基于单片机的多功能智能小车设计
基于单片机的多功能智能小车设计[20200419160342]
摘要
智能小车是当今社会的新生产物，它可以代替人在复杂的环境中进行工作，不仅增加了效率，还提高了安全，在航空、交通、工业应用等领域都发挥着重要的作用 ，是未来发展的一个重要方向。
本次设计的控制芯片为STC12C5A60S2单片机，主要完成三大功能：自动循迹、智能避障和红外遥控。模块间的任意切换和小车前后左右的运行状态是通过红外遥控来实现的。循迹模块采用红外光电管传感器来对白色跑道上的黑色引导线进行识别。避障模块通过舵机带动超声波传感器左右转动检测和躲避障碍物。小车设有人机交互界面，使用者通过LCD1602可以清晰地知道小车的运行状态。设计采用对比选择、模块独立、综合处理的思想。根据功能，参考性价比，选择出最优的设计方案。各功能模块单独调试，得出正确的输出信号。最后输入完整的程序，进行整体调试。本次设计的小车可以通过红外遥控器进入各子模式，在一定环境下，进行智能化操作。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:智能小车单片机循迹避障遥控
目录
1.引言 1
1.1智能小车研究背景简介 1
1.2国内外发展状况 1
1.3设计目的与意义 2
1.4本次设计的任务与解决方案 3
2.系统方案设计 5
2.1方案设计与选择 5
2.1.1主控芯片的选择 5
2.1.2电机的比较与选择 5
2.1.3循迹模块方案比较与选择 5
2.1.4避障模块方案比较与选择 6
2.2总体设计方案 6
3.系统硬件电路设计 7
3.1单片机最小系统设计 7
3.2电源电路的设计 10
3.3电机驱动模块的设计 11
3.4巡线模块的设计 14
3.4.1红外光电管的工作原理 14
3.4.2路径检测电路 14
3.5避障模块的设计 15
3.5.1舵机的介绍 15
3.5.2超声波传感器模块的介绍 16
3.6 红外遥控模块的设计 18
3.7 显示模块电路设计 21
4.系统软件设计 23
4.1主程序设计 23
4.2电机控制程序设计 24
4.3红外循迹程序设计 25
4.4舵机加超声波避障程序设计 26
4.5 红外遥控程序设计 27
4.5.1红外遥控模式切换程序 27
4.5.2 红外遥控方向控制程序 28
5.测试与分析 29
5.1 电机驱动测试 29
5.2 红外循迹测试 29
5.3舵机加超声波避障测试 29
5.4 红外遥控测试 30
5.5 遇到的问题与解决方案 30
6.总结与展望 32
6.1总结 32
6.2展望 32
参考文献 33
致谢 34
附件1主控板原理图 35
附件2 PCB 36
附件3 程序清单 37
1.引言
1.1智能小车研究背景简介
随着生产水平的不断提高，人类对自动化水平要求的不断提高，智能车辆以及在智能车基础上开发的产品已经在柔性传输系统、智能运输系统等系统上发挥了重要作用。例如：智能搬运车的运用不仅提高了企业自动化的程度，还提高了效率。当今世界的许多国家都在积极的开展智能车辆的研发。20世纪60年代，机器人学中的一个重要分支：移动机器人，诞生了[9]。在1966年至1972年期间， Nils?Nilssen、Charles?Rosen等来自斯坦福研究院的研究员人以将人工智能技术应用在复杂环境下，实现机器人系统的自主推理、控制和规划为主要目的，研制出第一个自主式移动机器人“shakey”。此后，世界各地移动机器人的研究与制作变得越来越多，作为移动机器人一个重要分支的智能车辆也倍受人们的青睐。智能小车又称轮式机器人，是典型的高新技术综合体。在复杂的道路交通情况下，智能车辆不需要人去驾驶自己就可以获取道路情况，驾驶和操纵车辆避开障碍物并顺着预定的轨迹行驶。智能小车在原有的车辆基础上装有相当于汽车的 “大脑”、“眼睛”和“脚”的电子计算机、自动操纵系统和电视摄像机等设备，这些设备都配有极其复杂的程序系统，让智能车能像人一样去“考虑”、“判定”和“前进”，根据实际路况自己启动，加速、刹车，随机应变选择最佳方案，指挥汽车正常、顺利的行驶。
1.2国内外发展状况
1.国外发展
发达国家从20世纪70年代开始无人汽车驾驶的研究计划。美国国防部从80年代初期就已经开始大规模的投资，目的是支持自主陆地车辆ALV （Autonomous Land Vehicle)的研制[7]。
