【正文】 的基礎(chǔ)。本課題是設(shè)計一款能自動尋跡避障的智能小車。智能小車能具有以下兩個功能。（1） 循跡功能，能按照路面的黑色軌跡行駛；（2） 自動避障功能，小車在行駛過程中能識別障礙物，做到準確無誤的躲避障礙物。本課題研究的任務(wù)主要有以下幾個方面。（1） 根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，進行系統(tǒng)的硬件與軟件的整體設(shè)計。（2） 選擇性價比最佳的器件來進行硬件設(shè)計，采用模塊化的軟件設(shè)計方法，使程序結(jié)構(gòu)清晰，可讀性強。（3） 系統(tǒng)硬件方面設(shè)計包括：外圍電路的合理設(shè)計。主要內(nèi)容有：核心控制模塊，電機驅(qū)動模塊，循跡模塊，避障模塊的方案選擇與設(shè)計。（4） 系統(tǒng)軟件方面設(shè)計包括系統(tǒng)主程序，過程控制程序，外部中斷程序等。根據(jù)課題功能要求，本文采取以下研究步驟來實現(xiàn)：系統(tǒng)整體功能分析與可行性研究、劃分功能模塊、各功能模塊的電路原理設(shè)計、各功能模塊的軟件設(shè)計與調(diào)試、系統(tǒng)整體電路與軟件調(diào)試。在滿足各項性能指標的前提下，不僅要考慮系統(tǒng)的易用性，還要降低成本，使其經(jīng)濟實用，滿足本身本次設(shè)計的要求，實現(xiàn)智能小車的尋跡和避障。2系統(tǒng)方案設(shè)計此系統(tǒng)是以單片機為控制核心，處理執(zhí)行各個外部傳感器檢測得到的電平信號，其中外部信號有兩部分得到：紅外對管循跡模塊，紅外避障模塊。最后把處理結(jié)果傳遞給小車電機，使小車做出正確的反應(yīng)。紅外對管循跡模塊使用四個紅外對管檢測地面的黑線，單片機通過四個紅外對管的高低電平變化控制小車的移動方向；紅外避障模塊將紅外避障傳感器固定于小車前端，當檢查到前方固定距離之內(nèi)出現(xiàn)障礙物，單片機控小車右轉(zhuǎn)；當檢查到右方出現(xiàn)障礙物，單片機控制小車左轉(zhuǎn)。當檢查到左方出現(xiàn)障礙物，單片機控制小車右轉(zhuǎn)。AVR單片機電機驅(qū)動模塊循跡模塊電機避障模塊 總體設(shè)計框圖 Fig. Overall design block diagramATMEL公司新推出的ATmega系列單片機內(nèi)含高速閃存FLASH，是基于增強精簡指令RISC（Reduced Instruction Set CPU)結(jié)構(gòu)的單片機，簡稱AVR單片機，該系列單片機在吸收PIC及8051單片機的優(yōu)點的基礎(chǔ)上，做出了重大的改進。AVR單片機的特點(1)速度快 AVR單片機在單一時鐘周期內(nèi)執(zhí)行功能強大的指令，每MHz可實現(xiàn)階段MIPS的處理能力，是具有最高MIPS/mw能力的確良8位單片機。 AVR單片機采用了大型快速存取寄存器文件和快速單周期指令。其快速存取RISC寄存器文件由32個通用工作寄存器組成。AVR用32個通用寄存器代替累加器，避免了傳統(tǒng)的累加器與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送，可在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令來訪問兩個獨立的寄存器，代碼效率比常規(guī)CISC微控制器快十倍。AVR單片機是用一個時鐘周期執(zhí)行一條指令的，即在執(zhí)行前一條指令時就取出下一條指令，然后以一個周期執(zhí)行指令（與DSP類似），是8位單片機中第一種真的RISC單片機。(2)性能價格比高 AVR單片機中既有引腳少的器件（8腳），也有存儲容量較大、引腳較多的器件，給用戶以充分的選擇余地。AVR單片機采用Harvard結(jié)構(gòu)，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是分開的，可以直接訪問8M字節(jié)程序存儲器和8M的數(shù)據(jù)存儲器。AVR單片機片內(nèi)資源豐富。包括：1K128K字節(jié)可下載的Flash存儲器、644K字節(jié)EEPROM、1284K字節(jié)RAM、532條通用的I/O線，32個通用工作寄存器、摸擬比較器、定時器/計數(shù)、可編程異步串行口、內(nèi)部及外部中斷、帶內(nèi)部晶振的可編程看門狗定時器、為下載程序而設(shè)計的SPI串行口、10位AD轉(zhuǎn)換器、以及閑置摸式和掉電摸式2個可選擇的省電摸式等[3]。(3)系統(tǒng)內(nèi)從新編程（ISP InSystem Programming) 功能 AVR單片機片內(nèi)可下載FLASH存儲器，可以通過SPI串行接口或一般的編程器進行系統(tǒng)內(nèi)重新編程（ISP InSystem Programming)，給新產(chǎn)品的開發(fā)、老產(chǎn)品的 級和維護帶來極大的方便。 總之，AVR單片機在一個芯片內(nèi)將增強性能的RISC 8位CPU與可下載的FLASH相結(jié)合使其成為適合于許多要求、具有高度靈活性和低成本的嵌入式高效微控制器。 方案1：用光敏電阻組成光敏探測器光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過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：用CCD攝像頭傳感器對于黑白攝像頭的圖像信號，圖像越黑，電壓越低，圖像越白，電壓越高。通過單片機的AD采集亮度信號，利用復(fù)合同步信號來控制采集像素的時序。采用視頻分離芯片，從模擬信號中分離出場、行同步信號和奇偶場信號后，接單片機的外部中斷口，產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中對AD采集的數(shù)據(jù)進行圖像存儲，從而形成一個二維的數(shù)字圖像。最后對圖像信號進行處理，獲得時序正確的數(shù)字圖像信息，即實際的黑線路徑參數(shù)。CCD攝像頭尋跡方案的優(yōu)點是可以更遠更早地感知路徑的變化，路徑分辨率高，前瞻性較強，缺點是對單片機片內(nèi)資源消耗大，實時性略差。方案3：用RPR220型光電對管RPR220 是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。其具有如下特點：內(nèi)置可見光過濾器能減小離散光的影響。