1、本科毕业设计（20 届）基于单片机的智能循迹小车设计所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要自循迹智能小车也是智能行走机器人的一种，智能小车可以适应不同的环境，不受外界温度、湿度、空间以及重力等各种恶劣条件的影响，在人类无法进入或者生存的环境中完成人类无法完成的任务。本课题是智能循迹小车系统的设计，智能小车的设计涉及传感器技术、电路涉及、程序设计、控制设计等多个方面的知识，是一项综合设计。设计目标是小车能沿着规划好的黑线行走，不偏离道路。 。智能循迹小车以木板车架为承载，包括单片机模块：STC89C52 芯片；驱动模块：L298N 驱动模块和
2、两个直流电机；循迹模块：红外光电传感器和 LM324运算放大器。红外光电传感器判断是否寻找到黑线，并将产生的电平信号发送至 LM324 运算放大器，再返回到单片机，单片机根据程序设计的要求做出相应的判断送给电机驱动模块控制小车在黑线上实现前进后退左转右转。关键词：智能小车，自动循迹，单片机，红外传感器AbstractSelf-tracing smart car is also a kind of intelligent walking robot, intelligent car can adapt to different environments, from outside tempera
3、ture, humidity, space and gravity and other adverse conditions, in the human can not enter or survive the environment to complete the human Unable to complete the task. This topic is the design of intelligent tracking car system, intelligent car design involves sensor technology, circuit involved, p
4、rogramming, control design and other aspects of knowledge, is a comprehensive design. The design goal is that the car can walk along the planned black line without departing from the road. TheThe following steps: STC89C52 chip; drive module: L298N drive module and two DC motors; tracking module: inf
5、rared photoelectric sensor and LM324 operational amplifier. Infrared photoelectric sensor to determine whether to find the black line, and the resulting level signal sent to the LM324 operational amplifier, and then return to the microcontroller, the microcontroller according to the requirements of
6、the program to make the appropriate judgment to the motor drive module control car on the black line Turn forward and turn right.Key words: intelligent car, automatic tracking, single chip, infrared sensor目 录摘 要 .3Abstract.4第 1 章 绪论 .71.1 引言 .71.2 题目研究目的及意义 .71.3 国内外研究状况 .81.3.1 国外发展状况 .81.3.2 国内发展状
7、况 .9第 2 章 系统硬件设计 .112.1 循迹小车整体方案设计 .112.2 STC89C52 单片机介绍 .132.3 红外光电传感器 TCRT5000 及 LM324 运算放大器组成的循迹模块 .162.3.1 TCRT5000 的介绍 .162.3.2 LM324 的介绍 .172.3.3 循迹模块原理图 .192.4 电机驱动模块 .192.4.1 L298N 驱动电路逻辑真值表 .202.4.2 L298N 驱动模块电路原理图 .212.4.3 L298N 集成 H 桥芯片,引脚图 .212.4.4 L298N 引脚功能表 .222.4.5 L298N 驱动电路运行参数 .23
