【文章內容簡介】 幾 乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究?？梢娖溲芯恳饬x很大。 近年來機器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式。人們在不斷探討、改造、認識自然的過程中，制造能替代人勞動的機器一直是人類的夢想。而近幾十年來中國在航天領域的發(fā)展越來越快，世界各國也從沒停止過探索外星的腳步。在外星球惡劣的環(huán)境下探索全由人去完成是不可能的。那么可以自動駕駛的小車就發(fā)揮了它的作用了。 美國和前蘇聯是從 20 世紀 60 年代末期開始進行月球表面探測任務的。美國曾在 19661968 年間 向月球成功發(fā)射了 兩次無人巡游探測器。 1997 年 由美國JPL(全稱 JetPropulsion Laboratory 美國太空總署噴氣推進實驗室 )研制的Sojourner 號探測車登上了火星。它驗證了小型火星車的性能 并完成了一系列技術試驗。 2022 年 1 月 美國的“勇氣號”和“機遇號”火星探測車再度登陸火星。前蘇聯在 19591976 年間 總共成功發(fā)射了兩個月球探測車 。 智能小車不僅僅在科研上有發(fā)揮之地，其 主要應用領域包括以下幾個方面 : (1) 軍事偵察與環(huán)境探測 現代戰(zhàn)爭對軍事偵察提出了更高的要求 世界各國普遍重視對軍事偵察的建設采取 各種有效措施預防敵方的突然襲擊并廣泛應用先進科學技術不斷研制多用途的偵察器材和探測設備在車上裝備攝像機、安全激光測距儀、夜視裝置和衛(wèi)星全球定位儀等設備通過光纜操縱完成偵察和監(jiān)視敵情、情報收集、目標搜索和自 主巡邏等任務 進一步擴大偵察的范圍提高偵察的時效性和準確性。 (2) 探測危險與排除險情 在戰(zhàn)場上或工程中 常常會遇到各種各樣的意外。這時 智能化探測小車就會發(fā)揮很好的作用。戰(zhàn)場上可以使用智能車輛掃除路邊炸彈、尋找和銷毀地雷。民 3 用方面可以探測化學泄漏物質可以進行地鐵滅火以及在強烈地震發(fā)生后到廢墟中尋找被埋人 員等。 (3) 安全檢測受損評估 在工程建設領域 可對高速公路自動 尋 跡進行道路質量檢測和破壞分析檢測 。對水庫堤壩、海岸護岸堤、江河大壩進行質量和安全性檢測。在制造領域 可用于工業(yè)管道中機械損傷裂 紋等缺陷的探尋 對輸油和輸氣管線的泄漏和破損點的查找和定位等。 (4) 智能家居 在 家庭中 可以用智能小車進行家具、遠程控制家中的家用電器控制室溫等 。 課題研究的目的和意義 智能小車作為機器人的典型代表。它可以分為三大組成 部分 ： 傳感器檢測部分、執(zhí)行部分、 CPU。 其中最基本的 尋跡 功能的 實現就必須要感知導引線，感知導 引線相當給機器人一個視覺功能。使用傳感器感知 線 路使小車實現自動識別路線，快速到達指定地點。 本設計的尋 跡 小車利用 ATmega8 單片機為控制核心，通過傳感器對路面黑色軌跡進行檢測，并將路面檢測信號通過 ADC 轉換為數字信號。單片機對采集到的信號予以分析判斷，及時控制直流電機不同的轉動狀態(tài) ,通過小車的前進、左轉、右轉以調整小車的轉向，使小車達到沿著既定軌道行駛。 本設計用到的 ATmega8 單片機。它是一款比較先進的控制核心。 ATmega8 是一款采用低功耗 CMOS 工藝生產的基于 AVR RISC 結構的 8 位 單片機 。 AVR 單片機的核心是將 32 個工作寄存器和豐富的指令集聯結在一起，所有的工作寄存器都與 ALU（ 算術邏輯單元 ）直接相連，實 現了在一個 時鐘周期 內執(zhí)行的一條指令同時訪問（讀寫）兩個獨立寄存器的操作。這種結構提高了代碼效率，使得大部分指令的執(zhí)行時間僅為一個 時鐘周期 。因此， ATmega8 可以達到接近1MIPS/MHz 的性能，運行速度比普通 CISC 單片機 高出 10 倍。 這里的 尋跡 是指小車在黑色地板上循白線行走，通常采取的方法是紅外探測法。 