1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 基于单片机的多功能智能小车的设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 智能小车也叫无人车辆，是一个集自动行驶、规划决策等功能于一体的综合系统，它集中运用了计算机、传感、自动控制等技 术，在智能运输系统、物流运输、军事领域和社会生活中都得到了广泛的应用。 本文首先简要介绍了智能小车的背景、意义及国内外发展的现状，重点研究了智能小车系统的方案选择，包括 主控芯片选择方案、电源选择方案、电机模块方案、电机驱动模块方案等， 与总体设计及各模块中主要芯片的介绍，系统介绍了智能小车的软硬件设计，其中硬
2、件设计包括 主控芯片模块设计、电机驱动模块设计、光电对管检测电路设计等， 难点是对智能小车寻迹模块、避障模块和电机驱动模块的调试，并利用 PTOTEL 99SE画出小车各功能模块的原理图，利用 AVR STUDIO进行程序的编写，用到的主芯片是 ATMEGA 16L。 本文所设计的智能小车可实现寻迹、避障等功能，它对智能车辆控制系统的试验研究与应用有着重要的价值。 关键词： 智能小车、寻迹、避障、 ATMEGA 16L。 II Design of multi-functional smart car based on microcontroller Abstract Smart car, al
3、so known as unmanned vehicles, is a set of automatic driving, planning and decision making functions in an integrated system, which focused on the use of a computer, sensor, automatic control technology, intelligent transport systems, logistics, transportation, military and social life have been wid
4、ely used. This paper briefly describes the background of the intelligent car, significance and status of development at home and abroad, focusing on the intelligent car systems program choices, including the master chip options, power options, the motor module program, the motor drive module program
5、s, and and the overall design of the module introduces the main chip, the system introduces the hardware and software design Smart car, which include the main chip hardware design, module design, motor drive module design, optical design, the pipe detection circuit, difficulty is to find the smart c
6、ar trace module, obstacle avoidance module and the motor drive module, debug, and use the car PTOTEL 99SE draw schematic of the functional modules, the use of AVR STUDIO for procedures for the preparation, use the main chip is ATMEGA 16L. This Smart car is designed to achieve tracing, obstacle avoid
7、ance and other functions, its control system for intelligent vehicle research and application of test has important value. Keywords: Smart car， track finding， obstacle avoidance， ATMEGA 16L. III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1论文研究背景 . 1 1.2论文研究意义 . 1 1.3智能车国内外发展现状和发展方向 . 2 1.3.1 智能车 国外发展现状和发展方
8、向 . 2 1.3.2 智能车 国内发展现状和发展方向 . 3 1.4论文研究的主要内容 . 4 2智能车 方案选择与总体设计 . 6 2.1智能车方案的选择 . 6 2.1.1 主控芯片选择方案 .6 2.1.2 电源选择方案 .6 2.1.3 电机模块方案 .6 2.1.4 电机驱动模块方案 .6 2.1.5 距离控制方案 .7 2.1.6 红外避障模块方案 .7 2.2智能车的总体设计 . 7 2.2.1 系统总体布局 .7 2.2.2 各模块主要芯片介绍 .8 2.2.2.1 ATMEGA 16L芯片 .8 2.2.2.2 TLP521-4光电耦合芯片 .9 2.2.2.3 7805三
