电气工程与自动化专业 基于单片机控制的智能小车控制系统设计.doc

基于单片机控制的智能小车控制系统设计 摘 要 科技的高速发展从根本上改变了我们的生产方式和生活方式，从工业自动化领域到与人们日常生活相关各个方面，如无人驾驶，智能家居，新能源汽车等。随着人们对新技术的不断研究与探索，必将对人类生活产生巨大影响。 智能小车，实际上就是轮式机器人。它融合了传感器、通信、自动控制、人工智能等多个高科技领域技术，具备一定的环境感知能力、路径规划能力和自主运行能力，非常适合在人们无法工作的场所中工作，可以广泛应用于无人驾驶的汽车，自动化生产线，自动化立体仓库等诸多工业领域，也可以作为服务性质的机器人应用都人们的日常生活中。因此，研究设计基于单片机控制的智能小车控制系统具有一定的理论意义和实用价值。 本文以智能小车为研究对象，着重设计一种基于单片机控制的智能小车，该智能小车具有智能感知环境的基本功能，并能按要求实现前进，后退，加速、减速、转向等控制功能。论文首先分析了智能小车的基本需求，提出了系统的总体设计框架，然后根据总体设计框架完成了系统的硬件设计，接着完成了相应的软件设计，最后，在仿真平台上对所设计的系统进行了仿真。仿真结果表明该设计能够满足设计要求。 关键词：太阳能，单片机，传感器 Abstract With rapid development of science and technology has fundamentally changed our way of production and lifestyle, from industrial automation to all aspects of people's daily life, such as pilotless, smart home, new energy vehicles, and so on. With the continuous research and exploration of new technology, people will have a great impact on human life. A smart car, in fact, is a wheeled robot. It combines sensors, communication, automatic control, artificial intelligence and other high-tech fields. It has certain environmental awareness, path planning ability and independent operation ability. It is very suitable for working in a place where people are unable to work. It can be widely used in unmanned driving cars, automatic production lines, automatic production lines, and automatic production lines. In many industrial fields such as stereoscopic warehouse, it can also serve as a service robot in everyday life. Therefore, the research and design of intelligent car control system based on single chip microcomputer has certain theoretical and practical value. This paper focuses on the design of a smart car based on single chip microcomputer. This smart car has the basic function of intelligent sensing environment, and can realize the control functions such as speed, acceleration, deceleration, steering and so on. The paper first analyzes the basic requirements of the smart car, puts forward the overall design framework of the system, and then completes the system hardware design according to the overall design framework, and then completes the corresponding software design. Finally, the system is simulated on the simulation platform. The simulation results show that the design can meet the design requirements. Key words：Solar ,SCM,Smart car 目 录 第1章 概述 1 1.1 课题的研究背景 1 1.2 主要内容 1 第2章 智能小车控制系统总体方案设计 3 2.1 系统的需求分析 3 2.2 系统的总体结构方案设计 3 2.3 器件选型 4 2.3.1单片机的选择 4 2.3.2单片机的选择 