對(duì)人一樣的保護(hù)。例如美國的“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)，在火星探測(cè)過程中分別在其著陸區(qū)域附近找到火星上過去曾有過水的證據(jù)，為人類對(duì)火星的探測(cè)做出了巨大的貢獻(xiàn)1。機(jī)器人的應(yīng)用正逐步滲入到工業(yè)和社會(huì)的各個(gè)層面，如采用帶有專用新型傳感器的移動(dòng)式機(jī)器人

17、，連續(xù)監(jiān)視采礦狀態(tài)，以便及早發(fā)現(xiàn)事故突發(fā)的先兆，采取相應(yīng)的預(yù)防措施；智能輪椅運(yùn)用口令識(shí)別與語音合成、機(jī)器人自定位、動(dòng)態(tài)隨機(jī)避障、多傳感器信息融合、實(shí)時(shí)自適應(yīng)導(dǎo)航控制等功能，運(yùn)用了現(xiàn)代高新技術(shù)來改善殘障人們的生活質(zhì)量和生活自由度。在智能車輛領(lǐng)域，智能小車自動(dòng)行駛功能的研究將有助于智能車輛的研究。智能車輛駕駛?cè)蝿?wù)的自動(dòng)完成將給人類社會(huì)的進(jìn)步帶來巨大的影響，例如能切實(shí)提高道路網(wǎng)絡(luò)的利用率、降低車輛的燃油消耗量，尤其是在改進(jìn)道路交通安全等方面提供了新的解決途徑。“工欲善其事，必先利其器”。人類在認(rèn)識(shí)自然、改造自然、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的過程中，不斷地創(chuàng)造出各種各樣為人類服務(wù)的工具，其中許多具有劃時(shí)代的意義。作

18、為20世紀(jì)自動(dòng)化領(lǐng)域的重大成就，機(jī)器人已經(jīng)和人類社會(huì)的生產(chǎn)、生活密不可分。因此為了使智能小車工作在最佳狀態(tài)，進(jìn)一步研究及完善其速度和方向的控制是非常有必要的。本文所研究的內(nèi)容涉及尋跡、避障、人工操控等多種功能，初步實(shí)現(xiàn)智能化，可做為各類科研的基礎(chǔ)模型，具有較大的研究空間，適合于多種領(lǐng)域的智能化研究與開發(fā)。1.2 國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述智能車輛的研究始于20世紀(jì)50年代初，美國Barrett Electronics公司開發(fā)出的世界上第一臺(tái)自動(dòng)引導(dǎo)車輛系統(tǒng)(Automated Guided Vehicle System，AGVS)。1974年，瑞典的VolvoKalmar轎車裝配工廠與Schiinder-

19、Digitron公司合作，研制出一種可裝載轎車車體的AGVS，并由多臺(tái)該種AGVS組成了汽車裝配線，從而取消了傳統(tǒng)應(yīng)用的拖車及叉車等運(yùn)輸工具。由于Kalmar工廠采用AGVS獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，許多西歐國家紛紛效仿Volvo公司，并逐步使AGVS在裝配作業(yè)中成為一種流行的運(yùn)輸手段。在世界科學(xué)界和工業(yè)設(shè)計(jì)界中，眾多的研究機(jī)構(gòu)正在研發(fā)智能車輛，使智能車技術(shù)迅速展起來。德意志聯(lián)邦大學(xué)已經(jīng)研發(fā)出多輛智能原型車輛。在1985年，第一輛VaMoRs智能原型車輛就已經(jīng)在戶外高速公路上以l00kmh的速度進(jìn)行了測(cè)試。使用機(jī)器視覺來保證橫向和縱向的車輛控制。1988年，在都靈的PROMETHEUS項(xiàng)目第一次委

20、員會(huì)會(huì)議上，智能車輛維塔(VrrA)進(jìn)行了展示，該車可以自動(dòng)停車、行進(jìn)，并可以向后車傳送相關(guān)駕駛信息。這兩種車輛都配備UBM視覺系統(tǒng)。這是一個(gè)雙目視覺系統(tǒng)，具有極高的穩(wěn)定性，同時(shí)還包括一些其他種類的傳感器：三個(gè)加速度計(jì)、一個(gè)車輪位置編碼器(可作為里程表或速度計(jì))，在VaMoRs車中，ZIPS接收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)車輛位置的初步估算。美國俄亥俄州立大學(xué)智能交通研究所所研發(fā)的三輛智能原型車輛，配備不同的傳感器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合和錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù)：基于視覺的系統(tǒng)；雷達(dá)系統(tǒng)(檢測(cè)與車道的橫向位置)；激光掃描測(cè)距器(障礙物檢測(cè))；其他傳感器，如側(cè)向雷達(dá)、轉(zhuǎn)向陀螺儀。利用基于視覺的方法實(shí)現(xiàn)道路檢測(cè)。利用一臺(tái)安裝在后視鏡處

