单片机 智能小车 课程设计

智能小车的设计与制作

摘要：本课题组设计制作了一款具有智能判断功能的小车，功能强大。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）；趋光功能（寻找前方的点光源并行驶到位）；检测路面所放置的铁片的个数的功能；计算并显示所走的路程和行走的时间，并可发声发光。作品可以作为高级智能玩具，也可以作为大学生学习嵌入式控制的强有力的应用实例。

作品以两电动机为主驱动，通过各类传感器件来采集各类信息，送入主控单元AT89S52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。其中避障采用红外线收发来完成；铁片检测部分采用电感式接近开关LJ18A3-8-Z/BX检测；黑带检测采用红外线接收二极管完成；趋光部分通过3路光敏二极管对光源信号的采集，再经过ADC0809转化为数字信号送单片机处理判别方向。由控制单元处理数据后完成相应动作，实现了无人控制即可完成一系列动作，相当于简易机器人。

关键字：智能控制 蔽障 红外线收发 寻迹行驶 趋光行驶

1．总体方案论证与比较

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，黑带检测信号，铁片检测信号，各路趋光信号进行处理。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ATM89S52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，经过单片机调制后发射。铁片检测采用电感式接近开关LJ18A3-8-Z/BX检测，黑带采用光敏二极管对光源信号采集，再经过ADC0809转化为数字信号送到单片机系统处理。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。

比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。方案二的基本原理如图1所示。

图1 智能车运行基本原理图框图

避障部分采用红外线发射和接受原理。铁片检测采用电感式接近开关LJ18A3-8-Z/BX检测，产生的高低电平信号经过处理后，完成相应的记录数目，驱动蜂鸣器发声。黑带寻迹依靠安装在车底部左右两个光敏二极管对管来对地面反射光感应。寻光设计在小车前端安装3路（左、中、右）光敏电阻对光源信号采集，模拟信号经过ADC0809转化为数字信号送到MCU处理。记程通过在车轮上安装小磁块，再用霍尔管感应产生计数脉冲。记时由软件实现，显示采用普通七段LED。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

2．模块电路设计与比较

1) 避障方案选择

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TTL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。

红外线发射接受电路原理图如图2所示。

采用红外线避障方法，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，因此用250Hz的信号对38KHz的载波进行调制，这样减少外界的一些干扰。 接收管输出TTL电平，有利于单片机对信号的处理。采用红外线发射与接收原理。利用单片机产生38KHz信号对红外线发射管进行调制发射，发射距离远近由RW调节，本设计调节为10CM左右。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TTL电平。利用单片机的中断系统，在遇障碍物时控制电机并使小车转弯。由于只采用了一组红外线收发对管，在避障转弯方向上，程序采用遇障碍物往左拐方式。如果要求小车正确判断左转还是右转，需在小车侧边加多一组对管。外界对红外信号的干扰比较小，性价比高。 。调试时主要是调制发射频率为接收头能接收的频率，采用单片机程序解决。发射信号强弱的调节，由可调精密电阻调节。

图2 红外线发射接受电路原理图

2）检测铁片方案选择

方案一：采用电涡流原理自制的传感器，取才方便，但难以调试，输出信号也不可靠，成功率比较低，难以准确输出传感信息。

方案二：采用市面易购的电感式接近开关，本系统采用市面比较通用LJ18A3-8-Z/BX来完成铁片检测的任务。虽然电感式接近开关占的体积大，对本是可以接受，且输出信号较可靠，稳定性好，受外界的干扰小，故采用方案二。

检测铁片电路原理图如图3所示。

图3 检测铁片电路原理图

3)声音提示

方案一：采用单片机产生不同的频率信号来完成声音提示，此方案能完成声音提示功能，给人以提示的可懂性比较差，但在一定程度上能满足要求，而且易于实现，成本也不高，我们出自经费方面考虑，采用方案一。

方案二：采用DS1420可分段录放音模块，能够给人以直观的提示，但DS1420录放音模块价格比较高，也可以采用此方案来处理，但方案二性价比不如方案一。

4)黑带检测方案选择

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。黑带检测电路图如图4所示。

输出信号进入74LS02。稳定性能得到提升。当小车低部的某边红外线收发对管遇到黑带时输入电平为高电平，反之为低电平。结合中断查询方式，通过程序控制小车往哪个方向行走。电路中的可调电阻可调节灵敏度，以满足小车在不同光度的环境光中能够寻迹。由于接收对管装在车底，发射距离的远近较难控制，调节可调电阻，发现灵敏度总是不尽人意，最后采用在对管上套一塑料管，屏蔽外界光的影响，灵敏度大幅提升。再是转弯的时间延迟短长控制。