4 2.3.3驱动及方向控制模块的选择 4 2.3.4遥控模块的选择 5 2.3.5 避障模块的选择 6 第3章 系统硬件设计 7 3.1 系统中央控制模块设计 7 3.1.1 电源 7 3.1.2 时钟振荡电路 7 3.1.3 复位电路 8 3.1.4 输入输出I/O口 8 3.2 智能小车驱动模块设计 8 3.3 智能传感检测模块设计 10 3.4 原理图及PCB板绘制 11 第4章 系统软件设计 13 4.1 系统控制过程需求分析 13 4.2 软件总体设计 13 4.3 模块化程序设计 14 4.4.1车载软件设计 14 4.4.2 无线遥控模块软件的设计 14 4.4.3 红外避障模块软件的设计 14 第5章 系统的调试及问题分析 15 5.1 无线遥控的调试 15 5.2 避障模块的调试 15 5.3 PCB板制作遇到的问题 16 5.4 小车整体的调试 16 第6章 总结与展望 18 6.1 总结 18 6.2 展望 18 参考文献 19 致 谢 22 附录A：硬件设计原理图 23 附录B软件程序清单 错误!未定义书签。 V 第1章 概述 1.1 课题的研究背景 人工智能化是未来社会的一个发展趋势，燃油车将慢慢的被电动车取代，传统形式的汽车也即将被智能汽车所取代，智能小车也就是在无人驾驶的时候自动识别一些信息，其发展也是相当迅速的，智能小车是上世纪提出的一种新型小车[1]。 智能小车一般都会完成下面的功能： （1）智能红外避障功能，这部分是为了保障小车行驶的安全，让小车能够正常行驶，如果遇到前方有障碍物，能够及时预警，让单片机做出反应，功能就像人类的眼睛。 （2)红外遥控功能，因为小车很多时候需要按照我们的需求轨迹来行驶，红外遥控功能可以让我们随时随地的控制小车的移动轨迹，这部分的设计可以让小车更加的智能化，满足人们的需求。 在这样的背景下，人们就不需要亲自去驾驶汽车，只需要在导航上面输入想要到达的目的地就可以，汽车就会自己行驶，这样人们只需要尽情的享受智能汽车带来的舒适感，但是电脑虽然拥有强大的数据储备量与运算量，遇到一些紧急情况是，应急系统如果出了故障，就会造成不可想象的后果，这个就是目前无人驾驶的智能小车不能大范围推广的原因。 困难是有的，同时人类的科技发展也是不停的在进步，目前，特斯拉公司生产的无人驾驶汽车已经在全国范围内销售，无人驾驶的时速可以达到100公里每小时，阿里巴巴投资的人工智能汽车研究基地也已经落地杭州，相信在不久的将来，智能汽车会得到更广泛的普及。 太阳能是一种取之不尽的清洁能源，具有纯天然、可持续利用等优点，而且几乎可以达到零排放[2]。太阳能在汽车上的应用也得到重视和广泛研究。太阳能在汽车上的应用具有很多优势。现在的太阳能汽车，只需要3-4平方米的太阳能板就可以让太阳能纯电车动起来，同时，太阳能汽车能将90%的能量用于车辆的运动中[3]。由此可见太阳能智能汽车的应用将会推动社会的高速发展，本次毕业设计就是以太阳能新能源为供电系统，来设计智能小车控制器。 1.2 主要内容 智能小车控制系统总体方案设计。在这一章，本文将会介绍系统的需求分析、系统的总体结构方案设计、器件选型，器件选型包括：单片机的选择。 太阳能供电模块的选择、驱动及方向控制模块的选择、遥控模块的选择、避障模块的选择。 系统硬件设计。在这一章，本文将会介绍系统中央控制模块设计、智能小车驱动模块设计、智能传感检测模块设计、原理图及PCB板绘制。 系统软件设计。在这一章，本文将会介绍系统控制过程需求分析、软件总体设计、主程序、模块化程序设计。 系统的调试及问题分析。在这一章，本文将会介绍系统的调试平台构成、调试结果与问题分析，其中，调试结果与问题分析包括：太阳能供电模块的调试、无线遥控的调试、避障模块的调试、PCB板制作遇到的问题、小车整体的调试。 第2章 智能小车控制系统总体方案设计 2.1 系统的需求分析 本次的智能小车控制系统对于功能的需要主要有以下几点： （1）遥控器能够对小车进行得移动进行控制，小车能够实现左转、右转、前移、后退； （2）所设计的智能小车必须环保，最好能够使用太阳能。 本次设计的智能小车是以后太阳能轿车应用的一次仿真尝试，小车采用的是5v的电源供电，功率大小为50w，速度范围控制在20cm到40cm之间，驱动方式为后两轮电机驱动。 2.2 系统的总体结构方案设计 既然是叫做单片机控制的智能小车。对于它的功能也是有一些要求的。本次设计的小车可以实现太阳能供电，小车可以根据操作者的需求进行前进，后退，转向，停止等功能。这些功能的实现都是基于单片机的控制。当单片机接收到来自于无限遥控器的指令后，做出相应的指令，每一次指令的不同，小车的运动轨迹会发生相应的改变[4]。蓄电池的供电系统为小车的需要供电。 图2.1 单片机最小原理图 2.3 器件选型 2.3.1单片机的选择 根据要求，这次设计的智能小车需要实现的功能并不是很多，所以对于单片机的要求并不是很高，平时实验室的单片机就可以，目前有两类单片机可以选用； 方案一：89系列的芯片，该芯片是ATMEL公司生产的具有高性能、低功耗的8位微控制器，具有8K在线可编程Flash存储器。这种芯片完全可以实现本毕业设计的所有功能，而且该芯片运行速度还算可以[5]。 方案二：AVR芯片，该芯片也是ATMEL公司生产的具有8位的处理器，虽然其运行速度相对比较快，功能相对来说比较齐全，但在市场上的价格比较昂贵，况且对于本毕业设计来说其好多的功能根本用不上，这就势必会造成能源上的浪费。 2.3.2单片机的选择 因此本毕业设计采用方案一，方案一常用而且价格相对比较便宜。毕业设计采用AT89S52来完成设计功能[6]。 太阳能是现在比较推崇的可再生清洁能源，如果说可以用在智能小车上面可以说是锦上添花了，但是现实是太阳能电池板体积过大，并且供电的稳定性和续航