紅外探測法即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點在小車行駛過程中不 斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色紙質地板時發(fā) 4 生漫反射反射光被裝在小車上的接收管接收，如果遇到黑線則紅外光被吸收小車上的接收管接收不到紅外光。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限，一般不應超過 3cm。 通過構建智能小車系統 培養(yǎng)設計并實現自動控制系統的能力。在實踐過程中熟悉以單片機為核心控制芯片設計小車的檢測、驅動和顯示等外圍電路采用智能控制算法實現小車的智能循跡。靈活應用機電等相關學科的理論知識聯系實際電路設計的具體實現方法達到理論與實踐的統一。 在此過程中加深對控制理論的理解和認識 。 5 第二章 系統總設計方案 任務要求 基于 ATmega8 單片機設計一智能 尋 跡小車。要求小車能按給定的黑線 自動尋找 軌跡 并按照軌跡平穩(wěn)的行駛。 實現 小車 自動 辨別黑 線行駛功能。 系統方案方框圖如圖 21 所示。 圖 21 系統方案方框圖 根據上述要求，本論文的主要工作內容： （ 1）路面檢測模塊設計及實物傳感器的安裝 （ 2） ATmega8 主控芯片最小系統和下載電路設計 （ 3） 直流電機的調速及 PID 跟蹤 控制理論設計 和軟件設計 （ 1） 根據實物電路圖完成仿真電路圖設計 （ 2） 軟件的總體設計及 ICC AVR 編程 （ 3） Proteus 仿真測試 理論及設計方案 驅動方面：尋跡小車采用后輪驅動，后輪左右兩邊各用一個直流電機驅動?？刂谱笥覂呻姍C的轉速以達到控制小車轉向的目的。為了讓小車能平穩(wěn)通過角度極端的彎道，在降低左電機速度，同時會給右電機加速。這種方式能更有效的控制小車轉向。 路面檢測方面： 本設計以白底黑線做為小車檢測基礎，小車由紅外線對管的檢測，按黑線循環(huán)行駛。由于 不同顏色的物 體表面具有不同的反射性質 ，紅外 探測 發(fā)射極向地面發(fā)射紅外線， 當紅外光遇到白色紙質地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收 ；當 黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到光電檢測 信息處理軟件控制 驅動電 機 控制小車 6 紅外光 。根據這種特點就可以檢測出小車的行駛軌跡。但由于 紅外探測器探測距離有限 和環(huán)境光線干擾會導致小車在檢測上帶來誤差。紅外探測距離可經多次實驗得到最佳距離。環(huán)境光線帶來誤差可以靠軟件來避免。 系統總體框架 自動 尋 跡小車控制系統由主控制電路模塊 、 紅外檢測模塊 、 電機驅動模塊等部分組成 ,控制系統的結構框圖如圖 22 所示 。 其工作原理是： 紅 外檢測模塊不斷 檢測 黑線 ，檢測到的紅外信號送到 ADC 轉換電路， ADC 轉化電路將轉換完的數字信號送到單片機， 單片機做出判斷并驅動 電機，來使尋線機器人可以自主的尋線行駛，自由轉彎。 圖 22 控制系統的結構紅外檢測模塊 主控芯片 ATmega8 MUC 電機驅動模塊 7 第三章 主要元件 說明 與硬件設計 尋跡傳感器模塊 尋跡是 指小車在白色地板上循黑線行走， 由于黑線和白色地板對光線的反射系數不同，可以根據接收到的反射光的強弱來判斷“道路”。 通常采取的方法是紅外探測法。 即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射 性質的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光過，當紅外光遇到白色紙質地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。由此過程可以判斷黑線的位置，從而單片機控制左右電機的轉速，以達到尋跡行駛。 