图4 黑带检测电路图

3)计量路程方案

方案一：利用红外线对射方式，在小车的车轮开一些透光孔来计量车轮转过圈数，从而间接地测量路程。

方案二：利用霍尔元件来对转过的车轮圈数来计程，在车轮子上装小磁片，霍尔元件靠近磁片一次计程为车轮周长。此方案传感的信号强， 电路简单，但精度不高。

如果想达到一定的计量精度，用霍尔传感元件比较难以实现，因为在车轮上装一定量的小磁片会相互影响，而利用红外线对射方式不会影响各自的脉冲，可达到厘米的精度，因此采用方案一来实现。计量路程示意图见图5。

通过计算车轮的转数间接测量距离，利用了霍尔元件感应磁块产生脉冲的原理，再对脉冲进行计数。另可采用红外线原理提高记程精度，其方法为在车轮均匀打上透光小孔，当车轮转动时，红外光透射过去，不断地输出脉冲，通过单片机对脉冲计数，再经过一个数据的处理过程，这样就可把小车走过的距离计算出来，小孔越多，计数越精密。

图 5 计量路程示意图

3)智能车驱动电路

方案一：采用分立元件组成的平衡式驱动电路，这种电路可以由单片机直接对其进行 *** 作，但由于分立元件占用的空间比较大，还要配上两个继电器，考虑到小车的空间问题，此方案不够理想。

方案二：因为小车电机装有减速齿轮组，考虑不需调速功能，采用市面易购的电机驱动芯片L293D，该芯片是利用TTL电平进行控制，对电机的 *** 作方便，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正反转 *** 作，很方便单片机的 *** 作，亦能满足直流减速电机的要求。智能车驱动电路实现如图6所示。

图6 智能车驱动电路

小车电机为直流减速电机，带有齿轮组，考虑不需调速功能，采用电机驱动芯片L293D。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。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。表1是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系。

表1 引脚和输出引脚的逻辑关系

EN A（B） IN1（IN3） IN2（IN4）电机运行情况

HH L 正转

HL H 反转

H 同IN2（IN4） 同IN1（IN3）快速停止

LX X 停止

L293D可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的 *** 作，非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。调试时在依照上表，用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作，调试通过。

3) 寻找光源功能

方案一：在小车前面装上几个光电开关，通过不同方向射来的光使光电开关工作，从而对小车行驶方向进行控制，根据光电开关特性，只有当光达到一定强度时才能够导通，因此带有一定的局限性。

方案二：在小车前面装上参数一致的光敏二极管或者光敏电阻，再通过A/D转换电路转换成数字量送入单片机，单片机再对读入的几路数据进行存储、比较，然后发出命令对外围进 *** 作。对方案一、二进行比较，方案二硬件稍为复杂，但能够对不同强度的光进行采集以及比较， *** 作灵活，所以采用方案二。

寻找光源电路图如图7所示。

图7 寻找光源电路图

3)显示部分

方案一：采用LCD显示，用单片机可实现显示数据，但显示亮度和字体大小在演示时不尽人意，价格也比较昂贵。

方案二：采用LED七段数码管，采用经典电路译码和驱动，电路结构简单，并且可以实现单片机I/O口的并用，显示效果直观，明亮，调试容易。故采用LED数码管显示。

4)显示电路如图8所示。

图8 显示电路

3. 系统原理及理论分析

1) 单片机最小系统组成

单片机系统是整个智能系统的核心部分，它对各路传感信号的采集、处理、分析及对各部分整体调整。主要是组成是：单片机AT89S52、模数转换芯片ADC0809、小车驱动系统芯片L293D、数码管显示的译码芯片74LS47、74LS138及各路的传感器件。

2)避障原理

采用红外线避障方法，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，因此用250Hz的信号对38KHz的载波进行调制，这样减少外界的一些干扰。 接收管输出TTL电平，有利于单片机对信号的处理。

3)计程原理

通过计算车轮的转数间接测量距离，在车轮均匀打上透光小孔，当车轮转动时，红外光透射过去，不断地输出脉冲，通过单片机对脉冲计数，再经过一个数据的处理过程，这样就可把小车走过的距离计算出来。

4)黑带检测原理

利用光的反射原理，当光线照射在白纸上，反射量比较大，反之，照在黑色物体上，由于黑色对光的吸收，反射回去的量比较少，这样就可以判断黑带轨道的走向。由于各路传感器会对单片机产生一定的干扰，使信号发生错误。因此，采用一级射极输出方式对信号进行隔离，这样系统对信号的判断就比较准确。

