本科畢業(yè)論文-智能機器車設(shè)計

分類號編號3108012010本科畢業(yè)論文（設(shè)計）智能機器車CreateRobotCar摘要智能，是在計算機中人為預(yù)置已經(jīng)設(shè)計好的程序，通過機器人對外部世界信息的收集和處理，計算機按程序運行做出相應(yīng)的動作，從而使機器人能對外部世界做出有效的反應(yīng)。本次課題設(shè)計的智能機器車以Atmel公司的89S52單片機為主要控制核心，通過遙控智能機器車使其具有前進(jìn)、后退、停止的功能，同時，配合紅外避障與紅外尋跡系統(tǒng)，實現(xiàn)該智能機器車的自動避障與自動尋跡功能。智能機器車主要由單片機控制模塊、無線遙控模塊、紅外對管尋跡模塊、紅外避障模塊、電機驅(qū)動模塊組成。通過單獨對各個模塊的安裝、調(diào)試，保證各個子模塊的正常工作，得到正確的信號輸出。然后把各個模塊組合起來，對89S52單片機寫入程序，將各模塊整合成一個完整的系統(tǒng)，完成本次課題設(shè)計。關(guān)鍵詞：智能；單片機；自動避障；自動尋跡；無線遙控ABSTRACTIntelligenceispresetwelldesignedprocedureinthecomputer,throughcollectingandprocessinginformationfromtheoutsideworld,computeroperationaccordingtotheprogramandmakestheappropriateaction,sothattherobotcanmakeeffectiveresponsetotheoutsideworld.Thistopicisthedesignofintelligentrobotvehicle,thedesignoftheoreticalscheme,analysismethodandcharacteristicandinnovationcanprovidereferencetothoserobotswithsocialapplicationsuchasarchaeologicalrobot,householdrobot,andminingrobotandsoon.Meanwhile,asahightechnologywiththecharacteristicsofhighaddedvalue,technicalrequirementsofprecision,wideapplicationrange,mostofthecountriestrytheirbesttodevelopintelligentrobots.Withthedevelopmentofournationaleconomy,theupgradeofindustrialstructure,tomaintainourcountryinfutureinternationalcompetitionadvantage,itisnecessarytopayattentiontothedevelopmentoftheintelligentrobotandgiveappropriatepolicysupporttoimproveourcountry'slevelofdevelopmentoftheintelligentrobot.Intelligentvehicleuses89S52MCUasthemaincontrolcore,throughwirelesscontrol,theintelligentvehiclehasthefunctionsofforward,backwardandstop.Atthesametime,withtheinfraredobstacleavoidanceandinfraredtrackingsystem,automaticobstacleavoidanceandautomatictracingcanberealized.Thedesignusesmethodsofcontrastselection,moduleindependence,integratetreatment.Bycombiningtheprofessionalknowledgeaswellasmakingfulluseofrelatedliteratureanddataresources,thedesignanalysisdifferentsolutionsandchoosethebestschemetodesignbasedonitspracticalsituations.Intelligentrobotvehicleismainlycomposedofasingle-chipcontrolmodule,wirelessremotecontrolmodule,infraredtubetracingmodule,infraredobstacleavoidancemodule,motordrivemodule.Byinstallinganddebuggingeachmoduleindividually,wegetcorrectsignaloutputwiththenormalworkofeachsubmodule.Atlast,wefinishthedesignbycombiningeachsubmodulesintegratedintoacompletesystem.KeyWords:intelligence;MCU;automaticobstacleavoidance;automatictracing.