(完整版)智能小车本科毕业设计

摘要

随着社会各行各业的迅速发展，根据人类的需求出现了各种各样的智能机器人、智能车。智能小车又称为移动式机器人，是一个多种高新技术的集成体，它融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识，伴着我国科学技术的进步，智能化和自动化技术越来越普及，各种高科技也广泛应用于智能车等制造领域，使智能车越来越多样化。根据不同的需求便出现了各种功能的智能小车。

本设计是以AT89C52单片机为核心的智能车的设计，系统主要由红外检测模块、单片机最小系统模块、电机控制模块、电源模块组成。其中电源模块由四节1.5V电池组成，经过7805稳压电路输出5V的稳定电压；红外检测模块包括两只红外反射式对管TCRT5000；最小系统模块主要包括AT89C52单片机和其外围电路；电机模块包括两个减速直流电机及其附属减速箱和两个电机驱动控制芯片L298N。软件部分由C语言编程，实现对各部分的处理和控制。该智能车可以实现自动避障、避障的功能。整个系统结构简单，运行高效。

关键词：智能小车避障 AT89C52 L298N电机驱动

Abstract

With the rapid development of all sectors of society, based on needs emergence of a variety of intelligent robots, intelligent vehicles. Smart car, also known as mobile robots, is a multi-tech integrated body, which combines mechanical, electronics, sensors, computer technology is becoming increasingly popular, is also widely used in various the needs of the various functions will appear smart car.

The design is based on AT89C52 microcontroller as the core of the intelligent vehicle design, the system mainly consists of infrared detection module, the smallest single-chip system module, motor control module, power module. Wherein the power supply module consists of four 1.5V batteries composed after 7805 5V regulator circuit output stable voltage; infrared detector module includes two infrared reflective of the tube TCRT5000; minimum system module includes AT89C52 microcontroller and its peripheral circuits; motor module includes two DC motors and its subsidiary reducer gearbox and two motor drive control chip L298N. Software part by the C programming language, to achieve the various parts of the processing and control. The smart car can automatically avoid obstacles, obstacle avoidance function. The whole system is simple, efficient operation.

Key words:Intelligent car Obstacle avoidance Remote control AT89C52

目录

目录 (i)

前言 (1)

1绪论 (2)

1.1 智能小车的研究现状及发展趋势 (2)

1.1.1 智能小车的研究现状 (2)

1.1.2 智能小车的发展趋势 (2)

1.2 本文的结构 (3)

2 系统总体方案设计 (5)

2.1 系统各部分设计方案 (5)

2.1.1 单片机型号的选定 (5)

2.1.2 直流电机驱动芯片的选定 (5)

2.1.3 红外对管的选定 (8)

2.2 总体方案设计 (8)

2.3 智能小车的基本介绍 (9)

2.3.1 智能小车的基本结构 (9)

2.3.2智能小车的基本功能及原理 (10)

3硬件设计 (10)

3.1系统硬件结构图 (10)

3.2 单片机主控单元的设计 (11)

3.2.1 单片机引脚说明 (11)

3.2.2 AT89C52最小系统设计 (16)

3.3红外检测单元设计 (17)

3.4 电机驱动单元设计 (21)

3.5 系统总体原理图 (22)

3.6 硬件抗干扰设计 (23)

3.6.1 电源干扰的抑制 (23)

3.6.2 信号通道干扰的抑制 (23)

4系统软件设计 (25)

4.1主程序设计 (25)

4.2 红外检测模块程序设计 (26)

4.3 电机驱动模块程序设计 ................................... 错误！未定义书签。

4.4 系统软件抗干扰设计........................................ 错误！未定义书签。5系统仿真....................................................................... 错误！未定义书签。

