【正文】 畢業(yè)設計（論文）單片機控制的智能電動小車的設計 摘 要 智能電動小車是一個集環(huán)境感知規(guī)劃決策自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)它集中地運用了計算機傳感信息通信導航人工智能及自動控制等技術是典型的高新技術綜合體 [1] 本文以 AT89C51 單片機為控制核心采用模塊化的設計方案運用傳感器金屬探測傳感器超聲波傳感器組成不同的檢測電路實現(xiàn)小車在行駛中探測預埋金屬鐵片躲避障礙物測量等問題障 Abstract Smart electric car is an integrated system that includes environmental awareness planning decisionmaking driving automatically and so on It intensively uses the puter sensing information munication navigation automatic control technology and artificial intelligence It is a typical hightech plex This design adopts AT89C51 single chip puter of MCS51 series The core of the control circuit of AT89C51 to SCM adopts the modular structure designThe different detection circuits are posed of photoelectric sensor metal detection sensors ultrasonic sensors and so on In the track the intelligence car can automatically track orbitdetect metal plates embeddedevade obstaclesmeasur mileage and so on Using photoelectric sensor automatically track it can make the car to walk along the black line Using ultrasonic sensors it can detect obstacles on the road It can use the metals detection sensors to detect metal and record time by the LCD1602 At last the car smoothly stops through the final guidance of light source Keywords AT89C51 single chip microputer automatically track orbit detect the metal plates ultrasonic barrier measurement 目 錄 摘 要 I Abstract II 1 緒論 1 11 引言 1 12 課題來源 1 13 國內外現(xiàn)狀 2 2 方案設計與論證 3 21 總體方案論證與比較 3 22 探測軌跡模塊 4 23 檢測金屬鐵片模塊 5 24 避障模塊 5 25 尋找光源模塊 6 26 顯示模塊 6 27 測量里程模塊 7 28 電動機驅動模塊 7 3 硬件電路設計 9 31 AT89C51 單片機硬件結構 9 32 探測軌跡電路 14 33 檢測金屬片電路 15 34 檢測障礙物電路 16 35 檢測光源電路 20 36 顯示電路 21 37 測量里程電路 22 38 電動機驅動電路 23 4 軟件設計 25 41 程序設計 25 42 主程序設計 25 43 探測金屬程序設計 30 44 測量里程程序設計 31 45 躲避障礙物子程序設計 32 46 部分模塊仿真 34 5 結束語 40 參考文獻 41 附錄 42 致謝 53 1 緒論 11 引言 智能作為現(xiàn)代的新發(fā)明是以后的發(fā)展方向它可以按照預先設定的模式在一個環(huán)境里自動的運作不需要人為的管理可應用于科學勘探等用途智能電動小車就是其中的一個體現(xiàn)設計者可以通過軟件編程實現(xiàn)它的行進繞障停止的精確控制以及檢測數(shù)據(jù)的存儲顯示無需人工干預因此智能電動小車具有再編程的特性是機器人的一種 根據(jù)本設計的要求確定如下方案以 AT89C51 單片機為核心的控制電路采用模塊化的設計方案運用傳感器金屬探測傳感器超聲波傳感器組成不同的檢測電路實現(xiàn)小車在行駛中探測預埋金屬鐵片躲避障礙物測量等問題 AT89C51 為控制核心功耗很低該設計具有實際意義可以應用于考古機器人娛樂 12 課題來源 隨著計算機微電子信息技術的快速進步技術的開發(fā)速度越來越快 智能度越來越高 應用范圍也得到了極大的擴展在海洋開發(fā)宇宙探測工農業(yè)生產(chǎn)軍事社會服務娛樂等各個領域 [2]同時當今機器人技術發(fā)展的如火如荼其應用在國防等眾多領域得到廣泛開展神五神六升天無人飛船等等無不得益于機器人技術的迅速發(fā)展一些發(fā)達國家已把機器人制作比賽作為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段如日本每年都要舉行諸如 NHK 杯大學生機器人大賽全日本機器人相撲大會機器人足球賽等各種類型的機器人制作 比賽參加者多為學生在通過大賽全面培養(yǎng)學生的動手能力創(chuàng)造能力合作能力和進取精神同時也普及智能機器人的知識實現(xiàn)在行駛中探測預埋金屬鐵片躲避障礙物測量 13 國內外現(xiàn)狀 在國內外智能化系統(tǒng)主要采用單片機作為控制核心因此單片機的發(fā)展將有助于智能化技術的開發(fā)在本設計中采用比較先進的 AT89C51單片機 Intel公司發(fā)展的 MCS51 系列的新一代產(chǎn)品如 8ｘ C15280C51FAFB80C51GAGB8ｘ C4518ｘ C452還包括了 PhilipsSiemensADMFujutsuOKIHarriaMetraATMEL 等公 司以 80C51 為核心推出的大量各具特色、與 80C51 