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基于单片机控制的智能小车设计

摘要

当今世界，传感器技术和自动控制技术正在飞速发展，机械、电气和电子信息已经不再明显分家，自动控制在工业领域中的地位已经越来越重要，“智能”这个词也已经成为了热门词汇。现在国外的自动控制和传感器技术已经达到了很高的水平，特别是日本，比如日本本田制作的机器人，其仿人双足行走已经做得十分逼真，而且具有一定的学习能力，还据说其智商已经达到6岁儿童的水平。

本小车设计主要由单片机控制系统模块、稳压电源模块、电机驱动模块、红外对管检测模块和无线数传模块组成，系统以89C51单片机为核心，对外设进行控制，利用线性稳压芯片对电压进行稳定控制，为单片机及其他外设进行稳定供电，利用红外对管模块进行黑白信号检测，利用L298N电机驱动模块对直流减速电机进行稳定控制，利用光耦芯片进行强弱电隔离控制，消除干扰。最后将各个调试成功的模块结合到小车的车体上，结合程序，通过单片机的控制，将各个模块有效的结合起来，到达所预期的目的，完成最终设计与制作，能使小车的环境中智能化运转。

关键词：单片机控制 智能 红外线传感器 自动寻址 避障

 

目录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 课题研究的问题 2

第二章 设计思路和方案选择 3

2.1 各模块方案的分析与选择 3

2.1.1 主控单元方案比较与选择 3

2.1.2 避障单元方案比较与选择 3

2.1.3 寻迹单元方案比较与选择 4

2.1.4 遥控单元方案比较与选择 4

2.2 总体设计框图 5

第三章  硬件系统的设计 6

3.1 单片机控制模块 6

3.1.1 时钟电路 6

3.1.2 复位电路 7

3.1.3 烧写接口电路 7

3.2 无线遥控模块 8

3.2.1 无线遥控工作原理 8

3.2.2 PT2262/2272 芯片 9

3.3 红外对管寻迹模块 10

3.3.1 模块系统分析 10

3.4 红外避障模块 11

3.4.1 红外避障电路介绍 12

3.4.2 555芯片工作原理 13

3.5 电机驱动模块 14

第四章  软件设计 16

4.1 软件设计框图 16

4.2 软件程序设计部分源程序 16

第五章 系统调试 32

5.1硬件调试 32

5.2 软件调试 33

5.3 联合调试 33

第六章 结束语 36

参考文献 37

致谢 38

附录1 设计实物图 39

附录2 实验原理图 40

附录3 毕业设计作品说明书 41

 

第一章 绪论

1.1 引言

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。全国大学生电子大赛和省内电子大赛中几乎每次都有关于小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究，可见其研究意义很大。本设计以智能化全面发展的普及与应用为目的，整体开发过程简单易懂，所选择的平台与各电子元件恰当合理，无需花费过多的人力财力便可达到预期所要求各功能的实现，也符合课题研究的意义。这样的作品既可以对高端智能化进行剖析，也可以作为高级智能玩具发展对象，同时可成为大学生学习嵌入式控制系统的应用实例。

本设计以AT89C51为主芯片，通过P0.0，P0.1，P0.2，P0.3分别控制LG9110电机驱动，来驱动电机1和电机2,。由电机的正转与反转来完成小车的前进，后退，左转，右转等功能的基本动作。在小车前进时如果前方有障碍物，由红外发射管发射的红外信号被反射给红外接收管，且将此信号经过P3.7传送入AT89C51中，主芯片通过内部的代码进行小车的绕行.小车行走时P3.5与P3.6的红外接收探头会进行路面检测，当走到悬崖处时，端口将会收到一个电平信号，此电平信号通过相应端口传送入主芯片中，以此来控制小车后退然后左转以避开悬崖前进。

第三代单片机包括了Intel公司发展MCS-51系列的新一代产品，如8ｘC152﹑80C51FA/FB﹑80C51GA/GB﹑8ｘC451﹑8ｘC452,还包括了Philips﹑Siemens﹑ADM﹑Fujutsu﹑OKI﹑Harria-Metra﹑ATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色﹑与80C51兼容的单片机。新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以实现Microcomputer完善的控制功能为己任，将一些外部接口功能单元如A/D﹑PWM﹑PCA(可编程计数器阵列)﹑WDT(监视定时器)﹑高速I/O口﹑计数器的捕获/比较逻辑等。这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。Philips公司还为这一代单片机89C51系列8XC592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线----CAN(Controller Area Network BUS)。新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础。本设计就采用了比较先进的89C51为控制核心，89C51采用CHOMS工艺，功耗很低，因此该设计具有实际意义。

1.2 课题研究的问题

本课题设计主要是制作一款能进行智能判断并能做出正确反应的小车。小车具有以下几个功能：自动避障功能；寻迹功能（按路面的黑色轨道行驶）；无线遥控功能。作品以两直流电动机为主驱动，通过各类传感器件来采集各类信息，送入主控单元AT89C51单片机，处理数据后完成相应动作，以达到自身控制。电机驱动电路采用高电压，高电流，四通道驱动集成芯片L293D；避障采用红外线收发来完成，自动寻迹采用红外线接收二极管完成；无线遥控则是采用带有PT2272解码的TDL-9915接收模块和带有PT2262编码的TDL9988-4发送模块完成。最后由控制单元处理数据后通过汇编程序有序合理的将各模块信号整合在一起并完成相应动作，实现了智能控制，相当于简易机器人。

