基于单片机的智能小车控制系统的设计与实现电气及自动化工程
基于单片机的智能小车控制系统的设计与实现电气及自动化工程[20200410143612]
摘 要
智能循迹小车作为机器人的一种，可以在各种人类无法进入或者生存的环境中从事活动，不受温度、湿度、辐射等条件的影响，无论国防探测还是民用领域都可以使用。本设计的目标是让智能小车在有轨迹的路面上沿着轨迹行驶，遇到障碍能够躲避并且实时显示智能车的运行时间。
本设计以STC89C52单片机为整个系统的控制核心，硬件模块包括单片机最小系统，驱动模块，传感器模块，供电模块，时钟模块以及显示模块等电路；软件平台以Keil开发环境，包括主程序、电机模块，显示模块、时钟模块等设计。车前部安装红外传感器来采集道路信号，通过对障碍物以及小车轨迹的判断来通过单片机控制小车的行驶方向以及车速，从而实现小车的循迹和避障功能。使用PMW调速的方法来控制小车的行驶速度。通过时钟电路来进行小车的计时，并且通过单片机控制数码管显示。
整个系统的电路结构简单，能进行的功能扩展，便于修改和重新发展，提高资源利用率和作业效率。在实验室调试过程中，小车能够按着既定的轨迹行驶，躲避障碍物，并且通过PWM智能控制车速，时间显示也很精确，达到了本设计的目标与要求。
*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PWM调速传感器
目 录
1. 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 课题的选题背景 1
1.3 本课题研究的目的及意义 2
1.4 国内外研究发展的状况 3
1.4.1 国外智能车辆的现状研究 3
1.4.2 国内智能车辆的现状研究 3
1.5 本文主要研究的的内容以特点 4
2. 智能小车方案论证与设计 6
2.1 总体设计思路及框图 6
2.2 模块具体方案的论证 6
2.2.1 单片机型号的选择 6
2.2.2 电机驱动模块 6
2.2.3 循迹避障模块 7
2.3 所选方案的总结 7
3. 系统的硬件设计 9
3.1 最小单片机系统 9
3.2 驱动电路 10
3.3 传感器模块 12
3.4 电源模块 13
3.5 显示模块 14
3.6 时钟模块 15
4. 系统的软件设计 17
4.1 软件设计的概述 17
4.2 系统流程图 18
4.2.1 总体流程图 18
4.2.2 循迹流程图 19
4.2.3 避障流程图 20
4.3 PWM程序设计 21
4.3.1 直流电机调速原理 21
4.3.2 PWM脉宽调制原理 22
4.3.3 PWM在软件中的实现 22
4.4 显示程序设计 24
4.5 时钟程序设计 25
5. 项目的调试 28
5.1 传感器模块的调试 28
5.2 电机的调试 31
5.3 显示模块的调试 31
5.4 时钟调试 32
结语 33
参考文献 34
附录 35
附录1：总体接线图 35
附录2：程序代码 36
致谢 58
1. 绪论
1.1 引言
研究出一种能代替人为控制汽车的智能系统，是人类一直以来的梦想，现代科技也正在往这个方向发展。随着自动化技术以及工业技术的不断发展，对汽车的控制系统的研究也在不断的深入，技术水平也越来越高，这一设想在将来也许变成现实。现在，对智能车的设计在世界上许多国家都有着研究。
智能小车是移动机器人的一种，并不是一个单独的设计，而是一个综合的系统。其中涉及到的知识包括：数字电路知识，模拟电路知识，传感器知识等等。智能小车的研究也有着研究方向多样化和控制系统智能化的特点。能够自动识别路径，自动控制车速，自动转向等是智能小车的一些主要功能。智能小车的感知能力，决策能力以及多级辅助驾驶能力使它在各种复杂的路面上，能自动控制车辆沿着规定的轨迹行驶，这一特点使其在人类无法工作的地点有着尤为突出的优势。在社会各个领域的智能车已经广泛的研究，已经越来越受欢迎。
1.2 课题的选题背景