8、2.5 电源模块 .23第 3 章 系统软件设计 .243.1 主程序 .243.1.1 主程序流程图 .243.1.2 主程序程序设计 .253.2 循迹模块 .263.2.1 循迹模块流程图 .263.2.2 循迹模块程序设计 .273.3 PWM 调速原理 .283.3.1 PWM 控速代码 .29第 4 章 系统测试 .31第 5 章 .325.1 总结 .325.2 展望 .32参考文献 .33致 谢 .35附 录 .36第 1 章 绪论1.1 引言智能小车在工业、军事中取得广泛的作用，在不为人们所熟知的领域，如深海探测，航空航天，地质勘探，智能也发挥着举足轻重的作用。智能小车是一个
9、集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。整个系统设计集中运用了自动化控制、传感技术、导航、电子、电气、PC 机、机械、人工智能等多个学科的知识，是典型的高新技术综合体。以后智能机器人的应用领域会愈发广泛，如在航天航空技术、海洋能源开发技术、微电子技术、制造与维修技术、农业自动化、生物医学等领域会有很大的突破和进展。能自动识别道路并完成相关任务是对一类专业机器人的基本要求，本课题主要研究的是以 STC89C52 芯片为核心控制的智能小车。由电源模块、红外传感器模块、电机驱动模块和芯片模块组成，主要通过红外对管收集外界信息实现智能循迹和避障功能。1.2 题目研究目的及意义自第一
10、台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人工作的机器一直是人类的梦想。其中智能小车可以作为机器人的典型代表。其需要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，实现自动识别路线，选择正确的行进路线，使用传感器感知路线并做出判断和相应的执行动作。智能小车设计与开发涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科。它可以分为三大部分：传感器检测部分，执行部分，CPU。现代智能小车发展很快，从智能玩具到各行业都有实质成果，其基本可实现
11、循迹、避障功能等基本功能。日本目前投入市场的不再是高性能的工业机器人，微型机器人汽车也正在逐步的进入市场。日前由日本科研人员研发的两款微型机器人汽车与大众见面，汽车内安装有最尖端的视觉识别系统，通过内部的摄像头与传感器能够使小车自动识别障碍物，从而避免碰撞，并判断小车与障碍物之间的距离。目前研究人员已经将小车的这种自动识别系统应用到汽车工业领域去，这将为陷入低靡的汽车行业注入新的活力。随着计算机、自动控制、微电子技术、人工智能、虚拟现实、微纳米技术、仿生学、材料等相关学科领域的发展，避障循迹小车可以通过自动感知引导线以及躲避障碍物在工作中取代人力运输，节省人力以及成本。智能车辆是一个运用计算机
12、、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术实现环境感知、规划决策和自动行驶为一体的高新技术综合体。此类机器人以后对我们的研究和生活定会发挥至关重要的作用，在以后对车辆的自动驾驶，飞船的自动航行模式及深海自动探测有很大的研究价值。1.3 国内外研究状况1.3.1 国外发展状况智能小车，也就是轮式机器人，主要有口令识别与语音合成、机器人自定位、动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制等功能。现在智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能，这几年的电子设计大赛智能小车又在向声控系统发展。比较出名的飞思卡尔智能小车
13、更是走在前列。1950 年，美国 Barret Electronics 公司开发出世界第一台自动引导车辆系统（Automated Guided Vehicle System AGVS） 。该系统是一个运行在固定线路上的平台，具备了智能小车应有的特征无人驾驶。1974 年，瑞典的 Volov 公司，研制出了一种可装载轿车车体的 AGVS，并由多台该种 AGVS 组成了汽车装配线，从而取代了拖车及叉车等传统应用运输工具。1985 年，德意志联邦大学研制出了多只能原型车，并在户外进行了测试，该车使用了机器视觉来控制车辆的横向和纵向运动，并能以 100KM/H 的速度在高速公路上运行。1988 年，在
14、都灵的 Prometheus 项目会议上展出了 VITA，该车是一个双目视觉系统，具有极高的稳定性，同时还包括一些其他种类的传感器包括：三个加速度计、一个车轮位置编码器（可作为里程表或速度计） 。VITA 可以自动前进、制动，并能够和后车交互信息。1995 年，美国成立了国家自动高速公路系统联盟，其主要目的就是研发智能车辆，并希望投入到实际的生产中去。其实，CMU 在 20 世纪 80 年代就开发出了 Navlab 系列地面智能车辆，并且在公路的白线跟踪试验中取得了成功，该智能车能在存在水渍、阴影等环境下以 50-60KM/H 的速度自主行驶。1996 年，日本成立告诉公路先进巡航/辅助驾驶研