兼容的單片機新一代的單片機的最主要的技術特點是向外部接口電路擴展以實現(xiàn) Microputer 完善的控制功能為己任可連接一些外部接口功能單元如 ADPWMPCA 可編程計數(shù)器陣列 、 WDT 監(jiān)視定時器 、高速 IO 口計數(shù)器的捕獲比較邏輯等這一代單片機中在總線方面最重要的進展是為單片機配置了芯片間的串行總線為單片機應用系統(tǒng)設計提供了更加靈活的方式 Philips公司還為這一代單片機 80C51系列 8ｘ C592單片機引入了具有較強功能的設備間網(wǎng)絡系統(tǒng)總線 CAN Controller Area Network BUS 2 方案設計與論證 21 總體方案論證與比較 方案一采用 AT89C51 單片機作為整機的控制單元 以 AT89C51 單片機為核心的控制電路采用模塊化的設計方案運用傳感器金屬探測傳感器超聲波傳感器組成不同的檢測電路實現(xiàn)小車在行駛中探測預埋金屬鐵片躲避障礙物測量等問題 [3] 在本系統(tǒng)中反射式紅外光電傳感器檢測線使沿軌道自主行走探測埋軌道下的金屬片發(fā)出聲光信息進行 H型脈沖寬度調制 PWM全橋式驅動電路控制電機的轉向實現(xiàn)電動小車的正反向行駛快慢速行駛及轉彎 圖 21 智能車運行基本原理圖框圖 方案二采用各類數(shù)字電路來組成電動小車的控制系統(tǒng) 采用數(shù)字電路對外圍探測軌跡信號檢測金屬信號避障信號尋找光源信號分部進行處理但對輸入輸出都是模擬量的小裝置如果采用數(shù)字化方案則要先用 AD轉換器將模擬量轉換為數(shù)字量經(jīng)過數(shù)字電路處理后再經(jīng) DA 轉換器將數(shù)字量轉換為模擬量這樣必然帶來高成本電路復雜等缺點 22 探測軌跡模塊 在本設計中要求電動小車沿著路面的黑色軌道行駛其探測路面黑線的基本原理光線照射到路面并反射由于黑線和白紙對光的反射系數(shù)不同可以根據(jù)接收到的反射光強弱來判斷是否是黑線利用 這個原理可以控制電動小車行走的路跡下面幾種方案是根據(jù)本原理設計的 方案一采用發(fā)光二極管發(fā)光用光敏二極管接收由于光敏二極管受可見光的影響較大穩(wěn)定性差所以放棄該方案 方案二利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 方案三采用反射式紅外線光電傳感器 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 [4]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)生漫反射反射光被裝在電動小車上的接收管接收如果遇到黑線則紅外光被吸收電動小車上的接收管接收不到紅外光單片機根據(jù)是否收到反射回來的紅外光來確定黑線的位置從而控制小車的行走路線采用紅外線發(fā)射外面可見光對接收信號的影響較小再用射極輸出器對信號進行隔離 紅外光電傳感器的特點是尺寸小使用方便工作狀態(tài)受溫度影響小它的外圍電路簡單 23 檢測金屬鐵片模塊 方案一探測線圈和探測儀探測線圈產(chǎn)生交變磁場金屬微弱變化它除可以完成 行程控制和限位保護外還是一種非接觸型的檢測裝置用檢測零件尺寸和測速等也可用于變頻計數(shù)器變頻脈沖發(fā)生器液面控制和加工程序的自動銜接等 24 避障模塊 考慮到在測障過程中小車車速及反應調向速度的限制小車應在距障礙物40CM 的范圍內做出反應這樣在順利繞過障礙物后可尋找到最佳的位置和方向否則如果范圍太大則可能產(chǎn)生對障礙物的判斷失誤范圍過小又很容易造成車身撞上障礙物或雖繞過障礙物卻無法實現(xiàn)理想定向根據(jù)上述要求提出以下方案 方案一采用激光傳感器探測障礙物 該傳感器能非常準確地測出障礙物的存在但價格高處理復雜不符合該設計的 要求 方案二采用超聲波傳感器探測障礙物 超聲波傳感器安裝于小車前端在規(guī)定的檢測距離內當探測到障礙物時超聲波傳感器給出脈沖信號至單片機單片機檢測到該信號后調整小車的方向以控制小車準確地繞過障礙物而且避免因小車自然轉彎而導致的盲目方向控制這樣不但能準確完成測量而且能避免電路的復雜性 同時超聲波傳感器具有頻率高波長短繞射現(xiàn)象小特別是方向性好能夠成為射線而定向傳播等特點超聲波對液體固體的穿透本領很大尤其是在不透明的固體中它可穿透幾十米的深度超聲波碰到雜質或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成回波碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應因此 超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)國防生物醫(yī)學等方面 []25 尋找光源模塊 方案一采用多只方向性較強的光敏二極管作光源定位器 若干定位器在水平面上按不同角度展開在尋找光源時根據(jù)每個定位器接收到的光線強弱有無得出光源的方位該方案若采用方向性較強的光敏二極管作為光源定位器要么是需要很多的器件要么是難以檢測到光源的方向 方案二利用由光敏電阻組成的光控開關電路 利用光敏電阻阻值隨光強弱變化的特性組成光控開關電路檢測光源光敏電阻是用光電導體制成的光電器件又稱光電管它是基于半導體內光電效應工作的當無光照射時光敏電阻值暗電阻很大電 路中電流很小當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時它的阻值亮電阻急劇減少因此電路中電流迅速增加 光敏電阻具有很高的靈敏度很好的光譜特性光譜響應從紫外區(qū)一直到紅外區(qū)而且體積小重量輕性能穩(wěn)定因此在自動化技術中得到了廣泛的應用 7 綜合考慮到上述方案的優(yōu)缺點本設計采用方案二 26 顯示模塊 方案一方案二 27 測量里程模塊 方案一通過測試得出小車平均速度 v 在行駛過程中將行駛時間與其乘積 tv作為駛過的里程但該方案受電池電量路面介質等因素的影響在大多數(shù)情況下均暴露出誤差較大的缺點故不予采用 方案二采用開關式霍爾元件 在車輪上 安裝小磁鋼將霍爾開關器件安裝在固定軸上當車輪轉動時磁鋼也跟著轉動霍爾元件感應到磁場的變化時就會產(chǎn)生通斷效果使單片機的輸入端產(chǎn)生高低電平的變化從而使其計數(shù)小車車輪轉的圈數(shù)假設為 N并設車輪的周長為 L通過 S NL 就可以計算出小車在一段時間內的里程 霍爾元件由于它的霍爾效應顯著而