【正文】 摘 要PIC16F877A單片機(jī)是MicroChip公司生產(chǎn)一款八位單片機(jī)，它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評(píng)，它的豐富的外圍功能模塊為我們的設(shè)計(jì)提供了便利。這里介紹的是如何用紅外線傳感器采集信號(hào)并通過單片機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)避障尋線小車功能的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)是結(jié)合科研項(xiàng)目而確定的設(shè)計(jì)類課題。本系統(tǒng)以設(shè)計(jì)題目的要求為目的，并進(jìn)行了小車功能的拓展。小車采用PIC16F877A單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)智能小車的智能控制，包括智能避障、路面尋線、PWM調(diào)速、測(cè)速并實(shí)時(shí)顯示速度等功能。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性能高。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果滿足要求，本文著重介紹了該系統(tǒng)的方案論證、硬件設(shè)計(jì)方法及測(cè)試結(jié)果分析。關(guān)鍵詞：PIC16F877A； 紅外線傳感器； 避障尋線系統(tǒng)； PWM調(diào)速； 智能小車 ABSTRACTPIC16F877A microcontroller is an 8 bit MCU made by MicroChip pany, its ease of use and versatility are the majority of users praise,its rich peripheral function modules for our design provides convenience. Here is how to capture the signal using infrared sensors and through MCU control to achieve obstacle avoidance function of linetracking car design, the design is a bination of scientific research and to determine the design of class topics. The system design requirements for the purpose of the subject and had a car function expansion. PIC16F877A microcontroller to control the car using the core, intelligent car of the intelligent control, including the Smart obstacle avoidance, road hunting, PWM speed control, speed and realtime display speed and other functions. A simple circuit structure of the system reliability can be high. Experimental test results meet the requirements, this article highlights the program demonstration of the system, hardware design methods and test results analysis.Key words：PIC16F877A single chip puter。 Infrared sensors。 Obstacle avoidance seekingline system。 PWM speed。 Smart car 目 錄前言 11 方案設(shè)計(jì)與論證 2 總體方案選擇 2 各模塊方案選擇與論證 2 控制器模塊 2 避障模塊 3 尋線模塊 3 直流調(diào)速模塊 6 車速檢測(cè)模塊 7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 8 電源模塊 8 系統(tǒng)各模塊最終方案 82 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 9 電源電路設(shè)計(jì) 9 檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 9 電機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 10 PWM調(diào)速設(shè)計(jì) 11 舵機(jī)方向控制設(shè)計(jì) 123 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 13 13 軟件抗干擾技術(shù) 13 數(shù)字濾波技術(shù) 14 14 14 154 系統(tǒng)測(cè)試與調(diào)整 16 16 16 16總結(jié) 17致謝 18參考文獻(xiàn) 19附錄 20前 言當(dāng)今社會(huì)，科學(xué)技術(shù)日新月異，時(shí)代前進(jìn)的步伐越邁越寬，應(yīng)用自動(dòng)化設(shè)備,計(jì)算機(jī)處理,現(xiàn)代化通訊,數(shù)字化信息,現(xiàn)代化顯示設(shè)備等高新技術(shù)而建立的現(xiàn)代化智能,監(jiān)控等系統(tǒng)已經(jīng)得到充分的發(fā)展與應(yīng)用,智能機(jī)器人也就應(yīng)運(yùn)而生。