基于AVR單片機的循跡滅火智能小車的研發(fā)

題目：基于AVR單片機的循跡滅火智能小車的研發(fā)-18-目錄摘要 III關(guān)鍵字 IIIAbstract IVKeywords IV第1章緒論 -1-1.1智能車的作用及其重要性 -1-1.2智能車的國內(nèi)外現(xiàn)狀 -1-1.3對于智能小車的發(fā)展我國面臨的問題 -2-1.4本章小結(jié) -3-第2章任務(wù)要求及方案選擇 -4-2.1任務(wù)要求 -4-2.2系統(tǒng)各方案的選擇 -4-2.2.1車身的選擇 -4-2.2.2單片機的選擇 -5-第3章系統(tǒng)硬件方案 -6-3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計方案 -6-3.2總體設(shè)計思路圖 -6-3.3各個模塊的設(shè)計 -7-3.3.1循跡模塊 -7-3.3.2驅(qū)動模塊 -8-3.3.3滅火模塊 -10-3.4本章小結(jié) -11-第4章系統(tǒng)軟件方案 -12-4.1系統(tǒng)軟件的設(shè)計 -12-4.2系統(tǒng)引腳端口的分配： -12-4.3系統(tǒng)流程圖： -12-第5章系統(tǒng)調(diào)試 -15-第6章總結(jié) -16-參考文獻： -17-致謝 -18-附錄 -19-基于AVR單片機的循跡滅火智能小車的研發(fā)摘要本設(shè)計是一種基于AVR單片機的循跡滅火小車的系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)計采用總體設(shè)計，模塊設(shè)計，程序的設(shè)計等，單片機通過程序使個模塊有效的配合實現(xiàn)功能。系統(tǒng)采用AVR單片機作為主控制核心，通過L298N驅(qū)動利用紅外傳感器將路面的情況（黑，白）反饋到單片機中，單片機收到信號控制驅(qū)動模塊使小車做出響應(yīng)的動作，使小車能夠按照線路循跡行走；利用火焰?zhèn)鞲衅鲗⒒鹧娴奈恢脵z測到，將信號發(fā)送給單片機，單片機發(fā)出滅火指令，使風(fēng)扇開始工作，直到蠟燭熄滅為止返回。結(jié)果表明：小車能夠按照要求穩(wěn)定行駛，完成題目要求。智能機器人發(fā)展前景廣闊，目前只是機器人個體的研究，在人機結(jié)合方面將會成為未來的研究熱點。世界各國都在加強智能機器人的研究，在未來的社會機器人將應(yīng)用更加廣泛。關(guān)鍵字：AVR單片機，紅外傳感器，火焰?zhèn)鞲衅?，L298N電機驅(qū)動Thedevelopmentofthesmartcartrackingandextinguishinginviewof51SCMAbstractThisdesignisaAVRmicrocontroller-basedfire-extinguishingcartrackingsystem,designsystemusestheoveralldesign,moduledesign,processdesign,themicrocontrollerthroughtheprogramenablesmodulestoachieveeffectivecoordinationfunctions.TheuseofAVRmicrocontrollerasthemaincontrolcenter,usinganinfraredsensordrivenbytheroadcondition298N(blackandwhite)feedbacktothemicrocontroller,themicrocontrollerthereceivedsignaldrivecontrolmoduleallowsthecartorespondtotheaction,thecarisabletowalkthelineinaccordancewithatracking;useflamesensordetectsthepositionoftheflame,sendsasignaltothemicrocontroller,MCUsendscommandfire,thefanstartworkuntilthecandleisextinguished.Theresultsshowthat:thecarinaccordancewiththerequirementsofastable,completequestionsasked.