第二章 设计思路和方案选择

2.1 各模块方案的分析与选择

通过收集各硬件模块资料信息，对其进行有效的分析选择，最终选出最合理的设计方案。

2.1.1 主控单元方案比较与选择

方案一：采用各类数字电路来组成小车的控制系统，对外围避障信号，自动寻迹信号，无线遥控信号，语音控制信号进行处理。本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于小车智能化的扩展，对各路信号处理比较困难。

方案二：采用AT89C51单片机来作为整机的控制单元。红外线探头采用市面上通用的发射管与及接收头，经过比较芯片调制处理后由控制系统接收。路线寻找采用红外线管对路面信号采集，送到单片机系统处理，同样包括无线遥控信号和语音控制信号。此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求[3]。

比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，更能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。

2.1.2 避障单元方案比较与选择

方案一：采用超声波避障，超声波受环境影响较大，电路复杂，而且地面对超声波的反射，会影响系统对障碍物的判断。

方案二：采用红外线避障，利用单片机来产生38KHz信号对红外线发射管进行调制发射，发射出去的红外线遇到避障物的时候反射回来，红外线接收管对反射回来信号进行解调，输出比较电平。外界对红外信号的干扰比较小，且易于实现，价格也比较便宜，故采用方案二。

红外线避障方法，利用一管发射另一管接收，接收管对外界红外线的接收强弱来判断障碍物的远近，由于红外线受外界可见光的影响较大，因此通过调制信号产生38KHz的载波来减少外界的一些干扰。只要障碍物在限定范围内就会产生相对的电平供单片机控制，实现避障功能。

2.1.3 寻迹单元方案比较与选择

方案一：采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。由于光敏二极管受可见光的影响较大，稳定性差。

方案二：利用集成型红外对管作为寻迹单元的传感器，其中红外线发射管发射红外线，红外线二极管进行接收。采用红外线发射，外面可见光对接收信号的影响较小，再用射极输出器对信号进行隔离。本方案也易于实现，比较可靠，因此采用方案二。

当小车底部的某边红外线收发对管遇到黑带时，可以检测到输入电平为高电平，反之为低电平。结合单片机查询方式，通过程序控制小车哪边轮胎转动来改变方向。这样不断循环检测，方向控制，使小车按黑线行走。

2.1.4 遥控单元方案比较与选择

方案一：由发射和接收两大部分组成红外遥控系统，应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作，发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路等。相对结构比较复杂，而且使用的时候必须将遥控器前的红外发射孔对准接收管才可以。

方案二：无线电遥控也由发射和接收两大部分组成，由于无线电遥控模块在市场上非常普及，加上无线电遥控有传输距离远、抗干扰能力强、无方向性等优点，对于小车的控制是一个不错的选择[4]。

方案三：超声波遥控是利用超声波来传送指令的遥控，可以应用于需要遥控、遥测的场合。采用AX5326与AX5327等构成的遥控系统具有体积小、功耗低、功能强大、抗干扰能力强等优点。但由于超声波遥控价格相对上面两种价格较贵，而且对于小车的遥控也太过于夸大化。

结合三种方案，最终选择用电量、发射、接受功率都不大，一般的小障碍也可以穿越，而且遥控无方向性的无线电遥控。采用带有PT2272解码的TDL-9915接收模块和带有PT2262编码的TDL9988-4发送模块完成。

2.2 总体设计框图

此系统是以单片机为控制核心，处理执行各个外部传感器检测得到的电平信号，其中外部信号有四部分得到：寻迹模块，避障模块，遥控模块和语音模块。最后把处理结果传递给小车电机，使得到相应效果。如图2-1总体设计框图

参考文献

［1］. 张鑫. 单片机原理及应用（第2版）. 电子工业出版社，2010年.

［2］. 张以和，陈德北.例说8051[M].北京;科学出版社,2007,3.

［3］. 何立民.  MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术. 北京航空航天大学出版社，2001年.

［4］. 张洪润等.  单片机应用技术教程]. 清华大学出版社，2009年.

［5］. 船仓一郎,土屋 尧,崛桂太郎(日).机器人控制电子学[M].北京：科技出版社，2004， 5.

［6］. 胡汉才.单片机原理及其接口技术. 清华大学出版社，2003年.

［7］. 江晋剑，钱萌。一种基于AT89S52的简易智能小车设计[J].科技论文，2007,7,97~100.

［8］. 张毅刚. 单片机原理与应用设计. 电子工业出版社，2008年.

［9］. 赵广林，轻松跟我学Protel 99SE 电路设计与制版[M].北京：电子工业出版社，2005， 2.

［10］.何立民. 单片机高级教程——应用于设计（第2版）. 北京航空航天大学出版社，2007年.