1、简易智能电动车毕业论文 简易智能电动车摘 要本设计中的简易智能电动车是以单片机AT89S52为核心，以两个直流电机作为小车动力（电机的驱动采用L298集成H桥芯片），用三对反射式红外传感器作为小车的“眼睛”来避障，用五对TCRT5000（反射式一体化光电探测器）来循迹，用光敏电阻的光敏特性来寻光，用高亮度发光二极管和和蜂鸣器发出声光警报。通过控制两个电机的转速及正反转来实现小车的：前进，后退，左前转，右前转，左后退，右后退，减速，停止。而实现小车的循迹、避障、寻光则是通过传感器采集信号后经LM324放大处理后传输到单片机，通过编程处理采集到的信号来控制小车做出智能反应，达到智能电动车的设计要求
2、。关键词光敏电阻；避障；循迹；寻光；报警Simple Intelligent Electric CarsAbstractThe simple intelligence electric motor cars in this design with single chip AT89S52 as core, driven by two DC motors (the driving of motors adopted L298 integrated H bridge chip), used three pairs of reflective infrared sensors to avoid obs
3、tacles as “eyes” of the cars, five pairs of TCRT5000 (reflex integrated optoelectronic detector) to vault, photosensitivity of photo resistor to find light, HB LED and buzzer to sound audio and video warning. Achieve goals of forward, backward, left forward steering, right forward steering, left bac
4、kward, right backward, decelerate and stop by controlling the revolving speed and reverse of these two motors. As for vault, avoid obstacles, and find light, are realized by amplification processing after transmission to microcontroller through the sensors to collect signal after LM324. at last used
5、 the collective signal through the programming design to let the car make intelligent reaction, for meeting the requirements of intelligence electric motor cars.Key wordsPhotoconductive resistance; Obstacle avoidance; Follow the mark; Search light; alarm1 前言1.1 研究背景自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交
6、通、宇航、国防、探索等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并迅速改变着人们的生活方式。人们在不断探索、改造、认识自然的过程中，试图制造能代替人劳动的机器人，并且取得了一定的成果。机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、
7、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等，智能小车则可作为机器人的代表。智能小车，也称轮式机器人，是移动机器人中的一种。集合了传感器技术，和自动控制技术。智能小车就是通过传感采集信号，将采集到的信号进行整理，传输给单片机，通过单片机编程控制小车做出智能反应。1.2 研究意义智能小车，也就是轮式机器人，最适合在那些人类无法工作的环境中工作，该技术可应用于无人驾驶机动车，无人生产线，仓库，服务机器人等领域。以下列举了机器人的一些应用，所有这些用途正逐步渗入到工业和社会的各个层面。在产品检测方面，对零部件
8、、线路板及其它类似产品的检测是机器人比较常见的应用。一般来说，监测系统中还集成有其它一些设备，他们是视觉系统、X射线装置、超声波探测仪或其它类似仪器。在瓦斯、地压检测方面，瓦斯和冲击地压是井下作业中的两个不安全的自然因素，一旦发生突然事故，是相当危险和严重的。但瓦斯和冲击地压在形成突发事故前，都会表现出种种迹象，如岩石破裂等。采用带有专用新型传感器的移动是机器人连续监视采矿状态，以便及早发现事故突发的先兆，采取相应的预防措施。在智能轮椅领域，随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新科技技术来改善他们的生活质量和生活自由度。智能轮椅主要有口令识别与语音合成、机器
