1、 基于51單片機智能避障小車的設計報告參賽院系：參賽學生：參賽類別： 聯(lián)系方式： 二零一二年五月 前言摘要：智能小車可在預先設定的場景模式中自動運作，其設計主要集機械、電子、檢測技術與智能控制于一體，可應用于工業(yè)控制等領域，是機器人研究領域的一項重要內容。本設計以玩具小車為車體，硬件是以STC89C52單片機為主控芯片，配合直流電動機、光電傳感器等器件構成，并通過相應的軟件代碼實現(xiàn)控制小車的前進、轉彎、避障、自動轉向等動作。實驗表明，本設計結構簡單，在一定程度上體現(xiàn)了小車的智能化運作，具有較好的魯棒性。關鍵詞：智能小車；場景模式；光電傳感器一、智能小車的設計要求智能車輛是集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、

2、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，是智能交通系統(tǒng)的一個重要組成部分，其設計主要集機械、電子、檢測技術與智能控制于一體，是機器人研究領域的一項重要內容，在軍事、民用、太空開發(fā)等領域有著廣泛的應用前景，且其智能技術廣泛運用于各種領域。二、系統(tǒng)方案論證與選擇根據題設要求，系統(tǒng)可以劃分為電源部分、信號檢測部分、控制部分、驅動部分。其中信號檢測部分包括：感光探測模塊（LM339高速比較器、紅外對管）；控制部分包括：STR89C52單片機；驅動部分包括：電機驅動模塊（LN293D、直流減速電機）。 系統(tǒng)模塊圖三、系統(tǒng)基本方案為實現(xiàn)各模塊的功能，分別作了幾種不同的設計方案并進行了論證。1.電源模塊論證與

3、選擇雙電源供電。由于電機驅動和其他芯片工作電壓不一樣，需用不同的電源供電。2.控制器模塊論證與選擇方案一：選用PIC、或AVR、或凌陽SPCE061A等作為控制核心；這些單片機資源豐富，可以實現(xiàn)復雜的邏輯功能，功能強大，完全可以實現(xiàn)對小車的控制。但對于本題目而言，其優(yōu)勢資源無法得以體現(xiàn)，且成本稍高。方案二：采用兩片STC公司的STC89C52作為系統(tǒng)控制器的雙CPU方案。單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優(yōu)點，使其在各個領域應用廣泛。綜上所述，采用方案二。3.循跡探測模塊方案一：用光敏電阻組成光敏探測器

4、。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當光線照射到白紙上面時，光線發(fā)射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在木板軌跡上方和黑色軌跡上方時，阻值會發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經過比較器就可以輸出高低電平。單片機據此來判斷小車是否偏離軌道或是否到達轉彎標志，并根據反饋來不同的電平信號，發(fā)出相應的控制操作命令來控制小車。但是這種方案的缺點是受環(huán)境中光線的影響很大，且由于電壓變化不是很大，不能夠穩(wěn)定的工作。方案二：采用光電傳感器，即利用紅外線遇到障礙物會反射回來紅外接收管可以接受到，在小車行駛過程中紅外發(fā)射管不斷發(fā)出紅外線，當發(fā)出的紅外線射入黑線時，沒有反射，紅外輸出低

5、電平，若紅外接收管沒有在黑線上方則可以接收到經軌道地板反射回的光線則輸出高電平。此光電傳感器調理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。是在黑暗或者是強光照射下，小車系統(tǒng)均可以很穩(wěn)定的工作，對環(huán)境的適應能力較強。綜上所述，采用方案二。4.電機模塊方案一：采用直流減速電機。直流減速電機驅動轉動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便，小車電機內部裝有齒輪組。所以并不需要考慮調速功能，很方便的就可以實現(xiàn)通過單片機對直流減速電機前進、后退、停止等操作。方案二：采用步進電機作為該系統(tǒng)的驅動電機，由于其轉動的角度可以精確定位，可以實現(xiàn)小車前進距離和位置的精確定位。雖然采用步進電機有諸多優(yōu)點，但步進電機的輸出力矩較低，

6、隨轉速的升高而下降，且在較高的轉速時會急劇下降，其轉速較低時不適于小車等對速度有一定要求的系統(tǒng)。經綜合比較分析我們決定放棄此方案。綜上所述，選擇方案一。5.電機驅動模塊方案一：采用電阻網絡或數字電位器調整電動機的分壓，從而達到調速的目的。但是電阻網絡只能實現(xiàn)有級調速，而數字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率。而且實現(xiàn)很困難。方案二：采用繼電器對電動機的開或關進行控制，通過開關的切換對小車的速度進行調整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單。缺點是繼電器的響應時間慢、機械結構易損壞、壽命較短、可靠性不高。繼電器式電機驅動電路方案三：采用L293

