智能小车控制系统电路设计与开发

智能小车控制系统电路设计与开发

目录

毕业设计（论文） (1)

摘要 (3)

第1章前言 (4)

第2章智能小车的概述 (5)

2.1研究的目的和意义 (5)

2.2智能小车的现状 (6)

第3章智能循迹小车总体设计方案 (7)

3.1系统方案设计 (7)

3.2主要元件的选择 (8)

3.2.1 主控器 (8)

3.2.2供电单元 (8)

3.2.3驱动电机选择 (9)

3.2.5传感器 (10)

第4章硬件电路 (11)

4.1主控设置（AT89C51） (11)

4.2复位电路 (14)

4.3时钟电路 (14)

4.4循迹模块 (15)

4.5避障模块 (16)

4.6电源模块 (16)

4.7系统整体电路 (17)

第5章系统软件部分设计 (18)

5.1软件调试平台 (18)

5.2软件程序流程设计 (18)

5.3系统仿真实现 (19)

五结论 (21)

致谢 (22)

参考文献 (23)

摘要

随着我国社学技术的发展，智能化越来越作为现代社会的新产物开始越来越普及，各种高科技也广泛应用于智能小车和机器人玩具制造领域，是智能机器人越来越多样化。智能小车是一个多种高薪科技的集成体，它融入了机器、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识，可以设计到当今许多前沿领域的技术。

整个小车平台主要以514单片机为控制核心，通过无线遥控实现前进后退和转向行驶，通过红外线传感器，实现小车的自适应巡航、避障等功能。设计采用对比选择，模块独立，综合处理的研究方法。通过翻阅大量的相关文献资料，分析整理出相关信息，在此基础上列出不同的解决方案，结合实际情况对比方案优劣选出最优方案进行设计。从电机车体，最小系统到无线控制，红外线对管的自动寻迹再到红外线自动避障和语音控制，完成各模块设计。通过调试检测各模块，得到正确的信号输出，实现调试检测各模块，得到正确的信号输出，实现其应有的功能。最后将各个模块有效整合在一起，达到所预期的目标，完成最终设计与制作，能使小车在一定的环境中智能化运转。

关键词：智能化；高薪科技；无线控制

第1章前言

进入二十一世纪，随着计算机技术和科学技术的不断进步，机器人技术较以往已经有了突飞猛进的提高，智能循迹小车即有视觉的触觉的小车就是其中的典型代表。

第2章智能小车的概述

智能小车作为现代的新发明，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等等的用途。智能小车能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、寻光、避障功能，可程控行驶速度、准确定位停车，远程传输图像等功能。

智能小车可以分为三部分--传感器部分、控制器部分、执行器部分。

控制器部分:接收传感器部分传递过来的信号，并根据事前写入的决策系统(软件程序)，来决定机器人对外部信号的反应，将控制信号发给执行器部分。好比人的大脑。

执行器部分:驱动机器人做出各种行为，包括发出各种信号(点亮发光二极管、发出声音)的部分，并且可以根据控制器部分的信号调整自己的状态。对机器人小车来说，最基本的就是轮子。这部分就好比人的四肢一样。传感器部分:机器人用来读取各种外部信号的传感器，以及控制机器人行动的各种开关。好比人的眼睛、耳朵等感觉器官。

2.1研究的目的和意义

随着电子技术、计算机技术和制造技术的飞速发展，数码相机、DVD、洗衣机、汽车等消费类产品越来越呈现机电一体化、智能化、小型化趋势。各类智能化小车在市场玩具中也占一个很大的比重。根据美国玩具协会的调查统计，近几年来全球玩具销售增幅与全球平均GDP增幅大致相当。而全球玩具市场的内在结构比重却发生了重大改变：传统玩具的市场比重正在逐步缩水，高科技含量的电子玩具则蒸蒸日上。美国玩具市场的高科技电子玩具的年销售额2004年较2003年增加52%，而全统玩具的年销售额仅增长3%。英国玩具零售商协会选出的2001圣诞节最受欢迎的十大玩具中，有7款玩具配有电子元件。从这些数字可以看出，高科技含量的电子互动式玩具已经成为玩家行业发展的主流。