自从机器人被制造出来以来，机器人已经在社会的各个领域广泛的应用，医疗，国防，科研的领域都有机器人的身影。随着机器人研究的不断升入，机器人的功能也变得越来越强大。发明可以替代人类劳动并有着近乎无限的动力的机器人也一直是人们所期望的。
智能小车作为机器人技术在生活中的具体体现也已在许多地方获得广泛应用。低廉的价格，比人类更好的可靠性以及强大的适应力是智能小车独特的魅力。焊接，医疗，探险，军事等各种活动都能看到智能小车的身影。智能小车已经在西方发达国家有许多的应用，通过人体和智能小车相互配合控制，智能小车能帮助残疾人完成日常活动。我们可以编程实现远程控制家中的智能设备执行特定的任务，如清洁家具等。智能小车技术的研究正在逐渐融入我们的生活。
智能交通系统ITS(Intelligent Transportation System)在各个国家都有着广泛的研究。智能小车系统就是它的主要研究内容，也意味着越来越智能的汽车也是日后汽车发展的方向及目标，智能小车技术已经在人类社会中产生着重要的作用。人们享受着汽车技术研究所带来的好处的同时，却没有对其中存在的隐患引起足够的重视。在美国公路交通安全管理局研究报告中发现，驾驶员注意力不集中是80％的擦碰事故的原因。智能驾驶能减轻驾驶员的工作量，减少因疲劳驾驶带来的安全隐患；在复杂的天气情况中亦能有良好的表现；结合GPS与网络也可以让车辆避开拥堵路面。所以，智能驾驶将是汽车工业未来的发展方向。
作为智能驾驶的核心，循迹避障控制系统是其最重要的技术。Auto-Guide Vehicle(AGV)自导引小车是一个实现这一系统的实际例子。能够判断行驶路线，发现并绕开障碍，最终使小车行走在正确的路线上是这个系统的的特点。
这种小车就是一种典型的机器人。CPU，传感器检测，具体路线的执行是构成这种小车的三大系统。机器人要实现躲避障碍物并且行驶在正确的轨道上，并非需要识别清晰的图像，只要能够粗略的判断即可，所以舍弃价格较昂贵的CCD传感器而使用较常见也比较便宜的红外线传感器是一种比较常见的方案。而处理这种简单的信号，使用专业的计算机处理在成本以及体积上不是很适合，因此，选用一种较简单的微机是一种十分可行方法。在这种情况下，单片机是一种十分合理的选择。单片机可以看成是一个简单的微型计算机，它集成了CPU，I/O接口，定时/计数器以及存储器，而且有着极低的成本。单片机的设计可靠性高，对运行的环境没有特殊的要求，也因为这些特特点，工业生产，智能化仪表，数据采集都有着单片机的身影。全国电子大赛和很多电子比赛都可以看到单片机智能小车的课题，这说明智能小车的研究被国内高校和研究机构所重视，前景很好，本设计也正是在这种背景下所提出的。
1.3 本课题研究的目的及意义
本研究课题是“基于单片机的智能小车控制系统的设计与实现”，希望本课题的研究在解决现实的问题中能够有一定的借鉴。作为轮式机器人的一种，在人类无法工作的环境中，智能小车就起了很大的作用。美国的“勇气”号和“机遇”号就在火星探测上起了十分重要的作用，在人类无法到达的地方为人类对宇宙的探索做出来贡献，中国的嫦娥一号也对中国对月球的探索起了十分重要的作用。
智能小车传感器赋予小车能够感知环境的能力，单片机的编程使智能小车能够模拟类似人类逻辑判断思维。智能小车的设计与开发是多个学科综合起来而产生的一种智能移动机器人。在研究智能小车技术的同时，对模拟电路、数字电路、传感器技术、微机原理与接口技术等学科及专业知识的了解也在不断的加深。通过设计单片机控制系统，也能提高自己的动手能力，更能使自己对单片机在实际生活中的使用的优势与缺点有了一个完全的认识。理论与实践相结合，并且能够学以致用这是设计这一系统的最终目的。
现代自动控制技术和工业水平的发展，在技术上为智能小车的研究提供了很大的支持，传感器技术和电路技术以及处理器的不断发展，使智能小车的智能性大幅度提高。本课题中，将单片机作为整个系统的控制核心，使用到了小车底盘、传感器、单片机开发板、电机等组成了智能小车。传感器与处理器相互组合连接，通过对轨迹与障碍物的感应来自动控制行驶方向和速度，不需要利用红外线或者蓝牙等无线技术控制是整个系统的特点。本课题以解决现实问题为出发点，有很强的研究价值。