同時(shí)，在建設(shè)以人為本的和諧社會(huì)的過程中，智能服務(wù)機(jī)器人能夠完成考古發(fā)掘，海底揭密，宇宙探索等危險(xiǎn)作業(yè)，以保證人身安全?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》一文指出：智能服務(wù)機(jī)器人是在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下為人類提供必要服務(wù)的多種高技術(shù)集成的智能化裝備。以服務(wù)機(jī)器人和危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用需求為重點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)方法、制造工藝、智能控制和應(yīng)用系統(tǒng)集成等共性基礎(chǔ)技術(shù)。重點(diǎn)研究低成本的自組織網(wǎng)絡(luò)，個(gè)性化的智能機(jī)器人和人機(jī)交互系統(tǒng)、高柔性免受攻擊的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和先進(jìn)的信息安全系統(tǒng)。由于單片機(jī)具有多功能、低價(jià)位及小型化等優(yōu)勢(shì)，它們已被廣泛地應(yīng)用在消費(fèi)電子、汽車電子、辦公室自動(dòng)化、通信及一般工業(yè)產(chǎn)品上。近些年來，單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，一些新型單片機(jī)層出不窮，技術(shù)日新月異。傳統(tǒng)單片機(jī)（MCU）主要由外圍部件、微控制器和存儲(chǔ)器構(gòu)成。新型單片機(jī)為了更好靈活地適應(yīng)不同領(lǐng)域的應(yīng)用，除了具有這些傳統(tǒng)的數(shù)字功能外，還提供模擬功能，甚至射頻功能，它們不僅是可編程的，而且是可動(dòng)態(tài)重構(gòu)的。它們是具有PsoC或SoPC特性的、真正的單片機(jī)。做單片機(jī)項(xiàng)目開發(fā)，首先應(yīng)該關(guān)注的是項(xiàng)目的功能和性能要求，,明確實(shí)現(xiàn)這些功能和性能指標(biāo)所需芯片的功能和結(jié)構(gòu)資源、綜合成本核算和產(chǎn)品集成度等要求，才能從琳瑯滿目、特色各異的芯片中選擇合適的貨架產(chǎn)品。2006━2020年，既是國家中長期技術(shù)發(fā)展計(jì)劃實(shí)現(xiàn)階段，也是我們最具有活力和最激情洋溢的時(shí)段。于是，我們五個(gè)人認(rèn)識(shí)到自己的位置，都對(duì)智能機(jī)器人的研發(fā)和制作有著強(qiáng)烈的好奇心，有著共同愛好和理想，想用自己的青春和智慧揮寫這段煥發(fā)青春活力的樂譜。隨著生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)自動(dòng)化上，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的感覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動(dòng)行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)于視覺的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá)，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機(jī)器視覺需要通過大量的運(yùn)算也只能識(shí)別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡單的目標(biāo)。視覺傳感器的核心器件是攝像管或CCD，但其價(jià)格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢(shì)，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近覺傳感器是一種實(shí)用有效的方法。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個(gè)視覺功能。故對(duì)機(jī)器人的研究已成為必要。 智能循線和避障是基于智能導(dǎo)引小車系統(tǒng)，采用紅外傳感器實(shí)現(xiàn)小車速度檢測(cè)，判斷并檢測(cè)障礙物。