4. 系统程序设计

用单片机定时器T0产生38KHz的方波，再用定时器T1产生250Hz的方波对38KHz方波进行调制。为了提高小车反应灵敏度，对红外线接收信号及黑带检测信号都采用中断法来处理。用定时方法对铁片检测、计量路程、倒车、拐弯及数码管动态扫描进行处理。

主程序流程图见图9，各子程序图见图10、图11、图12。

图9 主程序流程图

图 10 外部中断0服务子程序

图 11 外部中断1服务子程序

图12 定时器1中断子程序

6．调试及性能分析

整机焊接完毕，首先对硬件进行检查联线有无错误，再逐步对各模块进行调试。首先写入电机控制小程序，控制其正反转，停机均正常。加入避障子程序，小车运转正常，调整灵敏度达最佳效果。加入显示时间子程序，显示正常。铁片检测依靠接近开关，对检测信号进行处理并实时显示和发出声光信息，无异常状况。路程显示部分是对霍尔管脉冲进行计数，为了尽量达到精确，车轮加装小磁片。接着对黑带检测模块调试，发现有时小车会跑出黑带，经判断是因为红外线收发对管灵敏度不高，调整灵敏度后仍然达不到满意效果，疑是受环境光影响，利用塑料套包围红外线收发后问题解决。趋光电路主要由三个光敏电阻构成，调整三个光敏电阻的角度同时测试软件，以最佳效果完成趋光功能。

整机综合调试，上电后对系统进行初始化，接着控制电机使小车向前行驶，突然发现系统即刻进入外部中断1，重复多次测试，结果都是自动进入该中断。推断是由刚上电时电机起动所引起，为了避免上电瞬间的影响，在启动小车后延时几毫秒，再开外部中断，结果问题解决。允许的话应采用双电源供电，即电机和电路应分开供电，L293D与单片机之间采用隔离信号控制。这样就不会出现小车启动时程序出错和数码管显示闪动的问题。在计程精度上，可用红外线原理获得较高精度。

7．结论

通过各种方案的讨论及尝试，再经过多次的整体软硬件结合调试，不断地对系统进行优化，智能小车能够完成各项功能到达车库。

8．参考文献

《单片机应用技术》

《周立功单片机》

《单片机原理与应用》

《8051单片机程序设计与实例》

《MCS-51单片机实验指导》

系统的单片机程序：

#include"reg52.h"

#definedet_Dist2.55//

单个脉冲对应的小车行走距离，其值为车轮周长

/4#defineRD9//

小车对角轴长度。

#definePI3.1415926

#defineANG_9090

#defineANG_90_T102

#defineANG_180189/

全局变量定义区。

/sbitP10=P1^0//

控制继电器的开闭sbitP11=P1^1//

控制金属接近开关。

扩展资料：

控制器部分：接收传感器部分传递过来的信号，并根据事前写入的决策系统（软件程序），来决定机器人对外部信号的反应，将控制信号发给执行器部分。好比人的大脑。

执行器部分：驱动机器人做出各种行为，包括发出各种信号（点亮发光二极管、发出声音）的部分，并且可以根据控制器部分的信号调整自己的状态。

对机器人小车来说，最基本的就是轮子。这部分就好比人的四肢一样。 传感器部分：机器人用来读取各种外部信号的传感器，以及控制机器人行动的各种开关。好比人的眼睛、耳朵等感觉器官。

1．通过解决相关实际问题，以巩固、加深对嵌入式的认识和相关知识的理解，提高综合运用课程知识的能力。

2．熟悉与计算机相关的嵌入式方面的电子元器件和电路特性，能正确反映设计和实验成果，提高自主创新能力。

3．培养严肃认真的工作作风和严谨科学态度。通过课程设计实践，获得初步的应用经验，为以后从事生产和科研工作打下的坚实的基础。

4．培养根据课题需要选学参考书籍、查阅手册图表和文献资料的自学能力。通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题。