摘 要
智能循迹小车作为机器人的一种，可以在各种人类无法进入或者生存的环境中从事活动，不受温度、湿度、辐射等条件的影响，无论国防探测还是民用领域都可以使用。本设计的目标是让智能小车在有轨迹的路面上沿着轨迹行驶，遇到障碍能够躲避并且实时显示智能车的运行时间。
本设计以STC89C52单片机为整个系统的控制核心，硬件模块包括单片机最小系统，驱动模块，传感器模块，供电模块，时钟模块以及显示模块等电路；软件平台以Keil开发环境，包括主程序、电机模块，显示模块、时钟模块等设计。车前部安装红外传感器来采集道路信号，通过对障碍物以及小车轨迹的判断来通过单片机控制小车的行驶方向以及车速，从而实现小车的循迹和避障功能。使用PMW调速的方法来控制小车的行驶速度。通过时钟电路来进行小车的计时，并且通过单片机控制数码管显示。
整个系统的电路结构简单，能进行的功能扩展，便于修改和重新发展，提高资源利用率和作业效率。在实验室调试过程中，小车能够按着既定的轨迹行驶，躲避障碍物，并且通过PWM智能控制车速，时间显示也很精确，达到了本设计的目标与要求。
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关键字:智能小车单片机PWM调速传感器
目 录
1. 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 课题的选题背景 1
1.3 本课题研究的目的及意义 2
1.4 国内外研究发展的状况 3
1.4.1 国外智能车辆的现状研究 3
1.4.2 国内智能车辆的现状研究 3
1.5 本文主要研究的的内容以特点 4
2. 智能小车方案论证与设计 6
2.1 总体设计思路及框图 6
2.2 模块具体方案的论证 6
2.2.1 单片机型号的选择 6
2.2.2 电机驱动模块 6
2.2.3 循迹避障模块 7
2.3 所选方案的总结 7
3. 系统的硬件设计 9
3.1 最小单片机系统 9
3.2 驱动电路 10
3.3 传感器模块 12
3.4 电源模块 13
3.5 显示模块 14
3.6 时钟模块 15
4. 系统的软件设计 17
4.1 软件设计的概述 17
4.2 系统流程图 18
4.2.1 总体流程图 18
4.2.2 循迹流程图 19
4.2.3 避障流程图 20
4.3 PWM程序设计 21
4.3.1 直流电机调速原理 21
4.3.2 PWM脉宽调制原理 22
4.3.3 PWM在软件中的实现 22
4.4 显示程序设计 24
4.5 时钟程序设计 25
5. 项目的调试 28
5.1 传感器模块的调试 28
5.2 电机的调试 31
5.3 显示模块的调试 31
5.4 时钟调试 32
结语 33
参考文献 34
附录 35
附录1：总体接线图 35
附录2：程序代码 36
致谢 58
1. 绪论
1.1 引言
研究出一种能代替人为控制汽车的智能系统，是人类一直以来的梦想，现代科技也正在往这个方向发展。随着自动化技术以及工业技术的不断发展，对汽车的控制系统的研究也在不断的深入，技术水平也越来越高，这一设想在将来也许变成现实。现在，对智能车的设计在世界上许多国家都有着研究。
智能小车是移动机器人的一种，并不是一个单独的设计，而是一个综合的系统。其中涉及到的知识包括：数字电路知识，模拟电路知识，传感器知识等等。智能小车的研究也有着研究方向多样化和控制系统智能化的特点。能够自动识别路径，自动控制车速，自动转向等是智能小车的一些主要功能。智能小车的感知能力，决策能力以及多级辅助驾驶能力使它在各种复杂的路面上，能自动控制车辆沿着规定的轨迹行驶，这一特点使其在人类无法工作的地点有着尤为突出的优势。在社会各个领域的智能车已经广泛的研究，已经越来越受欢迎。
1.2 课题的选题背景
自从机器人被制造出来以来，机器人已经在社会的各个领域广泛的应用，医疗，国防，科研的领域都有机器人的身影。随着机器人研究的不断升入，机器人的功能也变得越来越强大。发明可以替代人类劳动并有着近乎无限的动力的机器人也一直是人们所期望的。