目錄引言························································1總體設(shè)計···················································2各模塊分析選擇·········································22.1.1主控單元方案比較與選擇·····························22.1.2避障單元方案比較與選擇·····························22.1.3尋跡單元方案比較與選擇·····························32.1.4遙控單元方案比較與選擇······························32.2總體設(shè)計框圖···········································33硬件設(shè)計···················································53.1單片機控制模塊·········································53.1.1晶振電路··········································63.1.2復(fù)位電路··········································73.1.3接口電路··········································73.2紅外無線遙控模塊·······································83.2.1無線遙控工作原理···································83.2.2TC9012遙控發(fā)射器··································83.2.3LT0038芯片遙控接收器······························103.3光敏電阻尋跡模塊·······································113.3.1光敏電阻的工作原理·································113.3.2尋跡電路···········································123.4紅外避障模塊···········································153.4.1紅外避障模塊工作原理·······························153.4.2紅外避障模塊電路···································153.4.3555時基芯片········································164軟件設(shè)計····················································184.1軟件設(shè)計框圖··········································184.2各模塊源程序··········································194.2.1自動尋跡模塊源程序································194.2.2紅外避障模塊源程序································214.2.3紅外遙控模塊源程序································275制作與調(diào)試··················································305.1使用的儀器儀表與軟件··································305.2軟件的調(diào)試············································305.3各模塊的調(diào)試··········································315.3.1自動尋跡模塊的調(diào)試································315.3.2紅外避障模塊的調(diào)試································325.3.3紅外遙控模塊的調(diào)試································335.4聯(lián)合調(diào)試··············································346結(jié)論與展望··················································35致謝·························································36參考文獻(xiàn)·······················································371引言智能，是在計算機中人為預(yù)置已經(jīng)設(shè)計好的程序，通過機器人對外部世界信息的收集和處理，計算機按程序運行做出相應(yīng)的動作，從而使機器人能對外部世界做出有效的反應(yīng)。在這個過程中，無需人為的操作，機器人便能實現(xiàn)自動化的運行。智能技術(shù)是當(dāng)今科學(xué)界研究的熱點之一。由于智能化技術(shù)具有多學(xué)科融合和多技術(shù)集成的特點，涉及眾多學(xué)科領(lǐng)域的尖端技術(shù)，其發(fā)展水平能夠反映出一個國家或地區(qū)信息與自動化技術(shù)的綜合實力，因此，發(fā)達(dá)國家都投入大量的資源進(jìn)行智能技術(shù)的研究工作，爭奪行業(yè)的制高點。