21、的CCD攝像機(jī)，位置要盡可能高，車道檢測(cè)系統(tǒng)可以處理這樣的單幅灰度圖像。算法假設(shè)道路是水平地，并且有連續(xù)或點(diǎn)化的車道標(biāo)志線。前幾幀檢測(cè)的車道標(biāo)志線數(shù)據(jù)也用來決定下一步興趣熱點(diǎn)區(qū)域，以簡化圖像處理。算法從圖像中提取出重要的亮域，并以向量行駛存儲(chǔ)，如道路消失點(diǎn)或道寬這樣的數(shù)據(jù)參數(shù)，都可以作為計(jì)算車道標(biāo)志線的參考，最后為了處理點(diǎn)劃車道線，可以通過一階多項(xiàng)式曲線來擬合，在進(jìn)行向量計(jì)算。如果檢測(cè)到左右車道標(biāo)志線，就可以利用左右標(biāo)志線來估計(jì)車道中心線；否則也可以利用估計(jì)的車道寬度及相關(guān)可視標(biāo)志來估算中心線2。在我國，吉林大學(xué)智能車輛課題組長期從事智能車輛自主導(dǎo)航機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)研究。20世紀(jì)90年代以來，課

22、題組開展的組態(tài)式柔性制造單元及圖像識(shí)別自動(dòng)引導(dǎo)車的研究對(duì)我國獨(dú)立自主開發(fā)一種新型自動(dòng)引導(dǎo)車輛系統(tǒng)，從而為我國生產(chǎn)組織模式向柔性或半柔性生產(chǎn)組織轉(zhuǎn)化提供了有意義的技術(shù)支撐和關(guān)鍵設(shè)備。另外，我國清華大學(xué)、北京理工大學(xué)等單位也正在研發(fā)智能車輛。汽車自主駕駛技術(shù)是集模式識(shí)別、智能控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)和汽車操縱動(dòng)力等多門學(xué)科于一體的綜合性技術(shù)，汽車自主駕駛功能水平的高低常被用來作為衡量一個(gè)國家控制技術(shù)水平的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。智能車輛的相關(guān)技術(shù)，也將為促進(jìn)輪式機(jī)器人的研究。1.3 論文研究內(nèi)容本課題主要開發(fā)一個(gè)基于路徑處理的的智能小車控制系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，我們可以給小車給定一條軌跡，使其按預(yù)定路徑行始。小車可以獨(dú)

23、自運(yùn)行，也可人工及時(shí)操控調(diào)整，使其按正確的軌跡運(yùn)行。本文主要有以下內(nèi)容：1.智能小車相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，本文首要介紹了與智能小車相關(guān)的機(jī)器人、智能車輛的發(fā)展歷史、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。2.智能小車硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹智能小車硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。智能小車選擇STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)作為核心控制單元，完成電源模塊、傳感器模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、路徑識(shí)別模塊、等功能模塊的設(shè)計(jì)。3.障基本原理。采用光電紅外對(duì)管來識(shí)別路徑，紅外發(fā)射管與紅外一體接收頭來識(shí)別障礙。4.控制原理。采用紅外識(shí)別，遙控器解碼技術(shù)，來控制小車的行進(jìn)方向，從而達(dá)到人工操控的目地。5.行實(shí)車試驗(yàn)，對(duì)小車進(jìn)行調(diào)試。第2章 系統(tǒng)方案

24、論證與分析本章主要介紹方案的選擇與分析，主要包括單片機(jī)模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、黑線檢測(cè)模塊以及液晶顯示模塊的方案選擇與分析。2.1 小車構(gòu)架方案論證小車行走機(jī)構(gòu)的方案分析與選擇：方案一：履帶式行走機(jī)構(gòu)：運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，走直線效果很好；但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、移動(dòng)速度較慢，轉(zhuǎn)彎過程的控制性能較差。方案二：腿式行走機(jī)構(gòu)：可以走出多種復(fù)雜的路線，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)中的平衡性和穩(wěn)定性差、移動(dòng)速度較慢。方案三：兩輪式行走機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、移動(dòng)速度快、轉(zhuǎn)彎性能好，且易于控制，適用于小功率的行走驅(qū)動(dòng)。方案四：四輪式行走機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、移動(dòng)速度快、易于控制。通過以上四種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案三與方案

