【正文】 ........................................................................................................... 25 附 件 ............................................................................................................................. 26 1 前 言 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動化技術(shù)和智能化技術(shù)越來越普 遍，許多高科技也廣泛用于機器人和智能玩具小車的制造領(lǐng)域，使得智能多功能機器人的樣式也越來越多。通過超聲波發(fā)射電路與接收電路的配合再利用數(shù)碼管來顯示超聲波信號發(fā)射點與障礙物之間的距離，從而實現(xiàn)小車超聲波 測距的功能。主要涉及到小車的 PWM 調(diào)速、智能循跡與超聲波測距躲避障礙的功能。而現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、科學(xué)勘測、智能家居等方面的智能化電子產(chǎn)品是 不需要認為管理的，也就是它們按照之前設(shè)定好的模式在一個環(huán)境里自動運行。 學(xué)校代碼： 11059 學(xué) 號： 1106014018 Hefei University 畢業(yè)設(shè)計（論文） B A C HE L OR D I SSE RTAT I ON 論文題目： 電動智能小車 學(xué)科專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其 自動化 作者姓名： 鄒宗耀 導(dǎo)師姓名： 汪 珺 完成時間： I 電動智能小車 摘要 在當(dāng)今社會，電子產(chǎn)品的新趨勢和電子行業(yè)的主要走向都是智能化。智能化漸漸地走入我們的生活，在給我們的生活增添了許多樂趣的同時也帶來了許多方便，越來越受到人們的青睞。 本次畢 業(yè) 設(shè) 計 做的是一種基于 89C51 單片機的電動智能小車模型，就很好的體現(xiàn)了這一點。通過紅外光電傳感器來收集路面信息來自動控制電機的轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)小車行駛路徑的改變以及障礙物的躲避，而且當(dāng)小車上的超聲波傳感器檢測到障礙物的時候，蜂鳴器報警裝置就會立刻發(fā)出嘀嘀嘀刺耳的響聲。 關(guān)鍵詞：智能小車； 51 單片機；尋跡；避障 II Smart Electric Ear Design ABSTRACT In today39。 智能小車是一個集成體，包含許多種高新技術(shù)，涉及到許多科學(xué)知識和當(dāng)今最前沿的高新技術(shù)，比如：傳感和智能控制等，目的是來實現(xiàn)對環(huán)境變量的感應(yīng)和智能運行等操作。隨著工業(yè)電子自動化技術(shù)的發(fā)展，智能機器人已被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)，像焊接、醫(yī)療、挖掘、噴涂等各大領(lǐng)域。電動 智能小車就是模擬 robot 的運作來實現(xiàn)自身的各種功能。省內(nèi)以及全國電子設(shè)計大賽基本每次都會有關(guān)于智能小車的設(shè)計，而且全國大部分高等院校也非常重視對該課題的探索與研究。 根據(jù)指導(dǎo)老師的要求，利用 proteus 仿真軟件以及 keil 編程 軟件來仿真電動智能小車的自動尋跡、避障以及測距等功能。本次設(shè)計采用 AT89C51 單片機作為整體控制的核心，通過超聲波傳感器來監(jiān)測前進道路上的障礙，以便實現(xiàn)電動智能小車的智能躲避障礙的功能。 課題研究內(nèi)容 （ 1）學(xué)習(xí)掌握單片機程序的匯編以及各引腳接線功能的具體應(yīng)用； （ 2）根據(jù)設(shè)計要求選取恰當(dāng) 的傳感器，并編寫控制系統(tǒng)的程序； （ 3）對程序不斷地進行調(diào)試，制定最終的方案，分析并畫出電路原理圖； （ 4）通過分析硬件電路，運用仿真軟件進行模擬仿真。 3 第二章 總體方案設(shè)計 本次畢設(shè)用的是直流減速電機，控制電機驅(qū)動部分用的是電機專用的驅(qū)動芯片 L298N,用 AT89C51 單片機作為系統(tǒng)控制的核心，通過超聲波傳感器和反射式紅外光電傳感器分別實現(xiàn)小車的測距以及自動循跡功能。但這種電路的設(shè)計比較復(fù)雜，操作不方便，難以處理小車的各種信號，不利于實現(xiàn)小車的智能化控制。這種利用軟件來控制系統(tǒng)以解決紛繁復(fù)雜的硬件電路設(shè)計，能較大程度的簡化硬件系統(tǒng)，有利于小車各部分功能的完美實現(xiàn)。該方案操作簡單，完全符合此次畢設(shè)的各項需求。三極管電路構(gòu)建起來是非常簡單的，而且操作也十分的方便。這個模塊自帶較大的帶載驅(qū)動能力，驅(qū)動端子的供電值 Vs 在 5~35V 之間，而且本身也自帶了3V,5V 的輸出端口。電機驅(qū)動模塊的電路為“ H橋式驅(qū)動電路”（如圖 1）。在小車行駛過程中，通過 PWM調(diào)速系統(tǒng)提高小 4 車的系統(tǒng)動靜態(tài)性能。 圖 2 為智能小車的系統(tǒng)框圖。