步入21世纪，为了激发人们对于智能车辆开发制作的热情，美国国防部高级研究项目局（DARPA）决定自2004年起开始举办智能车大赛(Grand Challenge)。这项比赛在智能车技术交流与创新上都起到了极大地激励作用。赛道环境复杂，它包括隧道、路口、急转弯和山路，要求参加比赛的车辆能够自主完成全程。最后，斯坦福大学参赛的名叫“斯坦利”的智能车夺得冠军。
德国于2006年举办了欧洲陆地机器人竞赛(European Land Robot Trial，简称(ELROB))。该竞赛中，德国名叫“途锐”的智能车夺得了第一名。该车采用影像处理技术，将四周的环境处理成3D影像，并通过光学定位和测距系统对信息进行导航决策，实现自主行驶的目的。
2.国内发展
我国无人驾驶汽车的研制相对于国外起步较晚，始于上世纪80年代。在上海交通大学、吉林大学、国防科技大学、清华大学等多所高校都设有研究项目[7]。我国首辆无人驾驶车是国防科技大学在1992年研发成功的，该车配有由计算机、液压控制系统、传感器系统构成的计算机汽车自动驾驶系统，在计算机的控制下可以进行自动驾驶功能。国防科技大学于2000年6月研制出了最高时速达76km/h的第四代无人驾驶汽车并且试验成功，刷新了国内的最高纪录。中国一汽与国防科技大学在2003年7月联合研制的红旗牌无人驾驶汽车在高速公路上试验成功，自主驾驶稳定时速达130km/h，总的性能和指标已经达到世界先进水平。
1.3设计目的与意义
车辆作为现代人类出行的必要工具，无论在发达国家还是发展中的国家都变得越来越普遍。由于人们对于车辆的需求，汽车制造产业发展迅速，无论在技术上还是在集资上都拥有很大的规模，但还存在很多的隐患。面对交通事故的频繁发生，智能车辆成为人类迫切的需求。智能小车作为世界各国重点发展的智能交通的重要构成部分，其主要目的是为了提高汽车的安全性、舒适性，是未来车辆研发的热点[8]。
随着社会经济的不断发展，拥有车辆的个人数目不断增加，交通道路上事故的频繁发生，使得交通事故变成当下的第一大公害。在众多的交通事故中，很大一部分是由驾驶员注意力的不集中造成的 。美国警察局曾经对交通事故发生的原因做个统计，其中追尾碰撞约占30%，车辆偏离行驶车道造成的事故约占20%。为了减少交通事故的发生率，开发具有自动驾驶和辅助驾驶功能的智能车开始成为人们关注的热点。在1992年，德国的Daimler-Benz 公司进行了一项研究调查，调查的结果显示：在车辆行驶中倘若能给驾驶者多0.5秒的警告时间，60%的追尾事故就不会发生，如果警告时间在多出1秒，那么90%的追尾事故就可以避免。美国国家高速公路交通安全部(NHTSA: National Highway Traffic Safety Administration)使用的预测碰撞警告系统可以避免37%—74%追尾事故。由此可见发展智能车辆来提高交通安全性的必要性和可行性。智能车辆的发展对于驾驶员劳动强度的减轻和增加车辆驾驶的舒适度等方面都有很好的作用。例如自动泊车系统、自动跟随系统和自适应巡航系统，都大大的减轻了驾驶员的劳动强度。不仅如此，发展智能车还可以优化使用交通设施、提高机动性、减少旅游时间和能量消耗。
智能车辆在太空探测和军事上的意义也是非常重要的。美国国家研究委员会(NCR: National Research Council)曾做过预言：“坦克是20世纪最为核心的武器，到了21世纪，在人的监控下计算机控制的无人作战系统将是核心武器。”为此，美国国防部高级研究计划局(DARPA: Defense Advanced Research Projects Agency)从80年代就已经开始立项和制定了地面无人作战平台的战略计划。该计划的首要任务是研发出一台智能车辆，该车辆可以在复杂的道路环境下按预定的轨迹行驶，自动避开障碍物，在需要时可以立即调整行驶轨迹。智能车辆在扫雷、野外巡逻、救护、侦查、传输作战物资等方面都有很好的应用前景。对于外太空的好奇，人类已经将目光放到了地球以外的星球。为此，世界各国正积极投入大量的人力和物力去开发和研制星球探测车系统。美国“火星探路者”在1997年7月4日飞抵火星和实施考察，成功登陆火星后，火星漫游车“索杰纳”走出登陆器并在火星上行驶了几千米，完成了预先布置好的科学探测任务。2004年一月，美国开发研制的火星车“勇气”号与“机遇”号再次登上了火星，圆满完成了其工作任务。时至今日，这两辆火星车依旧在为人类的太空梦想作贡献。在军事与太空领域研制出来的智能车辆在性能与安全等各方面都有了更高的要求，极大地推动了智能车辆的发展。
摘要