7、D驅動。L293D采用16引腳DIP封裝，其內部集成了雙極型H-橋電路，所有的開量都做成n型。這種雙極型脈沖調寬方式具有很多優(yōu)點，如電流連續(xù)；電機可四角限運行；電機停止時有微振電流，起到“動力潤滑”作用，消除正反向時的靜摩擦死區(qū)：低速平穩(wěn)性好等。L293D通過內部邏輯生成使能信號。H-橋電路的輸入量可以用來設置馬達轉動方向，使能信號可以用于脈寬調整（PWM）。另外，L293D將2個H-橋電路集成到1片芯片上，這就意味著用1片芯片可以同時控制2個電機。每1個電機需要3個控制信號EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信號，IN1、IN2為電機轉動方向控制信號，IN1、IN2分別為1，0時，電

8、機正轉，反之，電機反轉。因此決定采用L293D控制直流電機，即采用方案三。L293D電機驅動電路四、系統(tǒng)各模塊的最終方案經過仔細分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下：（1）電源模塊：采用雙電源供電（2）控制模塊：采用STC89C52單片機（3）循跡探測模塊：采用紅外光電傳感器（4）電機模塊：采用直流電機驅動（5）電機驅動模塊：采用專用芯片L293D作為電機驅動芯片（6）車底采用廢舊的通用板的底座五、系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn)（1）系統(tǒng)硬件的基本組成部分本設計是一個光、機、電一體的綜合設計,在設計中運用了檢測技術、自動控制技術和電子技術。系統(tǒng)可分為傳感器檢測部分和智能控制部分。傳感部分包括紅外循

9、跡模塊，智能控制部分包括系統(tǒng)中控制器件根據由傳感器變換輸出的電信號進行邏輯判斷，控制小車的電機，完成了小車的直線行駛，探測轉彎標志，等各項任務。控制部分包括四個主要單元電路：單片機控制電路、電機驅動電路。系統(tǒng)硬件框圖如圖所示。（2）主要單元電路的設計電源電路：將六節(jié)干電池的電源穩(wěn)壓成兩路電源，一路供給單片機用，一路供給驅動電路用。一部分4.5伏給單片機供電，一部分6伏給直流電機供電?？刂齐娐罚盒≤嚰与娤到y(tǒng)開始工作，計時模塊運行。小車行駛時，利用光電傳感器判斷是否到轉彎標志，控制小車轉彎。同時數碼管顯示當前計時。再判斷是否到超車標志，控制兩輛小車的交替超車?；?9C52芯片完全能實現(xiàn)題目要求且

10、穩(wěn)定性強，性價比高，所以用它作為主控制芯片。單片機控制電路如圖所示。單片機控制電路循跡探測電路利用光電傳感器控制小車并在轉彎處控制小車轉彎。循跡探測電路原理圖如圖所示。循跡探測電路原理圖電機驅動電路L293D采用16引腳DIP封裝，其內部集成了雙極型H-橋電路，所有的開量都做成n型。這種雙極型脈沖調寬方式具有很多優(yōu)點，如電流連續(xù)；電機可四角限運行；電機停止時有微振電流，起到“動力潤滑”作用，消除正反向時的靜摩擦死區(qū)：低速平穩(wěn)性好等。L293D通過內部邏輯生成使能信號。H-橋電路的輸入量可以用來設置馬達轉動方向，使能信號可以用于脈寬調整（PWM）。另外，L293D將2個H-橋電路集成到1片芯片上

11、，這就意味著用1片芯片可以同時控制2個電機。每1個電機需要3個控制信號EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信號，IN1、IN2為電機轉動方向控制信號，IN1、IN2分別為1，0時，電機正轉，反之，電機反轉。電機驅動電路原理圖六、系統(tǒng)軟件設計 （一）軟件結構圖： 上電運行后，放到沒有障礙物的空地上，小車直走。當前方沒有障礙物的時候就一直直走。如果前方遇到障礙物，則小車做后退運動。直至前方沒有障礙物，這時小車恢復直走。如果前部下方懸空（虛擬懸崖），小車停止運行。如果前方有障礙物的時候，左邊同時也有障礙物，則小車右轉。直至左邊沒有障礙或者前方沒有障礙物。這時小車恢復直走。如果前面沒有障礙物，

12、則先執(zhí)行直走。如果前方，左方，右方均有障礙物，則小車后退，直至前方，左方，右方任意方向沒有障礙，則此時小車開始以前方。（二）C程序語言：#include sbit in1=P10;sbit in2=P11;sbit in3=P12;sbit in4=P13;sbit m1=P20;sbit m2=P21;sbit m3=P22;sbit m4=P23;void ahead (void);void left (void);void right (void);void stop (void);void back (void);int i;main()while(1)if(in2=0)stop( )