ITR8307 介紹 ITR8307 是一種光反射開關，其結構包括一個材料為 GaAs(砷化鎵 )的紅外LED 發(fā)射機和一個 NPN 晶體管的高敏紅外接收器。這個兩個組件并排封裝?？捎糜诮邮者M行短距離、大范圍的紅外線。 圖 31 外觀及內部電路圖 ①：陰極 ②：陽極 ③：集電極 ④：發(fā)射極 尺寸單位： mm 8 ITR8307 的輸入輸出及反應速度參數如 31 表所示 表 31 ITR8307 參數表如下 傳感器電路圖 傳感器 ITR8307 是尋線的主要元件， PD0 接單片機。單片機控制 PD0 高低電平，從而控制紅外發(fā)射 LED 是否發(fā)射紅外光。 ADC0 接單片機。些端口的信號傳入單片機，經 A/D 轉換后，得到電壓值。根據電壓值判斷是否檢測到黑線。 電路圖如圖 32 所示： 參數 符號 基本 值 最大值 單位 條件 輸入 25℃標準大氣 壓下的功率 Pd 75 mW 正向電壓 VF V IF=20mA 反向電流 IR 10 mA VR=5V 峰值波長 λP 940 nm 輸出 暗電流 ICEO 100 nA VCE=10V CE 飽和電壓 VCE(sat) V IC=2mA IB= 速度 上升速度 tr 20 μsec VCE=2V IC=100μA RL=1KΩ 下降速度 tf 20 μsec 工作溫度 Topr 25 80 ℃ 焊接溫度 Tsol 260 ℃ 9 圖 32 傳感器 ITR8307 電路圖 傳感器的安裝 查閱 ITR8307 傳感器 規(guī)格書 ，圖 33 主 要 說明傳感器發(fā)射極電流與反射板距離關系。實驗采用鋁板為反射板。從圖中可知傳感在距離 處，發(fā)射極電流比上集電極電流達到最高。但考慮到距離太過貼近，設計傳感器安裝距地面 2~3 mm。 圖 33 發(fā)射極電流與距離 d 關系圖 發(fā)射極電流與距離 d (mm)關系 發(fā)射極電流相對集電極電流百分比（%） IF=4mA VCE=2V Ta=25℃ 傳感器距離鋁板 d (mm) 10 控制器模塊 ATmega8 介紹 ATmega8 是 ATMEL 公司在 2022 年第一季度推出的一款新型 AVR 高檔單片機。在 AVR 家族中， ATmega8 是一種非常特殊的 單片機，它的芯片內部集成了較大 容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，具備 AVR 高檔單片機 MEGE系列的全部性能和特點。但由于采用了小引腳封裝（為 PDIP 28和 TQFP/MLF32），所以其價格僅與低檔單片機相當，再加上 AVR 單片機的系統內可編程特性，使得無需購買昂貴的仿真器和編程器也可進行單片機 嵌入式系統的設計和開發(fā)，同時也為單片機的初學者提供了非常方便和簡捷的學習開發(fā)環(huán)境。 ATmega8 引腳 如圖 34 所示 。 圖 34 ATmega8 PDIP 封裝引腳圖 11 ATmega8 單片機硬件 結構及主要性能 （ 1） 高性能、低功耗的 8 位 AVR 微控制器，先進的 RISC 精簡指令集結 構 130 條功能強大的指令，大多數為單時鐘周期指令 32 個 8 位通用工作寄存器 片內集成硬件乘法器（執(zhí)行速度為 2 個時鐘周期） （ 2） 片內集成了較大容量的非易失性程序和數據存儲器以及工作存儲器 8K 字節(jié)的 Flash 程序存儲器，擦寫次數：＞ 10000 次 支持可在線編程（ ISP） 512 個字節(jié)的 E2PROM，擦寫次數： 100000 次 可編程的程序加密位 （ 3） 豐富強大的外部接口（ Peripheral）性能 2 個具有比較模式的帶預分頻 器（ Separate Prescale）的 8 位定時 /計數器 1 個帶預分頻器 （ SeParat Prescale） 具有比較和捕獲模式的 16 位定時／計數器 2 個 PWM 通道，可實現任意相位和頻率可調的 PWM 脈寬調制輸出 6 通道 A/D 轉換（ PDIP 封裝）， 4 路 10 位 A/D+2 路 8 位 A/D 帶片內 