25、四可具有較大的可行性，但四輪式行走機(jī)構(gòu)需要四個(gè)電機(jī)，控制算法相對(duì)復(fù)雜，且需要很大的驅(qū)動(dòng)電流，對(duì)硬件要求較高，而兩輪式能滿足此設(shè)計(jì)要求，且結(jié)構(gòu)簡單，算法方便，要求驅(qū)動(dòng)電流小，硬件結(jié)構(gòu)簡單。本設(shè)計(jì)以對(duì)稱結(jié)構(gòu)，簡單方便為主，固綜上考慮，采用方案三的設(shè)計(jì)思想。2.2 電機(jī)選擇方案論證采用步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變

26、的非常的簡單。所以，若采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由于其轉(zhuǎn)動(dòng)的角度可以精確定位，可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)距離和位置的精確定位。采用直流減速電機(jī)，直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便，過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；能滿足各種不同的特殊運(yùn)行要求。很方便的就可以實(shí)現(xiàn)通過單片機(jī)對(duì)直流減速電機(jī)前進(jìn)、后退、停止等操作。2.3 通過以上兩種方案的比較，兩種方案均具有較大的可行性，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)、交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高的轉(zhuǎn)速時(shí)

27、會(huì)急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低時(shí)不適于小車等對(duì)速度有一定要求的系統(tǒng)。在價(jià)格方面，直流電機(jī)低于步進(jìn)電機(jī)，易于購買，且對(duì)硬件要簡單，完全可以實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)的要求，固綜上考慮，此次設(shè)計(jì)采用直流電機(jī)作為動(dòng)力源。電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案論證小車運(yùn)行過程中要求電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié),調(diào)速范圍根據(jù)負(fù)載的要求而定。由公式(2-1)(2-1)N：電樞轉(zhuǎn)速,：電機(jī)端電壓,：電機(jī)端電流,：電樞電阻, ：常數(shù), ：各極總磁通可以看出,調(diào)速可以有三種方法:1.改變電機(jī)端電壓,即改變電樞電源電壓；2.改變磁通,即改變激磁回路的調(diào)節(jié)電阻以改變激磁電流；3.在電樞回路中串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻。此時(shí)的轉(zhuǎn)速公式(2-2)為： (2-2)在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，改

28、變電機(jī)的磁通或調(diào)節(jié)樞回路中串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻并不方便、實(shí)用。因此，主要選擇通過改變電機(jī)兩端電壓的方法來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。下面是通過調(diào)節(jié)電機(jī)兩端電壓達(dá)到調(diào)速目的的三種方案：方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，但電流很大，分壓不僅會(huì)降低效率且實(shí)現(xiàn)困難。方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞，壽命較短、可靠性不高。方案三：采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。用單

29、片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài),精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下,效率非常高。H型電路保證了可以簡單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制。電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。L298為SGS-THOMSON Microelectronics所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片(Dual Full-Bridge Driver) ，可以方便的驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。內(nèi)含二H-Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V?？梢灾苯油ㄟ^電源來調(diào)節(jié)輸出

30、電壓，可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)，而且電路簡單，使用比較方便。PWM脈寬調(diào)制實(shí)際上就是改變電機(jī)端電壓的平均值從而進(jìn)行調(diào)速的一種方法。這種方法便于與單片機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)方便，而前兩種方法必須要配合一定的外圍模擬電路才能達(dá)到單片機(jī)控制目的，基于以上分析, 在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊上擬選定采用PWM脈寬調(diào)制方法。選用L298雙全橋驅(qū)動(dòng)芯片。2.4 供電電源方案論證供電電源方案的選擇與分析：方案一：采用兩個(gè)電源供電，將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)以及其周圍電路電源完全隔離，利用光電耦合器傳輸信號(hào)。這樣可以使電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。方案二：采用單一電源供電。所用器件采用12V蓄

31、電池為直流電機(jī)供電。因電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大，而且PWM驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)電流波動(dòng)較大，會(huì)造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾，可采用將12V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其它芯片供電。這樣供電比較簡單3?；谝陨系姆治觯瑑煞N方案均具有可行性，但方案一使用兩個(gè)電源，增加了小車的重量與體積，增大了小車的慣性，雖然具有較大的優(yōu)勢(shì)，但綜合考慮，符合設(shè)計(jì)要求的情況下，選擇方案二做為小車的供電電源。2.5 尋跡檢測(cè)方案論證尋跡檢測(cè)方案的選擇與分析：方案一：采用對(duì)射式紅外光電傳感器。用可見發(fā)光二極管與光敏二極管組成的發(fā)射接收分立對(duì)管光電傳感器。這種方案的缺點(diǎn)在于，其他環(huán)境光源會(huì)對(duì)光敏二極管的工作產(chǎn)生很大干擾，一旦外界光亮