智能小车是当今社会的新生产物，它可以代替人在复杂的环境中进行工作，不仅增加了效率，还提高了安全，在航空、交通、工业应用等领域都发挥着重要的作用 ，是未来发展的一个重要方向。
本次设计的控制芯片为STC12C5A60S2单片机，主要完成三大功能：自动循迹、智能避障和红外遥控。模块间的任意切换和小车前后左右的运行状态是通过红外遥控来实现的。循迹模块采用红外光电管传感器来对白色跑道上的黑色引导线进行识别。避障模块通过舵机带动超声波传感器左右转动检测和躲避障碍物。小车设有人机交互界面，使用者通过LCD1602可以清晰地知道小车的运行状态。设计采用对比选择、模块独立、综合处理的思想。根据功能，参考性价比，选择出最优的设计方案。各功能模块单独调试，得出正确的输出信号。最后输入完整的程序，进行整体调试。本次设计的小车可以通过红外遥控器进入各子模式，在一定环境下，进行智能化操作。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:智能小车单片机循迹避障遥控
目录
1.引言 1
1.1智能小车研究背景简介 1
1.2国内外发展状况 1
1.3设计目的与意义 2
1.4本次设计的任务与解决方案 3
2.系统方案设计 5
2.1方案设计与选择 5
2.1.1主控芯片的选择 5
2.1.2电机的比较与选择 5
2.1.3循迹模块方案比较与选择 5
2.1.4避障模块方案比较与选择 6
2.2总体设计方案 6
3.系统硬件电路设计 7
3.1单片机最小系统设计 7
3.2电源电路的设计 10
3.3电机驱动模块的设计 11
3.4巡线模块的设计 14
3.4.1红外光电管的工作原理 14
3.4.2路径检测电路 14
3.5避障模块的设计 15
3.5.1舵机的介绍 15
3.5.2超声波传感器模块的介绍 16
3.6 红外遥控模块的设计 18
3.7 显示模块电路设计 21
4.系统软件设计 23
4.1主程序设计 23
4.2电机控制程序设计 24
4.3红外循迹程序设计 25
4.4舵机加超声波避障程序设计 26
4.5 红外遥控程序设计 27
4.5.1红外遥控模式切换程序 27
4.5.2 红外遥控方向控制程序 28
5.测试与分析 29
5.1 电机驱动测试 29
5.2 红外循迹测试 29
5.3舵机加超声波避障测试 29
5.4 红外遥控测试 30
5.5 遇到的问题与解决方案 30
6.总结与展望 32
6.1总结 32
6.2展望 32
参考文献 33
致谢 34
附件1主控板原理图 35
附件2 PCB 36
附件3 程序清单 37
1.引言
1.1智能小车研究背景简介
随着生产水平的不断提高，人类对自动化水平要求的不断提高，智能车辆以及在智能车基础上开发的产品已经在柔性传输系统、智能运输系统等系统上发挥了重要作用。例如：智能搬运车的运用不仅提高了企业自动化的程度，还提高了效率。当今世界的许多国家都在积极的开展智能车辆的研发。20世纪60年代，机器人学中的一个重要分支：移动机器人，诞生了[9]。在1966年至1972年期间， Nils?Nilssen、Charles?Rosen等来自斯坦福研究院的研究员人以将人工智能技术应用在复杂环境下，实现机器人系统的自主推理、控制和规划为主要目的，研制出第一个自主式移动机器人“shakey”。此后，世界各地移动机器人的研究与制作变得越来越多，作为移动机器人一个重要分支的智能车辆也倍受人们的青睐。智能小车又称轮式机器人，是典型的高新技术综合体。在复杂的道路交通情况下，智能车辆不需要人去驾驶自己就可以获取道路情况，驾驶和操纵车辆避开障碍物并顺着预定的轨迹行驶。智能小车在原有的车辆基础上装有相当于汽车的 “大脑”、“眼睛”和“脚”的电子计算机、自动操纵系统和电视摄像机等设备，这些设备都配有极其复杂的程序系统，让智能车能像人一样去“考虑”、“判定”和“前进”，根据实际路况自己启动，加速、刹车，随机应变选择最佳方案，指挥汽车正常、顺利的行驶。
1.2国内外发展状况
1.国外发展
发达国家从20世纪70年代开始无人汽车驾驶的研究计划。美国国防部从80年代初期就已经开始大规模的投资，目的是支持自主陆地车辆ALV （Autonomous Land Vehicle)的研制[7]。
