基于單片機(jī)控制的智能小車設(shè)計(jì)與制作133

1 12方案論證.........................................................................................................................22.1控制核心的選擇及其簡介.....................................................................................22.2小車驅(qū)動方式的選擇.............................................................................................42.3直流電機(jī)驅(qū)動模塊.................................................................................................52.4障礙檢測模塊.........................................................................................................62.5電源模塊.................................................................................................................73系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).................................................................................................................83.1車體結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動電路.........................................................................................83.1.1直流電機(jī)電路設(shè)計(jì).......................................................................................93.1.2通道控制.......................................................................................................93.1.3電機(jī)調(diào)速.....................................................................................................103.1.4驅(qū)動模塊...................................................................................3.2避障模塊...............................................................................................................123.3硬件完成后的小車總體圖...................................................................................134系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)...............................................................................................................144.1主程序設(shè)計(jì)...........................................................................................................154.2障礙檢測模塊程序設(shè)計(jì).......................................................................................154.3語音播放程序設(shè)計(jì)...............................................................................................175使用說明.......................................................................................................................20 23 24 27 摘要:課題的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)并制作一輛智能小車，要求實(shí)現(xiàn)小車的語音控制、小車的預(yù)期功能。當(dāng)今世界，傳感器技術(shù)和自動控制技術(shù)正在飛速發(fā)展，機(jī)械、電氣和電子信息已經(jīng)成為了熱門詞匯?，F(xiàn)在國外的自動控制和傳感器技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，特別是日本，比如日本本田制作的機(jī)器人，其仿人雙足行走已經(jīng)做得十分逼真，而且具有一定的學(xué)習(xí)能力，還據(jù)說其智商已達(dá)到作為機(jī)械行業(yè)的代表產(chǎn)品—汽車，其與電子信息產(chǎn)業(yè)的融合速度也顯著提高，呈現(xiàn)出兩個明顯的特點(diǎn)：一是電子裝置占汽車整車（特別是轎車）的價值量比例逐步提高，汽車將由以機(jī)械產(chǎn)品為主向高級的機(jī)電一體化方向發(fā)展，汽車電子產(chǎn)業(yè)也很有可能成為依托整車制造業(yè)和用車提升配置而快速成為新的增長點(diǎn)；二是汽車開始向電子化、多媒體化和智能化方向發(fā)展，使其不僅作為一種代步工具、同時能具有交通、娛樂、辦公和通訊等多種功能。