【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 1 頁(yè) 共 28 頁(yè) 1 緒論 課題背景級(jí)意義 當(dāng)今社會(huì)越來(lái)越趨向智能化的方向發(fā)展，車輛的智能化也是如此。他可 以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)特定的環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，無(wú)需人為管理，便可以完成預(yù)期所要達(dá)到的或是更高的目標(biāo)。 目前，國(guó)內(nèi)許多的大學(xué) 及 研究機(jī)構(gòu)都在投入大量的人力財(cái)力研究和開(kāi)發(fā)針對(duì)特殊條件下的安全 檢測(cè)系統(tǒng)。其中包括研究使用遠(yuǎn)程、無(wú)人的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控等。而智能小車就是機(jī)器人中間的典范。一般的智能小車可以分為三大部分組成：控制核心部分，傳感器檢測(cè)部分，驅(qū)動(dòng)部分。這種小車主要實(shí)現(xiàn)的是自動(dòng)避障功能，同時(shí)還可以擴(kuò) 展出循跡等功能，感知引導(dǎo)線和障礙物?？梢詫?shí)現(xiàn)小車自動(dòng)識(shí)別線路，選擇正確的行進(jìn)路線，當(dāng)檢測(cè)到障礙物的時(shí)候能自動(dòng)進(jìn)行躲避。 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，無(wú)論是在生活上還是在生產(chǎn)上，都可以見(jiàn)到單片機(jī)的身影。 ATMELA 公司的 STC86C52 可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。 STC89C52 可以說(shuō)是單片機(jī)領(lǐng)域的主流產(chǎn)品，更是受廣大生廠商的親睞，所以有必要去學(xué)習(xí)和應(yīng)用該單片機(jī)，以滿足實(shí)際開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的需要，也是我們適應(yīng)社會(huì)自動(dòng)化和智能化的趨勢(shì)。本次小車的用的CPU 就是該 型號(hào)的單片機(jī)。 通過(guò)設(shè)計(jì)和構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，能夠有效 地 培養(yǎng) 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的能力。在時(shí)間過(guò)程中，熟悉以單片機(jī)為核心的控制芯片，設(shè)計(jì)小車的檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)和顯示等外圍電路，采用智能控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)循跡功能。靈活運(yùn)用電機(jī)學(xué)，自動(dòng)控制原理等相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí)，聯(lián)系實(shí)際電路設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)方法，打到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。并且在制作過(guò)程中加深對(duì)控制理論的理解和認(rèn)識(shí)。 本課題 的章節(jié)安排 本文一共分為六個(gè)章節(jié)，分別是緒論、總體方案論證、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試分析還有結(jié)束語(yǔ)。 總體方案論證主要包括對(duì) 小車 主控系 統(tǒng)、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊、調(diào)速模塊、循跡模塊還有機(jī)械模塊做出介紹并論證 。 硬件電路設(shè)計(jì) 主要 是對(duì) 單片機(jī) 各個(gè)引腳的功能以及它的內(nèi)部功能做一個(gè)詳細(xì)的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 2 頁(yè) 共 28 頁(yè) 介紹，并且 詳細(xì)介紹了驅(qū)動(dòng)模塊的 L298N 的用法、功能以及其工作的原理 。 還有循跡模塊 模塊的組成，工作原理，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)路面的檢測(cè)從而讓小車正確的找到路線行駛下去。 軟件設(shè)計(jì)介紹小車的軟件程序，軟件執(zhí)行的流程 。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的程序，還有小車正確循跡所依仗的程序。 本課題的任務(wù)內(nèi)容 本課題將要完成以下幾個(gè)要求的工作： (1) 設(shè)計(jì)循跡模塊電路、單片機(jī)控制電路及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 。 (2) 小車偏離軌道后能及時(shí)調(diào)整方向，小車具有啟動(dòng)停止功能。 (3) 小車具有左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)及后退功能。 (4) 設(shè)計(jì) C51 程序，畫(huà)出程序流程圖。 (5) 設(shè)計(jì)電路圖并制作實(shí)物。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 3 頁(yè) 共 28 頁(yè) 2 總體方案論證 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定如下方案： 自己制作一個(gè)小車的模型，并在其上面安裝傳感檢測(cè)部分，使其能對(duì)小車的速度，運(yùn)行情況以及位置進(jìn)行檢測(cè)，并且將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)處理，單片機(jī)會(huì)根據(jù)內(nèi)在的程序還有所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后控制小車的動(dòng)作。 這種方案能可以 靈活地實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的實(shí)時(shí)控制，而且精度高，能很好的滿足該系統(tǒng)的各 個(gè)要求。 主控系統(tǒng) 現(xiàn)在市面上的控制模塊有很多，不同的控制模塊其編程的難易度，處理速度的快慢以及價(jià)格上都有著很多差異，這里我列出兩種市面上的主流單片機(jī)來(lái)進(jìn)行比較。 方案一：選用一片 CPLD（如 EPM7128LC8415）作為系統(tǒng)的核心部件， 實(shí)現(xiàn)控制與處理的功能。 CPLD 具有速度快、編程容易、資源豐富、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，可利用 VHDL 語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)開(kāi)發(fā)。