电子毕业设计(论文)--智能循迹避障小车

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摘要 ................................................... 1 ABSTRACT ................................................. 1 第一章绪论 ............................................. 3 1.1 智能小车的作用和意义 ................................... 3 1.2 智能小车的现状 ........................................ 4 1.3 设计和研究方法 ........................................ 4 第二章系统的方案设计与论证 ................................ 4 2.1 主控系统 ............................................. 4 2.2 电机驱动模块 .......................................... 5 2.3 循迹模块 ............................................. 7 2.4 避障模块 ............................................. 8 2.5 机械系统 ............................................. 8 2.6电源模块 .............................................. 8 第三章硬件设计 ........................................... 9 3.1总体设计 .............................................. 9 3.2电源电路设计 ..........................................10 3.3电机驱动电路设计 .......................................11 3.4信号检测模块 ..........................................12 3.5主控电路 ..............................................13 3.6 AT89S52功能特性描述 ...................................14 第四章软件设计 ...........................................15 4.1主程序模块 ............................................15 4.2循迹模块 ..............................................15 4.3避障模块 ..............................................16 第五章制作安装与调试 .....................................16 5.1 PCB板的设计制作与安装 .................................16 5.2 小车测试与调试 ........................................18 结语.....................................................19 参考文献 .................................................19 致谢 ...................................................20

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智能循迹避障小车

——硬件设计

QQ 354634241

******学院***专x级x班指导教师：xxx

摘要：根据小车各部分功能,模块化硬件电路,并调试电路。将调试成功的各个模块逐个地“融合”成整体,再进行软件编程调试,直到完成小车,使小车智能地循迹、避障。利用光电开关检测黑线与障碍物，当左边的光电开关检测到黑线时，小车往左边偏转，右边的光电开关检测到黑线时，小车往右边偏转。当右边用于避障的光电开关检测到障碍物时，小车往左偏转。以AT89S52单片机为控制芯片控制电动小车的速度及转向，从而实现自动循迹避障的功能。其中小车驱动由L298N驱动电路完成，速度由单片机控制。随着我国高科技水平的不断提高和工业自动化进程的不断推进，智能小车被广泛应用于各种玩具和其他产品的设计中，极大地丰富了人们的生活。该部分主要讲述小车的硬件设计。关键词：AT89S52单片机； L298N；光电开关；小车

Intelligent tracking and obstacle-avoid car

xxx

School of Physics and Electronic Information, Class xx Grade xxxx Instructor:xxx

Abstract:According to the parts of the Smart Car’s functionals, modularing hardware circuit, and debugging circuit. And integrating the debug successful modules one by one to "convergence" into one whole, then debugging software programming, until completing the car and making the car can follow the trace and obstacle avoidance intelligently. Using photoelectric test the black thread and the obstacle, when the left photoelectric discover the black line, the small car will turn to the left, the right side of the photoelectric discover the black line, the car will turn to the right . When the left photoelectric which is used for discovering the roadblock found the obstacles, the smart car will turn to the right. AT89S52 SCM is the control chip and use it to control

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electric Car’s speeding and orientation, so as to realize the functions of following the track and avoiding the obstacle by itself. Among them the small car’s driven is completed by the L298N, the speed of the smart car is controlled by microcomputer. Following the continuous advance of the High-tech level and the development of the industrial automation’s process. Smart car is widely used to all kinds of toys and another production’s devise. It is greatly enriched the life of the people. The part of this is principal about the hardware design of the smart car.

Keywords: AT89S52 SCM; L298N;optoelectronic switch;Smart Car

第一章绪论

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1.1 智能小车的作用和意义

随着一种汽车避障技术的广泛应用，开发一种无需驾驶员的智能型汽车的任务，提到了议事日程上来。利用避障技术，汽车在行驶中能够自动转向刹车和换档，因此车上无需驾驶员，乘车人可以随心所欲地谈话、读书、工作、娱乐，车内成为一个充满乐趣的生活空间。本文首先叙述小车避障的原理，然后通过真车的有关数据分析整车模型，得出安全避障距离与行驶速度的关系，再简要说明作者设计的智能避障小车的实现方案; 最后展望智能汽车在今后汽车行业的发展前景。

随着生产自动化的发展，机器人已经越来越广泛地应用到生产自动化上，随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，但其价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。

机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。避障控制系统是基于自动导引小车（AVG—auto-guide vehicle）系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线。使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。

该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分：传感器检测部分、执行部分、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，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光电开关来充当。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，本文选择第一种方案。CPU使用 AT89S52单片机，配合软件编程实现。 1.2 智能小车的现状