無容置疑，機(jī)電一體化人才的培養(yǎng)不論是在國外還是國內(nèi)，都開始重視起來，主要表現(xiàn)在大學(xué)生的各種大型的創(chuàng)新比賽，比如：亞洲廣播電視聯(lián)盟亞太地區(qū)機(jī)器都能很好的培養(yǎng)大學(xué)生對于機(jī)電一體化的興趣與強(qiáng)化機(jī)電一體化的相關(guān)知識。但很現(xiàn)實(shí)的狀況是，國內(nèi)不論是在機(jī)械還是電氣領(lǐng)域，與國外的差距還是很明顯的，所以作為物流自動化專業(yè)的學(xué)生，必須加倍努力，為逐步趕上國外先進(jìn)水平并超過之而努力。我選擇這個課題作為我課程設(shè)計(jì)的目的在于：通過獨(dú)立設(shè)計(jì)并制作一輛具有簡單智能化的簡易小車，獲得項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)的能力，使自己在控制所以立“基于單片機(jī)控制的智能小車設(shè)計(jì)與制作”一題作為嘗試。此項(xiàng)設(shè)計(jì)是在袁斌老師的指導(dǎo)下，采用80C51單片機(jī)作為控制核心，逐步實(shí)現(xiàn)蜂鳴器唱歌、躲避障礙和直線行走三大功能。完成硬件實(shí)物制作與組裝，并編制相關(guān)程序，使其實(shí)現(xiàn)功能的融合，做出具有預(yù)先要求功能的實(shí)物。2方案論證小車總體功能描述：在小車的底盤上有一個總開關(guān)，當(dāng)開關(guān)閉合時，小車開始工作，唱著歌直線前行，并可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。在小車前進(jìn)過程中，將調(diào)用避障函數(shù)進(jìn)行入壁障模式。小車前方裝有兩個紅外壁障傳感器，當(dāng)檢當(dāng)檢測到右側(cè)有障礙物時，向左轉(zhuǎn)，當(dāng)檢測到前方障礙物無法避開時，小車停車并倒退，此時蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲。下面根據(jù)設(shè)計(jì)要求，針對各模塊需要完成的功能，本著簡單、實(shí)用、廉價、容易操作、穩(wěn)定的原則，對各模塊進(jìn)行充分的理論分析和方案論證。CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8kbytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性儲單元[3]。MCS51單片機(jī)的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2（2）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM（128B用以存放可以讀寫的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及狀態(tài)標(biāo)志位等。（3）片內(nèi)程序存儲器ROM（4KB用以存放已編制好的程序及程序中用到的常數(shù)。（4）四個8位并行I／O接口P0輸出使用。（5）兩個定時器／計(jì)數(shù)器，每個定時器／計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式，用以對外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可以設(shè)置成定時方式，并可以根據(jù)計(jì)數(shù)或定時的結(jié)果實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。（6）五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)，提供兩個中斷優(yōu)先級，能實(shí)現(xiàn)兩級中斷嵌套。（7）一個全雙工串行異步通信接口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單機(jī)與微機(jī)之間的串行通信。（8）片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但需要外接石英晶體和微調(diào)電容，最高允息，各功能部件分時使用總線，即所謂的內(nèi)部單總線結(jié)構(gòu)。AT89C52與其他MCS51單片機(jī)的不同之處在于具有8KB可反復(fù)擦寫(大于1000次）FlashROM以及3個16位可編程定時/計(jì)數(shù)器中斷?？煞磸?fù)擦寫的FlashROM使得單片機(jī)能反復(fù)寫入程序，使用更加地方便。分發(fā)揮其資源豐富，強(qiáng)大地控制功能和位尋址操作功能，更可貴的是其價格低廉。玩具小車上的兩個電機(jī)均為一般的玩具直流后輪的電機(jī)用來驅(qū)動小車，這就是傳統(tǒng)的控制小車方向的方式，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)向過于靈敏；另外一種常見驅(qū)動方式為兩電機(jī)四驅(qū)，差速轉(zhuǎn)向，其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)向性能好，能實(shí)件制作比較有難度；還有一種驅(qū)動方案是采用三輪方案，即前面或后面安裝一個萬向輪，然后兩電機(jī)分別控制兩驅(qū)動輪，這種驅(qū)動方式具有兩電機(jī)四驅(qū)的優(yōu)點(diǎn)，而且硬件制作簡單多了。比較上面三種方案，首先排除了第三種方案對于第二種驅(qū)動方式雖然有制作的經(jīng)驗(yàn)，但是制作過于麻煩。綜合以上三種方案，擬定后輪采用兩個直流電機(jī)傳遞動力，轉(zhuǎn)向時控制直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)一個輪子反轉(zhuǎn)，另靈敏度較高。L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動兩臺直流電機(jī)。智能小車既然智能，至少要求其在行走的過程中不能碰到障礙物，所以其必須檢測這種東西的反射情況來判斷前面有無障礙。一般障礙檢測傳感器的選擇有兩種：用單獨(dú)設(shè)計(jì)接口電路。但是其體積較大，而且檢測距離不夠遠(yuǎn)，對障礙的要求也比較高，比如遇到玻璃之類的透明物體就不能有效識別了。但其具有體積小、靈敏度高、檢測距離遠(yuǎn)、對障礙物要求不高等優(yōu)點(diǎn)。