在我國，1986年3月出臺的國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（即“863”計劃）中明確把智能機器人主題列入自動化技術(shù)領(lǐng)域中去，這從國家層面肯定了智能化技術(shù)的重要性，從此我國的智能化研究工作進(jìn)入了快車道。本次課題設(shè)計以全面普及簡要智能化技術(shù)為目的，整個開發(fā)過程簡單易懂，電子元器件與平臺的選擇適當(dāng)、合理，無須花費太多的時間與精力便能實能智能機器車的自動尋跡、自動避障和遙控的功能，是電子與工程等相關(guān)學(xué)科的初學(xué)者學(xué)習(xí)相關(guān)知識、鞏固所學(xué)知識的理想教育工具。同時也適用于高校畢業(yè)生作為課題設(shè)計而開展。本次課題設(shè)計的是智能機器車，該設(shè)計過程中的理論方案、分析方法以及特點與創(chuàng)新等方面可以為考古機器人、家用機器人、采礦機器人等有社會應(yīng)用價值前景的機器人的生產(chǎn)與發(fā)展提供一定的設(shè)計、制作的參考意義。同時，智能機器人作為一門高新科技，具有附加值高、技術(shù)要求精、應(yīng)用范圍廣等一系列特點，是世界各個國家爭相發(fā)展的熱點。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級，為保持我國在未來國際競爭中的優(yōu)勢，有必要重視智能機器人的發(fā)展并適當(dāng)給予政策支持，以提高我國智能機器人的發(fā)展水平。本設(shè)計以簡易智能機器人為主要開發(fā)平臺，選擇Atmel公司的89S52單片機為主要的控制核心，融合電機模型、傳感器技術(shù)、紅外無線通信技術(shù)、程序設(shè)計等一系列知識以實現(xiàn)智能機器車的各種功能。設(shè)計完成以由無線電遙控、光敏電阻的自動尋跡、紅外線自動避障組成的硬件模塊結(jié)合軟件設(shè)計組成多功能智能小車，使得小車具有前進(jìn)、倒退、轉(zhuǎn)向行駛，自動根據(jù)地面黑線尋跡導(dǎo)航，檢測障礙物后停止等功能，實現(xiàn)智能控制，達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。2總體設(shè)計本次課題主要是組裝、制作一輛能夠?qū)ν饨缧盘栠M(jìn)行智能判斷并做出相應(yīng)反應(yīng)的智能機器小車。智能小車主要能夠?qū)崿F(xiàn)以下的幾個功能：無線遙控功能、自動避障功能、自動尋跡功能。作品以兩直流電機作為驅(qū)動，利用不同寬度的脈沖產(chǎn)生脈寬調(diào)制來對直流電機進(jìn)行調(diào)速，同時電機驅(qū)動電路采用高電壓，高電流，四通道驅(qū)動集成芯片L293D。光敏傳感器是能夠探測地面的情況，發(fā)光二極管發(fā)射光線，遇到淺色地面光線被反射回，遇到深色地面光線被吸收，根據(jù)不同的地面情況，智能機器車可以探測地面的線路跡象從而實現(xiàn)自動尋跡功能。同時，位于機器車前方的兩只紅外發(fā)射管和一只紅外接收模塊構(gòu)成紅外傳感避障系統(tǒng)，主要用于檢測前方的障礙物，紅外光線當(dāng)遇到淺色物體時被反射，遇到深色物體時光線被吸收，通過單片機的判斷控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，從而達(dá)到避障的功能。遙控系統(tǒng)由發(fā)射部分和接收芯片LT0038這兩部分組成。最后由控制單元89S52處理數(shù)據(jù)后通過匯編程序有序合理的將各模塊信號整合在一起并完成相應(yīng)動作，實現(xiàn)了智能控制。2.1各模塊分析選擇通過對比分析選擇各個模塊，結(jié)合課題設(shè)計的實際情況，選擇適合于本次課題設(shè)計的各個模塊元件，進(jìn)而得出設(shè)計方案。2.1.1主控單元方案比較與選擇方案一：采用分立的數(shù)字電路對傳感器收集的信號進(jìn)行分析與處理。對自動尋跡電路、自動避障電路和遙控電路收集的外界信號作為數(shù)字電路的輸入，由數(shù)字電路作控制單元，分析處理后輸出，控制智能機器車的動作。這種方案在設(shè)計邏輯上各模塊分工清晰，但電路較為復(fù)雜，靈活性不高，不利于發(fā)揮智能機器車的擴展功能。方案二：采用89S52單片機作為整機的控制核心。自動尋跡電路采用光敏傳感器對路況進(jìn)行連續(xù)的探測，信號送到單片機進(jìn)行分析處理。自動避障電路的紅外線探頭采用市面上通用的發(fā)射管與及接收頭，經(jīng)過比較芯片調(diào)制處理后由控制系統(tǒng)接收。遙控電路芯片把接收信號送單片機處理。這種設(shè)計的優(yōu)點是靈活方便，采用軟硬件結(jié)合的方法解決了方案一中的不足，使整個電路的擴展性大大提高，同時，硬件的復(fù)雜程度降低，電路簡潔清晰，易于達(dá)到既定的目標(biāo)。通過比較以上兩種方案，決定采用方案二，首先方案二靈活性高，能夠充分發(fā)揮智能機器車的擴展功能；其次，方案二采用軟硬件相結(jié)合的方法，減低了硬件的復(fù)雜程度，有利于課題目標(biāo)的實現(xiàn)。2.1.2避障單元方案比較與選擇方案一：利用超聲波對障礙物進(jìn)行探測。超聲波是頻率高于20000Hz的聲波，它具有穿透力強、方向性好的特點，但超聲波的缺點也很明顯，例如超聲波受環(huán)境影響較大，易受周圍環(huán)境的影響，所產(chǎn)生聲波的電路較為復(fù)雜。方案二：采用紅外線避障。紅外線是波長介于微波與可見光之間的電磁波，波長在760納米到1毫米之間，是非可見光。