5.1系统在proteus的仿真...................................... 错误！未定义书签。

5.2仿真总结与问题补充......................................... 错误！未定义书签。

5.2.1仿真总结................................................... 错误！未定义书签。

5.2.2问题补充................................................... 错误！未定义书签。结论.............................................................................. 错误！未定义书签。致谢.............................................................................. 错误！未定义书签。参考文献.......................................................................... 错误！未定义书签。附录.............................................................................. 错误！未定义书签。

程序：....................................................................... 错误！未定义书签。

前言

随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。智能汽车的研究迅速发展，智能汽车与一般所说的自动驾驶有所不同，它指的是利用多种传感器和智能公路技术实现的汽车自动驾驶。智能车辆是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。目前对智能车辆的研究主要致力于提高汽车的安全性、舒适性，以及提供优良的人车交互界面。近年来，智能车辆己经成为世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力，很多发达国家都将其纳入到各自重点发展的智能交通系统当中。

智能汽车是一种正在研制的新型高科技汽车，这种汽车不需要人去驾驶，人只舒服地坐在车上享受这高科技的成果就行了。因为这种汽车上装有相当于汽车的“眼睛”、“大脑”和“脚”的电视摄像机、电子计算机和自动操纵系统之类的装置，这些装置都装有非常复杂的电脑程序，所以这种汽车能和人一样会“思考”、“判断”、“行走”，可以自动启动、加速、刹车，可以自动绕过地面障碍物。在复杂多变的情况下，它的“大脑”能随机应变，自动选择最佳方案，指挥汽车正常、顺利地行驶。无人驾驶的智能汽车将是新世纪汽车技术飞跃发展的重要标志。智能汽车已从设想走向实践。随着科技的飞速发展，通过对车辆智能化技术的研究和开发，可以提高车辆的控制与驾驶水平，保障车辆行驶的安全畅通、高效。对智能化的车辆控制系统的不断研究完善，相当于延伸扩展了驾驶员的控制、视觉和感官功能，能极大地促进道路交通的安全性。智能车辆的主要特点是以技术弥补人为因素的缺陷，使得即便在很复杂的道路情况下，也能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物，沿着预定的道路轨迹行驶。

1绪论

1.1 智能小车的研究现状及发展趋势

1.1.1 智能小车的研究现状

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。其基本可实现避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能，这几届的电子设计大赛智能小车又向声控系统发展。比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。智能车竞赛所使用的车模是一款带有差速器的后轮驱动模型赛车。比赛要求参赛队伍研究并设计一款能够自主辨识路线并能够自主行驶的智能车，在专门设计的封闭跑道上行驶，跑完整个赛程用时越短的参赛队伍成绩越好。智能车的设计要求参赛队伍首先对汽车动力学有一定的研究和了解，从而设计合理的机械结构。同时要求参赛队伍自行设计控制器系统电路、图像采集模块电路、电机驱动电路、电源模块电路等多个部分的电路。在硬件平台搭建完成后，参赛队伍要对智能车系统的路线辨识以及控制算法进行开发和调试，为了后期的调试方便，很多队伍还开发了用于调试的上位机监控程序。智能车大赛以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创新比赛。随着赛事的逐年开展，不仅使参赛学生自主创新能力的提高，对于高校相关学科领域的学术水平的提升也有一定的帮助。目前，此项赛事己经成为各高校展示科研成果和学生实践能力的重要途径，同时也为社会选拔优秀的创新人才提供了重要平台。

1.1.2 智能小车的发展趋势

智能小车的研究、开发和应用涉及传感技术、电气技术、电气控制技术、智能控制等学科，智能控制技术是一门跨科学的综合性技术，当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，它可以按照预先设定的模块在一个特定的环境里自动的运行，可运用于科学勘探等用途，无需人为的管理，便可以完成预期所要达到的或更高的目标。智能机器人正在代替人们完成这些任务，凡不宜有人直接承担的任务，均可由智能机器人代替，可以适应不同环境，不受温度、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，智能小车就是其中的一个体现。智能车辆又称为轮式移动机器人，是移动机器人的一种，是一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等多种功能于一体的综合系统。如果将以上技术引用到现实生活中，可以使我们的未来生活变得更加智能。除了潜在的军用价值外，还可以应用于科学研究、地质勘探、危险搜索、智能救援等，其在交通运输中也有较旷阔的应用前景。