32、條件改變，很可能造成誤判和漏判。雖然采取超高亮發(fā)光管可以降低一定的干擾，但這又將增加額外的功率損耗。在跑道上設(shè)置檢測(cè)裝置很不方便，故無法應(yīng)用對(duì)射式光電開關(guān)探測(cè)跑道標(biāo)志，只能采用反射式光電開關(guān)。方案二：采用反射式紅外光電傳感器，利用紅外線發(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，外面可見光對(duì)接收信號(hào)的影響較小，尋跡電路中采用比較器LM393，信號(hào)進(jìn)入后就會(huì)被放大，可以直接送給單片機(jī)進(jìn)行操作，同時(shí)可以加一可調(diào)電阻，可以調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度，易于調(diào)試。本方案也易于實(shí)現(xiàn)，比較可靠4。綜上所述，方案二具有可行性，選擇方案二作為尋跡方案。2.6 避障方案論證避障方案的選擇與分析：方案一：脈沖調(diào)

33、制的反射式紅外線接受器。由于該有交流分量的調(diào)制信號(hào)，則可大幅度減少外界干擾；另外紅外紅線接受的最大工作電流取決于平均電流。如果采用占空比小的調(diào)制信號(hào)，再平均電流不變的情況下，順勢(shì)電流很大（50100mA），則大大提高了信噪比。并且其反應(yīng)靈敏，外圍電路也很簡單。它的優(yōu)點(diǎn)是消除了外界光線的干擾提高了靈敏度。方案二：采用超聲波傳感器，如果傳感器接收到反射的超聲波，則通知單片機(jī)前方有障礙物，否則通知單片機(jī)可以向前行駛。市場上很多紅外光電探頭也是基于這個(gè)原理。這樣不但能準(zhǔn)確完成測(cè)量，而且能避免電路的復(fù)雜性5。通過以上兩種方案的比較，兩種方案均可行，但第二種方案超聲波傳感器價(jià)格比格昂貴，所以與方案一相比，

34、在要求不是很嚴(yán)格的情況下，方案一具有更大的選擇性。2.7 無線遙控方案論證無線在各領(lǐng)域均有廣泛的運(yùn)用，而要實(shí)現(xiàn)無線控制，則要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無線接收與發(fā)送，基于無線的基本原理，提出以下幾種方案進(jìn)行選擇與分析：方案一：采用PT2263與PT2272芯片作為系統(tǒng)的編碼與解碼，其中PT2262為無線發(fā)送芯片，PT2272解碼輸出，來實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的收發(fā)，從而達(dá)到無線控制的目的。方案二：采用NRF24L01成品收發(fā)模塊。發(fā)射距離遠(yuǎn)，信號(hào)穩(wěn)定，體積小，市場價(jià)格較低。方案三：使用紅外線進(jìn)行遙控，采用常用的紅外遙控器進(jìn)行紅外信號(hào)的發(fā)射，用一體化紅外接收頭1838芯進(jìn)行信號(hào)的接收，使用軟件進(jìn)行紅外信號(hào)的解碼，以此來識(shí)

35、別按鍵，控制小車的行動(dòng)6。以上三種方案均為常用的無線收發(fā)方式，但方案一不僅加大了硬件的需求，而且手工制作接收與發(fā)射模塊，對(duì)手工要求較高，且發(fā)射距離較短。方案二采用成品的收發(fā)模塊，體積小，性能穩(wěn)定，可使用范圍最高可達(dá)200m左右，市場價(jià)格較低。方案三采用紅外一體接收頭1838，解調(diào)信號(hào)輸出端DOUT可直接被單片機(jī)識(shí)別，同時(shí)使用軟件進(jìn)行解碼，大大簡化了電路，發(fā)射距離30m左右，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。經(jīng)過以上三種方案的比較，決定采用方案三做為小車的無線遙控方案。2.8 控制方案論證智能小車系統(tǒng)的核心模塊即為主控單片機(jī)。選擇一片數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大、片內(nèi)資源豐富的單片機(jī)，對(duì)設(shè)計(jì)各功能的更好實(shí)現(xiàn)具有極大意義。一