設(shè)計采用2只位于前方的紅處發(fā)射管（970nm）和1只紅外接收模塊構(gòu)成紅外傳感避障系統(tǒng)，用來檢測前方、左前方和右前方的障礙物。利用單片機產(chǎn)生38KHz信號紅外線發(fā)射管進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，當(dāng)紅外線遇到障礙物時反射回來，紅外接收管對反射回來的信號進(jìn)行解調(diào)，輸出比較電平。根據(jù)線外線的特性，可以知道紅外線受外界可見光的影響較大，因此通過調(diào)制信號產(chǎn)生38KHz的載波來減少外界的一些干擾。紅外接收模塊集成了紅外接收管、前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和輸出放大電路，靈敏度很高。方案二的優(yōu)點在于可操作性強，總體價格便宜，整個系統(tǒng)對障礙物的識別率高，且實用性強，設(shè)計制作簡單易行。綜合比較方案一與方案二，本設(shè)計采用方案二作為智能機器車避障系統(tǒng)的設(shè)計。2.1.3尋跡單元方案比較與選擇方案一：采用紅外發(fā)射管和接收管作為尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線，當(dāng)紅外線遇到淺色物體時被反射，紅外接收管進(jìn)行接收，經(jīng)芯片處理后輸出低電平；當(dāng)紅外線遇到深色物體時大部分的光線被吸收，接收管接收不了反射的信號，芯片因而輸出高電平。這種方案的缺點在于整個系統(tǒng)工作過程不夠穩(wěn)定，且紅外線易受到外界光線的影響，使信號的發(fā)射與接收出現(xiàn)不同程度的失真，造成信號被誤判。方案二：采用光敏傳感器組成尋跡電路的形式。光敏傳感器由五個光敏電阻和發(fā)光二極管組成，它能夠探測地面情況，發(fā)光二極管發(fā)射光線，遇到淺色地面光線被反射，遇到深色地面光線被吸收。當(dāng)智能機器車的遇到黑帶時，光線被吸收，可以檢測到輸入電平為高電平，當(dāng)遇到非黑帶時，光線被反射，輸入電平為低電平，再通過單片機采用查詢方式，程序控制機器車的輪子來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，達(dá)到尋跡的功能。本設(shè)計采用方案二作為尋跡系統(tǒng)的電路設(shè)計。2.1.4遙控單元方案比較與選擇方案一：由發(fā)射和接收兩大部分組成紅外遙控系統(tǒng)，應(yīng)用編/解碼專用集成電路芯片來進(jìn)行控制操作，發(fā)射部分包括LED紅外發(fā)送器、編碼調(diào)制、鍵盤矩陣部件；接收部分包括光、電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路等，而且使用的時候必須將遙控器前的紅外發(fā)射孔對準(zhǔn)接收管。商業(yè)化的發(fā)射器與接收器體積小，密封性好，靈敏度高，且價格低廉，能夠滿足本次課題設(shè)計的基本要求。方案二：超聲波遙控是利用超聲波來傳送指令的遙控，可以應(yīng)用于需要遙控、遙測的場合。采用AX5326與AX5327等構(gòu)成的遙控系統(tǒng)具有體積小、功耗低、功能強大、抗干擾能力強等優(yōu)點。但由于超聲波遙控價格較為昂貴，不是最理想的選擇。綜合比較方案一與方案二的設(shè)計，決定采用方案一的。2.2總體設(shè)計框圖本次課題設(shè)計的系統(tǒng)以89S52單片機為控制核心，通過自動尋跡模塊、避障模塊和無線遙控模塊對外部環(huán)境的探測，經(jīng)芯片處理后以高低電平的形式送到52單片機進(jìn)行處理，最后單片機把處理結(jié)果送電機，控制智能機器車的運行，實現(xiàn)其相應(yīng)的功能。總體設(shè)計框圖如圖2-1避障模塊避障模塊直流電機尋跡模塊單片機直流電機尋跡模塊單片機無線遙控?zé)o線遙控模塊 圖2-1總體設(shè)計框圖3硬件設(shè)計本系統(tǒng)硬件模塊主要由五部分組成，分別是單片機控制模塊、自動尋跡模塊、自動避障模塊、無線遙控模塊和電機控制模塊。以下對每個模塊作較為詳細(xì)的說明。3.1單片機控制模塊單片機控制模塊采用Atmel公司生產(chǎn)的89S52單片機作為核心處理器。單片機控制系統(tǒng)基本由最小系統(tǒng)和外圍信號I/O口組成，其中最小系統(tǒng)包括電源（地），CPU時序電路（一般使用11.0592M或者12M和30P電容組成），復(fù)位電路。有了以上三塊，單片機就能夠正常工作。89S52是一種低功耗、高性能COMS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、高效的解決方案。利用89S52的I/O端口對傳感器信號進(jìn)行實時判斷監(jiān)控來控制直流電機做出相應(yīng)的反應(yīng)。圖3-1是89S52單片機的引腳圖。圖3-1AT89S52單片機引腳圖3.1.1晶振電路AT89S52單片機有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入、輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器構(gòu)成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，接在放大器的反饋回路中。石英晶體和陶瓷諧振器都可以用來一起構(gòu)成自激振蕩器。