IntelligentRobotbroadprospectsfordevelopment,butatpresent,Robotindividuals,intermsofman-machinecombinationwillbecomethefutureofresearch.Countriesintheworldtostrengthentheresearchofintelligentrobot,therobotwillbeinthefuturesocietymorewidely.Keywords:AVRMCU，infraredsensor，flamesensor，L298motordriver.第1章緒論1.1智能車的作用及其重要性智能小車作為智能機器人的一種，具有非常靈活方便實用的優(yōu)勢，在工廠自動化處理中至關(guān)重要，隨著智能機器人的發(fā)展，機器人在當(dāng)今社會生活中的作用也越來越明顯，尤其在一些特殊環(huán)境下貢獻突出，深受廣大人民的歡迎?，F(xiàn)在智能機器人的研究以及受到許多國家的重視。機器人的發(fā)展日增月異，在幾年的時間就已經(jīng)應(yīng)用在許多的行業(yè)中。如在煤礦的開采過程中，采用專用的機器人，能夠發(fā)揮很好的監(jiān)督作用，由于煤礦很多都是地下作業(yè)，有很多意想不到的情況發(fā)生，而人本身不能在下面一直待著，這就需要一些智能設(shè)備取而代之，我們山西屬于煤炭大省，在這方面的發(fā)展顯得更加重要，智能機器人的發(fā)展可以有效的提高煤礦的安全生產(chǎn)率；在對智能車的研究方面，智能汽車和智能飛機的發(fā)展在對未來社會以及交通的發(fā)展帶來翻天覆地的變化，這樣將大大降低了人工成本，對于國家的發(fā)展非常關(guān)鍵，在軍事方面的發(fā)展也非?？捎^?！跋戎\而后動，不打無準(zhǔn)備的仗”。當(dāng)今世界正在飛速發(fā)展，各個國家之間相互競爭，不是人數(shù)的競爭，不是糧食的競爭，不是國土的競爭，而是高科技的競爭，誰掌握了最頂端的高科技，誰就掌握了主動權(quán)，受到其他國家的擁護，才能保證更好的發(fā)展。1.2智能車的國內(nèi)外現(xiàn)狀在未來幾年甚至幾十年，許多大國都將機器人的發(fā)展放在首位，由此可見，智能機器人的發(fā)展至關(guān)重要。

美國制造業(yè)的發(fā)展一直處于世界的領(lǐng)先水平，近些年，美國當(dāng)局也在考慮制造業(yè)重心的轉(zhuǎn)移問題，在2011年將制造業(yè)的發(fā)展方向轉(zhuǎn)變?yōu)闄C器人的發(fā)展，美國科學(xué)基金會也在這方面給予了大力支持，這一系列舉措使得美國的智能機器人的發(fā)展迅猛。

除了美國以外，韓國的機器人發(fā)展也相對走向成熟，他的機器人制作已經(jīng)做成為一種產(chǎn)業(yè)，推動各個領(lǐng)域的進步。德國的機器人發(fā)展相對較晚，政府早在2012年就開始了改革。歐盟在機器人的發(fā)展中注入重金達28億，充分表明了對于機器人發(fā)展的關(guān)注。