步入21世纪，为了激发人们对于智能车辆开发制作的热情，美国国防部高级研究项目局（DARPA）决定自2004年起开始举办智能车大赛(Grand Challenge)。这项比赛在智能车技术交流与创新上都起到了极大地激励作用。赛道环境复杂，它包括隧道、路口、急转弯和山路，要求参加比赛的车辆能够自主完成全程。最后，斯坦福大学参赛的名叫“斯坦利”的智能车夺得冠军。
德国于2006年举办了欧洲陆地机器人竞赛(European Land Robot Trial，简称(ELROB))。该竞赛中，德国名叫“途锐”的智能车夺得了第一名。该车采用影像处理技术，将四周的环境处理成3D影像，并通过光学定位和测距系统对信息进行导航决策，实现自主行驶的目的。
2.国内发展
我国无人驾驶汽车的研制相对于国外起步较晚，始于上世纪80年代。在上海交通大学、吉林大学、国防科技大学、清华大学等多所高校都设有研究项目[7]。我国首辆无人驾驶车是国防科技大学在1992年研发成功的，该车配有由计算机、液压控制系统、传感器系统构成的计算机汽车自动驾驶系统，在计算机的控制下可以进行自动驾驶功能。国防科技大学于2000年6月研制出了最高时速达76km/h的第四代无人驾驶汽车并且试验成功，刷新了国内的最高纪录。中国一汽与国防科技大学在2003年7月联合研制的红旗牌无人驾驶汽车在高速公路上试验成功，自主驾驶稳定时速达130km/h，总的性能和指标已经达到世界先进水平。
1.3设计目的与意义
车辆作为现代人类出行的必要工具，无论在发达国家还是发展中的国家都变得越来越普遍。由于人们对于车辆的需求，汽车制造产业发展迅速，无论在技术上还是在集资上都拥有很大的规模，但还存在很多的隐患。面对交通事故的频繁发生，智能车辆成为人类迫切的需求。智能小车作为世界各国重点发展的智能交通的重要构成部分，其主要目的是为了提高汽车的安全性、舒适性，是未来车辆研发的热点[8]。
随着社会经济的不断发展，拥有车辆的个人数目不断增加，交通道路上事故的频繁发生，使得交通事故变成当下的第一大公害。在众多的交通事故中，很大一部分是由驾驶员注意力的不集中造成的 。美国警察局曾经对交通事故发生的原因做个统计，其中追尾碰撞约占30%，车辆偏离行驶车道造成的事故约占20%。为了减少交通事故的发生率，开发具有自动驾驶和辅助驾驶功能的智能车开始成为人们关注的热点。在1992年，德国的Daimler-Benz 公司进行了一项研究调查，调查的结果显示：在车辆行驶中倘若能给驾驶者多0.5秒的警告时间，60%的追尾事故就不会发生，如果警告时间在多出1秒，那么90%的追尾事故就可以避免。美国国家高速公路交通安全部(NHTSA: National Highway Traffic Safety Administration)使用的预测碰撞警告系统可以避免37%—74%追尾事故。由此可见发展智能车辆来提高交通安全性的必要性和可行性。智能车辆的发展对于驾驶员劳动强度的减轻和增加车辆驾驶的舒适度等方面都有很好的作用。例如自动泊车系统、自动跟随系统和自适应巡航系统，都大大的减轻了驾驶员的劳动强度。不仅如此，发展智能车还可以优化使用交通设施、提高机动性、减少旅游时间和能量消耗。
智能车辆在太空探测和军事上的意义也是非常重要的。美国国家研究委员会(NCR: National Research Council)曾做过预言：“坦克是20世纪最为核心的武器，到了21世纪，在人的监控下计算机控制的无人作战系统将是核心武器。”为此，美国国防部高级研究计划局(DARPA: Defense Advanced Research Projects Agency)从80年代就已经开始立项和制定了地面无人作战平台的战略计划。该计划的首要任务是研发出一台智能车辆，该车辆可以在复杂的道路环境下按预定的轨迹行驶，自动避开障碍物，在需要时可以立即调整行驶轨迹。智能车辆在扫雷、野外巡逻、救护、侦查、传输作战物资等方面都有很好的应用前景。对于外太空的好奇，人类已经将目光放到了地球以外的星球。为此，世界各国正积极投入大量的人力和物力去开发和研制星球探测车系统。美国“火星探路者”在1997年7月4日飞抵火星和实施考察，成功登陆火星后，火星漫游车“索杰纳”走出登陆器并在火星上行驶了几千米，完成了预先布置好的科学探测任务。2004年一月，美国开发研制的火星车“勇气”号与“机遇”号再次登上了火星，圆满完成了其工作任务。时至今日，这两辆火星车依旧在为人类的太空梦想作贡献。在军事与太空领域研制出来的智能车辆在性能与安全等各方面都有了更高的要求，极大地推动了智能车辆的发展。
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