從外部時鐘源驅(qū)動器件的話，XTAL2可以不接，而從XTAL1接入，圖3-2說明內(nèi)部振蕩電路的連接圖。由于外部時鐘信號經(jīng)過二分頻觸發(fā)后作為外部時鐘電路輸入的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有其它要求，最長低電平持續(xù)時間和最少高電平持續(xù)時間等還是要符合要求的。圖3-3說明了外部振蕩電路的連接圖。石英晶振C1,C2=30PF±石英晶振C1,C2=30PF±10PF陶瓷諧振器C1,C2=40PF±10PF圖3-2內(nèi)部振蕩電路連接圖圖3-3外部振蕩電路連接圖3.1.2復(fù)位電路復(fù)位電路的基本功能原理是：系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)過一定的延時才撤銷復(fù)位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。單片機復(fù)位電路參數(shù)的選定須在振蕩穩(wěn)定后保證復(fù)位高電平持續(xù)時間大于2個機器周期。圖3-4是復(fù)位電路的連接圖。圖3-4復(fù)位電路的連接圖復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。所謂上電復(fù)位，是指計算機加電瞬間，要在RST引腳出現(xiàn)大于10MS的正脈沖，使單片機進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。按鈕復(fù)位是指用戶按下“復(fù)位”按鈕，使單片機進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。如圖3-4，上電時，通過電阻R37提供高電平給RESET端，此時為上電復(fù)位，同時給電容E1充電。按鈕復(fù)位時，按下按鈕S3，電容E1放電，給RESET提供高電平，此為按鈕復(fù)位。3.1.3接口電路RST置高電平，然后向單片機串行發(fā)送編程命令。P1.7（SCK）輸入移位脈沖，P1.6（MISO）串行輸出，P1.5(MOSI)串行輸入。被燒寫的單片機必須已經(jīng)接上電源、晶振，可以運作，即具備了最小系統(tǒng)的單片機。接口電路如圖3-5所示。圖3-5接口電路3.2紅外無線遙控模塊紅外無線遙控模塊通過紅外遙控發(fā)射、紅外遙控接收兩部分的配合，實現(xiàn)對智能機器車的無線遙控功能，從而控制小車的停啟、轉(zhuǎn)向等動作。3.2.1無線遙控的工作原理通用紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩在部分組成，此次課題設(shè)計應(yīng)用的是編、解碼專用集成電路芯片來進(jìn)行控制操作。發(fā)射部分的構(gòu)成包括鍵盤矩陣、編碼調(diào)制、LED紅外發(fā)送器；接收部分包括光電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路等主要的部分。整個紅外遙控系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖3-6所示。LED編碼調(diào)制鍵盤LED編碼調(diào)制鍵盤解碼解調(diào)光、電放大器解碼解調(diào)光、電放大器圖3-6紅外遙控系統(tǒng)框圖3.2.2TC9012遙控發(fā)射器遙控發(fā)射器專用芯片根據(jù)編碼格式的不同，可以分成兩大類，分別是脈沖寬度調(diào)制和脈沖相位調(diào)制，其中由于脈沖寬度調(diào)制解碼比較容易，集成度較高，價格便宜等特點，使得脈沖寬度調(diào)制的運用較脈沖相位調(diào)制來得廣泛。本課題采用的遙控發(fā)射器是TC9012。TC9012是一塊用于東芝系列紅外遙控系統(tǒng)中的專用發(fā)射集成電路，采用COMS工藝制造。它可外接32按鍵，提供8種用戶編碼，另外還具有3種雙重按鍵功能。其結(jié)構(gòu)框圖、管腳圖、管腳圖說明分別如圖3-7、3-8、3-9所示。圖3-7TC9012結(jié)構(gòu)框圖圖3-8TC9012管腳圖圖3-9TC9012管腳說明3.2.3LT0038遙控接收電路LT0038是用于紅外遙控接收的小型一體化接收設(shè)備，集成紅外線的接收、放大、調(diào)解功能，不需要任何外接元件，就能完成從紅外線接收到輸出與TTL電平信號兼容的所有工作，且其體積和普通的三極管大小差不多，適合于各種紅外遙控和紅外數(shù)據(jù)傳輸，中心頻率為38.0KHz。接收器對外只有3個引腳，分別為OUT、GND、VCC，與單片機接口非常方便。LT0038的示意圖如圖3-10所示。圖3-10LT0038示意圖在紅外接收模塊電路中，OUT接單片機的P3.3接口，作為紅外接收模塊的輸出，由單片機做出判斷，從而控制電機的停止或轉(zhuǎn)向。如圖3-11所示。3-11紅外接收模塊電路3.3光敏電阻尋跡模塊光敏電阻尋跡模塊作為智能機器車系統(tǒng)的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著機器車自動沿黑線行駛的重要功能。本模塊采用的光敏傳感器由五個光敏電阻和發(fā)光二極管組成，它能夠探測地面情況，發(fā)光二極管發(fā)射光線，遇到淺色地面光線被反射，遇到深色地面光線被吸收。當(dāng)智能機器車的遇到黑帶時，光線被吸收，可以檢測到輸入電平為高電平，當(dāng)遇到非黑帶時，光線被反射，輸入電平為低電平，再通過單片機采用查詢方式，程序控制機器車的輪子來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，達(dá)到尋跡的功能。