13、;elseif(in1=0&in4=0&in3=0)ahead( );elseif(in1=0&in4=0&in3=1)right( );elseif(in1=0&in4=1&in3=0)for(i=0;i20000;i+)back( );elseif(in1=0&in4=1&in3=1)right( );elseif(in1=1&in4=0&in3=0)left( );elseif(in1=1&in4=0&in3=1)back( );elseif(in1=1&in4=1&in3=0)left( );elseif(in1=1&in4=1&in3=1)back( );void ahead( )m

14、1=1;m2=0;m3=1;m4=0;void left( )m1=0;m2=0;m3=1;m4=0;void right( )m1=1;m2=0;m3=0;m4=0;void stop( )m1=0;m2=0;m3=0;m4=0;void back( )m1=0;m2=1;m3=0;m4=1;七、系統(tǒng)測試（1）測試儀器序號名稱、型號、規(guī)格數量備注1UNI-T數字萬用表1勝利公司2直流電壓源DF1731SC2A1寧波中策電子有限公司3擋板14米尺1測試使用的儀器設備（2）測試方法數字萬用表主要用來測試分立元件的電阻、壓降、截止/導通狀態(tài)等參數；信號發(fā)生器與示波器用于測試各光電傳感器信號的接收與

15、傳輸；直流穩(wěn)壓電源在測試期間為各待測系統(tǒng)供電；秒表用于產品測試，按照題目的基本要求對制成的智能小車進行產品測試。（3）測試數據及測試結果分析紅外探測分析： 任務要求完成情況跑道制作完成基礎部分直線前進完成 發(fā)揮部分前面遇到障礙物（擋光）完成左側面遇到障礙物（擋光）完成右側面遇到障礙物（擋光）完成紅外發(fā)射管的電流在520mA之間，電流大，發(fā)射的紅外線強，但雜散反射光份量多，不易調整，檢測誤差大；電流小，工作可靠，檢測頭相對被檢測的物體的距離范圍窄，用手移于紅外發(fā)射接收管底下用示波器觀察波形是否存在低、高電平中跳變。若沒有此現(xiàn)象，可進一步慢慢紅外發(fā)射接收管離地面的距離，直到滿意為止。 (4)系統(tǒng)任

16、務完成情況系統(tǒng)任務完成情況八、總結有付出就會有收獲。在這將近一個半月的時間里，我們克服重重困難，在圖書館學習和在寢室里做設計。功夫不負有心人，我們成功地完成了此次的全國大學生電子設計競賽（武漢紡織大學選拔賽）。在本次競賽的過程中，雖然我們遇到了許多事先未曾預料的事情和各種困難，設計制作曾幾度中斷，但通過查找資料、仔細分析和自我調整討論后解決了問題。在設計的過程中，我們團隊團結合作，努力奮斗，在大家的共同努力下我們成功的完成了這次的競賽。在整個過程中我們深刻得體會到共同協(xié)作和團隊精神的重要性，提高了自己發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，解決問題的能力。本系統(tǒng)以單片機STC89S52芯片為核心部件，利用光電、紅

17、外，配合一套獨特的編程控制實現(xiàn)了小車速度控制等功能，最終使小車完成競賽題目中要求的各項任務。在系統(tǒng)設計過程中，力求硬件線路簡單，充分發(fā)揮軟件編程方便靈活的特點，來滿足系統(tǒng)設計要求。當今社會，科學技術日新月異，信息技術革命的深入和計算機技術的飛速發(fā)展，時代前進的步伐越邁越寬，雖然這是人類科技的進步，但是對于我們大學生，觸動還是很大的，我們也希望依靠我們的智慧和毅力，對于人工智能慢慢的研究，而此全國大學生電子設計競賽則給了我們很好的機會。參考文獻1 馬忠梅，籍順心，張凱等.單片機的C語言應用程序設計M.北京航空航天大學出版社，2006.2 張毅剛，彭喜元，董繼成.單片機原理及應用M.高等教育出版社，2003.3 高吉祥，黃智偉，丁文霞. 數字電子技術M.電子工業(yè)出版社，2003. 4 謝自美，閻樹蘭，趙云娣等.電子線路設計實驗測試（第二版）M.華中理工大學出版社，2000年5童詩白，華成英.模擬電子技術M.高等教育出版社，2006年.6劉建清.輕松玩轉51單片機C語言M.北京航空航天大學出版社，2010.7安巖.自動循跡智能小車的設計A.蘇州科技學院學報，2010，第23卷 附錄： （一）主要元器件：設計器材單價數量價格（元）總價（元）直流減速電機參部件821634.2方向輪313STC89C52