9、人自动定位、动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制功能。用于帮助残障人行走。在危险环境下，机器人非常适合在危险的环境中使用。在这些险恶的环境下工作，人类必须采取严密的保护措施。而机器人可以进入或穿过这些危险区域进行维护和探测工作，而且不需要得到像对待人一样的保护。在智能车辆领域，智能小车自动行驶功能的研究将有助于智能车辆的研究。特别能够对人类的汽车交通带来巨大的影响，在改进道路交通安全方面提供了新的解决途径。汽车交通是世界上交通事故发生最多的交通工具，而对于避障智能小车而言，小车在遇到人或者其他障碍物时，可发出声光警告提前预警，提醒司机，从而减少交通事故的发生。因此研究智能小车有利
10、于减少交通事故的发生。对于探索型智能小车而言，它可以代替人们在恶劣的环境下执行任务。智能小车在探索未知的事物，特别是对于探索太空其他星球而言，智能小车具备有人类不具备的优势：智能小车适应环境能能力非常强，可以在恶劣的环境下工作，如在无氧，高温，低温，高压，强辐射等恶劣的环境下。这是人类无法适从的。所以研究智能小车是很有必要的。当然要使智能小车更完美就需要人类制造更先进传感器，制造出更先进的处理器，编写更合理的程序，这对我们来说是一个挑战。1.2 智能小车的现状现代智能小车发展很快，从智能玩具到其他各行各业都有实质成果，基本都可以实现：循迹、避障、寻光、探金、声光报警等基本功能。1.3 本次设计
11、任务与要求本设计为简易智能电动车，包括单片机最小系统、红外避障模块、红外循迹模块、寻光模块、电机驱动模块、电源模块，声光报警模块。小车能根据传感器采集到的信号经单片机编程处理后，从而实现对小车的智能控制。具体设计要求如下：（1）能自动避开障碍物，同时能发出声光警报。（2）能自动寻黑线。（3）能够自动寻找光源。（4）结合作品实现总体方案的设计与论证。2 方案设计与论证根据设计要求在现有小车空架上加载避障模块，寻光模块，循迹模块，单片机模块，电机驱动模块，电源模块，声光报警模块。通过传感器采集数据，并将数据传输到单片机中进行处理，通过编程控制小车做出智能反应。2.1 主控系统方案1：采用可编程逻辑
12、器件CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合为大规模控制系统的控制核心。但本设计不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度要求也不是非常高。且从使用及经济角度考虑我放弃了此方案。方案2：采用Atmel公司的AT89S52单片机作为主控制器。AT89S52是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS 8位单片机，片内含含8K空间的Flash只读存储器，具有256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个IO口，2个16位可编程定时计数器。且该系列的单片机可以不用烧写器
13、而直接用串口或并口就可以向单片机中下载程序。利于编程调试，且价格便宜。从方便与实用的角度考虑，我选择此方案。2.2 电源模块方案1：采用12V蓄电池为系统供电，蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出。但是蓄电池的体积过于庞大，小型电动车上使用极为不方便。因此放弃此方案。方案2 ：采用两节3.7V可充电式锂电池串联，经过7805稳压电路得到5V电压，为单片机机和各模块供电。此电池的优点是体积小、重量轻，电流稳定，能够满足本次设计的要求。为了防止干扰，使电路更加稳定，此电路中采用两个7805稳压模块分别为单片机及传感器模块和电机供电。因此我选择此方案。2.3 电机驱动模块方案1：采用继电器
14、对电机得开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调，此方案优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、易损坏、寿命较短，可靠性不高。放弃此方案。方案2：采用专用芯片L298作为电机驱动芯片。L298是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，一片L298可以控制两个直流电机，而且还带有控制使能端，能够控制电机的转向和速度，用该芯片作为小车的电机驱动能够很好的控制小车，操作方便，稳定性好，性能优良。因此我选择此方案。2.4 电机选择方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和未知的精确定位。虽然采用步进电机有诸多有点，但步进电机的输出力矩较低
15、，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于对小车有一定速度要求的系统。经考虑比较后，我放弃此方案。方案2：采用小型直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，转动速度较快，体积小，重量轻，装配简单，使用方便，满足此次设计要求。因此我选择此方案。2.5 避障模块方案1：用超声波传感器进行避障。超声波传感器的原理是：超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收。然后将这信号放大后送入单片机。超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。但是超声波传感器需要40KHz方波信号来工作，因此超声波传感器对工作频率要求较高，偏差在1%内，所以用模拟电路来做方波
