1、 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 设计 (论文 )题目： 基于 单片机的多功能智能 小车 设计 学生姓名： _ _ 指导教师： _ 二级学院： 专 业： 班 级： 学 号： 提交日期： 2017 年 4 月 23 日 答辩日期： 2017 年 5 月 13 日 金陵科技学院 学士学位论文 目录 I目 录 目 录 . I 摘 要 . III Abstract . IV 第 1 章 概述 . 1 1.1 选题背景 . 1 1.2 研究意义和发展前景 . 1 1.3 设计概况 . 2 第 2 章 方案 选取与分析 . 3 2.1 主控系统 . 3 2.2 电源模块 . 3 2.3 电机驱动模块 .
2、3 2.3.1 电机模块 选取与分析 . 3 2.3.2 电机驱动模块 选取与分析 . 4 2.4 黑线 循迹模块 . 5 2.5 超声波 避障模块 . 5 第 3 章 系统硬件电路设计 . 6 3.1 总体设计 . 6 3.2 电源电路设计 . 6 3.3 电机驱动电路设计 . 7 3.4 黑线循迹设计与实现 . 9 3.5 红外避障电路的设计 . 10 3.6 超声波避障的设计 . 10 3.6.1 超声波避障原理 . 10 3.6.2 超声波模块工作原理 . 11 第 4 章 软件设计 . 12 4.1 软件设计思想 . 12 4.2 黑线循迹程序设计 . 12 金陵科技学院 学士学位论
3、文 目录 II 4.3 红外避障程序设计 . 13 4.4 超声波避障程序设计 . 14 第 5 章 系统调试 . 15 5.1 硬件调试 . 15 5.2 软件调试 . 15 5.3 软硬联调 . 15 5.4 成果展示 . 15 5.4.1 实物图 . 16 5.4.2 黑线循迹 . 17 5.4.3 红外避障 . 17 5.4.4 超声波避障 . 18 5.4.5 红外遥控 . 18 结束语 . 19 参考文献 . 20 附录 原理图 . 21 致谢 . 24 金陵科技学院 学士学位论文 摘要 III 基于单片机的多功能智能小车设计 摘 要 社会的经济和科技日新月异的发展着，汽车行业也屡
4、创新高，由于汽车数量的增加，拥挤堵车，车辆事故等现象早已屡见不鲜，交通运输方便面临着严峻考验。为了避障类似情况的发生，设计新型的智能化、安全并高效的汽车控制系统势在必行。 本课题的内容是基于单片机的多功能智能小车设计，由于 STC89C52具有良好的易用性，功能比较全面，又相对廉价，所以采用 STC89C52这款单片机来作为整个系统的控制核心芯片。同时还采用 L293D作为电机的驱动芯片，以及其他的硬件模块，如 HC-SR04超声波探测模块、红外避障模块、电源模块、红外 遥控模块等共同构成。软件上采用简单易懂的 C语言编程来完成程序代码的编写，从而达到智能小车黑线循迹、红外避障、红外遥控、超声
5、波避障等功能的实现。 关键字： 智能化；单片机；模块；传感器 金陵科技学院 学士学位论文 Abstract IV SCM-based multifunctional intelligent car design Abstract Social economy and the rapid development of science and technology, the automotive industry has hit record highs, due to the increase in the number of cars, congestion traffic jams, veh
6、icle accidents and other phenomena have long been common, convenient transportation is facing a severe test. In order to avoid similar situations, the design of new intelligent, safe and efficient automotive control system is imperative. The content of this topic is based on the single-chip multi-fu
7、nctional intelligent car design, because STC89C52 has good ease of use, the function is more comprehensive, and relatively cheap, so the STC89C52 this microcontroller as the core of the entire system control chip. At the same time also use L293D as the motor driver chip, and other hardware modules,