開始的時候由手動對小車進行啟動，并復(fù)位，當(dāng)小車經(jīng)過預(yù)先設(shè)定好的開始點黑線時，由超聲波傳感器和光電傳感器進行路線勘察，通過單片機主控系統(tǒng)來控制小車利用 8段管顯示電路記數(shù)并實現(xiàn)小車的躲避障礙和控制速度等功能；通過超聲波以及紅外傳感器對道路進行檢測以完成小車的自動循跡避障操作。 系統(tǒng)原理圖 如圖 3。現(xiàn)在單片機的種類繁多，而且它們都有各自的功能特點，所以選擇一個合適的單片機可以最大程度的簡化操作以完成設(shè)計任務(wù)。 51 單片機的指令系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)與標準的 52單片機是可以相互替換的。它是由 ATMEL 生產(chǎn)的 CMOS8 位單片機，具有控制能力強、抗干擾能力強、高性能、低功耗等特點。 TXD、 RXD 為串行口的輸入 /輸出端。 圖 4 單片機引腳功能 7 單片機引腳功能 （ 1） 主電源引腳 GND和 Vcc GND ：電源接 地端 Vcc ：電源正端， +4~+。在單片機內(nèi)部只要有脈沖信號時序電路就能工作，其中時鐘產(chǎn)生電路有內(nèi)部振蕩和外部振蕩兩種方式。 （ 3）復(fù)位 RST 復(fù)位輸入端。 （ 4）控制信號引腳 ALE、 PSEN、 EA ALE ：地址鎖存控制信號。 PSEN ：片外 ROM 選通控制信號端，只有在低電平時才有效，由于現(xiàn)在基本不用片外程序存儲器，所以此引腳基本不用了。 （ 5）輸入輸出引腳（ P0、 P P P3 端口引腳） P0 ： P0 口是一個三態(tài)的雙向 8 位并行口，既 能當(dāng)作通用 I/O 口用也可以當(dāng)作地址 /數(shù)據(jù)線的復(fù)用口。 P2 ： P2 作為特殊功能寄存器，是一個準雙向的 8 位并行口，不僅可以作為通用的 I/O 口使用，還有一個作用就是可以用作高 8 位地址線使用。 P3 口與 P1口的結(jié) 8 構(gòu)相比，多了一個緩存器和與非門，從而實現(xiàn)了多功能。其 基本組成 下圖所示 圖 5 單片機結(jié)構(gòu)框圖 （ CPU） 被賦予單片機“大腦和心臟”和“核心”美譽的 CPU 的主要功能是完成運算和控制。與通用微處理器相同的是AT89C51 單片機里的 8 位微處理器也包含了運算器和控制器兩個部分，在進行面向控制的同時，還可以進行數(shù)據(jù)處理和位變量操作。 （內(nèi)部 RAM） AT89C51 單片機的數(shù)據(jù)存儲器一般存放著一些經(jīng)常會改變的中間運算結(jié)果，標志位，數(shù)據(jù)暫存等信息。 I/O口 I/O 口是一個通道，一個專門負責(zé)單片機與外界聯(lián)系的通道。 /計數(shù)器 用于實現(xiàn)定時和計數(shù)功能。 單片機內(nèi)部設(shè)置了 UATR 串行接口，是一個可編程的端口，不僅僅可以同步移位，異步接收和發(fā)送，還可 以設(shè)置各種波特率，多機通信，使用靈活方便 。 由此可見， AT89C51 僅是一塊芯片，但它包括了構(gòu)成計算機的基本部件，因次可以說它是一臺簡單的計算機，又由于其主要作用是控制，所以又稱為“微控制器”。只要將時鐘電路和復(fù)位電路接在 AT89C51 單片機上就構(gòu)成了最小應(yīng)用系統(tǒng)（如圖 6）。 圖 6 單片機最小系統(tǒng) 10 有以下幾個應(yīng)用特點： （ 1）輸入輸出口的接線端口非常多，用戶可以隨便挑選 。 （ 3）具有特殊性的開發(fā)平臺。一種連接方法是內(nèi)部時鐘方式，另一種連接是外部時鐘方式。因為 C1 和 C2 值對于脈沖的頻率有略微調(diào)整的作用，為了更好地保證時鐘電路的穩(wěn)定性，電容和諧振器應(yīng)該離單片機越近安裝越好。 圖 7 內(nèi)部時鐘和外部時鐘 圖 8 時鐘電路 圖 9 復(fù)位電路 11 復(fù)位電路 在一個單片機系統(tǒng)中，復(fù)位電路起到非常關(guān)鍵的作用，當(dāng)程序運行不正常或停止運行時，就要進行復(fù)位。在上電的那一剎那，由于電容兩端的電壓難以發(fā)生突變，且電容的負極和 RES 連在一起，此時的電壓全部加載在電阻上， RES 引腳的電壓為高電平，芯片復(fù)位。 圖 10 單片機常見的 復(fù)位電路 直流調(diào)速系統(tǒng) 方案 1：串聯(lián)電阻進行調(diào)速。 方案 3：脈寬調(diào)速系統(tǒng)。所以放棄方案 2。它主要有以下優(yōu)點： （ 1）晶閘管只在開關(guān)狀態(tài)下工作，而相位就難以控制它的導(dǎo)電性。而且在相同電流的情況下， PWM 調(diào)速系統(tǒng)相比于 VM系統(tǒng)產(chǎn)生的電流波形好，所以對電機產(chǎn)生的負面影響較小。 （ 4）由于電子器件只在開關(guān)狀態(tài)下工作，所以主電路損耗較小，且裝置效率高。 在小車的自動尋跡和避障的過程中，小車的兩個驅(qū)動輪的運行速度是不一樣的，所以我們要對兩個驅(qū)動輪進行速度控制以實現(xiàn)小車的循跡避障功能，這就要利用這種脈寬調(diào)制技術(shù)即脈寬調(diào)速系統(tǒng)。并且在單片機系統(tǒng)控制中 PWM 調(diào)速可以使控制變得更加簡單，從而提高控制效率。在硬件調(diào)制法中，所謂的調(diào)制信號實質(zhì)上就是我們所希望得到的波形，我們可 以通過改變參數(shù)來生成我們的目標波形。我們將三角波作為載波信號是因為它的各種參數(shù)的調(diào)制比較方便。軟件生成法就是通過計算機軟件技術(shù)