15、究协会，其主要目的是为了研究车辆的自动导航系统。日本早在 60 年代就开始了智能车的研究，在1988 年，研究自动引导小车的厂家就有高达 200 多家。日前，三菱公司和尼桑公司发布了其近期研制的防撞设备，前方防撞和车道偏离有望在 1-2 年内实现。德国联邦国防大学与奔驰公司进行合开发的第二代 VITA 只能车辆，此智能小车实现了智能超车。交通拥挤情况下车辆自动采用低速自动驾驶技术有望被广泛地应用。另外，奔驰公司，美国麻省理工学院，美国卡内基梅隆大学，英国国防部门的研究，韩国理工大学对智能小车也有较多的研究。1.3.2 国内发展状况在我国，各大学也在广泛的开展智能小车的研究，清华大学汽车研究所是
16、国内最早成立的主要从事智能汽车及智能交通的研究单位之一，在主动避撞、车载微机、汽车导航等领域有广泛而深入的研究。吉林大学在 1992 年就开始了智能小车的研究，其中自主研发的图像识别自动引导小车为我国提供了一种新型的自动引导车辆系统。为我国生产组织模式向柔性或半柔性生产组织转化提供了有意义的技术支撑和关键设备。吉林大学先后研制出 4 代 JUTIV-3 型实验型视觉导航小车，现已进入商品化开发阶段。中国一汽集团和国防科技大学联合研制了 CITAVT 型自主导航车，并已经开发到第四代，此型号的智能车在长沙市绕城公路上进行了自主实验，最高车速可达 75.6km/h，并具备超车功能。其技术性能指标已
17、达到世界先进水平。沈阳新松机器人自动化股份公司研制出的智能机器人名叫“亮亮” ，身高 0.8米，体重 25KG，采用锂电池和铅酸电池作为电源，可以持续运行 12 小时。它具备教育、娱乐、安全和个人助理四大功能，可以自动行走并能智能躲避障碍物，联网后还可以下载新闻、天气预报等，并能接受语音指令并做出相应反馈。2006 年，我国开始举办“飞思卡尔”全国智能小车竞赛，该赛事是由教育部高等学校自动化专业教学指导委员会主办，在飞思卡尔半导体公司资助下举办的。2012，该赛事吸引了共 50 多所高校的 100 多支队伍参与.目前，智能小车的研究呈现出新的特点。首先，随着计算机硬件技术的提高，硬件结构由最初
18、的专用板卡或者芯片逐渐向通用板卡或芯片过渡，为了提高运算速度，出现了专用的运算指令。其次，在控制系统方面，随着网络的发展和传输速度的提高，出现了基于网络传输信号控制的智能小车，而不再是以往一成不变的“单机式”控制模式。此次设计的智能车可以作为机器人的典型代表，主要实现循迹和避障两个功能。该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为四大组成部分：传感器检测部分、执行部分、工作状态显示部分、CPU。机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，
19、只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的 CCD 传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。智能小车的执行部分，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。单片机驱动直流电机一般有两种方案：第一，勿需占用单片机资源，直接选择有 PWM 功能的单片机，这样可以实现精确调速；第二，可以由软件模拟 PWM 输出调制，需要占用单片机资源，难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大。考虑到实际情况，本文选择第二种方案。CPU 使用 STC89C52 芯片，配合软件编程实现。第 2 章 系统硬件设计2.1 循迹小车整体方案设计本课题中，循迹指的是小车在白色地板上沿着约 1cm 宽的黑线行走。红
20、外光电传感器的发射管发出红外线，由接收管接受。同时，接收的物理量被转化成电信号，经过 LM324 运算放大器，经由 P36,P37 口输入芯片，然后由单片机的 P12,P13,P14,P15 口输出给电机驱动电路的 L298N 电路，从而达到驱动小车行走和循迹的目的。本课题采用两个红外光电传感器，并并排在小车前锋。两个红外光电传感器的距离间隔和黑线差不多，循迹时，小车就由两个传感器来检测小车是否偏离黑线，并自动调整回归路线。小车包括两部分，一部分是系统硬件方面，另一部分是软件方面：系统硬件方面以 STC89C52 为 CPU，L298N 驱动模块驱动两个直流电机，TCRT5000 和LM324 组成的循迹模块、红外光对管为避障模块、4*1.5V 电池为电源为整个系统供电组成整个小车的硬件部分；系统软件反面，按照功能分为主程序、初始化程序、信息采集程序分析程序、逻辑程序和电机控制程序。循迹小车采用单片机 STC89C52 作为路面信息检测、输入信号处理和电机控制的核心，根据电路功能需要设计车体，2 个直流电机作为主驱动，附加相应的电源电路和下载电路构成整体电路。自动循迹功能采用红外光电传感器实现，信号经过 LM324 运算放大器比较滞后送回单片机，由单片机通过控制驱动芯片L298N 驱动小车的电机。 结构框图如图 2-1 所示。