36、個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含有兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如ROMRAMI/O口定時(shí)/記數(shù)器中斷系統(tǒng)等。若不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展。二是系統(tǒng)配置，既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如液晶顯示器A/DD/A轉(zhuǎn)換器等，且需要設(shè)計(jì)合適的接口電路?？刂葡到y(tǒng)是機(jī)械運(yùn)行的核心，同樣，在本次智能車的設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)小車的初步智能化，一個(gè)良好與否的控制芯片關(guān)系到最終的成敗，而控制類的芯片多種多樣，下面就以下兩種進(jìn)行選擇與分析：方案一：采用AT89C51芯片，具有體積小、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)被列入教科書已進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與分析，是最早比較了

37、解的芯片。其片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM有128B，片內(nèi)程序存儲(chǔ)器Flash ROM 有4KB；可尋址片外64KB的RAM；兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；五個(gè)中斷源、兩個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷控制系統(tǒng)；方案二：采用STC89C52芯片，繼承了AT89C51的功能，同時(shí)在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)良的改進(jìn)，功能較強(qiáng)大。其片內(nèi)8kROM，256x8bit內(nèi)部RAM，3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，6個(gè)中斷源，4層優(yōu)先級(jí)中斷結(jié)構(gòu)7。以上兩種芯片均可行，但AT89C51與STC89C52相比，后者具有較大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)基于對(duì)STC89C52較為熟悉，所以采用方案二，使用STC89C52作為智能小車的總體控制芯片。2.9 本章小結(jié)本章主要

38、介紹智能小汽車的設(shè)計(jì)思想與主要功能傳感器的選擇，分別介紹了小車本體的選擇方案，電動(dòng)機(jī)的選擇策略，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇方案，尋跡、避障傳感器以及無線遙控方案的選擇，并且也講述了如何供電電源的分配情況。通過上面的詳細(xì)講述，我們就可以科學(xué)合理的制作自己的小車，并把我們需要的功能加到上面，此款智能小汽車無論從工藝制作到傳感器的選擇，再到電源、電機(jī)的分配都較為合理，而且結(jié)構(gòu)簡單方便，適合電子愛好者進(jìn)一步開發(fā)與研究。本次設(shè)計(jì)僅為智能自動(dòng)化的初步研究，以展現(xiàn)基本自動(dòng)化原理為主，具有很高的科學(xué)研究價(jià)值，在醫(yī)療器械、考古、軍事、智能玩具以及機(jī)器人等方面都留有很大的研究與發(fā)展空間，相信會(huì)給更多的人提供一個(gè)研究智能

39、電子產(chǎn)品的平臺(tái)。智能單片機(jī)由軟件和硬件結(jié)合控制，實(shí)現(xiàn)電路設(shè)定功能，其具有速度快、功耗低、體積小、外圍器件少等優(yōu)點(diǎn)，除此之外，智能電子產(chǎn)品還具有穩(wěn)定性好、可靠性高，電路簡單、功能實(shí)現(xiàn)容易，技術(shù)可升級(jí)，產(chǎn)品檔次高等優(yōu)勢(shì)。隨著社會(huì)不斷地發(fā)展，在未來的日子里，智能化電子產(chǎn)品會(huì)越來越受到人們的關(guān)注與重視，此款小車就是一個(gè)簡單可以從事一些設(shè)定功能的智能化電子產(chǎn)品。第3章 硬件設(shè)計(jì)3.1 硬件原理圖電動(dòng)智能小車采用STC89C52單片機(jī)進(jìn)行智能控制。開始先手動(dòng)啟動(dòng)小車開關(guān)，進(jìn)行模式選擇，并設(shè)有復(fù)位按鈕。尋跡模式下，小車采用反射型光電探測(cè)器檢測(cè)黑帶，將信號(hào)傳給單片機(jī)進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)通過單片機(jī)控制電機(jī)使小車前進(jìn)，

40、以及左、右拐彎的操作。避障模式下，避障模塊開始工作，開始進(jìn)行避障處理，小車開始進(jìn)行自由避障，當(dāng)進(jìn)入停車區(qū)時(shí)，由紅外進(jìn)行識(shí)別，小車自動(dòng)停車。系統(tǒng)原理圖如圖31所示。電源單片機(jī)STC89c522電機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)無線控制遙控器尋跡避障黑線檢測(cè)障礙檢測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)無線控制遙控器單片機(jī)STC89c52黑線檢測(cè)尋跡避障障礙檢測(cè)圖3-1 系統(tǒng)原理圖3.2 控制電路設(shè)計(jì)控制電路是整個(gè)智能車的核心，相當(dāng)于人類的大腦一樣，控制著整量車的行車方式，通過編寫程序來實(shí)現(xiàn)各種功能，但單片機(jī)的工作需要一定的外圍電路以及下載電路才能保證單片機(jī)的正常工作以及程序的下載，下面就將介紹STC89C52單片機(jī)的基本功能以及其外圍電路、下載電