日本一直以來都是一個科技大國，科技強國。在機器人的發(fā)展方面更是有著長遠的打算，制訂了一系列計劃。通過機器人的發(fā)展帶動其他產(chǎn)業(yè)的進步，改善社會環(huán)境，提高國民生活質(zhì)量等等。通過文獻《智能機器人的現(xiàn)狀，應(yīng)用及其發(fā)展趨勢》，大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院的，王曉芳，116037，我了解到機器人技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的新興學(xué)科，隨著計算機技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，機器人技術(shù)也在飛速發(fā)展。在各國的機器人技術(shù)的發(fā)展中，美國的技術(shù)一直居于世界的領(lǐng)先地位，其技術(shù)全面，先進，適應(yīng)性強，精度高，可靠性高，其視覺，觸覺等人工智能技術(shù)已在航空，汽車等得到廣泛應(yīng)用；日本由于一系列扶植政策，各種機器人包括智能機器人發(fā)展迅速；歐洲各國的機器人發(fā)展均處于領(lǐng)先地位；我國由于起步較晚，各項技術(shù)都有待進步。通過文獻《循跡智能小車系統(tǒng)的設(shè)計》，解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院電子信息工程系，薛紅，尹廷輝，蘇勇，倪雪，210007，還有文獻《自循跡智能小車控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)》，浙江工業(yè)大學(xué)，朱思敏，他們分別使用52單片機，HCS12XS128處理器，讓我知道了在國內(nèi)已經(jīng)有很多人在智能小車方面做了很多研究。1.3對于智能小車的發(fā)展我國面臨的問題智能小車作為移動機器人一個分支，綜合了傳感器技術(shù)，單片機原理以及C語言的知識等，在各項技術(shù)領(lǐng)域都需要有重大突破。因此，我們國家對于智能設(shè)備的研究尤為重視，需要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上不斷的創(chuàng)新，實現(xiàn)更大的進步，造福于全人類。目前，對于我國的智能機器人的發(fā)展有以下幾個特點：智能設(shè)備相對比較昂貴，不能夠普及大眾；智能設(shè)備的功能還不夠強大，在某些領(lǐng)域設(shè)備的可靠性，穩(wěn)定性，靈敏性不夠高；智能設(shè)備越來越受到大眾的歡迎，對于這一領(lǐng)域的研究人員也越來越多，發(fā)展前景比較好；目前，智能機器人技術(shù)發(fā)展的三個目標(biāo)：第一，通過技術(shù)改進提高硬件設(shè)施與軟件之間的很好結(jié)合，比如說小車的程序與小車車體上的傳感器的很好結(jié)合，使得小車能夠在特定的環(huán)境下按照要求去執(zhí)行命令；

第二，加強服務(wù)機器人的研究，提升機器人理解人的行為和抽象指令、人機溝通與協(xié)調(diào)合作能力，建立機器人安全機制；

第三，在一些特殊的環(huán)境下實現(xiàn)人與機器人的密切結(jié)合，相互配合完成任務(wù)。比如在地震時期，一些坍塌的房屋下面我們就很難進去進行探測，這就需要我們相對的機器人進行勘察，通過信息反饋，我們可以知道有沒有搜救的必要性，大大節(jié)省了人力，物力還為其他需要救助的地方爭取到了時間。

機器人的研究勢在必行，那么如何實現(xiàn)我們的目標(biāo)呢？我們需要在以下幾方面繼續(xù)努力。第一，深入研究機器人與人類相互交流的原理，掌握關(guān)鍵技術(shù)，使未來的發(fā)展更加流暢；第二，加強人才的培養(yǎng)，重視機器人研究方面的人才培養(yǎng)，加大經(jīng)濟支持，為機器人的研究提供良好的環(huán)境。1.4本章小結(jié)本章主要講了智能機器人的的研究現(xiàn)狀，相比之下我國的智能機器人的發(fā)展還有很大的提升空間，需要我們的繼續(xù)努力，實現(xiàn)各項技術(shù)的突破。由于機器人的研究在未來的發(fā)展和市場的競爭等具有至關(guān)重要的作用，因此需要引起極大的重視。還講了一些智能機器人的主要組成部分以及它在各個領(lǐng)域的主要的用途等。第2章任務(wù)要求及方案選擇2.1任務(wù)要求圖2.1場地（黑色方塊為蠟燭的位置，左下角方塊為小車出庫的位置）2.2系統(tǒng)各方案的選擇2.2.1車身的選擇方案一：四驅(qū)車的造型。開始的想法是四驅(qū)車車身相對比較平穩(wěn)，而且安裝起來零件的地方也比較寬裕。車身在行走過程中也沒有抖動現(xiàn)象。缺點是耗電量較大。方案二：履帶車。這個車的優(yōu)缺點和四驅(qū)車的類似，不同的是它的穩(wěn)定性更高。缺點是它的行走速度緩慢而且耗電量大。方案三：帶萬向輪的兩輪驅(qū)動。萬向輪的加入使得整個車體在行走的過程中都比較靈活，但是對于程序的編寫還有小車的穩(wěn)定性要求比較高，循跡比較麻煩。因此，綜合考慮靈活性和穩(wěn)定性的影響，我選擇了第一種方案。2.2.2單片機的選擇PIC：PIC系列是一款比較早的單片機，在性能方面比較穩(wěn)定可靠，在一些要求比較嚴格的領(lǐng)域使用。