智能小车作为机器人技术在生活中的具体体现也已在许多地方获得广泛应用。低廉的价格，比人类更好的可靠性以及强大的适应力是智能小车独特的魅力。焊接，医疗，探险，军事等各种活动都能看到智能小车的身影。智能小车已经在西方发达国家有许多的应用，通过人体和智能小车相互配合控制，智能小车能帮助残疾人完成日常活动。我们可以编程实现远程控制家中的智能设备执行特定的任务，如清洁家具等。智能小车技术的研究正在逐渐融入我们的生活。
智能交通系统ITS(Intelligent Transportation System)在各个国家都有着广泛的研究。智能小车系统就是它的主要研究内容，也意味着越来越智能的汽车也是日后汽车发展的方向及目标，智能小车技术已经在人类社会中产生着重要的作用。人们享受着汽车技术研究所带来的好处的同时，却没有对其中存在的隐患引起足够的重视。在美国公路交通安全管理局研究报告中发现，驾驶员注意力不集中是80％的擦碰事故的原因。智能驾驶能减轻驾驶员的工作量，减少因疲劳驾驶带来的安全隐患；在复杂的天气情况中亦能有良好的表现；结合GPS与网络也可以让车辆避开拥堵路面。所以，智能驾驶将是汽车工业未来的发展方向。
作为智能驾驶的核心，循迹避障控制系统是其最重要的技术。Auto-Guide Vehicle(AGV)自导引小车是一个实现这一系统的实际例子。能够判断行驶路线，发现并绕开障碍，最终使小车行走在正确的路线上是这个系统的的特点。
这种小车就是一种典型的机器人。CPU，传感器检测，具体路线的执行是构成这种小车的三大系统。机器人要实现躲避障碍物并且行驶在正确的轨道上，并非需要识别清晰的图像，只要能够粗略的判断即可，所以舍弃价格较昂贵的CCD传感器而使用较常见也比较便宜的红外线传感器是一种比较常见的方案。而处理这种简单的信号，使用专业的计算机处理在成本以及体积上不是很适合，因此，选用一种较简单的微机是一种十分可行方法。在这种情况下，单片机是一种十分合理的选择。单片机可以看成是一个简单的微型计算机，它集成了CPU，I/O接口，定时/计数器以及存储器，而且有着极低的成本。单片机的设计可靠性高，对运行的环境没有特殊的要求，也因为这些特特点，工业生产，智能化仪表，数据采集都有着单片机的身影。全国电子大赛和很多电子比赛都可以看到单片机智能小车的课题，这说明智能小车的研究被国内高校和研究机构所重视，前景很好，本设计也正是在这种背景下所提出的。
1.3 本课题研究的目的及意义
本研究课题是“基于单片机的智能小车控制系统的设计与实现”，希望本课题的研究在解决现实的问题中能够有一定的借鉴。作为轮式机器人的一种，在人类无法工作的环境中，智能小车就起了很大的作用。美国的“勇气”号和“机遇”号就在火星探测上起了十分重要的作用，在人类无法到达的地方为人类对宇宙的探索做出来贡献，中国的嫦娥一号也对中国对月球的探索起了十分重要的作用。
智能小车传感器赋予小车能够感知环境的能力，单片机的编程使智能小车能够模拟类似人类逻辑判断思维。智能小车的设计与开发是多个学科综合起来而产生的一种智能移动机器人。在研究智能小车技术的同时，对模拟电路、数字电路、传感器技术、微机原理与接口技术等学科及专业知识的了解也在不断的加深。通过设计单片机控制系统，也能提高自己的动手能力，更能使自己对单片机在实际生活中的使用的优势与缺点有了一个完全的认识。理论与实践相结合，并且能够学以致用这是设计这一系统的最终目的。
现代自动控制技术和工业水平的发展，在技术上为智能小车的研究提供了很大的支持，传感器技术和电路技术以及处理器的不断发展，使智能小车的智能性大幅度提高。本课题中，将单片机作为整个系统的控制核心，使用到了小车底盘、传感器、单片机开发板、电机等组成了智能小车。传感器与处理器相互组合连接，通过对轨迹与障碍物的感应来自动控制行驶方向和速度，不需要利用红外线或者蓝牙等无线技术控制是整个系统的特点。本课题以解决现实问题为出发点，有很强的研究价值。
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