本文對(duì)智能小車的循線，避障以及速度的采集進(jìn)行了研究。第一章 方案設(shè)計(jì)與論證 總體方案選擇本設(shè)計(jì)的小車具有自動(dòng)避障，路面尋線的功能，小車在運(yùn)行過程中，能夠顯示當(dāng)前的運(yùn)行模式（避障模式和尋線模式），小車設(shè)有0~9檔共十個(gè)檔位的速度調(diào)節(jié)并能顯示當(dāng)前的檔位，并且在運(yùn)行過程中能夠?qū)崟r(shí)顯示速度，而且本小車還設(shè)有兩種模式自動(dòng)切換的功能。由題目分析可得：本設(shè)計(jì)需要一個(gè)由控制器模塊、尋線前進(jìn)模塊、紅外避障模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊等幾部分組成的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)題目要求。為實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的功能，下面分別對(duì)幾種不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了具體的分析論證。方案一：避障模式時(shí)，使用超聲波進(jìn)行避障。把超聲波模塊裝在小車上，通過超聲波接收到的信號(hào)，判斷出障礙物的位置情況來進(jìn)行多個(gè)方向的避障，在行進(jìn)過程中，小車對(duì)前方障礙物進(jìn)行檢測(cè)并根據(jù)障礙物情況進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)彎，進(jìn)行相應(yīng)方向轉(zhuǎn)彎重復(fù)前邊的行進(jìn)過程，尋線模式時(shí)，通過光電傳感器傳回的信息，判斷小車是否偏離軌跡，再作出相應(yīng)的處理，在軌跡上行走中。小車采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)速度差實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎。方案二：避障模式時(shí)，在小車左前、前、右前、左后、后、右后各安裝一個(gè)紅外傳感器，當(dāng)小車處于前進(jìn)狀態(tài)時(shí)，對(duì)前方3個(gè)紅外傳感器傳送的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)分析，當(dāng)有傳感器檢查到信號(hào)時(shí)，進(jìn)行停車處理并根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)情況進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎后退，后退3S后自動(dòng)前進(jìn)，在后退的過程中對(duì)后3個(gè)紅外線傳感器進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，若檢測(cè)到信號(hào)，就立即剎停后前進(jìn)。尋線模式時(shí)，單片機(jī)根據(jù)兩排尋線的紅外線傳感器采集的信號(hào)情況進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎使小車保持在黑線中央行進(jìn)。尋線過程中打開前面的紅外傳感器，時(shí)時(shí)檢測(cè)，防止小車碰到附近的墻壁。 兩個(gè)方案比較，方案一的超聲波傳感器受環(huán)境的影響較大，故放棄了此種方案。而方案二，采用普遍應(yīng)用的傳感器采集信號(hào)，且舵機(jī)控制方向精準(zhǔn)、反映速度快、轉(zhuǎn)彎平緩靈活等優(yōu)點(diǎn)，故選擇了方案二。這種方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。 各模塊方案選擇與論證 控制器模塊單片機(jī)控制模塊在本系統(tǒng)中處于核心地位，其工作包括采集傳感器的信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行等。對(duì)單片機(jī)控制模塊的基本要求是具有較高的速度、資源配置滿足要求。方案一：采用傳統(tǒng)的8位89C51單片機(jī)作為運(yùn)動(dòng)物體的控制核心。經(jīng)典51單片機(jī)具有價(jià)格低廉，使用簡單等特點(diǎn)，但其運(yùn)算速度低，功能單一，外圍模塊少等缺點(diǎn)。若采用51單片機(jī)，將增加軟件的設(shè)計(jì)難度。方案二：采用8位單片機(jī)PIC16F877A作為小車運(yùn)動(dòng)的控制中心。PIC16F877A具有豐富的硬件資源：RAM，ROM空間大、指令周期短、運(yùn)算速度快、低功耗、低電壓、外圍功能模塊多，單片機(jī)PIC16F877A的晶振頻率為4MHz，最高運(yùn)算速度可達(dá)20MHz；有8K的FLASH，5V供電，兩個(gè)8位和一個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可以自動(dòng)設(shè)置預(yù)設(shè)處置，具有運(yùn)行/ 睡眠方式，并且芯片自帶看門狗維護(hù)功能。