光電開關(guān)避障比較簡單，就是在一定距離內(nèi)有反射就認(rèn)為遇到障礙，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)接收靈敏度來小幅度調(diào)節(jié)避障距離，這種方式不需要單片機(jī)參與計(jì)算，所以可以為單片機(jī)節(jié)省資源；而超聲波的避障原理則相對復(fù)雜一些：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射波，在發(fā)射時刻的同時開始計(jì)時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到發(fā)射波就立即停止計(jì)時。超聲波在空氣算的距離小于程序中設(shè)定的障礙安全離可以方便的在程序中調(diào)節(jié)，但是這種避障方式需要單片機(jī)參與計(jì)算，占用了資源。綜合對比兩種方案的優(yōu)略，最終采用超聲波避障，從網(wǎng)絡(luò)上查得一種比較合適效地避免了可見光的干擾，檢測距離可達(dá)80cm。接接驅(qū)動模塊，給電機(jī)供電，另一條線路接穩(wěn)壓模塊，降壓至5V給單片機(jī)供電。在第2章方案論證的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對各模塊的硬件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。車體驅(qū)動方式已經(jīng)在前一章確定下來，硬件部分則在原有小車基礎(chǔ)上進(jìn)行，電路板為電機(jī)驅(qū)動電路板。子為驅(qū)動輪。直流電機(jī)的線路在開發(fā)面板上已集成好了，接線時只需按程序設(shè)定好的通道接線。通過對電機(jī)接口電平進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)兩步電機(jī)的正轉(zhuǎn)向、倒退。結(jié)合對后輪的狀態(tài)分析，得到小車的運(yùn)行狀態(tài)與輸入的對照表，如表3.1所示：0000停轉(zhuǎn)停轉(zhuǎn)停1010100101100101PWM是英文“PulseWidthModulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。它是利用微器的數(shù)字輸出對模擬電路進(jìn)行控制的一種有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。一種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件下變化時保持恒定。PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系可達(dá)1：10000左右。由于電流波形比V-M系統(tǒng)好，在相同的平均電流下的損耗和發(fā)熱都比較小。頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)。（3）由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。根據(jù)以上綜合比較，以及本設(shè)計(jì)中受控電機(jī)本設(shè)計(jì)采用了H型單極型可逆PWM變換器進(jìn)行調(diào)速。脈寬調(diào)速也可通過單片機(jī)控制繼電器的閉合來實(shí)現(xiàn)，但是驅(qū)動能力有限。為順器主電路的結(jié)構(gòu)式有H型、T型等類型。我們在設(shè)計(jì)換器，它是由4個三極電力晶體管和4各續(xù)流二極管組成的執(zhí)行PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作：樣包含4通道邏輯驅(qū)動電路?？梢苑奖憧谔峁┬盘?；而且電路簡單，使用比較方便。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。光電開關(guān)工作時，由內(nèi)部振蕩回路產(chǎn)生的調(diào)制脈沖經(jīng)反射電路后，由發(fā)射管輻射出光脈沖。當(dāng)被測物體進(jìn)入受光器作用范圍時，被反射回來的光脈沖進(jìn)入光敏二極管。并在接收電路中將光脈沖解調(diào)為電脈沖信號，再經(jīng)放大器放大和同步選通整輸出光電開關(guān)控制信號。直接反射光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測物體經(jīng)過時，將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當(dāng)被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，直接反射關(guān)是首選的檢測模式。型號：E18-D80NK。裝好的小車如圖3-5所示。在第2章的方案論證部分已經(jīng)對小車的總體功能有所描述了，第3章也完成了開關(guān)是否是否開關(guān)是否是否高速速行否是否遇到障是否低速行駛是是否否是是否否是是否小車主程序的流程圖。具體程序可參考附錄1。流程描述：打開小車的電源開關(guān)時執(zhí)行端口初始化程序，電動機(jī)全速運(yùn)行，紅若為右障礙時，則小車向左轉(zhuǎn)，若左右都有障礙無法避免時，則小車倒車，并且開啟警報(bào)聲。具體程序還可參考附錄2。延時延時初始化是是處理結(jié)果并置標(biāo)志處理結(jié)果并置標(biāo)志<><>是<><>是 主程序流程圖流程描述：在調(diào)用避障程序的時候，首先進(jìn)波，同時開始計(jì)時，延時一斷時間再開中斷，延時的作用是避開余波信號的干擾，在中斷中記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，然后返回主程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，再得出距離并與安全距避障程序其實(shí)是個測距的程序，在小車前進(jìn)不斷檢測障礙標(biāo)志位，當(dāng)障礙標(biāo)志位為1時就認(rèn)為遇到障礙了，下面以前進(jìn)程序的程序可參考附錄4。是有障是是有障是<><><><>否流程描述：在接到前進(jìn)命令時，調(diào)用小車的前進(jìn)命令，首先關(guān)閉識別器，防止干擾，然后初始化相關(guān)端口，然后調(diào)用避障程序如果有，則不前進(jìn)并播放遇到障礙語音提示，沒有的話就開始前進(jìn)，前進(jìn)的過程中不斷的調(diào)用避障程序，并檢測障礙標(biāo)志，當(dāng)障礙標(biāo)志為1時立即停車，并播放遇到障礙的語音提示。