9、端稳压集成电路 .10 2.2.2.4 L298N电机驱动芯片 . .12 2.2.2.5 74HC04芯片 .13 2.3 本章小结 .13 3系统软硬件设计 . 14 3.1系统硬件电路设计 . 14 3.1.1 主控芯片模块设计 .14 3.1.2 电机驱动模块设计 .15 3.1.3 光电对管检测电路设计 .17 3.1.4 电源模块设计 .18 3.1.5 红外避障模块设计 .18 3.2 系统软件设计 . 19 IV 3.3 本章小结 .22 4系统功能测试 . 24 4.1测试仪器及设备 . 24 4.2功能测试 . 24 4.3本章小结 .25 5总结与展望 . 26 5.1总
10、结 .26 5.2展望 .26 参考文献 . 27 致谢 . 28 附录 . 29 附录程序 1 避障模块程序 .29 附录程序 2 寻迹模块程序 .31 基于单片机的多功能智能小车的设计 1 1 绪论 1.1 论文研究背景 目前，在企业生产技术不断提高、对自动化技术的要求不断加深的背景下，智能车以及在智能车基础上开发出来的产品已经成为柔性生产组织、自动化物流等系统的重要设备。世界上众多国家都在积极开发和研究智能车的设计。移动机器人是机器人学科中的一个重要组成部分，出现于上个世纪 60 年代。当时斯坦福研究院 SRI的 Nils Nilssen和 Charles Rosen1等人，在 1966
11、 年至 1972年中研制出了取名 Shakey 的自主式移动机器人，目的是将人工智能的技术应用到复杂环境下，完成机器人系统的自主推理、控制和规划。从此，随着移动机器人从无到有，数量迅速增加，智能车作为移动机器人的一个重要分支也越来越多的受到广泛关注。 1.2 论文研究意义 智能车致力于提升汽车的安全性、舒适性、适应性和提高优良的人车交互界面，是世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力。随着企业生产技术的不断提高以及对自动化技术要求的不断加深，智能车已在许多工业部门获得了广泛的应用。由于成本低廉、环保、 交通安全性高，所以在很多发达国家，有些智能车已实现商品化。慢慢地它已逐步渗入到工业和
12、社会的各个层面： （一）、智能车在智能运输系统 ITS上的应用 2 这是智能车最典型的应用，智能车自动行驶功能的研究对增强车辆的智能性意义重大。智能车驾驶任务的自动完成将给人类社会的进步带来巨大的影响，例如： （ 1）汽车的智能化可以减轻驾驶员的工作量； （ 2）有利于缓解交通状况，减轻交通拥挤与交通阻塞； （ 3）切实提高道路网络的利用率，为改进道路提供新的解决途径； （ 4）降低车辆的燃油消耗量，提供舒适、安全的人车环境。 （二 ）、智能车在物流运输方面的应用 智能车在自动仓库、码头、搬运、等物流作业部门也发挥了关键作用，它最适合在那些人类无法工作的环境中工作。采用建立在智能车技术基础上的
13、仓库智能车物流运输平台来完成物流的自动运输，既可以提高运输效率，又可以避免有害物质对人体的伤害，有效地完成有毒环境下的作业 3。 （三）、智能车在军事领域方面的应用 基于单片机的多功能智能小车的设计 2 在未来战争中，智能车可以替代人员在核、生物、化学污染区进行侦察、巡逻、对污染进行采样，可以更加准确的搜集、掌握相关信息，可以有效地避免人员的伤亡，提高执行任务的效率和安全性 4。另 外，无人驾驶的进攻性武器系统是现代军事技术发展方向之一，智能车的发展为无人攻击车辆提供技术平台。军用智能车辆主要有五种功能 5： （ 1） 城市地形的军事行动； （ 2） 侦察、监视和目标搜索； （ 3） 爆炸物的
14、处理； （ 4） 安全巡逻； （ 5） 反雷战。 由此可见，智能车在军事领域有着非常重要的应用价值。 （四）、智能车在社会生活中的应用 在西方发达国家，智能车已广泛应用于超市商城服务、医疗福利服务、家务服务等领域。其中的有些应用有望在今后两三年内实现商业化，并进入普通的家庭 6。可以看出来，无论是从理论研究、学科发展的角度，还是从汽车 工业发展以及市场竞争的角度看，对智能车的研究都是很有必要的。智能车研究及相关产品开发也将有利于我国在此领域技术发展与进步。因此，研制一种智能、高效的智能车控制系统具有重要的实际意义及科学理论价值。 作为电信专业的学生，非常有必要通过对实际产品的设计和制作，了解现
15、代 IT产品的开发整体流程。全面提高知识的综合应用能力，掌握从系统、电路，到芯片各个层次的设计和实现手段。基于上述原因，我选择此设计课题，在此设计过程中，将会用到多门学科的理论知识，复习和巩固了以前所学的知识，更重要的是培养了发现问题、分析问题、解决问 题的能力，还锻炼了动手能力，是一次很好的实践，对以后的学习和工作也会有很大的帮助。 1.3 智能车国内外发展现状和发展方向 智能车是一个包括了环境感知、决策规划、自动行驶等多种功能于一体的综合复杂系统。它集中地运用了计算机、信息、传感、通信、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体 7。下面简单介绍智能车的研究现状。 1.3.1
16、智能车国外发展现状和发展方向 国外智能车的研究历史较长，始于上世纪 50年代 8。它的发展历程大致可以分成三个阶段： 第一阶段上个世纪 50年代是智能车研究的起 步阶段。 1954年美国 Barrett 基于单片机的多功能智能小车的设计 3 Electronics 公司研究开发了世界上第一台自主引导车系统 AGVS（ Automated Guided Vehicle System）。该系统只是一个运行在固定线路上的拖车式运货平台，但它却具备了智能车最基本的特征，那就是无人驾驶。早期研制 AGVS的目的是为了提高仓库运输的自动化水平，应用领域仅仅局限于仓库内的物品运输。随着计算机的应用和传感技术