但 CPLD 在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢(shì)。同時(shí)，CPLD 的處理速度非常快，而小車的行進(jìn)速度不可能太高，那么對(duì)系統(tǒng)處理信息的要求也就不會(huì)太高，在這一點(diǎn)上 ， MCU 就已經(jīng)可以勝任了。若采用該方案，必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此，我們不采用該種方案，進(jìn)而提出了第二種設(shè)想。 方案二 ： 采用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車，以實(shí)現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)控制，而在這一點(diǎn)上，單片機(jī)就 顯現(xiàn)出來(lái)它的優(yōu)勢(shì) ——控制簡(jiǎn)單、方便、快捷。這樣一來(lái)，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資 源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，這種方案是一種較為理想的方案。 針對(duì)本設(shè)計(jì)特點(diǎn) ——多開(kāi)關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控 制系統(tǒng)，需要擅長(zhǎng)處理多開(kāi)關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)，而不能用精簡(jiǎn) I/O口和程序存儲(chǔ)器的小體積單片機(jī)， D/A、 A/D功能也不必選用。根據(jù)這些分析 ,我選定了 STC89C52單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控裝置， 51單片機(jī)具有功能強(qiáng)大的位操作指令， I/O口均可按位尋址，程序空間多達(dá) 8K，對(duì)于本設(shè)計(jì)也綽綽有余，更可貴的是 51單片機(jī)價(jià)格非常低廉。 在綜合考慮了傳感器、兩部電機(jī)的驅(qū)動(dòng)等諸多因素后，我們決定采用一片單片機(jī)， 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 4 頁(yè) 共 28 頁(yè) 充分利用 STC89C52單片機(jī)的資源。 電機(jī)模塊 電機(jī)是小車動(dòng)作的關(guān)鍵部位，選擇適當(dāng)?shù)碾?機(jī)能很好的控制小車的 運(yùn)行，這次小車的電機(jī)我準(zhǔn)備在直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)中間選擇，下面是對(duì)它們做的比較。 方案一：采用步進(jìn)電機(jī)作為小車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如它能很精確的定位轉(zhuǎn)過(guò)的角度，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小車在前進(jìn)路程和位置的精確定位。但是步進(jìn)電機(jī)還是有很多的缺點(diǎn)的，比如它的輸出力矩較低，會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的升高而下降，并且在較高轉(zhuǎn)速的情況下會(huì)極具下降，其轉(zhuǎn)速較低，不合適這次的設(shè)計(jì)要求，本次的設(shè)計(jì)是對(duì)小車的速度有一定的要求的。經(jīng)綜合比較考慮，我放棄了此方案。 方案二：采用直流電機(jī)作為小車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。直流電機(jī)的控制方法相對(duì)于異步電機(jī)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，只需要給電機(jī)的 兩跟控制線加上適當(dāng)?shù)碾妷壕涂梢允闺姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，所加的電壓越高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)越高。對(duì)于直流電機(jī)的調(diào)速方案，可以采用串電阻調(diào)節(jié)電壓的方案也可采用 PWM 調(diào)速方案。 PWM 調(diào)速方案就是使加在直流電機(jī)兩端的電壓為方波形式，通過(guò)改變方波的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 基于以上分析，我選擇了方案二，采用直流電機(jī)作為小車的驅(qū)動(dòng)電機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊也是決定小車運(yùn)行好壞的關(guān)鍵所在，有效可靠的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊能是小車運(yùn)行起來(lái)更加流暢，更加容易達(dá)到 預(yù)期的效果。而且能很容易實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向，前進(jìn)。這里我列出了兩種驅(qū)動(dòng)方案： 方案一： 采用繼電器對(duì)電動(dòng)的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，接通不同的開(kāi)關(guān)的時(shí)候通過(guò)改變接到電機(jī)的中間電阻來(lái)改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的。此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單， 但是缺點(diǎn)也是很明顯的。繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢，易損壞，壽命較短，可靠性不高。 方案二 ： 采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N（如圖 ） 。 L298N為單塊集成電路，高電壓、高電流、第通道驅(qū)動(dòng)。可直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，無(wú)需隔離電路。該芯片的工作流程是通過(guò)改變單片機(jī) I/O口對(duì)芯片控制端的電平，就可以相應(yīng)的控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)以及停止。這 種控制即方便，又能滿足直流電機(jī)對(duì)大電流的需求。 此外，L298N還搭載了由達(dá)林頓管組成的 H型橋式電路。單片機(jī)通過(guò)控制控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)條件下，就能夠調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢。由于電子管開(kāi)關(guān)速本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論