缺點：解密容易，性價比不高，有幾款相對便宜還是比較常見的一種單片機，比如12系列。

AVR系列：價格便宜。在一些比賽中經(jīng)常見到。適合已經(jīng)掌握了一些編程的人員，功能也比較強大，而且網(wǎng)上資料也多，學(xué)起來容易。

缺點：原理比較復(fù)雜，學(xué)起來還是有點費勁，不建議初學(xué)者。

51系列：相對比較容易，價格也比較便宜，生產(chǎn)時就已經(jīng)考慮到與傳統(tǒng)51的兼容問題，兼容做的很好，功能不夠強大。

缺點：功能不夠強大，資料少。綜合考慮，我選擇了AVR單片機。第3章系統(tǒng)硬件方案3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計方案本文設(shè)計的是一種智能循跡滅火小車，該小車能夠在給定的區(qū)域按照要求沿著白底黑線的路徑行走，找到火源并且上去將火熄滅，循跡模塊采用紅外對管識別線路上的黑線，然后將識別的信號傳送到單片機處理器中，單片機發(fā)出命令實現(xiàn)智能循跡。本設(shè)計的驅(qū)動模塊是由L298N來驅(qū)動小車的兩個輪子的，通過與循跡模塊的配合實現(xiàn)功能，當(dāng)CPU收到循跡模塊發(fā)回的信息時，經(jīng)過分析發(fā)出的相應(yīng)的命令信號，那么驅(qū)動模塊執(zhí)行對應(yīng)的前進，轉(zhuǎn)彎或停止等功能；通過程序來控制兩個電機的轉(zhuǎn)速從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎等功能。本設(shè)計的智能小車主要由以下幾部分組成：電源模塊，驅(qū)動模塊，循跡模塊，滅火模塊。本章主要介紹小車的幾個模塊的設(shè)計思路。3.2總體設(shè)計思路圖圖3.1整體設(shè)計框圖3.3各個模塊的設(shè)計3.3.1循跡模塊本模塊在設(shè)計中通常采用紅外探測法，也可以選用CCD攝像頭傳感器；CCD攝像頭傳感器價格低廉，安裝方便但是缺點也很明顯：供電要求電壓高，耗能大；數(shù)據(jù)存儲量大，處理信息較慢（可能不能及時停車或者轉(zhuǎn)彎）；相比之下，紅外探測法更加有效可靠。本設(shè)計主要采用紅外對管實現(xiàn)循跡，電路及實物圖如下：圖3.2實物圖圖3.2電路圖表3.1原理框圖特別需要注意的是，紅外對管發(fā)光能力有限，發(fā)出的紅外光有效距離較短，故使用時應(yīng)再加上透鏡，以提高聚光能力。3.3.2驅(qū)動模塊驅(qū)動模塊實物及電路圖：圖3.3實物圖圖3.4電路圖表3.2原理框圖如下：步進電機最大特點是：

1.它是通過輸入脈沖信號來進行控制的。2.電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定。3.電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。表3.1電機工作模式時序圖：步進電機信號輸入第一步第二步第三步第四步返回第一步正轉(zhuǎn)IN10111返回IN21011返回IN31101返回IN41110返回反轉(zhuǎn)IN11110返回IN21101返回IN31011返回IN40111返回3.3.3滅火模塊本模塊設(shè)計采用的是五路火焰?zhèn)鞲衅?，在原來一路火焰?zhèn)鞲衅鞯幕A(chǔ)上增大了檢測視角，提高了它的靈敏度，準(zhǔn)確性并且價格也比較合適，實物及電路圖如下：圖3.5電路圖圖3.6實物圖工作原理：五路火焰?zhèn)鞲衅骶哂幸暯菑V的優(yōu)勢，通過接受管接受來自蠟燭的光。五路火焰?zhèn)鞲衅骷瓤梢暂敵瞿M信號(即隨著電壓的升高電壓也在升高)，也可以輸出數(shù)字信號（即有火焰時為高電平，沒有時為低電平）電源接口（橫排相連，隨便接一個即可）：