體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。當發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時，三極管導(dǎo)通輸出低電平。電路簡單，工作性能穩(wěn)定。由于光敏電阻易受光照影響，CCD 攝像頭對單片機片內(nèi)資源消耗大等原因，本設(shè)計選擇方案3。方案1：使用超聲波探測器超聲波探測器的優(yōu)點是比較耐臟污，即使傳感器上有塵土，只要沒有堵死就可以測量，可以在較差的壞境中使用。缺點是精度較低，且成本較高。同時，超聲波探測具有幾厘米甚至幾十厘米的盲區(qū)，這對于小車是個致命的限制。方案2：使用激光測距傳感器 激光測距傳感器工作原理為：由激光二極管對準目標發(fā)射激光脈沖，經(jīng)目標反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時間，即可測定目標距離。激光測距傳感器測量范圍廣，響應(yīng)速度快；測量精度高，量程大。但其體積大，價格昂貴，不適用于本次智能小車的開發(fā)設(shè)計。方案3：使用紅外避障傳感器紅外避障傳感器E18D80NK平均有效探測距離為0—80cm可調(diào)，且抗外界背景光干擾能力強，可在日光下正常工作，這滿足了信號發(fā)射與接收的要求。該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點，可以廣泛應(yīng)用于機器人及智能車避障、流水線計件等眾多場合。由以上分析，本設(shè)計最終確定方案3。方案1：繼電器控制采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制,通過開關(guān)的切換對小車的速度進行調(diào)整。此方案的優(yōu)點是電路較為簡單,缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。方案2：采用由晶體管組成的H橋電路用單片機控制晶體管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機轉(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橋電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也很高，是一種廣泛采用的調(diào)速技術(shù)。方案3：采用L298N驅(qū)動芯片L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。由于繼電器的響應(yīng)時間慢、易損壞不適用于本次智能小車的設(shè)計。而L298N驅(qū)動芯片有各方面的優(yōu)勢，本設(shè)計選擇方案3。方案1：采用步進電機由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實現(xiàn)小車前進路程和位置的精確定位。雖然采用步進電機有諸多優(yōu)點，步進電機的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)。方案2：采用直流減速電機直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩。由以上分析，步進電機不適用于本次設(shè)計的要求，故本設(shè)計采用方案2。小車選用常見的智能車模型，小車總長20cm，寬150cm。小車為三輪結(jié)構(gòu)，前兩輪驅(qū)動，后輪為萬向輪，采用前輪差動轉(zhuǎn)向。 小車外形Fig. Car shape3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計本系統(tǒng)采用ATMEGA16單片機作為中央處理器。其主要任務(wù)是在小車行走過程中不斷讀取傳感器采集到的數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)進行處理后，來控制小車運動。ATMEGA16是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含16k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的ATMEGA16可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。其應(yīng)用范圍廣，性能良好，可用于解決復(fù)雜的控制問題。 最小系統(tǒng)電路Fig. Minimum system 尋跡模塊電路所用傳感器是RPR220。RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。 RPR220 RPR220 紅外發(fā)光二極管發(fā)射一定強度的紅外線照射物體，紅外光敏三極管在接收到反射回來的紅外線后導(dǎo)通，發(fā)出一個電平跳變信號。當小車在非黑色地面行駛時，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號，經(jīng)反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號，那么光敏三極管將導(dǎo)通。 。Fig. Tracing module circuit 當小車行駛到黑色引導(dǎo)線上時，紅外線信號被黑色吸收后，光敏三極管截止，經(jīng)LM339電壓比較器輸出低電平，從而實現(xiàn)了通過紅外線檢測信號的功能。將檢測到的信號送到單片機I/O口，當I/O口檢測到的信號為低電平時，表明紅外光被地上的黑色引導(dǎo)線吸收了，表明小車處在黑色的引導(dǎo)線上；同理，當I/O口檢測到的信號為高電平時，表明小車行駛在白色地面上。為了保證小車沿黑線行駛，采用了四個檢測器并行排列。其編號1至4對應(yīng)的硬件電路分別接在單片機的PA0、PAPAPA3端口。在小車運動過程中，結(jié)合查詢方式，通過程序控制小車運動軌跡。如果2號紅外對管和3號紅外對管檢測到黑線，則單片機控制小車向前直走；如果2號紅外對管偏離黑線，3號紅外對管檢測到黑線，則單片機控制小車輕微左移；如果3號紅外對管偏離黑線，2號紅外對管檢測到黑線，則單片機控制小車輕微右移；如果2號和3號紅外對管偏離黑線，1號紅外對管檢測到黑線，則單片機控制小車向左移動；如果2號和3號紅外對管偏離黑線，4號紅外對管檢測到黑線，則單片機控制