16、发生器比较难以实现。而用单片机来做方波发生器未免有些浪费。因此放弃此方案。方案2：采用3对红外对管来避障，这是现在比较常用的避障方式。它是由发射管发射红外线，接收管接收红外线，来判断是否遇到障碍物。且接收管只对红外线有反应，一般可见光不能对其产生干扰，但自然光能对其产生一定干扰，但是在本次设计可承受的范围内，且红外对管价格便宜，与LM324构成的避障电路简单。所以我选择此方案。2.6 循迹模块方案1：采用发光二极管和光敏二极管构成检测电路，此方案的缺点在于其他环境的光源对光敏二极管的工作产生很大的干扰，一旦外界光强改变，很可能造成误判和漏判，采用超高亮发光管可以在一定程度上提高抗干扰能力，但这
17、又增加了额外的功耗。 此方案检测系统不稳定，所以放弃此方案。方案2：用TCRT5000型光电对管进行循迹。TCRT5000是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。TCRT5000采用DIP4封装，其具有如下特点： 塑料透镜可以提高灵敏度，内置可见光过滤器能减小离散光的影响，体积小，结构紧凑。因此TCRT5000与LM324构成的循迹检测模块抗干扰能力强，系统更稳定，且TCRT5000与LM324价格便宜。所以我选择此方案。2.7 寻光模块方案1：采用光敏二极管的感光特性实现对光源的检测，二极管响应快，制作环保，但一般灵敏度比光
18、敏电阻低，稳定性差。所以我放弃此方案。方案2：利用光敏电阻的高灵敏感光特性，且在高温、多湿的恶劣环境下，仍能保持其高度的稳定性和可靠性；在暗黑环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，其电阻率变小，电阻变小。利用光敏电阻构成的寻光电路更稳定，且光敏电阻价格便宜。所以我选择此方案。2.8 声光报警系统方案1：利用普通发光二极管，和无源蜂鸣器做声光报警系统，价格便宜，但普通发光二极管，亮度不够，不利于警报，而无源蜂鸣器内部不带震荡源，所以直流信号无法令其鸣叫，必须用2K-5KHZ的方波去驱动它。操作比较麻烦，所以放弃此方案。方案2：采用高亮度发光二极管与有源蜂鸣器做声光报警系统，强光报警明显，而有源蜂
19、鸣器内部带震荡源，所以只要一通电就会鸣叫，操作方便。所以我选择此方案。3 硬件设计3.1 总体设计智能电动车采用前轮驱动，前轮左右两边各用一个电机驱动，调制前面两个轮子的转速及正反转达到控制小车转向的目的，后轮是万向轮，起支撑作用。单片机接收各个传感器采集回来的数据，通过编程处理，而使小车做出智能反应。各模块布局如图3.1所示。图3.1 小车总体图3.2 电源模块采用两节3.7V的可充锂电池串联，由7805三端稳压集成块稳压得到+5V电源，由LED灯指示是否得到电源输出。为使系统更加稳定，制作了两个稳压模块，单片机单独供电。其中7805为三端稳压集成块，有三条引脚，分别是输入端、接地端和输出端
20、。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装。7805三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。因此电子制作中经常采用。电源模块电路如图3.2所示。图3.2 电源模块3.3 单片机最小系统单片机最小系统由单片机，时钟电路，复位电路，电源构成。是智能小车的大脑。小车的智能反应，由其指挥。本电路单片机为AT89S52，晶振频率为11.0592MHZ。最小系统电路如图3.3所示。3.3.1 单片机电源单片机电源供给非常重要，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。51单片机容易受到干扰而出现程序混乱现象，
21、克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块，本设计中单片机单独供给电源。图3.3 单片机最小系统3.3.2 复位电路单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC电路计算出时间常数。复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。上电复
22、位：AT89S52单片机为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。按键复位：按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。电路如图3.4所示。图3.4复位电路3.3.3 时钟电路单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提
23、供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。本设计使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。本电路为30PF。电路如图3.5所示。图3.5 时钟电路3.4 电机驱动模块本设计采用L298驱动电机（L298包含四通道逻辑驱动电路内含2个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器
24、），0UTl，0UT2分别与小车的一个电机的正负极相连；OUT3，OUT4分别与小车的另一个电机的正负极相连；L298的INl、IN2、IN3、IN4分别与单片机P00P03连接，通过单片机编程控制电机的转向:IN1=0 IN2=1 IN3=0 IN4=1 ,两电机分别正转；IN1=1 IN2=0 IN3=1 IN4=0，两电机反转。ENA,ENB为控制使能端，控制电机停转：高电平正转，低电平停转，通过简单的延时函数，不断赋高低电平可以简单的调速。通过控制两电机的转速可控制小车转弯，通过IN输入端可控制小车前进或后退。电机驱动如下图3.6所示,L298真值表如表4.1所示。图3.6 电机驱动电