如今只是工程、计算机科学、机电一体化和工业一体化等许多领域在讨论智能系统，人们要求系统变得越来越智能化。显然传统的控制观念是无法满足人们的需求，而智能控制与这些传统的控制有机的结合起来取长补短，提供整体的优势更好的满足人们的需求。随着人工智能技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，智能控制必将迎来它的发展新时代。计算机控制与电子技术融合为电子设备智能化开辟了广阔前景。因此遥控加智能的技术研究、应用都是非常有意义而且有很高的市场价值的。

人类的研究活动已经摆脱了地球生活圈的束缚而广泛地进入外层空间和海洋深处。对月球和太阳系其他行星的探测，对太阳系以外的宇宙进行考察。对数千米以下的海底的研究，都是目前单靠人力所不能及的。自动控制系统设计正在代替人们完成这些工作。在战场上的军事活动中，在恶劣环境条件下的生产劳动中，凡不宜由人直接承担的任务，均可由自动控制系统代替，如智能小车可以适应不同环境、不同温、湿度等条件的影响，完成危险地段、人类无法介入等特殊情况下的任务。高科技自动控制系统及装置已日益成为现代社会活动中离不开的自动智能设备。

2.2智能小车的现状

随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也越来越受人关注，全国电子科技大赛和省内电子科技大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义重大。本设计就是在这样的背景下提出的。本设计采用了比较先进的C51为控制核心，C51采用CHOMS工艺，功耗很低。该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、医疗机械等许多方面。尤其是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景；在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。所以本设计与实际想结合，显示意义很强。

第3章智能循迹小车总体设计方案

3.1系统方案设计

为此以AT89C51为主控芯片，主要包括避障模块、电源模块、声控模块、电机驱动模块等，系统框图如图2.0所示。通过寻迹及避障传感器来采集周围环境信息来反馈给CPU，通过主控的处理，来控制电机的运转，从而实现循迹与避障，达到智能行驶。且本设计添加了声控效果，通过声音传感器来对小车发出指令，让其行驶与停止。

为了能够更好的完成本次设计任务，我们采用三轮车，其前轮驱动，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，后轮是万象轮，起支撑的作用，并通过软件程序控制，与硬件架构相结合，从而实现自动循迹、避障的功能。

系统总体图如图3.1所示

图3.1 系统总体图

3.2主要元件的选择

3.2.1 主控器

按照题目要求，控制器主要用于控制电机，通过相关传感器对路面的轨迹信息进行处理，并将处理信号传感给控制器，然后控制器做出相应的处理，实现电机的前进和后退，保证在允许范围内实践循迹避障。

方案一：可以采用ARM为系统的控制器，优点是该系统功能性强大，片上外设集成度密度高，提高了稳定性，系统的处理速度也提高，适合作为大规模实现系统的控制核心。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，若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必可增加的难题。

方案二:使用51单片机作为整个智能车系统的核心。用其控制智能小车，既可以实现预期的性能指标，又能很好的操作改善小车的运行环境，且简单易上手。对于我们的控制系统，核心主要在于如何实现小车的自动控制，对于这点，单片机就拥有很强的优势—控制简单、方便、快捷、单片机足以应对我们设计需求。51单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，功耗低、体积小、技术成熟，且价格低廉。

综合考虑，本设计选择选用AT89C51单片机做控制器。

3.2.2供电单元

方案一:采用单电源供电，通过单电源同时对单片机和直流电机进行供电，此方案的优点是，减少机身的重量，操作简单，其缺点是，这样会使单片机的波动变大，影响单片机的性能，稳定性比较弱。

方案二;采用双电源供电，通过两个独立的电源分别对单片机和直流电机进行供电，此方案的优点是，减少波动，稳定性比较好，可以让小车更好的运作起。

3.2.3驱动电机选择

方案一:采用直流电机，优点在于硬件电路设计简单。当外加额外直流电压时，转速几乎相等，调速性能较好，且性价比高，对于小车的行驶，能够很好的控制。

方案二:采用步进电机，步进电机可以实现精确的转角输出，只要施加合适的脉冲序列，电机可以按照人们的预定的速度或方向连续的转动，便于控速，但是软件程序的编写较直流电机稍显复杂。