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现智能小车发展很快，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，这几节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更是走在前列。我此次的设计主要实现循迹避障这两个功能。 1.3 设计和研究方法

资料收集及整理阶段、硬件制作阶段和调试阶段。公欲善其事，必先利其器，

在做每件事之前都要先经过思考，我们在制作之前会先从网上、书上及请教老师来收集资料，把资料经整理理解透了之后，做出设计。接着就是制作硬件，工具和电子元件都需要购买，途径可以是网购或是商店，由于设计不是完美的，我们不能做到一次就把需要的元件都列出来，一次性购买，所以我们分了好几次去商店买元件；因为方案没有最终确定，若是直接焊接电路板，设计如果不成功，整个电路板就没用了，这样就增加了制作的成本，所以我们需要用面包板制作硬件，在调试阶段完成最终确立设计之后，我们才做出电路板。调试阶段就是要测试设计是否成功、合理，当然经常会失败，但我们要在每次的失败中吸取经验、改正错误，取得最后的成功。

整个过程是漫长的，但我们在无数的挫败之后终于成功制作出了智能小车。

第二章系统的方案设计与论证

根据要求，确定如下方案：自己组装一个小车框架，在小车的左右两边分别加装一个光电开关，实现小车的循迹功能，在小车的右边水平固定一个光电开关，实现小车的避障功能。将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对小车的智能控制。这种方案能实现对小车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度较高，可满足对系统的各项要求。 2.1 主控系统

根据设计要求，我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。据此，拟定了以下两种方案并进行了综合的比较论证，具体如下：方案一：

选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD 的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案，进而提出了

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第二种设想。方案二：

采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。

针对本设计特点——多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D功能也不必选用。根据这些分析,我选定了AT89S52单片机作为本设计的主控装置，52单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是52单片机价格非常低廉。方案三：

采用凌阳公司的MSP430单片机作为控制器的方案。虽然该单片机I/O资源丰富，功耗低,并集成了语音功能。但对编程要求较高，且价格较为昂贵。

基于以上分析，在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用方案二，充分利用AT89S52单片机的资源。 2.2 电机驱动模块方案一：

采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。所以最终未采用此方案。方案二：

采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。方案三：

采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的 H型桥式电路(如图2.1)。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转

速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强。现市面上有很多此种芯片，如L298N(如图2.2)。驱动模块采用专用芯片L298N 作

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为电机驱动芯片，L298N 是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，其响应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机。

这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。

基于以上分析，我们最终决定采用第三种方案来控制直流电机。

图2.1 H桥式电路

图2.2 L298N

2.3 循迹模块

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采用简易光电传感器结合外围电路探测，但实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易出现问题，而且容易因为该部件造成整个系统的不稳定。所以最终未采用该方案。方案二：

自制红外探头电路。此种方法简单，价格便宜，灵敏度可调，但易受到周围环境影响，特别是较强光照对检测信号的影响，会造成系统不稳定。再加上输出的是模拟电压，而单片机处理的是数字电压，需要电路的转换，制作复杂。方案三：

采用两只光电开关(如图2.3)，分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只光电开关接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向，测试表明，只要合理安装好两只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。光电开关工作示意图如图2.4. 方案四：

采用三只光电开关，一只置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当小车脱离轨道时，即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时，等待外面任一只检测到黑线后，做出相应的转向调整，直到中间的光电开关重新检测到黑线（即回到轨道）再恢复正向行驶。现场实测表明，小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆不定，虽然可以正确的循迹但其成本与稳定性都次与第二种方案。

基于以上分析，我们最终选取了第三种方案来实现循迹功能。

图2.3 光电开关图2.4 光电开关工作示意图

2.4 避障模块

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采用一只光电开关置于小车正中央。虽然它的安装比较简易，看上去也很美观，也可以检测到障碍物是否存在，但这样只能检测到正前方是否有障碍物，很难确定小车在水平方向上会不会与障碍物相撞，也很难让小车做出精确的转向反应。所以此方案不可行。方案二：

采用一个红外线传感器即光电开关置于小车右端，选用光电开关的原因是其灵敏度高，较稳定，且外围电路比较简单；红外光电开关有3根引线，2根接电源，1根为输出，初始状态下为高电平，检测到障碍物时变为低电平，将其信号输入单片机可对小车电机进行控制。方案三：

采用二只光电开关分别置于小车的左右两端，方向与小车前进方向平行，对小车与障碍物相对距离和方位能作出较为准确的判别和及时反应。但此方案过于依赖硬件、且成本较高、又缺乏创造性，而且置于小车左方的光电开关用到的几率很小，所以最终未采用此方案。