1.2 本文的结构

本设计是以AT89C52为核心的智能车，系统采用模块化设计法，其硬件结构主要包括：红外检测模块、单片机最小系统模块、电机控制模块、电源模块。软件部分由C语言编程，实现对各部分的控制。可以实现自动避障的功能。整个系统结构简单，使用方便。全文共分为六章，各章主要内容如下：

第一章为绪论部分，简要介绍了智能小车的研究现状和发展趋势以及本文的主要内容和结构；

第二章为总体设计部分，简要介绍了智能小车的结构及工作原理，论证了系统总体方案的设计，以及对各种方案的选择做出了比较；

第三章为系统硬件设计部分，主要是通过对各种模块的介绍以及对电

路功能的分析，对系统硬件进行了选型和设计，得出系统硬件结构图；

第四章为系统软件设计部分，主要介绍了系统各部分软件的设计流程，给出了简单的程序；

第五章为系统软件仿真；

第六章为总结与展望，主要是对本课题的总结，以及对存在的问题进行归纳和进一步研究的方向。

2 系统总体方案设计

2.1 系统各部分设计方案

2.1.1 单片机型号的选定

市场上的单片机型号很多，功能也有差异，在选择单片机型号的时候主要应该注意以下几个方面：（1）市场货源,系统设计者只能在市场上能够提供的单片机中选择，特别是作为产品大批量生产的应用系统，所选的单片机型号必须有稳定、充足的货源。（2）单片机性能,应根据系统的功能要求和各种单片机的性能，选择最容易实现系统技术指标的型号，而且能达到较高的性能价格比。单片机性能包括片内硬件资源、运行速度、可靠性、指令系统功能、体积和封装形式等方面。影响性能价格比的因素除单片机的性能价格外，还包括硬件和软件设计的难易程度、相应的工作量大小，以及开发工具的性能价格比。（3）研制周期,在研制任务重、时间紧的情况下，还要考虑所选的单片机型号是否熟悉，是否能马上着手进行系统的设计。与研制周期有关的另一个重要因素是开发工具，性能优良的开发工具能加快系统地研制进程。

根据以上对单片机选型知识的介绍，本设计选用AT89C52单片机，下面对此型号单片机进行简介。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes 的随机存取数据存储的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产 ,兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash 存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

2.1.2 直流电机驱动芯片的选定

常用电机驱动芯片主要有L298N、L9110、L293D等，关于直流电机驱动芯片的选择，首先要求驱动能力能够打到设计制作的需要，还要器件购买方便价格低廉，通过综合考虑，本设计选用L298N作为智能车直流电机的驱动芯片。

1. L298N驱动芯片

L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，与L298N的差别是其输出电流增大，功率增强。其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，(二相、三相、四相)步进电机，伺服电机，电磁阀等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制两路电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。L298N模块具有体积小，控制方便的特点。其管脚结构图如图2-1：

图2-1 L298N管脚结构图

2. L9110驱动芯片

L9110 是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成

电路器件，将分立电路集成在单片IC之中，使外围器件成本降低，整机

可靠性提高。该芯片有两个TTLCMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动

能力，每通道能通过 750～800mA 的持续电流，峰值电流能力可达 1.5～2.0A；同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性