VCC:模塊電源正極輸入口，輸入范圍3.3V-9V（相對于GND）

GND:模塊電源負極輸入口距離調(diào)節(jié)旋鈕注意事項：5路共用一個調(diào)節(jié)旋鈕

3.4本章小結(jié)本設(shè)計采用電池供電，通過穩(wěn)壓器將電壓嚴格控制在5v給單片機供電，通過51單片機微處理器控制各部分功能的相互配合實現(xiàn)，本章為今后的設(shè)計工作奠定了理論基礎(chǔ)以及設(shè)計思路。第4章系統(tǒng)軟件方案4.1系統(tǒng)軟件的設(shè)計系統(tǒng)CPU的引腳圖圖4.1單片機引腳圖4.2系統(tǒng)引腳端口的分配：表4.1管腳分配情況PA0-PA3PB0-PB2PB5-PB6PD0-PD3PD5-PD6驅(qū)動車輪火焰?zhèn)鞲衅黠L(fēng)扇驅(qū)動循跡模塊PWM調(diào)速4.3系統(tǒng)流程圖：循跡模塊流程圖如下：圖4.2循跡流程圖首先，打開小車的開關(guān)，在小車啟動以前系統(tǒng)初始化，然后傳感器開始工作，紅外對管識別路線，當(dāng)檢測到黑線是進行前進驅(qū)動，再通過紅外對管中的接收管發(fā)送回來的信息經(jīng)過分析發(fā)出指令。小車通過紅外傳感器實現(xiàn)對外界信息的判斷。那么，在程序中可以加一個延時，可以保證小車的穩(wěn)定行駛，減小出錯率。循跡模塊的正確率是接下來滅火等其他操作的前提，只有很好的完成了循跡的設(shè)計，接下來的任務(wù)就很簡單了。滅火模塊流程圖如下：圖4.3滅火流程圖首先，循跡小車按照線路循跡行走，當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到火源時，通過調(diào)節(jié)距離火源的合適位置停車，之后開啟風(fēng)扇進行滅火；滅火完成后調(diào)轉(zhuǎn)車頭，沿著軌跡返回車庫。第5章系統(tǒng)調(diào)試通過長時間進行調(diào)試，小車能夠穩(wěn)定的沿著黑線進行循跡行駛。通過火焰?zhèn)鞲衅鳈z測火源，能夠完成滅火并且回庫。在程序方面，通過加入延時使得小車能夠更加穩(wěn)定行駛，調(diào)節(jié)PWM進行調(diào)速方便易行。具體調(diào)節(jié)正確執(zhí)行率如下：表5.1實驗正確率統(tǒng)計第一次第二次第三次第四次10%50%80%99%圖5.1小車實物圖第6章總結(jié)通過這次畢業(yè)設(shè)計的研究，我對單片機的學(xué)習(xí)更加深入，智能循跡滅火小車的的研究還有許多需要深入的地方，本次設(shè)計的基本功能都已經(jīng)實現(xiàn)，小車能夠按照要求完成任務(wù)。智能機器人的研究的關(guān)鍵在于系統(tǒng)的硬件與軟件的結(jié)合，在接下來的研究中主要是讓它們的結(jié)合達到最優(yōu)化，也就是最理想的狀態(tài)。在這次設(shè)計中我遇到了許多問題，在循跡過程中小車總是不能按照線路正常行駛，我通過調(diào)節(jié)車速使得小車行駛更加穩(wěn)定；在滅火的時候由于距離的掌握不是很好，有時候過早開啟滅火，有時候還會撞倒蠟燭。后來，我在老師還有查找資料得到了解決，同時還學(xué)會了很多東西。參考文獻：[1]史媛芳.PC機與C51單片機的串行通信研究[D].安徽：安徽國防科技職業(yè)學(xué)院，2014[2]郭海麗.基于單片機的智能小車的設(shè)計與實現(xiàn)[D].河北：衡水學(xué)院，2015.[3]葛廣軍，楊帆.基于單片機的智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計[D].河南：河南建城學(xué)院，2011.[4]強彥，葉文鵬，屈明月，趙涓涓.基于紅外避障的智能小車的設(shè)計[D].山西：太原理工大學(xué)，2013.[5]尤揚，基于模糊控制的新型循跡智能小車設(shè)計[D].遼寧：沈陽工業(yè)大學(xué)，2015.[6]薛紅，尹廷輝，蘇勇，倪雪，循跡智能小車的系統(tǒng)設(shè)計[D].江蘇：解放軍理工大學(xué)，2012.[7]李波，楊衛(wèi)，張文棟，黃偉，一種智能小車自主尋/循跡系統(tǒng)設(shè)計[D].