圖3-12為光敏電阻的實物圖。圖3-12光敏電阻3.3.1光敏電阻的工作原理光敏電阻又名光敏傳感器、光導(dǎo)管。常用的制作材料為硫化鎘，此外，硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等也可以作為其材料。這些制作材料在特定波長的光照射下，具有其阻值迅速減小的特性。這是由于光照的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，使得光敏電阻的阻值迅速下降。由硫化物制作而成的半導(dǎo)體封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，在黑暗的環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶上，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電的荷的空穴，通過增加電子-空穴對的方式提高了半導(dǎo)體中載流子的數(shù)目，從而把半導(dǎo)體的導(dǎo)電率增高，電阻率下降，最終使得半導(dǎo)體的光敏電阻阻值降低。阻值降低的幅度與光照的強度成正比，即光強越強，電阻值越低。同時，在光敏電阻的兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，當(dāng)有不同波長的光線照射時光敏電阻時，電流就會隨不同的波長的光線變化而變化，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。圖3-13是光敏電阻的結(jié)構(gòu)簡圖。圖3-13光敏電阻結(jié)構(gòu)簡圖3.3.2尋跡電路尋跡電路是實現(xiàn)智能機器車自動尋跡的重要部分，它由底板尋跡電路板和主板尋跡電路組成。現(xiàn)分別說明。圖3-14是尋跡底板電路示意圖，其中R6～R10是光敏電阻的接收部分，它們分別與R1～R5并聯(lián)，電阻R1R5接GVCC端，光敏電阻接收部分接地端。U1A至U1E是74HC14芯片（圖3-15），該芯片是一款使用5.0V電源電壓的、具有14個管腳的高速CMOS器件，能夠?qū)崿F(xiàn)6路施密特觸發(fā)反相器，可將緩慢變化的從光敏電阻收集到的輸入信號轉(zhuǎn)換成清晰、無抖動的輸出信號，圖3-16是74HC14的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖。圖3-14尋跡底板電路圖3-1574HC14芯片圖3-1674HC14內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)從74HC14輸出的各路信號分別作為U2B-U2F的各路信號輸入具有6路反相器的芯片4069，從4069輸出的信號具有穩(wěn)定的邏輯電平，進(jìn)而通過CON5進(jìn)入主板尋跡電路74HC245中進(jìn)行信號功率放大。圖3-17所示為4069的引腳分布圖。圖3-174069引腳圖主板尋跡電路如圖3-18所示。74HC245是帶有使能功能的八位雙向總線驅(qū)動器，這種八位總線收發(fā)器是為數(shù)據(jù)總線間時行異步兩路通信而設(shè)計的。采用控制功能可以盡量減少外部定時電路的要求。同時，該電路可以將數(shù)據(jù)從A總線傳送到B總線，也可以將數(shù)據(jù)從B總線傳送到A總線，具體傳送方向要看方向控制（DIR）輸入的邏輯電平而決定，可以使用使能輸入來禁止這種電路，使總線之間能有效地隔離。圖3-18中DB0-DB7接74HC573鎖存器（圖3-19）和單片機P0.0-P0.7口。圖3-18主板尋跡電路圖3-1974HC573鎖存器電路圖3.4紅外避障模塊紅外避障模塊的主要功能是實現(xiàn)小車對障礙物的智能處理，當(dāng)小車檢測到前方有障礙物時，由89S52單片機輸出信號對電機進(jìn)行控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、停止的功能。本次課題采用紅外線避障的設(shè)計。3.4.1紅外避障模塊工作原理智能機器采用2只紅外發(fā)射管（圖3-20）和1只紅外接收模塊（圖3-21）構(gòu)成作為發(fā)射38KHz紅外信號和接收模塊，主要用來檢測前方、左前方和右前方的障礙，檢測距離范圍大約為10-80cm。用戶可以通過調(diào)節(jié)兩個電位器來調(diào)節(jié)左右兩個紅外的檢測距離。同時，在發(fā)射管上套上黑色環(huán)，使其側(cè)面不能透出紅外線，提高精度，防止小車產(chǎn)生誤動作。主板中的芯片555為時基芯片，通過調(diào)節(jié)精密可調(diào)電位器使其線外發(fā)射的調(diào)制頻率固化在38KHz左右，這就是紅外接收模塊中帶通濾波器的中心頻率。圖3-20紅外發(fā)射管圖3-21紅外接收模塊3.4.2紅外避障模塊電路紅外避障模塊電路由38KHz發(fā)生電路和紅外傳感避障接收電路組成，共同完成發(fā)射紅外線、接收反射回來的紅外信號的功能，在紅外避障系統(tǒng)中處于核心的位置。38KHz發(fā)生電路如圖3-22所示。該電路主要由555時基芯片構(gòu)成。通過調(diào)節(jié)電容C10的大小，可以調(diào)整輸出方波的頻率，隨著電容C10的增大，輸出頻率會降低。通過調(diào)節(jié)電阻R16，可以對方波的占空比進(jìn)行調(diào)整，隨著電阻R16的增大，占空比提高，但同時也會使輸出頻率降低。