8、such as HC-SR04 ultrasonic detection module, infrared shielding module, power module, infrared remote control module together constitute. Software on the use of easy to understand the C language programming to complete the preparation of the program code, so as to achieve intelligent car black line
9、tracking, infrared obstacle avoidance, infrared remote control, ultrasonic obstacle avoidance and other functions. Keywords： intelligent; single-chip; module; sensor 金陵科技学院 学士学位论文 第 1 章 概述 1 第 1 章 概述 1.1 选题 背景 自从首辆的智能小车出现以后，其发展就迅速地普遍用于侦查、运输、自动化、监测和航空等各个领域。 一方面是因为智能小车那日渐提高的智能水平，而且正在迅速地使人们的生活形式发生改变。人们
10、从未停止过对自然的认知、探讨和改造，能够让帮助或代替人类劳动 的机器创造出来是人类梦寐以求的事情。 另一方面， 汽车 在人们生活中越来 越 普遍 与 常见，发展十分迅速，相关的研究也层出不穷 。 不仅如此 ，在学校学习中 智能 小车的字眼也不陌生，尤其是电子设计相关的项目中 。大学生 们经常会参加一些电子项目的比赛竞赛， 往往 也会拿到小车类的题目设计 ， 这说明全国各大 高校对这类题目的研究亦是十分重视。本设计即是产生于上述背景之下，设计出来的智能小车可以实现黑线循迹、红外线躲避 障碍、红外 遥控和超声波避障等功能。 1.2 研究 意义和发展前景 由于智能化的产生，我们的生活发生了很大改变，
11、它为我们提供了许多便利的同时，也作为今后的一个发展方向。对于智能而言，就是人们预先把所需的模式设定完成，在指定的环境里不用通过人为的操作和管理即可自动地运作。它的应用领域非常广，如科学探索、智能家居、工业生产等等领域都可以发现它的影子。 而智能小车就属于智能领域的一个产物，它也可以分类到智能玩具中的一种，因为这类智能玩具的可操作性和互通性比较好，而且还能够根据人们提前设置好的模式自动地去运作，所以深受到用户的喜爱。 另外，智能化还可以被高危搜索、机器领域等许多方面所 利用，尤其是在机器人开发上有着良好的发展前景。自从人类进入了 21 世纪，由于科技水平的迅速发展以及对生活质量的高要求，人们在汽
12、车相关如舒适度和安全性等等的要求愈发强烈。各种新兴的先进技术，比如汽车自动驾驶、汽车 智能交通和车辆巡航技术等等都被应用和研究，人类对于智能汽车不断地 开发和研究着，这类技术也正成为全球汽车研究的热门领域。 因此，智能 化的小车的研究很有必要，它 的 发展 对于 未来或许有着举足轻重的作用，所以 智能化小车 在当前有着很重要的研究 意义的同时，还具备着广阔的发展前景和无法估量的市场价值。 金陵科技学院 学士学位论文 第 1 章 概述 2 1.3 设计 概况 本设计是一种新型的智能小车，它采用了 STC89C52RC 单片机来进行智能控制。在功能 上 其集合了黑线循迹、红外线避障、红外遥控，利用
13、超声波避障等功能于一体。在 实现一些简单的功能的同时，智能小车只是智能车辆的一个雏形，它的拓展空间无比强大，若在其基础上继续发展下去，一些 基于 智能汽车的高科技功能亦可实现，比如智能小车导盲、 智能 生产运输、智能 测距 等等。 其设计的思路比较相似于目前一些高新技术产业中的智能化机器人，对于 智能机器人已经不再是罕见的东西了，它渐渐的融入 到 人们的日常生活之中，并为人类的 生活 带来 便捷。但是与 常见产品相比，智能化 小车 在某些方面更具有创新和独特性，这点 是其他的产品所不足的地方，因此 有着不可小觑的发展前景。超声波传感器是一种新型技 术，并且 立即被广泛地应用到 众 多领域之中，
14、 其采用了这个技术后可以在工作中不被能见度问题如光照强弱的影响所干扰。产品整体的灵敏度很高，而且需要的能耗比较低，可以在较为复杂的环境里将误差降到最低而完成工作。 小车的生产成本很低，对环境没有污染，而且使用的寿命长，安全性能好，十分符合在当今时代对智能产品所规定的各项指标。 金陵科技学院 学士学位论文 第 2 章 方案选取与 分析 3 第 2 章 方案 选取与分析 2.1 主控 系统 单片机 的 性能很强，资源也很 多， 价格相比更为实惠 ，而且还有着强大的控制功能，基于以上种种特点， 由 STC89C52 单片机 来 作为本次设计 最重要 的 一环 ，使其 控制整个小车 从而 来实现预定的
15、性能指标。 STC89C52 单片机是一种增强型的 51 单片机，具有超低功耗的特点，与普通的 51 系列单片机相比，它的抗干扰能力更强，运算的速度也更快，同时还能够支持 ISP 在线编程，片上集成了 512 字节的随机存取数据存储器，而且片内还含有 32 个 I/O 口， 以及 8k 字节空间的 闪速 只读存储器，定时计数器 共有 三个 。 它的指令系统能够完全兼容一般的 51 系列单片机指令系统，这大大减小了系统 软件方面设计的难度系数，而且其物美价廉，电路设计也比较容易。 在后续的实验中了解到， STC89C52 十分符合 对系统的要求，无论是精确度还是运算速度都符合。 2.2 电源 模