41、路的設(shè)計(jì)。STC89C52單片機(jī)是把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個(gè)尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、并行I/O口、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對(duì)各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。1.中斷系統(tǒng)：具有6個(gè)中斷源，2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。2.定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：片內(nèi)有3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有四種工作方式。3.串行口：1個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式。可用來進(jìn)行串行通訊，擴(kuò)展并行I/O口，甚至與多個(gè)

42、單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。4.P1口、P2口、P3口、P4口為4個(gè)并行8位I/O口。使單片機(jī)對(duì)輸出的控制更加靈活7。STC89C52主要功能如表3-1所示。表3-1 STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)8K可反復(fù)擦寫Flash ROM32個(gè)雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷時(shí)鐘頻率0-24MHz2個(gè)串行中斷可編程UART串行通道2個(gè)外部中斷源共6個(gè)中斷源2個(gè)讀寫中斷口線3級(jí)加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能3.2.1 最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.時(shí)鐘電路STC89C52內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益

43、反相放大器，引腳RXD和TXD分別是此放大器的輸入端和輸出端。時(shí)鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。內(nèi)部方式的時(shí)鐘電路如圖3-2(a) 所示，在RXD和TXD引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時(shí)元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶體振蕩頻率可以在1.212MHz之間選擇，電容值在530pF之間選擇，電容值的大小可對(duì)頻率起微調(diào)的作用。外部方式的時(shí)鐘電路如圖3-2(b)所示，RXD接地，TXD接外部振蕩器。對(duì)外部振蕩信號(hào)無特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12MHz的方波信號(hào)。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘P1和P2，供單片機(jī)使用。(a)內(nèi)部

44、方式時(shí)鐘電路 (b)外部方式時(shí)鐘電路圖3-2時(shí)鐘電路2.復(fù)位及復(fù)位電路(1)復(fù)位操作復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。除PC之外，復(fù)位操作還對(duì)其他一些寄存器有影響，它們的復(fù)位狀態(tài)如表3-2所示。表3-2一些寄存器的復(fù)位狀態(tài)寄存器復(fù)位狀態(tài)寄存器復(fù)位狀態(tài)PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP-07HTL100HDPTR0000HTH100HP0-P3FFHSCON00HIPXX

45、000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00H(2)復(fù)位信號(hào)及其產(chǎn)生RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩周期(即二個(gè)機(jī)器周期)以上。若使用頗率為12MHz的晶振，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過2s才能完成復(fù)位操作。整個(gè)復(fù)位電路包括芯片內(nèi)、外兩部分。外部電路產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)(RST)送至施密特觸發(fā)器，再由片內(nèi)復(fù)位電路在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2時(shí)刻對(duì)施密特觸發(fā)器的輸出進(jìn)行采樣，然后才得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖3-3(

46、a)所示。這佯，只要電源Vcc的上升時(shí)間不超過1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即接通電源就成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵電平復(fù)位是通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖3-3(b)所示；而按鍵脈沖復(fù)位則是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖3-3(c)所示：電路圖中的電阻、電容參數(shù)適用于12MHz晶振，能保證復(fù)位信號(hào)高電平持續(xù)時(shí)間大于2個(gè)機(jī)器周期8。本系統(tǒng)的復(fù)位電路采用圖3-3(b)上電復(fù)位方式。(a)上電復(fù)位(b)按鍵電平復(fù)位 (c)按鍵脈沖復(fù)位圖3-3復(fù)位電路3.2.2 下載端口設(shè)計(jì)單片機(jī)程序的下載實(shí)質(zhì)上就是單片機(jī)的通信，

47、是指單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的信息交換，通常單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信我們用的有并行和串行兩種通信方式，而在單片機(jī)系統(tǒng)以及現(xiàn)代單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，信息的交換多采用串行通信方式。串行通信又有兩種方式：異步串行通信和同步串行通信。異步串行通信是發(fā)送端和接收端可以由各自的時(shí)鐘來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，這兩個(gè)時(shí)鐘源彼此獨(dú)立，互不同步，一位接一位地順序傳送，由此可見，異步串行通信實(shí)現(xiàn)容易，設(shè)備開銷較小，但每個(gè)字符要附加23位，用于起止位、校驗(yàn)位和停止位，各幀之間還有間隔，因此傳輸效率不高。同步通信是一種連續(xù)串行傳送數(shù)據(jù)的通信方式，一次通信只傳送一幀信息。這里的信息幀與異步通信中的字符幀不同，通常含有若干個(gè)數(shù)據(jù)字符。