17、的发展和进步，智能车的研究不断得到新的发展。 第二阶段从上个世纪 80年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车开展了卓有成效的 研究。在欧洲，普罗米修斯项目于 1986年开始了在这个领域的探索。在美洲，美国于 1995年成立了国家自动高速公路系统联盟（ NAHSC），其目的之一就是研究发展智能车的可行性，并促进智能车技术进入实用化。在亚洲，日本于 1996年成立了高速公路先进巡航和辅助驾驶研究协会，主要目的是研制自动车导航的方法，促进日本智能车技术的整体进步。 第三阶段从 90 年代开始，智能车进入了深入、系统、大规模研究的阶段。最为突出的是，美国卡内基海隆大学机器人研究所一共完成了 Navl
18、ab 系列的10台自主车的研究，取得了显著的成就。 目前 ，智能车的发展正处在第三阶段 9。这一阶段的研究成果代表了当前国外智能车的主要发展方向。在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构研发的智能车具有代表性的有： 德意志联邦大学的研究 1985年，第一辆 VaMoRs智能原型车辆使用了机器视觉来保证横向和纵向的车辆控制，在户外高速公路上进行了速度 lOOkm h的测试。 1988年，在都灵的第一次委员会 PROMETHEUS项目会议上，智能车维塔 (VITA， 7t）进行了展示，该车可以自动行进、停车，并可以向后面的车传送相关驾驶信息。这两种车辆都配备了 UBM视觉系统。这是一个双目视觉系
19、统，具有特别高的稳定性。 荷兰鹿特丹港口的研究 智能车的研究主要体现在工厂货物的运输。荷兰的Combi road系统，采用无人驾驶的车辆来往返运输货物，它行驶的路面上采用了导航参照物，并利用一个光阵列传感器去探测障碍。荷兰南部目前正在讨论工业上利用这种系统的问题，政府考虑沿已有的高速公路新建一条专用的车道，采用这种系统将货物从鹿特丹运往各地 10。 1.3.2 智能车国内发展现状和发展方向 相比于国外，我国开展智能车技术方面的研究起步比较晚，开始于上个世纪 80年代，而且 大多数研究尚处在针对某个单项技术研究的阶段 11。例如： （ 1）上个世纪 80 年代，沈阳自动化研究所采用地下埋线式导航
20、技术，开始了我国的自动引导车辆（ AGVS）的研究。 （ 2） 清华大学在上个世纪 90 年代中期也曾研究过一种采用图像识别来实现自动导航的智能车。 基于单片机的多功能智能小车的设计 4 （ 3） 北京理工大学近年也在进行用 GPS 与数字地图导航的智能车方面的研究。 （ 4） 国防科技大学进行过基于图像视觉导航的车辆研究。 （ 5） 吉林大学智能车课题组 1994 年研制出第一辆模型车 JUTIV_I 型智能车，实现了自主驾驶功能。 1998 年该课题组又研制出 JUTIV_II 型智能车， 实现了车道线作为导航路线的自动导航，车辆时速达 30km/h。 虽然我国在智能车技术方面的研究总体上
21、落后于发达国家，并且存在一定差距，但是我们也取得了一系列的成果，主要有： (1)中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院于 2003年研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。该自主驾驶轿车在正常交通情况下的高速公路上，行驶的最高稳定速度为 13 km h，最高峰值速度可达 170 km h，并且具有一定的超车功能，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平 12。 (2)南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、 清华大学等多所院校联合研制了 7B 8军用室外自主车，该车装有彩色摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位等传感器 13。 智能车研究也是智能交通系统 ITS的关键技术 14。目
22、前，国内的许多高校和科研所都在进行 ITS关键技术、设备的研究。随着 ITS研究的兴起，我国已经形成了一支 ITS技术研究开发的专业技术队伍。并且各交通、汽车企业越来越加大了对 ITS及智能车技术研发的投入，整个社会的关注程度在不断提升。交通部已将 ITS研究列入“十五”科技发展计划和 2010年长期规划。相信经过相关领域的一起努力，我国 ITS及 智能车辆的技术水平一定会得到大幅度的提高。 可以预计，我国飞速发展的经济实力将为智能车的研究提供一个更加广阔的前景 15。我们要结合我国的国情，在某一方面或某些方面，对智能车进行深入细致的研究，为它今后的发展及实际应用打下坚实的基础。 1.4 论文
23、研究的主要内容 采用 ATMEGA 16L 芯片为控制核心，利用红外避障传感器检测道路上的障碍物，控制小车自动避障；利用电机驱动模块来控制小车的方向、快、慢速行驶，以及自动停车；利用寻迹光电传感器来控制小车的自动寻迹。其中， 第一章 绪论主要讲了本论文研究的背景、意义及智能车 在国内外发展现状和发展方向； 第二章 智能车方案选择和总体设计主要讲述了智能车方案的选择、总体设计和各模块主要芯片的介绍； 第三章 系统软硬件设计主要讲述了系统软件和硬件两大块的设计，画出了硬件部分的原理图和软件部分的流程图； 基于单片机的多功能智能小车的设计 5 第四章 系统功能测试主要讲述了智能车实现功能的测试及用到的器材； 第五章 总结与展望主要讲述了本论文的总结和展望。