电机性能对比如表3.1所示

表3.1

总结考虑，本智能车设计决定采用直流电机作为智能车的动力电机

3.2.4电机驱动器

方案一：如果电机的开启和关闭控制通过继电器的来控制，该方案的优点是电锯较简单，但响应速度很慢，且易损坏，使用寿命短，可靠性不是很高。

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。但数字电阻元件比较昂贵，且电阻网络实现的调速很有限。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2.2）。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，这是一种普通使用的PWM技术，该电路由于在饱和截止模式下工作，效率很高，H桥电路保证速度和方向的简单控制。

H桥电路如图3.2所示

图3.2 H型桥式电路

H桥电路的调速特性好，且调速范围宽，过载能力好，且能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的武技快速启动、制动和反转。因此决定采用功率三级管作为功率放大器的输出控制直流电机。

3.2.5传感器

本设计外围部分采集包括三大部分：循迹部分、声音部分、避障部分。循迹采用红外对管ST188，其采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体组成，采用非接触式检测方式，且检测距离可调范围较大。避障采用集成模块E18-D50NK，声音传感器则采用由电压比较器LM393及驻极体话筒构成的声音传感器模块。

第4章硬件电路

4.1主控设置（AT89C51）

AT89C51单片机拥有4k bite ROM,且具有低电压、高性能9位微处理器的工作特征。

单片机中的EEPROM存储器可以循环擦写100次。该装置选用了ATMEL的高密度非易失性存储器制造技术制造，兼容现代MCS-51工业标准的指令集和输出管脚。TMEL公司的89C51是一种高效的为控制器，因其将8位CPU和FLASH存储器组合在一个芯片中，故其简单、方便、易使用。89C2051单片机是它的一种精简版。89C单片机制造成本低，且灵活度高，故被广泛应用于嵌入式控制系统中。

89C51实物图和引脚图如图4.1

图4.1 AT89C51单片机

主要的特征如下图3.2；

图4.2 AT89C51单片机特性

由于89C51单片机要能正常工作必须要有时钟和复位电路等构成单片的最小运行环境，为此本系统的最小控制电路如图4.3所示;

图4.3 单片机最小系统

4.2复位电路

在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（不正常运行）或者死机（停止运行）时，就需要进行复位。MCS-51系列单片机的复位引脚RST （9管脚）出现2个机器周期以上的高电平，单片机就执行复位操作。如果RST 一直保持高电平，那么单片机就无限循环复位。

复位模式基本包括上电自动复位和开关复位。这两种复位方式如图4.4，4.5所示，在上电瞬间，电容两端电压不能突变，且电容负极和reset相连，此时电压全部加在电阻上，reset引脚电压为高电平，芯片复位。随后，5V电源开始电容充电，电阻上的电压逐渐降低接近0V，芯片正常工作。

图4.4 复位电路图4.5 晶振系统

在并联电容两端的复位按钮，在复位按钮不压在电路上电复位芯片，在正常工作时，按下按钮，RST引脚的高水平，手动复位的效果。复位按钮并联在电容的两端，当复位按钮未被按下的时候电路实现上电复位，在单片机正常工作后，通过复位按钮使RST引脚出现高电平，达到复位的效果。通常，在RST 引脚上输出10ms以上的高电平，就可以使单片机复位。图中所示的复位电阻和电容只是常用值，实际可以根据需要采用同一数量的电阻和电容代替。

4.3时钟电路

时钟电路是用来产出AT89C51单片机工作时所必须的时钟信号，AT89C51本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现，AT89C51在唯一的时钟信号的控制下严格的按时序执行指令进行工作，时钟的频率影响单片机的速度和稳定性。通常时钟由于两种形式：内部时钟和外部时钟。

我们系统采用内部时钟方式来为系统提供时钟信号，如图2.5所示。

AT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器。该放大器的输入输出引脚为XTAL1和XTAL2它们跨接在晶体振荡器和用于微调的电容，便构成了一个自激励荡器。

电路中的C1、C2的选择在30PF左右，但电容太小会影振荡的频率、稳定性和快速性。晶振频率在1.2MHZ~12MHZ之间，频率越高单片机的速度就越快，但对存储器速度要求就高。为了提高稳定性我们采用温度稳定性好的NPO电容，采用的晶振频率为12MHZ.

