【正文】 的基礎(chǔ)。本課題是設(shè)計(jì)一款能自動(dòng)尋跡避障的智能小車。智能小車能具有以下兩個(gè)功能。（1） 循跡功能，能按照路面的黑色軌跡行駛；（2） 自動(dòng)避障功能，小車在行駛過(guò)程中能識(shí)別障礙物，做到準(zhǔn)確無(wú)誤的躲避障礙物。本課題研究的任務(wù)主要有以下幾個(gè)方面。（1） 根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，進(jìn)行系統(tǒng)的硬件與軟件的整體設(shè)計(jì)。（2） 選擇性價(jià)比最佳的器件來(lái)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)方法，使程序結(jié)構(gòu)清晰，可讀性強(qiáng)。（3） 系統(tǒng)硬件方面設(shè)計(jì)包括：外圍電路的合理設(shè)計(jì)。主要內(nèi)容有：核心控制模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，循跡模塊，避障模塊的方案選擇與設(shè)計(jì)。（4） 系統(tǒng)軟件方面設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)主程序，過(guò)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(lái)實(shí)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(jì)、各功能模塊的軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試、系統(tǒng)整體電路與軟件調(diào)試。在滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)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(jì)實(shí)用，滿足本身本次設(shè)計(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)智能小車的尋跡和避障。2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)此系統(tǒng)是以單片機(jī)為控制核心，處理執(zhí)行各個(gè)外部傳感器檢測(cè)得到的電平信號(hào)，其中外部信號(hào)有兩部分得到：紅外對(duì)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(jī)，使小車做出正確的反應(yīng)。紅外對(duì)管循跡模塊使用四個(gè)紅外對(duì)管檢測(cè)地面的黑線，單片機(jī)通過(guò)四個(gè)紅外對(duì)管的高低電平變化控制小車的移動(dòng)方向；紅外避障模塊將紅外避障傳感器固定于小車前端，當(dāng)檢查到前方固定距離之內(nèi)出現(xiàn)障礙物，單片機(jī)控小車右轉(zhuǎn)；當(dāng)檢查到右方出現(xiàn)障礙物，單片機(jī)控制小車左轉(zhuǎn)。當(dāng)檢查到左方出現(xiàn)障礙物，單片機(jī)控制小車右轉(zhuǎn)。AVR單片機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊循跡模塊電機(jī)避障模塊 總體設(shè)計(jì)框圖 Fig. Overall design block diagramATMEL公司新推出的ATmega系列單片機(jī)內(nèi)含高速閃存FLASH，是基于增強(qiáng)精簡(jiǎn)指令RISC（Reduced Instruction Set CPU)結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，簡(jiǎn)稱AVR單片機(jī)，該系列單片機(jī)在吸收PIC及8051單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，做出了重大的改進(jìn)。AVR單片機(jī)的特點(diǎn)(1)速度快 AVR單片機(jī)在單一時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行功能強(qiáng)大的指令，每MHz可實(shí)現(xiàn)階段MIPS的處理能力，是具有最高M(jìn)IPS/mw能力的確良8位單片機(jī)。 AVR單片機(jī)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(gè)通用工作寄存器組成。AVR用32個(gè)通用寄存器代替累加器，避免了傳統(tǒng)的累加器與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送，可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令來(lái)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)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(jī)是用一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令的，即在執(zhí)行前一條指令時(shí)就取出下一條指令，然后以一個(gè)周期執(zhí)行指令（與DSP類似），是8位單片機(jī)中第一種真的RISC單片機(jī)。(2)性能價(jià)格比高 AVR單片機(jī)中既有引腳少的器件（8腳），也有存儲(chǔ)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(jī)采用Harvard結(jié)構(gòu)，程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是分開的，可以直接訪問(wèn)8M字節(jié)程序存儲(chǔ)器和8M的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。AVR單片機(jī)片內(nèi)資源豐富。包括：1K128K字節(jié)可下載的Flash存儲(chǔ)器、644K字節(jié)EEPROM、1284K字節(jié)RAM、532條通用的I/O線，32個(gè)通用工作寄存器、摸擬比較器、定時(shí)器/計(jì)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(shí)器、為下載程序而設(shè)計(jì)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(gè)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(jī)片內(nèi)可下載FLASH存儲(chǔ)器，可以通過(guò)SPI串行接口或一般的編程器進(jìn)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(jí)和維護(hù)帶來(lái)極大的方便。 總之，AVR單片機(jī)在一個(gè)芯片內(nèi)將增強(qiáng)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(cè)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(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時(shí)，阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過(guò)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(duì)于黑白攝像頭的圖像信號(hào)，圖像越黑，電壓越低，圖像越白，電壓越高。通過(guò)單片機(jī)的AD采集亮度信號(hào)，利用復(fù)合同步信號(hào)來(lái)控制采集像素的時(shí)序。采用視頻分離芯片，從模擬信號(hào)中分離出場(chǎng)、行同步信號(hào)和奇偶場(chǎng)信號(hào)后，接單片機(jī)的外部中斷口，產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中對(duì)AD采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像存儲(chǔ)，從而形成一個(gè)二維的數(shù)字圖像。最后對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行處理，獲得時(shí)序正確的數(shù)字圖像信息，即實(shí)際的黑線路徑參數(shù)。CCD攝像頭尋跡方案的優(yōu)點(diǎn)是可以更遠(yuǎn)更早地感知路徑的變化，路徑分辨率高，前瞻性較強(qiáng)，缺點(diǎn)是對(duì)單片機(jī)片內(nèi)資源消耗大，實(shí)時(shí)性略差。