48、它們均由同步字符、數(shù)據(jù)字符和校驗(yàn)字符(CRC)組成。其中同步字符位于幀開頭，用于確認(rèn)數(shù)據(jù)字符的開始。數(shù)據(jù)字符在同步字符之后，個(gè)數(shù)沒有限制，由所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊長度來決定；校驗(yàn)字符有1到2個(gè)，用于接收端對(duì)接收到的字符序列進(jìn)行正確性的校驗(yàn)。同步通信的缺點(diǎn)是要求發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘保持嚴(yán)格的同步在單片機(jī)與單片機(jī)，單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間通信時(shí)，通常采用異步串行通信方式。PC機(jī)的串行口采用的是標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，單片機(jī)的串行口電平是TTL電平，而TTL電平特性與RS-232的電氣特性不匹配，因此為了使單片機(jī)的串行口能與RS-232接口通信，必須將串行口的輸入輸出電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通常用MAX232芯片來完成電平

49、轉(zhuǎn)換。MAX232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的、包含兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器的IC芯片，它的內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器，可以把輸入的+5V電源電壓變換成為RS-232輸出電平所需的+10V電壓。所以，采用此芯片接口的品德通信系統(tǒng)只需單一的+5V電源就可以了。對(duì)于沒有+12V電源的場合，其適應(yīng)性更強(qiáng)，加之其價(jià)格適中，硬件接口簡單，所以被廣泛采用8。圖3-4即為MAX232的基本接線圖。圖3-4 MAX232基本接線圖根據(jù)MAX232的基本接線與原理，結(jié)合單片機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)，采用串口9針的母頭做為單片機(jī)的通信接口，電路圖如圖3-5下所示。圖3-5 下載通信端口原理3.3 電源模塊設(shè)計(jì)電源模塊為系統(tǒng)其它各個(gè)模塊

50、提供所需要的電源，主要為單片機(jī)、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)、尋跡模塊、臂章模塊供電。供電電壓有9V、6V、5V三種電壓值。本系統(tǒng)采用12V的蓄電池做為供電電源，為得到所需電壓需進(jìn)行降壓及穩(wěn)壓操作，采用常用的穩(wěn)壓芯片7809、7806、7805，分別得到9V、6V、5V穩(wěn)定電壓，設(shè)計(jì)電路圖如圖3-6所示：圖3-6 電源模塊3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)智能小車區(qū)別于普通的電動(dòng)玩具小車的最大特點(diǎn)是：可以智能調(diào)節(jié)小車運(yùn)行狀態(tài)。如改變其運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度。在接收到外部主控單片機(jī)發(fā)出的指令后，能迅速做出“應(yīng)答”，這就需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)揮作用。主控單片機(jī)發(fā)出指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)芯片接收到單片機(jī)指令后，通過輸出端口控制電機(jī)

51、迅速作出相應(yīng)動(dòng)作。本設(shè)計(jì)采用PWM調(diào)速技術(shù)來實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向、調(diào)速控制，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的電動(dòng)小車采用2個(gè)直流電機(jī)，左、右兩側(cè)電機(jī)獨(dú)立控制。經(jīng)過之前論證分析后，決定選用L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L298雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298如圖3-7所示:圖3-7 L298N Multiwatt封裝外形圖內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，可以方便的驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。恒壓恒流橋式2A驅(qū)動(dòng)芯片L298內(nèi)含二個(gè)H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V?？梢灾苯油ㄟ^電源來

52、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)，而且電路簡單，使用比較方便。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298直流電機(jī)單片機(jī)作為核心控制器，由I/O口發(fā)出各種高低電平組號(hào)信號(hào)，控制L298。L298接受到單片機(jī)控制信號(hào)，輸出控制信號(hào)給電機(jī)，完成相應(yīng)運(yùn)行動(dòng)作。直行左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)倒車主控單片機(jī)STC89C52圖3-8電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制示意圖通過圖3-8，可清楚看出單片機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片直流電機(jī)的三級(jí)控制結(jié)構(gòu)。采用此種控制結(jié)構(gòu)，各級(jí)職責(zé)明確，結(jié)構(gòu)清晰易于實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用的是基于PWM原理的H型驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。采用H橋電路可以增加驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)保證了完整的電流回路。采用 PWM 方法調(diào)整電機(jī)的速度，首先應(yīng)確定合理的脈沖頻率。

