1、精選優質文檔-傾情為你奉上電氣工程與自動化學院課程設計報告（嵌入式技術實踐一）題 目：*專業班級：*學 號：20學生姓名：*指導老師：*2012年 7 月 31 日摘 要 本課題是基于P89C51單片機的智能小車的設計與實現，小車完成的主要功能是能夠自主識別黑色引導線并根據黑線走向實現快速穩定的尋線行駛,能夠檢測周圍的障礙物尋找最佳路以免小車在行駛的過程中遭到損壞。小車系統以P89C51單片機為系統控制處理器；采用紅外傳感獲取賽道的信息，利用超聲波測距模塊判斷障礙物，來對小車的方向和速度進行控制。此外，對整個控制軟件進行設計和程序的編制以及程序的調試，并最終完成軟件和硬件的融合，實現小車的預期

2、功能。關鍵詞：智能循跡避障小車、嵌入式系統。目 錄第一章 緒論1.1課題背景當今世界，傳感器技術和自動控制技術正在飛速發展，機械、電氣和電子信息已經不再明顯分家，自動控制在工業領域中的地位已經越來越重要，“智能”這個詞也已經成為了熱門詞匯。現在國外的自動控制和傳感器技術已經達到了很高的水平，特別是日本，比如日本本田制作的機器人，其仿人雙足行走已經做得十分逼真，而且具有一定的學習能力，還據說其智商已達到6歲兒童的水平。作為機械行業的代表產品汽車，其與電子信息產業的融合速度也顯著提高，呈現出兩個明顯的特點：一是電子裝置占汽車整車（特別是轎車）的價值量比例逐步提高，汽車將由以機械產品為主向高級的機電

3、一體化方向發展，汽車電子產業也很有可能成為依托整車制造業和用車提升配置而快速成為新的增長點；二是汽車開始向電子化、多媒體化和智能化方向發展，使其不僅作為一種代步工具、同時能具有交通、娛樂、辦公和通訊等多種功能。為了適應嵌入式自動化在汽車智能化方向的發展要求，提出簡易智能小車的構想，目的在于：通過獨立設計并制作一輛具有簡單智能化的簡易小車，從實踐中深入了解自動控制理論，獲得項目整體設計的能力，并且掌握多通道多樣化傳感器綜合控制的方法。1.2 智能汽車的發展現狀1.2.1 國內發展情況我國從上世紀80年代開始著手無人駕駛智能汽車的研制開發，雖與國外相比還有一些距離，但目前也取得了階段性成果。國內清

4、華大學、國防科技大學、上海交通大學、西安交通大學、吉林大學、同濟大學等都有過無人駕駛汽車的研究項目。 1992年，國防科技大學研制成功了我國第一輛真正意義上的無人駕駛汽車。由計算機及其配套的檢測傳感器和液壓控制系統組成的汽車計算機自動駕駛系統，被安裝在一輛國產的中型面包車上，使該車既保持了原有的人工駕駛性能，又能夠用計算機控制進行自動駕駛行車。2000年6月，國防科技大學研制的第4代無人駕駛汽車試驗成功，最高時速達76km，創下國內最高紀錄。2003年7月，國防科技大學和中國一汽聯合研發的紅旗無人駕駛轎車高速公路試驗成功，自主駕駛最高穩定時速13Okm，其總體技術性能和指標已經達到世界先進水平

5、。1.2.2 國外的發展情況從20世紀70年代，美歐等發達國家開始進行無人駕駛汽車的研究，大致可以分為二個階段:軍事用途、高速公路環境和城市環境。在軍事用途方面，早在80年代初期，美國國防部就大規模資助自主陸地車輛ALV （Autonomous LandVehicle)的研究。 進入21世紀，為促進無人駕駛車輛的研發，從2004年起，美國國防部高級研究項目局(DARPA)開始舉辦機器車挑戰大賽(Grand Challenge)。該大賽對促進智能車輛技術交流與創新起到很大激勵作用。 在2005年的第二屆比賽中，主辦方只在賽前2小時提供一張光盤，上面提供了比賽路線上2935個“路點”的方位與海拔等

6、詳細資料。整個賽道有急轉彎、隧道、路口還有山路，比賽要求參賽車輛能夠自主完成全部路程。最終斯坦福大學的“斯坦利”，獲得了第1名。具有6個奔騰M處理器的電腦完成“斯坦利”的所有程序的處理。車輛移動時，4個激光傳感器、一個雷達系統、一組立體攝像頭和一個單眼視覺系統感知周圍的環境。1.2.3 智能車競賽現狀“飛思卡爾”智能車競賽是由教育部高等學校自動化專業教學指導分委員會主辦，飛思卡爾半導體公司協辦的全國性的比賽。智能車競賽所使用的車模是一款帶有差速器的后輪驅動模型賽車，它由大賽組委會統一提供。比賽要求參賽隊伍研究并設計一款能夠自主辨識路線并能夠自主行駛的智能車，在專門設計的封閉跑道上行駛，跑完整個