4.4循迹模块

小车循迹，我们通常采用红外线检测的方法，红外线检测是通过黑色和白色对红外线的吸收效果不同，当红外线光射到白色底盘时，会发生漫反射到智能车的接受管上。

而射到黑线则会被吸收不会产生发射，智能车红外接收管就接受不到。故整个智能车通过红外接收管是否接受到红外线来判断黑线和白线，从而实现循迹。但需要注意的是，红外传感器的检测距离有限，一般在3CM之间。红外光电传感器由1个红外线发射管（发射器）和一个光电二极管（接收器）所组成。

本次设计，红外光电接收器我们采用的是ST188，其实发射红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管构成，它使用的非接触式检测方式，且检测距离范围较大，一般为4~13mm。

循迹传感器红外光电对管ST188实物及内部结构图如下图4.6所示：

图4.6 ST188实物及内部结构图

4.5避障模块

本设计避障模块选用的是集成模块E18-D50NK，该传感器是一种红外传感器。这是一种集发射与接收于一体的光电式传感器，其检测距离可以根据我们的需要进行调节。

此传感器探测距离远，抗干扰性能强，且价格低廉，容易使用，已在机器人行业中得到广泛应用，是我们避障功能设计的最佳选择。该传感器实物图如图4.7；

图 4.7 E18-D50NK传感器

4.6电源模块

本设计需要5V电源为整个系统供电，电源模块以芯片LM7805为核心设计输出+5V直流电压的稳压电源电路。

该电源模块是有电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四个部分组成。电源变压器将交流220V变成9V左右交流电压，然后通过整流桥将交流电变为脉冲的直流电压。由于此脉冲直流电压还包含较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，C31\C14分别为输入端和输出端滤波电容，并利用三端稳压集成芯片LM7805进行稳压，当输出电较大时，7805应配上散热板。

具体电路如下图4.8所示：

图4.1 AT89C51单片机

4.7系统整体电路

通过以上各个单元模块电路设计，综合起来得到本次设计的系统整体电路图如下图4.9，4.10所示：

图4.9 单元模块电路设计

图4.10单元模块电路设计

第5章系统软件部分设计

5.1软件调试平台

Keil for C51是美国keil Software公司的C语言软件开发系统。在功能上、结构性、可读性、可维护性上，相比与汇编，C语言都具有明显的优势，故易学易用，在国内外得到广泛使用。Keil提供了一个完整的开发环境，其中包括C编码器、宏汇编器、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器，通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起。如果你用C语言编程，那么Keil 将是你最好的选择，即使不用C语言而选用汇编语言编程，其易于使用的软件真环境以及强大的综合调试工具也会使你事半功倍。

C51开发中除必要的硬件外，同样离不开软件。一般，我们通过机器汇编，把我们写的源程序变成为C51可以执行的机器码。此外还有一种较为繁琐的方法，那就是手工汇编。伴随着C51开发技术的不断提升，现在已不再使用汇编语言来开发，而是开始使用高级语言来开发。目前，针对最流行C51开发项目，研发出了keil for 51软件平台和支持在线调试的串口绕写。

5.2软件程序流程设计

本智能小车通过实时检测各个模块传感器的输入信号，利用红外对管检测黑线实现循迹，通过光电传感器实现避障，把所有采集到的信息送到主处理器，让小车做出正确的行驶路线。小车的启动与停止，均采用了声控模块，实现对小车的声音控制，其程序流程图如下5.1所示：

图5.1 系统程序流程图

5.3系统仿真实现

整个智能车的供电系统，全部由稳压芯片lm7805构成的5V稳压电路提供，其中包含主控电源以及各类传感器的供电。图5.2为电源仿真结果：

图5.2 电源仿真图