通過對電容C10和電阻R16R合適調(diào)整，可以使得555時基芯片輸出38KHz的方波。3-2238KHz發(fā)生電路紅外傳感避障接收電路如圖3-23所示。紅外接收模塊集成了紅外接收管、前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器、整前電路和輸出放大電路，靈敏度很高。有時從紅外發(fā)射管側(cè)面和后面漏出的紅外光也會被接收模塊探測到，因此，為了防止因這種情況導(dǎo)致小車出現(xiàn)誤動作，兩個紅外發(fā)射管是先裝了套管的，紅外接收模塊也是采用金屬屏蔽的。圖3-23紅外傳感避障接收電路3.4.3555時基芯片NE555是一個能產(chǎn)生精確定時脈沖的高穩(wěn)度控制器，其輸出驅(qū)動電流可達(dá)200MV。它主要有兩種工作方式：多諧振蕩器工作方式和單穩(wěn)態(tài)工作方式時。在多諧振蕩器工作方式時，其輸出的脈沖占空比由兩個外接電阻和一個外接電容確定；在單穩(wěn)態(tài)工作方式時，它的延時時間通過調(diào)節(jié)一個外接電阻和一個外接電容確定，使得NE555具有很寬的延時時間調(diào)節(jié)范圍，從數(shù)微秒到數(shù)個小時都可以實現(xiàn)。圖3-24是NE555時基芯片的內(nèi)部框架圖。圖3-24NE555內(nèi)部框架圖4軟件設(shè)計軟件設(shè)計是本次課題的重點之一，也是智能機器車能夠現(xiàn)實智能運作的核心所在。軟件設(shè)計能夠把從光敏電阻傳感器、紅外避障接收電路等各個傳感器上收集到的信號數(shù)據(jù)輸入89S52單片機進(jìn)行處理，并產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)動作，控制電機的運作，從面實現(xiàn)智能機器車的智能化運作。4.1軟件設(shè)計框圖系統(tǒng)啟動后，小車一直處于自動尋跡和尋找障礙信號的狀態(tài)中，當(dāng)避障信號和遙控信號任何一個信號的傳感器收集到外界信息時，通過單片機的處理后輸出信號給電機，完成相應(yīng)的動作。其主程序流程圖如4-1所示。該主程序包括了紅外避障模塊、遙控模塊和自動尋跡模塊這三大模塊的主要程序框圖。開始開始各端口的初始化對按鍵進(jìn)行查詢向前鍵按下？NY進(jìn)行尋跡行駛程序是否進(jìn)行遙控控制？方向行駛避障控制？避障控制？停止結(jié)束YYYNNN圖4-1主程序框圖4.2各模塊源程序各模塊源程序附上了自動尋跡模塊源程序、紅外避障模塊源程序和紅外遙控模塊源程序。這些程序與系統(tǒng)的硬件相配合，完整的構(gòu)成了智能機器車的主體功能。4.2.1自動尋跡模塊源程序該程序?qū)崿F(xiàn)的是智能機器車的自動尋跡功能。#include"main.h"voiddelay(uintn){while(n)n--;}voidlight_control(ucharop)//轉(zhuǎn)向燈控制子程序{P1|=0X04;P0=op;P1&=0XFB;}voidcontrol(ucharn,ucharstate,ucharlight){uchari;light_control(light);//轉(zhuǎn)向指示燈P2=state;//行使方向改變for(i=n;i>0;i--){delay(2000);}P2=state5;delay(1000);light_control(light_off);//關(guān)閉P2=state1;delay(2000);}/*********************************光敏電阻分布接口車身從左到右的應(yīng)的IO為p03,p04,p05,p06,p07;*********************************/voidscanf_obj(void)//尋跡和測障礙物程序{uchartemp=0,temp1=0,temp3=0;cs_245=0;temp1=P2;temp=P0;cs_245=1;if((temp&0x70)!=0x70){if((temp&0x30)==0x30){control(1,state3,left_light);}//左外邊檢測到黑線，左轉(zhuǎn)elseif((temp&0x60)==0x60){control(1,state2,right_light);}//右外邊檢測到黑線，右轉(zhuǎn)elseif((temp&0x08)==0x08){control(2,state3,left_light);}//左內(nèi)邊檢測到黑線，左轉(zhuǎn)elseif((temp&0x80)==0x80){control(2,state2,right_light);}//右內(nèi)邊檢測到黑線，右轉(zhuǎn)}P2=temp1;}main(){delay(40000);P2&=0x0f;light_control(light_off);control(3,state1,light_off);*********************************/voidscanf_obj(void)//尋跡和測障礙物程序{uchartemp=0,temp1=0,temp3=0;cs_245=0;temp1=P2;temp=P0;cs_245=1;if((temp&0x70)!