7、賽程用時越短的參賽隊伍成績越好。智能車的設計要求參賽隊伍首先對汽車動力學有一定的研究和了解，從而設計合理的機械結構。同時要求參賽隊伍自行設計控制器系統電路、圖像采集模塊電路、電機驅動電路、電源模塊電路等多個部分的電路。在硬件平臺搭建完成后，參賽隊伍要對智能車系統的路線辨識以及控制算法進行開發和調試，為了后期的調試方便，很多隊伍還開發了用于調試的上位機監控程序。智能車大賽以迅猛發展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械等多個學科交叉的科技創新比賽。隨著賽事的逐年開展，不僅使參賽學生自主創新能力的提高，對于高校相關學科領域的學術水平的提升也有一定的幫助。目前，此

8、項賽事己經成為各高校展示科研成果和學生實踐能力的重要途徑，同時也為社會選拔優秀的創新人才提供了重要平臺。 “飛思卡爾”杯智能車競賽于2000年在韓國首次舉辦，我國于2006年8月舉辦第一屆“飛思卡爾”杯全國智能車競賽，當時吸引了來自全國50所高校的112支代表隊的參與。在2007年的第二屆智能車競賽中，來自全國26個省(自治區)、直轄市的130余所院校的242支隊伍分為5個賽區進行角逐，比賽場面空前激烈。1.3 實踐的目的和意義通過設計進一步掌握單片機的應用，特別是在嵌入式系統中的應用。進一步學習單片機在系統中的控制功能，能夠合理設計單片機的外圍電路，并使之與單片機構成整個系統。第二章 系統方

9、案設計2.1 系統設計目標 制作一輛簡易智能小車，智能車采用紅外傳感器對賽道進行道路檢測，超聲波測距模塊采集周圍20cm以內的的障礙物信息，單片機根據采集到的信號的不同狀態判斷小車當前狀態并發出控制命令，通過電機驅動模塊控制電機的工作狀態以實現對小車姿態的控制。2.2 系統設計思想本設計屬于嵌入式應用系統。確定整個控制系統的總體方案，是進行系統設計最關鍵、最重要的一步?？傮w方案的好壞，直接或間接影響整個控制系統的性能和實施細則。系統總體方案的設計主要是根據被控對象的任務和功能要求而確定的。2.3 系統的總體結構 根據設計思想可知，智能循跡避障小車是主要是由一個系統主機和3個系統從機組成。系統主

10、機就是也就是主控制器，是智能小車的大腦。從機由電機驅動模塊，紅外傳感模塊，測距模塊三部分組成，其中電機驅動模塊是輸出設備，紅外傳感模塊和測距模塊是輸入設備。 本次設計是我們學習的實踐和總結，所以采用NXP公司的P89C51VB2單片機芯片，該芯片具有較大的Flash存儲區，具有兩個16位定時器，編程簡單，功耗低等優點。從機通過接收模塊接收指令，并按照指令要求驅動形影的外圍設備。這種結構以主機作為中心，形成樹形的管理平臺，結構簡單，易于管理和控制。附系統結構框圖（如下）：P89C51VB2最小系統紅外傳感模塊測距模塊驅動模塊電機2.4 系統硬件設計2.4.1 小車設計 小車由兩個主動輪、一個萬向

11、輪、底板、控制系統、電路板及外圍設備等組成，主動輪由電機驅動，整個系統由主機控制。2.4.2 電源模塊設計根據材料我們有選用兩節3.6V鋰電池串聯作為輸入電源，由于51單片機要求輸入電壓為5V，所以采用7805穩壓后供電。附電源模塊原理圖（如圖2-1）：電路中的大小電容分別濾去電路中的高頻和低頻雜波，7805能夠把電壓穩定在5V為單片機和紅外傳感模塊供電。2.4.3 驅動模塊設計 驅動模塊使用兩個繼電器和四個三極管為主要部件，構成驅動電路?？梢苑謩e控制兩個電機的正傳、反轉和停轉。附驅動模塊原理圖（如圖2-2）： 電容器達到 PWM端輸入1即高電平時，三極管導通為繼電器電源輸入端供電，反之不供電