基于以上分析，我们最后采用方案二。 2.5 机械系统

本题目要求小车的机械系统稳定、灵活、简单，而三轮运动（其中包括一个万向轮）系统具备以上特点。

驱动部分：由于玩具汽车的直流电机功率较小，而小车上装有电池、电机、电子器件等，使得电机负担较重。为使小车能够顺利启动，我们自己制作了一块驱动板。

电池的安装：将电池放置在车体的电机前后位置，降低车体重心，提高稳定性，同时可增加驱动轮的抓地力，减小轮子空转所引起的误差。简单，而三轮运动系统具备以上特点。 2.6电源模块方案一：

采用实验室有线电源通过稳压芯片供电，其优点是可稳定的提供5V电压，但占用资源过大。方案二：

采用4支1.5V电池单电源供电，但6V的电压太小不能同时给单片机与与电机供电。方案三：

采用5V和12V双电源分别给单片机与电机供电可解决方案二的问题且能让

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小车完成其功能。

所以，我们选择了方案三来实现供电。

第三章硬件设计

3.1总体设计

智能小车采用前轮驱动，安装时保证两个驱动电机同轴，用铁丝固定。前轮左右两边各用一个电机驱动，调制前面两个轮子的转速起停从而达到控制转向的目的，后轮是万向轮，起支撑的作用。将循迹光电开关分别装在车体下的左右。当车身下左边的光电开关检测到黑线时，主控芯片控制左轮电机停止，车向左修正；当车身下右边的光电开关检测到黑线时，主控芯片控制右轮电机停止，车向右修正。

避障的原理和循线一样，在车身右边装一个光电开关，当其检测到障碍物时，主控芯片给出信号报警并控制车子倒退，转向，从而避开障碍物，然后继续循迹前进。

小车底板由一块小木板来充当，木板质量很小，能够减轻小车的整体质量，更有利于小车运动。然后把驱动模块、电源模块、单片机最小系统、电池固定在底板上，让其不易松动。用杜邦线连接好各个模块，使信号输入单片机，从而完小车的智能控制。

3.1.1主板设计框图如图3.1，所需原件清单如表3.1。

图3.1 主板设计框图

表3.1 元件清单

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3.2电源电路设计

本设计的电源为车载电源。为保证电源工作可靠，使用大容量锂离子可充电池给单片机系统和小车提供5V、12V电压，它具有电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好、电流大，电压稳定等优点。为了实现单电池供电，过7805稳压芯片提供工作电压。小车电源电路图如图3.2。

图3.2 电源电路

3.3电机驱动电路设计

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小车的两个前轮为直流减速电机受控于全桥驱动芯片L298N，L298N内部包含4通道逻辑驱动电路，可以方便的驱动两个直流电机。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.5～7V电压。L298N的OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动两台电动机，通过调节占空比控制电机转速。

L298N引脚图如图3.3，小车驱动原理图如图3.4。

图3.3 L298N引脚图

图3.4 电机驱动原理图

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3.4信号检测模块

小车循迹原理是小车在画有黑线的白纸 “路面”上行驶，由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”—黑线。我在该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法——红外探测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射性质的特点，这里采用的是光电开关。在小车行驶过程中光电开关不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色地面时发生漫发射，反射光被装在小车上的光电开关接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，则小车上的光电开关接收不到信号，输出高电平，然后把信号传送给单片机，从而实现信号的检测，由单片机来控制电机的速度与转向。避障也是此原理。循迹原理图如图3.5所示。

市面上有很多红外传感器，在这里我选用E3F-DS30C4型光电开关。

图3.5 循迹避障电路原理图

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3.5主控电路

本模块主要是对采集信号进行分析，同时给出PWM波控制电机速度，起停。以及在检测到障碍时转向、报警等作用。其电路图如图3.5，AT89S52的引脚图如图3.6。

图3.6 主控电路

图3.6 AT89S52引脚图

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3.6 AT89S52功能特性描述

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

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第四章软件设计

4.1主程序模块

图4.1 主程序框图

4.2循迹模块

图4.2 循迹框图

4.3避障模块

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图4.3 避障框图

第五章制作安装与调试

5.1 PCB板的设计制作与安装

采用DXP2004绘制原理图与PCB板图，布线的过程中必须注意焊盘的大小与铜线的宽度。我选取的焊盘内径为0.6mm，外径2mm，铜线宽1mm。从做板的情况来看基本达到制作要求。电源PCB板图如图5.1所示，电机驱动PCB板图如图5.2所示。采用螺丝将电源模块安装在车头，主板与电机驱动安装在车尾。