负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关

功率管的使用上安全可靠。L9110 被广泛应用于玩具汽车电机驱动、步

进电机驱动和开关功率管等电路上。其管脚功能表如表2-1：

表2-1 L9110管脚功能表

序号符号功能

1 OA A路输出管脚

2 VCC 电源电压

3 VCC 电源电压

4 OB B路输出管脚

5 GND 地线

6 IA A路输入管脚

7 IB B路输入管脚

8 GND 地线

3. L293D驱动芯片

L293D是著名的SGS公司的产品。为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，设计用来接收DTL或者TTL逻辑电平，驱动感性负载(比如继电器，直流和步进马达)，和开关电源晶体管。内部包含4通道逻辑驱动电路。L293D采用16引脚DIP封装，其内部集成了双极型H-桥电路，所有的开量都做成n型。这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续；电机可四角限运行；电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区：低速平稳性好等。L293D通过内部逻辑生成使能信号。另外，L293D将2个H-桥电路集成到1片芯片上，这就意味着用1片芯片可以同时控制2个电机。每1个电机需要3个控制信号EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信号，IN1、IN2为电机转动方向控制信号，IN1、IN2分别为1，0时，电机正转，反之，电机反转。其额定工作电流为1A，最大可达1.5A，Vss电压最小4.5V，最大可达36V； Vs电压最大值也是36V，经过实验，Vs电压应该比Vss电压高，否则有时会出现失控现象。

2.1.3 红外对管的选定

红外对管的选择，主要看红外的收发距离是否能够满足设计功能的实现。另外要看市场供应是否充足方便购买，成本是否合理，是否价格低廉。本设计的红外对管主要包括两只TCRT5000红外反射式对管。

红外对管是红外线发射管与光敏接收管，或者红外线接收管，或者红外线接收头配合在一起使用时候的总称。常见红外对管如上图，红外线发射管在LED封装行业中主要有三个常用的波段，850NM、875NM、和940NM。根据波长的特性运用的产品也有很大的差异，850NM波段的主要用于红外线监控设备，875NM波段主要用于医疗设备，940NM波段的主要用于红外线控制设备。EG：红外线遥控器、光电开关、光电计数设备等。光敏接收管是一个具有光敏特征的PN结，属于光敏二极管，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时，有很小的饱和反向漏电流（暗电流）。此时光敏管不导通。当光照时，饱和反向漏电流马上增加，形成光电流，在一定的范围内它随入射光强度的变化而增大。红外线接收管功能与光敏接收管相似只是不受可见光的干扰，感光面积大，灵敏度高，属于光敏二极管，一般只对红外线有反应。红外线接收头就是在红外线接收管的基础上增加了对微弱信号进行放大的处理的电路，类似开关电路，接收到红外信号给出高电平（接近工作电压），无红外信号低电平（约0.4）。本设计所采用的TCRT5000红外反射式对管具有紧凑的结构发光灯和检测器安排在同一方向上，利用红外光谱反射对象存在另一个对象上，操作的波长大约是950毫米。探测器由光电晶体三极管组成的。

2.2 总体方案设计

按照设计的基本要求，系统共分为五大模块，红外检测模块、最小系

统模块、电机控制模块、电源模块。其中红外检测模块包括两只红外反射式对管，一对红外对管；最小系统模块主要包括AT89C52和其外围电路；电机模块包括两个减速直流电机及其附属减速箱和两个电机驱动控制芯片；电源模块由四节1.5V电池组成。软件部分由C语言编程，实现对各部分的控制。该遥控智能车可以实现自动避障的功能。其总体设计的框图如图2-2所示：

图2-2 总体设计方框图

系统工作原理：当单片机上电后，通过红外模块对前方障碍的检测，传送信号给单片机经过处理，单片机将信号发送给电机驱动控制芯片，来实现智能小车避障的功能。对信号接收后的处理和各部分的控制由采用C 语言编程的软件实现。

2.3 智能小车的基本介绍

2.3.1 智能小车的基本结构

智能小车又是一种移动式机器人，以一个玩具车的外形，加上智能控制系统，和各种的电机，根据控制系统的各种特性构成各种功能的智能小车。无论哪种智能小车都要由这三部分组成。智能小车虽然看起来是玩具车的外形，但是其车子底盘之类的机械部分都需要特别的选定，从大小，