程序具有易于編寫和調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮，采用方案二。 避障系統(tǒng)方案一：采用超聲波避障，超聲波受環(huán)境影響較大，電路復(fù)雜，而且墻壁對(duì)超聲波的反射，會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)障礙物的判斷。方案二：采用紅外傳感器避障（包括發(fā)射管和接收管），紅外線發(fā)射管發(fā)射信號(hào)，發(fā)射出的紅外線遇到障礙物反射，紅外線接受管對(duì)反射回的信號(hào)處理，經(jīng)高低電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行處理，完成避障功能。外界對(duì)紅外信號(hào)的干擾較小，易于實(shí)現(xiàn)，故采用方案二。 尋線系統(tǒng) 紅外檢測(cè)模塊用以實(shí)現(xiàn)小車沿著場地上標(biāo)出的黑色路線運(yùn)動(dòng)。題目中路徑和周圍場地黑白對(duì)比明顯，可用傳感器來感知前進(jìn)軌跡。方案一：可見光發(fā)光二極管與光敏二極管組成得發(fā)射—接收電路。這種方案的缺點(diǎn)在于其他環(huán)境光源會(huì)對(duì)光敏二極管工作產(chǎn)生很大干擾，環(huán)境要求比較高。外界環(huán)境條件改變，很可能造成誤判和漏判，因此沒有采用這個(gè)方案。方案二：采用紅外線傳感器。當(dāng)紅外線照射到下方的場地會(huì)發(fā)生反射，由于黑色膠皮和白色膠皮的反射系數(shù)不同，紅外線傳感器可根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱判斷是否有黑線。可使用雙排反射式紅外線傳感器控制，達(dá)到更高的控制精度。綜合考慮，選擇了抗干擾能力強(qiáng)且易于實(shí)現(xiàn)的紅外線電傳感器，即確定方案二。本系統(tǒng)采用雙排傳感器作為尋線系統(tǒng)的信號(hào)采集，目前，大多數(shù)智能車采用單排傳感器的道路檢測(cè)方式，這種方式獲得的道路信息少，對(duì)智能車的狀態(tài)和道路的狀況都不能很好地區(qū)別，造成控制上的麻煩。為了彌補(bǔ)不足，形成了大前瞻的單排傳感器的道路檢測(cè)方式，這種方式檢測(cè)的距離更遠(yuǎn)，能夠更早地判斷出道路的走向，在一定程度上彌補(bǔ)了檢測(cè)精度低的缺點(diǎn)，但也無法有效地區(qū)分智能車狀態(tài)與道路狀況?！　”荣惖能嚹？蛇x用攝像頭或傳感器的方式進(jìn)行道路信息檢測(cè)，我們的車模采用的是雙排紅外的循跡方式，采用大前瞻雙排傳感器可以得到更多的賽道信息，更早地采取策略處理，形成更好的行車軌跡。是采用復(fù)雜的攝像頭方案的一種替代方式?！　】梢栽谥钡乐袑?shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，加速順暢的能力；在S彎中以小曲線的方式前進(jìn)，減少行進(jìn)路線和舵機(jī)調(diào)整次數(shù)。在大彎中實(shí)現(xiàn)提前轉(zhuǎn)彎，切內(nèi)彎的效果。尤其是在轉(zhuǎn)彎方面，通過前后排共同對(duì)彎道的預(yù)測(cè)，達(dá)到延伸物理識(shí)別距離的能力，從而做出提前的動(dòng)作，減少由于檢測(cè)距離近而帶來的負(fù)面影響，達(dá)到上述效果。傳感器陣列布局如圖11所示，圖中僅以接受管示意傳感器位置。圖11 傳感器陣列布局布局方式說明：前排傳感器伸出距離較遠(yuǎn)，小車中心偏離黑線后，會(huì)在前排傳感器上產(chǎn)生較大偏移量。后排傳感器伸出距離較近，小車中心偏離黑線后，會(huì)在后排傳感器上產(chǎn)生較小偏移量。利用前后排傳感器對(duì)小車偏移時(shí)不同的敏感度對(duì)小車進(jìn)行控制。為了使前后排體現(xiàn)出更明確的分工和采集到更遠(yuǎn)處的信息，我們把前排傳感器傾斜約45176。角，使前排的前瞻距離更大，更能體現(xiàn)出前排的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。直道識(shí)別方式、控制策略：采用此種方式布局雙排紅外，對(duì)于直道的判別方法可有以下5種物理方式，每種方式應(yīng)用的時(shí)機(jī)列于后。圖12 第一種直道情況在左轉(zhuǎn)大彎后，出彎時(shí)最可能出現(xiàn)的前后排傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)的組合情況。適用于左轉(zhuǎn) 90176。彎、180176。彎。提前得到出彎信息，舵機(jī)向左轉(zhuǎn)動(dòng)較小角度，并在此時(shí)采取加速動(dòng)作，起到彌補(bǔ)前瞻不足的作用。此情況在賽道的s彎出現(xiàn)時(shí)，不滿足直道的第二種識(shí)別方式，故不會(huì)加速。圖13 第二種直道情況此情況是對(duì)第一種情況的再確認(rèn)，左轉(zhuǎn)大彎并經(jīng)過第一種情況后，再經(jīng)歷此種情況，可確認(rèn)無誤前方為直道，繼續(xù)提升小車的加速能力?？刂瞥绦蛴蓮澋莱绦蚯袚Q到直線穩(wěn)定程序。圖1