25、路表 3.1 L298真值表L298真值表ENA(B)IN1(3)IN2(4)电机运行情况HLH正转HHL反转HH(L)H(L)快速停转LXX不转3.5 循迹模块电路分析：本电路利用TCRT5000对两厘米宽的轨道循迹，小车底部装有5个TCRT5000，由于黑色物体和白色物体反射系数不同，调节红外对管和被测物体之间的距离使光敏三极管只能接收到白色物体反射回来的光束。2此时接收管关断相当于一个很大电阻，因此3端输入为高电平，所以电路输出高电平，反之在白纸上方时，接收管接收光源导致接收管导通，电阻极小，相当于3端与地相连，即3端输入低电平，因此电路输出低电平。由此可根据高低电平控制小车做出智能反应
26、，使其循迹。其中LM324起放大信号作用，可调电阻可改变探测垂直距离。电路如图3.7所示。图3.7 循迹电路3.6 寻光模块电路分析：光敏电阻在光照条件阻值会迅速变小，与光照成反比，而在黑暗条件下电阻值很大。黑暗条件下光敏电阻阻值很大，相当于放大器反向输入端和电源正极相连，所以输出低电平，此时LED灯点亮；当遇到光时，光敏电阻变得极小，相当于放大器反向输入端接地，所以放大器输出高电平，此时LED灯灭。所以为了创造出黑暗条件光敏电阻需用纸筒包裹起来，根据各电阻感应到光的情况而使小车做出智能反应，达到设计要求。得到电路如图3.8所示。图3.8 寻光电路3.7 避障模块本设计避障模块由红外对管做探测
27、头，红外对管由发射管（发射红外线）和接收管（功能与光敏接收管相似只是不受可见光的干扰，属于光敏二极管，只对红外线有反应，接收红外线时电阻变小，反之电阻很大）。当遇到障碍物时，红外接收管接收到反射回来的红外线，接收管电阻变得很小，相当于放大器同向输入端和地导通，因此放大器输出为低电平，LED灯点亮。当无障碍物时，接收不到红外线，接收管电阻很大，相当于放大器同向输入端和电源正极相连，所以放大器输出高电平LED灯灭。电路如图3.9所示。3.8 声光报警系统电路分析：电阻R1起限流作用，防止电流过大烧坏二极管，图中蜂鸣器为有源蜂鸣器，只需通电蜂鸣器就会鸣叫，三极管起放大电流的作用。设计电路如图3.10
28、所示。图3.9 避障电路图3.10 声光报警电路4 软件设计4.1 循迹算法设计循迹探头需要考虑个数，和排列方式，经过试验本设计选择循迹探测头由5个TCRT5000组成，在车底一字横排开。探头遇到黑线输出高电平（1），遇到白线输出低电平（0），从右至左分别接入单片机P10P14端口，P15P17默认高电平，左边寻到黑线时向左转，中间寻到黑线时直走，右边寻到黑线时向右转，没寻到黑线时直走。算法如下：1 1 1 1 0 0 0 0 左转 1 1 1 1 1 0 0 0 左转1 1 1 1 1 1 0 0 左转 1 1 1 0 1 0 0 0 左转1 1 1 0 1 1 0 0 左转 1 1 1 0
29、 0 1 0 0 直走1 1 1 0 0 1 1 0 右转 1 1 1 0 0 1 1 1 右转1 1 1 0 0 0 1 1 右转 1 1 1 0 0 0 0 1 右转1 1 1 0 0 0 0 0 直走流程图如图4.1所示。进入循迹程序前进检测到黑线YNSwitch判断左边探到黑线左转中间探测到黑线直走右边探测到黑线右转前进图4.1 循迹算法流程图4.2 避障算法设计避障由三对红外对管探测头组成，左中右各一对，无障碍物时前进，当左边遇到障碍物时右转，右边遇到障碍物时左转，中间遇到障碍物时后退。遇到障碍物时输出低电平（0），无则输出高电平（1）。从右至左分别接入单片机P20P22端口，P23
30、P27默认高电平,由此得到如下算法:1 1 1 1 1 0 1 1 右转 1 1 1 1 1 0 0 1 右转1 1 1 1 1 1 0 1 后退 1 1 1 1 1 1 0 0 左转1 1 1 1 1 1 1 0 左转 1 1 1 1 1 0 0 0 后退避障程序流程图如图4.2所示。进入避障程序前进检测到障碍Switch判断左边检测到向右转并报警中间检测到后退并报警右边检测到向左转并报警继续前进YN图4.2 避障子程序流程图4.3 寻光算法设计寻光由光敏电阻与LM324构成寻光电路，车身共安装了三个寻光探测头，左中右各一个，左边寻到光时左转，右边寻到光时右转，中间寻到光时前进，都寻到光时此
31、时光强达到最大，此时小车停止。遇到光时模块输出高电平（1），无光时模块输出低电平（0）。从右至左分别接入单片机P30P32端口，P33P37默认高电平,于是得到如下算法：1 1 1 1 1 1 0 0 左转 1 1 1 1 1 1 1 0 左转1 1 1 1 1 1 1 1 停止 1 1 1 1 1 0 1 0 前进1 1 1 1 1 0 1 1 右转 1 1 1 1 10 0 1 右转寻光程序流程图4.3所示。进入寻光程序检测到光源Switch判断左边遇光左转中间遇光前进右边遇光右转光源最大YNYN前进停止图4.3 寻光子程序流程图4.4 主程序设计主程序设计要求：首先初始化，启动定时器，进入循迹区，调用循迹子程序，寻黑线前进，寻线完成后进入避障区，调用避障子程序，当遇到障碍物后发出声光警报，越过障碍区后，前进寻找光源，调用寻光子程序，寻到光源后停止。总时间不得超过两分钟，若超过则停止。流程图如图4.4所示。开始初始化IO口遇光源Y寻光调用NNY停止遇障碍避障调用遇黑线YN寻线调用启动定时器过2分钟NY图4.4 主程序流程图5 结论通过这次设计，巩固和强化了我大学四年所学的知识。根据本次设计中的要求，我查阅了大量的相关资料，对所查阅