RC 振蕩器的可編程看門狗定時器 片內模擬比較器 （ 4） 特殊的微控制器性能 可控制的上電復位延時電路和可編程的欠電壓檢測電路 內部集成了可選擇頻率（ l/2/4/8MHZ） 、可校準的 RC 振蕩器 外部和內部的中斷源 18 個 （ 5） I/O 口和封裝 最多 23 個可編程 I/O 口，可任意定義 I/O 的輸入 /輸出方向 輸出時為推挽輸出，驅動能力強，可直接驅動 LED 等大電流負載 輸入口可定義為三態(tài)輸入，可以設定帶內部上拉電阻，省去外接上拉電阻 （ 6） 寬工作電壓 （ ATmega8） 12 主要 I/O 口分配 表 32 單片機的主要 I/O 分配如 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 接收由傳感器的信號 PD0 PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 控制傳感器紅外發(fā)射器的通斷電 PB1 PB2 輸出 PWM 波控制左右電機轉速 PC6 單片機復位 時鐘電路 時鐘電路一般由晶振和電容組成。單片機必須在周期性的時鐘信號的作用下工作，如果沒有時鐘信號的限制，那單片機的工作就亂套。對于 ATmega8 單片機來說，它內部有經過校正的內部 RC 振蕩器，所以在對時鐘精度要求不高的場合，我們可以省去時鐘電路。 下載電路 這里選用現在普遍的 ISP 下載線路。 ISP 接口使用 ATmega8 四個接口： MOSI RST SCK MISO 。連接單片機電路如 圖 35 所示 。 圖 35 ISP 下載電路 13 復位電路 復位電路的作用：單片機復位電路就好比電腦的重啟部分，當電腦在使用中出現死機，按下重啟按鈕電腦內部的程序從頭開始執(zhí)行。單片機也一樣，當單片機系統在運行中，受到環(huán)境干擾出現程序跑飛的時候，按下復位按鈕內部的程序自動從頭開始執(zhí)行。 與傳統的 51 單片機相比， AVR 單片機內置復位電路，并且在熔絲位里，可以控制復位時間，所以， AVR 單片機可以不設外部上電復位電路，依然可以正常復位，穩(wěn)定工作。 但要 注意， AVR 單片機是低電平復位。 復位電路 設計很簡單：直接拉一只 10K 的電阻到 VCC 即可 (R1)。為了可靠，再加上一只 的電容 (C0)以消除干擾、雜波。 二極管 D1(1N4148)的作用有兩個：作用一是將復位輸入的最高電壓鉗在 Vcc+ 左右，另一作用是系統斷電時，將 R0(10K)電阻短路，讓 C0 快速放電，讓下一次來電時，能產生有效的復位。 總的復位電路 如圖 36 所示 ： 圖 36 復位電路圖 電機驅動模塊 本設計使用 小 型直流電機 。 直流電機由 脈寬調制（ PWM） 調速， 其工作原理是：通過改變“接通脈沖”的寬度，使直流電機電樞上的電壓的“占空比”改變，從而改變電樞電壓的平 均值，控制電機的轉速。因此，我們可以通過單片機， 14 生成固定頻率的脈沖信號，通過改變脈沖信號中的“占空比”來控制電機的轉速。圖 37 中 Q1 和 Q2 為大功率三極管，直接控制直流電機的通斷電。 D7 和 D8 二極管為續(xù)流二極管， 其作用是在電機斷電時，由于電感的存在，電動機的電樞電流可通過續(xù)流二極管形成回路而繼續(xù)流動，因此盡管電壓呈脈動狀，而電流還是連續(xù)的。 電機脈寬調制（ PWM） 調速 控制圖，如圖 37 圖 37 PWM 控制電路圖 15 第四章 信息處理與程序設計 直流電機調速 脈寬調制 PWM 工作原理 脈寬調制的全稱為： Pulse Width Modulator，簡稱 PWM，由于它的特殊性能，常被用于直流負載回路中、燈具調光或直流電動機調速。 脈沖寬度調制（ PWM）是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。 PWM 信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有 (1)，要么完全無 (0)。電壓或電流源是以一種通