12、，DIR端輸入1/0對應繼電器吸合和分離，輸入1時繼電器電磁鐵吸合，輸入0時電磁鐵分離。2.4.4 紅外傳感模塊設計 紅外傳感模塊主要有四個紅外對管，電阻，發光二極管組成。附紅外傳感模塊原理圖（如圖2-3）：紅外對管由發射管和接收三級管組成，當遇到黑線沒有反射時接受三極管不到通，相應輸出端輸出高電平，其他時刻接受三極管導通，輸出端被下拉為低電平。2.4.5 測距模塊設計測距模塊要求更高的精確度和靈敏性，所以我們采用工業成品US100（附成品圖2-4）。圖2-4US-100超聲波測距模塊可實現2cm4.5m的非接觸測距功能，擁有2.45.5V的寬電壓輸入范圍，靜態功耗低于2mA，自帶溫度傳感器對

13、測距結果進行校正，同時具有GPIO，串口等多種通信方式，內帶看門狗，工作穩定可靠。（其他主要參數見附表）2.5 系統軟件設計2.5.1 編程環境的介紹本次系統的程序設計是在TKStudio V4.5.1平臺上進行開發的。TKStudio集成開發環境是廣州致遠電子股份有限公司開發的一個嵌入式芯片級、系統級軟件開發平臺，是一款內置強大編輯器的多內核編譯調試環境，支持Keil C51、SDCC、GCC ARM、ADS、IAR ARM、MDK、RVDS、GCC AVR、WindRiver CCORE、CCoreGcc、RemoteGcc等編譯工具鏈，支持8051、ARM7/ARM9/ARM11、Cor

14、texM3/CortexM0、XScale、AVR、CCORE等內核調試，支持Linux bootloader、Linux內核、Linux內核模塊、Linux應用程序等的調試。可以完成從工程建立和管理，編譯，鏈接，目標代碼的生成，到軟件仿真，硬件仿真(掛接TKS系列仿真器的硬件)等完整的開發流程。TKStudio V4.5.1加入了Liunx調試的支持，包括bootloader調試、Linux內核調試、Linux內核模塊調試和Linux應用程序調試，直接通過TKScope系列仿真器進行調試，摒棄了傳統的通過KDB、KGBD等補丁進行調試的方式，支持從現有的調試文件直接進行調試，自動創建源代碼樹

15、，編輯、編譯、下載、調試一體化。其操作界面如圖2-5 TKStudio編程環境本次系統設計采用C語言開發，它是一種計算機程序設計語言。它既有高級語言的特點，又具有匯編語言的特點。它可以作為系統設計語言，編寫工作系統應用程序，也可以作為應用程序設計語言，編寫不依賴計算機硬件的應用程序。因此，它的應用范圍廣泛。2.5.2 電機控制程序設計直流電機驅動比較簡單，不像步進電機那樣需要給高低電平脈沖，直流電機只要給高低電平就可以轉，只要PWM=1即高電平，電機就可以轉動，DIR=0/1則控制電機的正反轉。2.5.3 循跡程序設計循跡其實是對模塊輸出端口高低點評的讀取，只需要提供四個IO口既可以實現所有循

16、跡的讀取。當讀到1時，表示相應未知的紅外對管在黑線上。2.5.4 避障程序設計 避障部分主要由舵機控制和超聲測距模塊的讀取。每當舵機轉動一定的角度，就啟動一次距離的讀取。A舵機工作原理如下：圖2-6舵機實物圖1.舵機有三根線，一般依次是地，電源（5V左右），信號（信號的幅值>=3.3V)。2.其工作原理是：控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內部有一個基準電路，產生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯減速齒輪帶動電位器旋轉

17、，使得電壓差為0，電機停止轉動。3.舵機的控制：舵機的控制一般需要一個20ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms2.5ms范圍內的角度控制脈沖部分。以180度角度伺服為例，那么對應的控制關系是這樣的：0.5ms-0度；1.0ms-45度；1.5ms-90度；2.0ms-135度；2.5ms-180度；用定時器定時周期20ms，改變PWM值就可以改變舵機轉動的角度。B測距原理如下：圖2-7：US-100測距時序圖圖2-7表明：只需要在Trig/TX管腳輸入一個10US以上的高電平，系統便可發出8個40KHZ的超聲波脈沖，然后檢測回波信號。當檢測到回波信號后，模塊還要進行溫度值的測量，然后根據當前溫度對測距結果進行校正，將校正后的結果通過Echo/RX管腳輸出。第三章 系統的調試與分析3.1系統硬件調試 由于本次設計的硬件電路均比較簡單，考慮到原材料和成本的因素，我決定采用萬能板焊接，這樣既可以練習焊接技術，也達到了節約原材料降低成本的目的，可為低碳之選。系統硬件是否符合要求將直接決定著整套系統的正常