5．了解与课程有关的电子电路以及元器件技术规范，按课程设计任务书的要求编写设计说明书。提高自己的动手能力，培养严肃、认真的工作作风和科学态度。

6．为了完成一款自主设计、制作的嵌入式作品，以提升个人能力和队嵌入式的兴趣。

7．对避障小车的避障原理有充分的理解，掌握其避障的方法，能够对实验过程中出现的问题进行解决，发现问题，解决问题。

1.2 背景

学习智能小车系统，有助于提高搭建系统的能力和对自动控制技术的理解。智能小车是一个较为完整的智能化系统，而智能化的研究已成为我国追赶世界科技水平的重要任务。智能小车有它特有的特点：成本低，涉及的知识面广，易于拓展[1]。整个智能小车系统作为一个完整的系统，从它的原理图的实现到实物的完成的过程，不仅需要深厚的电子方面的知识，还有对电路实现的良好掌握，对于培养学生的实践能力都有重要的意义。智能小车的竞赛在我国各大高校中都受到了重视，吸引了大批的高校学生的兴趣，而且取得了很多优异的成果，为我国推进智能化的进程做出了巨大的贡献，也为智能汽车的发展提供了理论依据[2-3]。

只有当把理论和模型应用到实践中，这样的创新才用意义，我们国家这几年在智能化方面的进步越来越快，也推动了我国在国际社会上在智能化方面的话语权。智能小车是智能化的一部分，它的系统里的避障、循迹、红外遥控的技术用到了智能化，将智能化应用到传统技术上是21世纪发展的趋势。

我国虽然从改革开放以来大力发展科技创新，但是在智能化的创新水平与国外较发达的国家相比还有巨大的差距，智能竞赛在高校越来越流行，也证明了我国教育在这方面很快会赶上世界上的发展水平。本次设计是以单片机为电路板，通过编程和一些外围电路的设计来实现红外遥控，避障，循迹等功能。最重要的是把模型上的研究应用到实际生活中，智能车辆便做到了这一点[4-6]。在实际应用中比如在倒车的过程中实现的红外警报系统是以智能小车为模型而研发出来的。对于电子知识的热爱与钻研有利于研发更多智能车辆，使我们的生活更加便利、智能化。

本次课程设计主要任务是实现基于51单片机智能小车红外避障和循迹的主要功能应用。以红外避障的功能解决小车在不同的环境避开行走的障碍物，直到终点，以红外循迹的功能去感应黑线找到走出迷宫的线索为目标。让机器人小车变得更加灵活。

2 需求分析

智能小车作为现代的新发明，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等等用途；并且能实现显示时间、速度、里程，具有红外自动寻迹、避障等功能，可程控行驶速度、定位停车，远程传输图像、按键控启动K4让小车运行起来,利用红外传感器感应黑线进行寻迹,利用红外反射感应进行红外避障功能。

图1 智能小车设计思维导图

如图1所示，我们使用STC89C52RC单片机电路板控制整个机器人小车的功能，通过接线建立好小车的电路图连接以及通过C51书写红外避障以及循迹功能程序。在设计好的场地，从出发点到终点，通过现有的功能顺利躲开障碍物的干扰以及通过智能机器人寻找黑线的功能一直走好直线且顺利到达终点，完成任务。在车的模型上分析，我们也补充到了红外感应原理，红外传播通过我们学习物理光学知识后，能解决为什么避障反应慢的问题，并解决了。

如图2所示，智能小车初步构想流程图，让整个项目实现的目标更加清晰明了。利用红外传感器，其优点是对近距离的障碍物反应速度灵敏，不同方位的传感器之间信号不会相互干扰，最终选择红外传感器作为小车的眼睛，进行避障。

由于本次实验小车轮子没有实现转弯功能，所以通过设定左右两组轮子的不同前进速度来实现转弯功能。当向右转时，左侧轮子的速度要比右侧轮子的前进速度快，反之实现左转功能，此设计需小心谨慎，防止出现轮子不同步，无法实现转弯功能。

图2 智能小车功能模块流程图

3.系统设计

3.1总体设计

3.1.1 设计思路

总体来说，这个程序设计还算比较简单，比较基础，目的就是要学会基本的应用，这个过程中利用红外线传感器发射和接收信号模块来控制单片机，让单片机翻译传输指令，从而实现相应的功能。具体的过程如下：四路红外传感器，每一路发射一个信号，检测接收到的信号，若出现高电平，则说明该方向前方有障碍物，则单片机控制电机正转和反转，从而实现绕开障碍物继续前行。同时还增加一个无线发射和无线接收模块控制单片机，让单片机翻译传输指令，从而实现相应的功能。无线发射模块发出指令，无线接收模块接收信号后，传递给单片机，单片机翻译接收到信号后，传输给驱动电路驱动电机旋转，从而实现让小车的前进、后退、左转和右转。

在主控制器模块上分析，采用STC89C52单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址 *** 作功能、价格低廉等优点。51单片机具有功能强大的位 *** 作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是51单片机价格非常低廉。

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