方案3：用RPR220型光電對(duì)管RPR220 是一種一體化反射型光電探測(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)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(dāng)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(cè)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(cè)出黑線繼而輸出高電平。其具有如下特點(diǎn)：內(nèi)置可見光過(guò)濾器能減小離散光的影響。體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來(lái)時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出低電平。電路簡(jiǎn)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(duì)單片機(jī)片內(nèi)資源消耗大等原因，本設(shè)計(jì)選擇方案3。方案1：使用超聲波探測(cè)器超聲波探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是比較耐臟污，即使傳感器上有塵土，只要沒(méi)有堵死就可以測(cè)量，可以在較差的壞境中使用。缺點(diǎn)是精度較低，且成本較高。同時(shí)，超聲波探測(cè)具有幾厘米甚至幾十厘米的盲區(qū)，這對(duì)于小車是個(gè)致命的限制。方案2：使用激光測(cè)距傳感器 激光測(cè)距傳感器工作原理為：由激光二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，經(jīng)目標(biāo)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(cè)極其微弱的光信號(hào)。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間，即可測(cè)定目標(biāo)距離。激光測(cè)距傳感器測(cè)量范圍廣，響應(yīng)速度快；測(cè)量精度高，量程大。但其體積大，價(jià)格昂貴，不適用于本次智能小車的開發(fā)設(shè)計(jì)。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(cè)距離為0—80cm可調(diào)，且抗外界背景光干擾能力強(qiáng)，可在日光下正常工作，這滿足了信號(hào)發(fā)射與接收的要求。該傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人及智能車避障、流水線計(jì)件等眾多場(chǎng)合。由以上分析，本設(shè)計(jì)最終確定方案3。方案1：繼電器控制采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制,通過(guò)開關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整。此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)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(jī)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(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橋電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(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(dòng)芯片L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。由于繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、易損壞不適用于本次智能小車的設(shè)計(jì)。而L298N驅(qū)動(dòng)芯片有各方面的優(yōu)勢(shì)，本設(shè)計(jì)選擇方案3。方案1：采用步進(jìn)電機(jī)由于其轉(zhuǎn)過(guò)的角度可以精確的定位，可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)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(jī)直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩。由以上分析，步進(jìn)電機(jī)不適用于本次設(shè)計(jì)的要求，故本設(shè)計(jì)采用方案2。小車選用常見的智能車模型，小車總長(zhǎng)20cm，寬150cm。小車為三輪結(jié)構(gòu)，前兩輪驅(qū)動(dòng)，后輪為萬(wàn)向輪，采用前輪差動(dòng)轉(zhuǎn)向。 小車外形Fig. Car shape3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用ATMEGA16單片機(jī)作為中央處理器。其主要任務(wù)是在小車行走過(guò)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(jìn)行處理后，來(lái)控制小車運(yùn)動(dòng)。ATMEGA16是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，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(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的ATMEGA16可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)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(wèn)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(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)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(qiáng)度的紅外線照射物體，紅外光敏三極管在接收到反射回來(lái)的紅外線后導(dǎo)通，發(fā)出一個(gè)電平跳變信號(hào)。當(dāng)小車在非黑色地面行駛時(shí)，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號(hào)，經(jīng)反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號(hào)，那么光敏三極管將導(dǎo)通。 。Fig. Tracing module circuit 當(dāng)小車行駛到黑色引導(dǎo)線上時(shí)，紅外線信號(hào)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(shí)現(xiàn)了通過(guò)紅外線檢測(cè)信號(hào)的功能。將檢測(cè)到的信號(hào)送到單片機(jī)I/O口，當(dāng)I/O口檢測(cè)到的信號(hào)為低電平時(shí)，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(dāng)I/O口檢測(cè)到的信號(hào)為高電平時(shí)，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(gè)檢測(cè)器并行排列。其編號(hào)1至4對(duì)應(yīng)的硬件電路分別接在單片機(jī)的PA0、PAPAPA3端口。在小車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，結(jié)合查詢方式，通過(guò)程序控制小車運(yùn)動(dòng)軌跡。如果2號(hào)紅外對(duì)管和3號(hào)紅外對(duì)管檢測(cè)到黑線，則單片機(jī)控制小車向前直走；如果2號(hào)紅外對(duì)管偏離黑線，3號(hào)紅外對(duì)管檢測(cè)到黑線，則單片機(jī)控制小車輕微左移；如果3號(hào)紅外對(duì)管偏離黑線，2號(hào)紅外對(duì)管檢測(cè)到黑線，則單片機(jī)控制小車輕微右移；如果2號(hào)和3號(hào)紅外對(duì)管偏離黑線，1號(hào)紅外對(duì)管檢測(cè)到黑線，則單片機(jī)控制小車向左移動(dòng)；如果2號(hào)和3號(hào)紅外對(duì)管偏離黑線，4號(hào)紅外對(duì)管檢測(cè)到黑線，則單片機(jī)控制