53、脈沖寬度一定時(shí)，頻率對(duì)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性有較大影響，脈沖頻率高,馬達(dá)運(yùn)行的連續(xù)性好，但帶負(fù)載能力差，脈沖頻率低則反之。當(dāng)脈沖頻率在 100Hz 以下時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)有明顯的跳動(dòng)現(xiàn)象，小車不能連續(xù)順暢運(yùn)行。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，選擇脈沖頻率1000Hz，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)較平穩(wěn)，控制效果較佳。脈寬調(diào)速實(shí)質(zhì)上是調(diào)節(jié)加在電機(jī)兩端的平均功率，其表達(dá)式(3-3)為： (3-3)式中為電機(jī)兩端的平均功率；為電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)的功率；為脈寬。 當(dāng) 時(shí)，相當(dāng)于加入直流電壓，這時(shí)電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，；當(dāng)時(shí)，相當(dāng)于電機(jī)兩端不加電壓，電機(jī)靠慣性運(yùn)轉(zhuǎn)。 當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定開動(dòng)后，有(為摩擦力 )則(3-4) (3-5)由(3-5)式可知智能小車的速度與脈寬成正比

54、。 由上述分析，U1、U2這對(duì)控制電壓采用了1000Hz 的周期信號(hào)控制，通過對(duì)其占空比的調(diào)整，對(duì)車速進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)，可以通過U1、U2的切換來控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。對(duì)于L298驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部已集成2個(gè)H橋，只需在使能控制端EN1、EN2加載PWM波，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比，即改變加載到電機(jī)兩端的電壓平均值，來實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。當(dāng)IN1端為高電平、IN2端為低電平時(shí)，二極管D1到D4導(dǎo)通，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，二極管D3到D2導(dǎo)通，電機(jī)反轉(zhuǎn)。IN3、IN4端控制方法與IN1、IN2端相同，不再贅述。下圖3-10為Mutiwatt15封裝形式的L298驅(qū)動(dòng)芯片引腳及外形圖。圖3-10 L298引腳及外

55、形圖表3-3列出了L298的各引腳功能。表3-3 L298引腳符號(hào)及功能表引腳功能封裝1 、15SEN1、SEN2分別為兩個(gè)H橋的電流反饋腳，不用是可以接地2 、31Y1、1Y2輸出端，與對(duì)應(yīng)輸入端（IN1、IN2）同邏輯4Vs驅(qū)動(dòng)電壓，最小值需比輸入的低電平電壓高5 、7IN1、IN2輸入端，TTL電平兼容6 、11EN1、EN2使能端，低電平禁止輸出8GND地9Vss邏輯電源，4.57V10 、12IN3、IN4輸入端，TTL電平兼容13 、142Y1、2Y2輸出端，與對(duì)應(yīng)輸入端（IN3、IN4）同邏輯下圖3-11為L298驅(qū)動(dòng)小車電機(jī)的PROTEUS功能仿真圖。L298需要兩個(gè)電壓，一個(gè)

56、為邏輯電路工作所需的5V電壓Vcc，另一個(gè)為功率電路所需的驅(qū)動(dòng)電壓Vs。為保護(hù)電路，需加上八個(gè)續(xù)流二極管，二極管的選用要根據(jù)PWM的頻率和電機(jī)的電流來確定。二極管要有足夠的回復(fù)時(shí)間和足夠電流承受能力。圖3-11 L298驅(qū)動(dòng)電機(jī)PROTEUS仿真圖在編寫完成Keil C調(diào)速、轉(zhuǎn)向程序，與PROTEUS軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真后，通過在線調(diào)試。經(jīng)多次實(shí)際測(cè)試，采用PWM技術(shù)進(jìn)行小車調(diào)速、轉(zhuǎn)向操作具有如下優(yōu)點(diǎn)：1.電流一定連續(xù)2.可使電動(dòng)機(jī)在四象限中運(yùn)行3.電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)4.低速時(shí)，每個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通5.低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍較大3.5 尋跡模塊設(shè)

57、計(jì)根據(jù)此前方案論證，選用紅外反射式光電傳感器，它是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，由1個(gè)紅外發(fā)射管(發(fā)射器)和1個(gè)光電二極管(接收器)構(gòu)成。紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光在遇到反光性較強(qiáng)的物體(表面為白色或近白色)后被折回，被光電二極管接收到，引起光電二極管光生電流的增大。將這個(gè)變化轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，就可以被處理器接受并處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)反光性差別較大的兩種顏色(如黑白兩色)的識(shí)別9。本次設(shè)計(jì)采用TCRT5000反射式紅外光電傳感器（如圖3-12所示），具有以下特點(diǎn)：(1)采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成。(2)檢測(cè)距離可調(diào)整范圍大，413cm可用。(3)采用非接觸檢測(cè)方式。圖3-12 TCRT500