如果小車一直沒有遇到障礙，在前進(jìn)一段設(shè)定的時間后會自然停止。問題討論：由小車的避障程序和前進(jìn)程序可以看出，避障程序在等待回波中斷的時候浪費(fèi)了不少時間，所以在循線中沒法實(shí)現(xiàn)避障，在此，提出一個解決方案：把數(shù)據(jù)處理程序都放到中斷程序里，這樣就能節(jié)省大量的時間而使得避障功能能在循線時實(shí)現(xiàn)了。由于時間問題，沒有對此方案進(jìn)行驗(yàn)證。語音播放程序很多函數(shù)都是有函數(shù)庫提供，所以語音播放函數(shù)比較簡單，其分體的程序還可參考附錄3。小車的硬件連接如下：IOP0^1～I(xiàn)OP0^4紅外避障端口；IOP1^4和IOP1^5右電機(jī)輸IOP1^6和IOP1^7左電機(jī)輸電源接入驅(qū)動輸入端，給驅(qū)動供電；直流電機(jī)接驅(qū)動輸出端。紅外傳感器由單片機(jī)供電。所有連接都已經(jīng)連接好，使用者不要隨便拆卸。小車采用12V鋰離子電池供電，裝在小車最前面，使用時請正確安裝電池！安裝電池后就可以打開小車底部的電源開關(guān)了，根據(jù)本次設(shè)計(jì)要求，我系統(tǒng)地閱讀了大量的資料，并認(rèn)真分析了設(shè)計(jì)課題的需項(xiàng)目。雖然條件艱苦，但經(jīng)過不懈鉆研和努力，購買到了所有所需的元器件，并系統(tǒng)的進(jìn)行了多項(xiàng)試驗(yàn)，最終做出了整個小車的硬件系統(tǒng)，然后結(jié)合課題任務(wù)和小車硬件進(jìn)行了程序的編制，最終順利的通過了系統(tǒng)軟硬件的聯(lián)機(jī)調(diào)試，成功實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)所要求的直線行走調(diào)速、報(bào)警和避障三大功能。通過本次課程設(shè)計(jì)，不僅是對我所學(xué)單片機(jī)知識的考查，更是對我的自學(xué)能力和收集資料能力以及動手能力的考驗(yàn)。本次課程設(shè)計(jì)使我對一個項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)有了初步認(rèn)識，還認(rèn)識了幾種傳感器，并能獨(dú)立設(shè)計(jì)出其接口電路，再有對電路板的制作有了一定的了解，并學(xué)會了使用Protel設(shè)計(jì)電路。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)還使我意識到了實(shí)驗(yàn)的重要性，在硬件制作和軟件調(diào)試的過程中，出現(xiàn)了很多問題，最終都是通過實(shí)驗(yàn)的方法來解決的。還有以前對程序只是一個很模糊的概念，通過這次的課程設(shè)計(jì)使我對程序完全有了一個新的認(rèn)識，并能使用C熟練的進(jìn)行編程了。通過本次課程設(shè)計(jì)，極大的鍛煉了我思考和分析問題的能力，并對機(jī)電一體化有了一個更深的認(rèn)識?？傊?，在課程設(shè)計(jì)的過程中，無論是對于學(xué)習(xí)方法還是理論知識，我都有了新的認(rèn)識，受益匪淺，這將激勵我在今后再接再厲，不斷完善自己的理論知識，提高實(shí)踐運(yùn)作能力。由于時間有限，我所設(shè)計(jì)的智能小車和已有的智能的小車相比，還處于初級階段。主要體現(xiàn)在：料為主，比如傳感器本身就是靈敏度不高。還有在制作工藝上還存在很多問題，導(dǎo)致靈敏度不高。3.程序的設(shè)計(jì)還不夠簡潔完善，導(dǎo)致單片機(jī)在控制硬件執(zhí)行指令時存在誤差。[4]侯少云．基于DSP和模糊控制的尋線行走機(jī)器人設(shè)計(jì)[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，#defineuintunsigne#defineucharunsignedcvoiddelay_ms(uintz)//聲明延時函數(shù){}{{{}if(l==1&&r==0)//表示r方有障礙物{}{mz2=1;my1=0;my2=1;}if(l==1&&r==1)//表示前方無障礙物直線行駛{mz2=0;my1=1;my2=0;}}sbitEN1=P2^2;sbitEN2=P2^5;voiddelay(intn)/延/時子程序{unsignedchari,j,k;}unsignedcharsensor_inp{}voidforward()//twomotosareruningforw{}voidbackward()//twomotosareruningbackward{}voidturn_left()//leftmotoisruning,butrightmotoisbrake{}voidrotate_left()//rightmotoisruningforward,andleftmotoisrunningbackward{}voidturn_right()//rightmotoisruning,butleftmotoisbrake{}voidrotate_right()//leftmotoisrunningforward,andrightmotoisrunningbackw{}voidfree()//twom{}voidstop()//twomotosstop{}{{//delay( delay(100);rotate_}蜂鳴器程序音樂清單：#defineucharunsignedcsbitbeep=P1^0;//定義蜂鳴器輸出端口uchartimer0h,timer0l,timcodeucharsszymmh[]={6,2,3,5,2,1,3,2,2,5,2,2,1,3,2,6,26,2,4,3,2,2,5,2,1,6,2,1,5,2,2,3,2,2,6,1,1,5,2,1,3,2,1,2,2,4,2,2,3,3,2,1,5,2,1,6,2,1,3,2,2,2,2,2,1,2,4,5,2,3,2,2,1,1,2,1,6,1,1,1,2,1,5,1,6codeucharFREQH[]={0xF2,0xF3,0xF5,0xF5,0xF6,00xF9,0xF9,0xFA,0xFA,0xFB,0xFB,0xFC,0xFC,//1,2,3,4,0xFC,0xFD,0xFD,0xFD,00xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFcodeucharFREQL[]={0x42,0xC1,0x17,0xB6,0xD0,