16、块 稳压电源作为单片机控制系统中必不可少的组成部分，不仅仅给系统提供了多路电源电压，更是在系统的技术指标和抗干扰性能方面起到了举足轻重的作用。近年来，高效率的开关电源正在逐渐取代传统线性稳压电源的地位，尤其是单片机开关电源被迅速而广泛的应用，使其为设计出节能、环保、高效率的新型电源提供了良好的条件。本机采 用 2节 3.6V 可充电锂电池组，可充电电池组的电流驱动能力比较 强， 而且电压输出性能相对稳定 。在电充满时， 2 节电池电压可以达到 7.2v，经 7805 稳压 到 5v 供给 单片机。 2.3 电机 驱动 模块 2.3.1 电机 模块 选取与 分析 第一种 方案 ： 对于整个小车系
17、统的电机模块的需求，选择步进电机实现。这种电机有一个好处，它的每次转动都会产生不同的角度，而这个角度其能够计算出来，并且十分准确，这个优势对于智能小车在前行的过程中走了多远的距离，达到了什么位置都可以很容易的计算出来。但是这个电机也存在很明显的缺点，当电机工作时，旋转速度会越来越快，如此一来它的力矩就开始降低，并且成正比的规律下降。所以小车的运行速度就会有所限制，不利于智能小车的功能实现。 。 金陵科技学院 学士学位论文 第 2 章 方案选取与 分析 4 第二种 方案 ： 对于整个小车系统的电机模块的需求，选择直流减速电机实现。这一种的电 机质量相对较轻，很小巧不占用空间，非常好用和常见。与上
18、述方案相比，此电机旋转起来的力矩就大得多。在它的电机内部里面，还存在一个齿轮组，能够起到减速的作用，这样的话就避免了反反复复调速的问题。只要用单片机来控制，就可以直接命令电机正向旋转或是反向旋转或是停止运行。 对比上述 两 方案 的优劣度最终 决定选择 第二种方案 的电机种类 。 2.3.2电机 驱动模块 选取与 分析 第一种 方案 ： 对于整个小车系统的电机驱动模块的需求，选择继电器实现。这种驱动有个明显的好处就是它的电路比较简单易懂，不像有些电机的驱动 电路十分复杂。但是它也有许多的不足之处，这种电机驱动的寿命很短 ，易损坏，而且它的响应时间相对比较慢，不是很可靠。因此决定放弃此方案。 第
19、二种 方案 ： 对于整个小车系统的电机驱动模块的需求，选择 L293D 此款电机驱动芯片实现。这种驱动芯片负载很强，无论是电压还是电流都十分大，而且该芯片采用 16脚封装 ,属于 H 桥集成电路。除此之外，它还有许多的优点。当电机驱动开始工作时，电压最高可以达到 36 福特，电流也十分大，最大可以达到 2 安培，保持 1 安培的电流稳定工作。 能 用来驱动直流电动机和继电器线圈等感性负载，由于其输入 端能够直接与单片机相连，所以可以很方便地受到单片机的控制。当小型直流电机被 驱动 时，其可以直接控制两路的电机，并实现电机的正、反转，只要改变输入端的逻辑电平即可实现此功能。 综合以上考虑最终决定
20、 采用 第二套 方案 ， 选用 L293D 芯片 更合适 。 图 2-3 L293D 金陵科技学院 学士学位论文 第 2 章 方案选取与 分析 5 2.4 黑线 循迹 模块 第一种 方案 ： 对于整个小车系统的循迹模块的需求，选择光敏电阻实现。此种方案简单易行，因为光敏电阻的阻值会很敏感的产生变化，而使其阻值发生变化的原因就是它附近的明暗度，所以让其处在黑白截然相反的颜色上时，阻值会很明显的发生变化，由此电压比较器接收到阻 值的变化值时就能够输出不同的电平信号，单片机就由此可以判断从而释放 对应命令来实现小车的左右转向、前进或者停止等行动。但是实际发现效果并不好，而且有较大的误差 现象，很容易
21、被周围的环境所影响，稳定性太差。所以考虑放弃此方案 。 第二种 方案 ： 对于整个小车系统的循迹模块的需求，选择 HJ-IR2 抗干扰型高性能红外避障模块实现。该传感器是一种一体化反射型光电探测器，它受到光线的影响非常小，甚至几乎无影响，哪怕是在外面受到太阳的照射影响，也不会带来太大误差，准确度非常高。我们都知道黑色的东西会吸收光线，然而白色的东西吸收光线的能力很差，绝大部分会被发射回去。利用这一原理，只需要将轨道设置为黑色并且布置在白色的路面上即可完成环境设计。 释 放出红外线探测，受到外界可见光的干扰很小，对信号不会产生影响。LM324 可以用来比较检测信号，再由单片机最后完成处理。 比较
22、 两种方案认为第二种方案更加的稳定 ， 具有很 强的适应性。然而 方案一 的 误差对于整个设计来说影响过大，综上分析 最终 用第二种 方案 。 2.5 超声波 避障 模块 第一种 方案 ： 对于整个小车系统的避障模块的需求，选择漫反射式光电开关实现。此套方案的一个最大优点就是操作上十分简单，这种模块可以射出一束光，光线径直的向前一旦遇到障碍物的阻拦后，立即会反射回来，此时的接收电路就能够得知并且运行判断。如果被阻挡回收到光线就给一低电平，没有任何反应的话就给一高电 平即可。但同时这套方案有个明显的缺陷就是能够测到的距离相对太近 。 第二种 方案 ： 对于整个小车系统的避障模块的需求，选择超声波传感器实现。利用压电陶瓷超声波传感器产生超声波传输，不仅仅速度快而且路径直，一旦碰到任何的阻碍物体立即返回被接收。在各式各样的避障设计中，超声波十分的常见，也十分的被偏爱。本设计对于超声波探测器方面拟定 HC-SR04 模块 。 考虑到本系统并不需要在复杂的环境中工作，只需要检测到障碍物实现避障，方案二的模块更加符合系统设计的 需求 ， 综合分析最终选择 第二种方案 。