形状规格，重量等方面综合考虑以最好的实现小车功能为目的。而控制系统一般以各种单片机最小系统为核心，配以外围的红外检测或者摄像检测能模块来检测外围信息，提供给单片机进行处理和输出，控制智能小车的电机运行方式，来实现智能小车的各种运行方式。而不同的电机包括无刷直流电机，步进电机等各种电机则被选用来实现各种不同的功能。

2.3.2智能小车的基本功能及原理

本设计的智能小车主要实现自动避障的功能。6V直流电源经7805稳压电路输出5V电压，接通电源，程序开始运行，小车起步。在前进途中随着路线变化，智能小车左或右红外接收端接收不到红外线，返回信号发生变化，证明检测到障碍物；然后将变化的信号发送给单片机，经过单片机处理，单片机发给电机驱动芯片新的信号，从而能控制小车的相应电机倒转；小车转弯后，红外返回信号回到初始，小车沿着改变后的方向继续前进。

3硬件设计

3.1系统硬件结构图

图3-1为系统总体硬件结构方框图，系统共分为四大部分：红外检测模块、单片机控制模块以及电源模块和电机驱动控制模块。各模块所采用的主要芯片型号已于图中有所标示。

图3-1 系统总体硬件设计方框图

3.2 单片机主控单元的设计

3.2.1 单片机引脚说明

AT89C52单片机芯片为40个引脚，图3-2为单片机AT89C52引脚图。下面简单叙述各引脚的功能。

VCC（40引脚）：电源电压

VSS（20引脚）：接地

P0 端口（P0.0～P0.7 P0.7，39～32 引脚）：P0 口是一个漏极开路的 8 位双向 IO 口。作为输出端口，每个引脚能驱动 8 个 TTL 负载，对端口 P0 写入每个引脚能驱动写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时在访问外部程序和数据存储器时，P0 口也可以提供低 8 位地址和 8 位数据的复用总线位数据的复用总线。此时，P0 口内部上拉电阻有效。在 Flash ROM 编在程时，P0 端口接收指令字节端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。

P1 端口（P1.0～P1.7，1～8 引脚）：P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口。P1 的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）

4 个 TTL 输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1 口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。此外，P1.0 和 P1.1 还可以作为定时器计数器 2 的外部技术输入（P1.0T2）和定时器计数器 2 的触发输入（P1.1T2EX）。在对 Flash ROM 编程和程序校验时，P1 接收低 8 位地址。

P2 端口（P2.0～P2.7，21～28引脚）：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向 IO 端口。P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL 输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX @DPTR”指令）时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX @R1”指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对 Flash ROM 编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。

P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向IO端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流。在对 Flash ROM 编程或程序校验时，P3还接收一些控制信号。P3 口除作为一般IO口外，还有其他一些复用功能。

RST（9引脚）：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机的复位初始化操作。看门狗计时完成后，RST引脚

输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO 位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALEROG（30引脚）地址锁存控制信号：（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚（ROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE 脉冲将会跳过.如果需要，通过将地址位 8EH 的SFR 的第 0 位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOV指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址位 8EH 的 SFR 的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。外部程序存储器选通信号（SEN）是外部程序存储器选SEN（29引脚）通信号。当AT89C52从外部程序存储器执行外部代码时，SEN在每个机器周期被激活两次，而访问外部数据存储器时，SEN将不被激活。

AVPP（31引脚）访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH 的外部程序存储器读取指令，A必须接GND。注意加密方式1时，A 将内部锁定位RESET。为了执行内部程序指令，A应该接VCC。在Flash编程期间，A也接收12伏VPP电压。

XTAL1（19 引脚）：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2（18 引脚）：振荡器反相放大器的输入端。

AT89C52单片机有40个引脚，为CMOS工艺双列直插封装（DIP），其引脚分布如图2.2