山西：中北大學(xué)，2012.[8]王曉芳，智能機器人的現(xiàn)狀、應(yīng)用及其發(fā)展趨勢[J].科技視界，2015，116037（98-99）[9]王雨峰，智能小車在傳感器理實一體化教學(xué)中的應(yīng)用[J].教學(xué)探索，2015,81[10]朱思敏，自循跡智能小車控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].浙江：浙江工業(yè)大學(xué)，2013[11]EbisaNegeri1,NicoBaken1,MarjanPopov2，HolonicArchitectureoftheSmartGrid[J].ScientificResearch,2013[12]DepengLi1,ZeyarAung1,SrinivasSampalli2,JohnWilliams3,AbelSanchez3,PrivacyPreservationSchemeforMulticastCommunicationsinSmartBuildingsoftheSmartGrid[J].ScientificResearch,2013[13]MohdRihan1,MukhtarAhmad1,M.SalimBeg2,VulnerabilityAnalysisofWideAreaMeasurementSystemintheSmartGrid[J].ScientificResearch,2013[14]NurAsyikHidayatullah,ZahirJ.Paracha,AkhtarKalam,ImpactofDistributedGenerationonSmartGridTransientStability[J].ScientificResearch,2011[15]TamilmaranVijayapriya1*,DwarkadasPralhadasKothari2,SmartGrid:AnOverview[J].ScientificResearch,2011 致謝 附錄全部程序：/*************************PA0-PA3接L298N（控制車輪）的IN4-IN1PB0-PB2接火焰?zhèn)鞲衅鱀4-D2（數(shù)字量輸出）PB5,PB6接L298N（控制風(fēng)扇）IN4,IN3PD0-PD3接循跡模塊IN1-IN4PD4,PD5接L298N（控制車輪）ENB,ENA*************************/#include<avr/io.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharvoiddelay(uints)//延時函數(shù){ uinti,j; for(i=0;i<s;i++) for(j=0;j<800;j++);}voidadjustspeed(uintm,uintn)//調(diào)速函數(shù)輸入占空比{ OCR1A=m*10; OCR1B=n*10;}voidqianjin()//前進{ PORTA|=(1<<1)|(1<<3);//00001010 PORTA&=~(1<<0)&~(1<<2); }voidyouzhuan()//右轉(zhuǎn){ PORTA|=(1<<2)|(1<<1);//0110 PORTA&=~(1<<3)&~(1<<0); }voidzuozhuan()//左轉(zhuǎn){ PORTA|=(1<<0)|(1<<3);//1001 PORTA&=~(1<<1)&~(1<<2); }voidtingzhi()//停止{ PORTA|=0X0F;//00001111}voidfanzhuan()//{ PORTA|=(1<<0)|(1<<2); PORTA&=~(1<<1)&~(1<<3);}voidzhuanwan180()//180度掉頭{ adjustspeed(50,50); PORTA|=(1<<0)|(1<<3);//1001 PORTA&=~(1<<1)&~(1<<2); delay(500); while(!(PIND&0x07)); }voidIO_init()//配置各個io口{ DDRA|=(1<<0)|(1<<2)|(1<<3)|(1<<1); PORTA|=(1<<0)|(1<<2)|(1<<3)|(1<<1); DDRD|=