=0x70){if((temp&0x30)==0x30){control(1,state3,left_light);}//左外邊檢測到黑線，左轉(zhuǎn)elseif((temp&0x60)==0x60){control(1,state2,right_light);}//右外邊檢測到黑線，右轉(zhuǎn)elseif((temp&0x08)==0x08){control(2,state3,left_light);}//左內(nèi)邊檢測到黑線，左轉(zhuǎn)elseif((temp&0x80)==0x80){control(2,state2,right_light);}//右內(nèi)邊檢測到黑線，右轉(zhuǎn)}P2=temp1;}main(){delay(40000);P2&=0x0f;light_control(light_off);control(3,state1,light_off);while(1){P2=state1;delay(1000);scanf_obj();if(!run)break;}}#include"reg52.h"#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#definestate10X5F//前進(jìn)#definestate20X4F//右轉(zhuǎn)#definestate30X1F//左轉(zhuǎn)#definestate40X0F//后退#definestate50XfF//停車#definelight_off0x0f//關(guān)轉(zhuǎn)向燈#defineleft_light0X1F//左轉(zhuǎn)向燈#defineright_light0X2F//右轉(zhuǎn)向燈#defineback_light0XcF//剎車燈#definefront_light0x3f//前燈#definelight_on0xff//開所有燈sbitcs_245=P1^1;//5路光敏信號讀入sbitcs_573=P1^2;//轉(zhuǎn)向燈控制bitbdatarun=1;uchardatac=0;4.2.2紅外避障模塊源程序該程序?qū)崿F(xiàn)的是智能機器的紅外避障功能。/************************************程序名稱：小車避障程序程序說明：硬件原理，小車左右兩個紅外二極管發(fā)射38KHz載波的信號（P02，P03），一個一體化的紅外接收頭接收載波信號（p32）。/****************************紅外線接收子程序****************************/#include"main.h"voidinfrared_ray()interrupt0using3{flage=0x01;display_flage=1;IE&=0Xfe;//EX0=0;}//延時子程序voiddelay(uintn){while(--n);}voidInit0(void){IE|=0X80;//EA=1；TCON|=0x01;//IT0=1；}voidseng_wave(uchartimer,bitn)//timer->通過載波發(fā)射信號的時間，n->左右發(fā)射管的選擇{uchari;P1|=0X04;//ledcs=1;IE|=0X01;//EX0=1;P0|=0x04;for(i=timer;i>0;i--){if(n)P0^=0x08;//右發(fā)射管通過載波發(fā)射信號elseP0^=0x04;//左發(fā)射管通過載波發(fā)射信號delay(10000);}P1&=0Xfb;//ledcs=0;IE&=0Xfe;//EX0=0;}voidlight_control(ucharop)//轉(zhuǎn)向燈控制子程序{P1|=0X04;P0=op;P1&=0XFB;}Voidcontrol(ucharn,ucharstate,ucharlight){uchari;light_control(light);//轉(zhuǎn)向指示燈P2=state;//行使方向改變for(i=n;i>0;i--){delay(5000);}P2=state5;delay(2000);light_control(light_off);//關(guān)閉P2=state1;}voidmove_car(void){uchartemp=0x00;/*檢測程序段*///左邊紅外管發(fā)射seng_wave(2,left_infrare);if(flage==0x01){temp|=0x01;flage=0x00;}//右邊紅外管發(fā)射seng_wave(2,right_infrare);if(flage==0x01){temp|=0x02;flage=0x00;}/*控制程序段*///左邊有障礙物，右轉(zhuǎn)if(temp==0x01){control(5,state2,right_light);}//右邊有障礙物，左轉(zhuǎn)elseif(temp==0x02){control(5,state3,left_light);}//兩個方向都有障礙物，后退，右轉(zhuǎn)elseif(temp==0x03){control(10,state4,back_light);control(5,state2,right_light);}temp=0x00;}voidmain(void){uchardis_flage=0x00;Init0();P1|=0X04;//ledcs=1;P0=0xFf;P1&=0XFB;LCMInit();//LCM初始化DisplayListChar(0,0,14,Product,true);P0=0xFf;P1&=0XFB;LCMInit();//LCM初始化DisplayListChar(0,0,14,Product,true);DisplayListChar(0,1,15,webcom,false);delay(50000);WriteCommandLCM(0x01,1);//顯示清屏delay(100);DisplayListChar(0,0,14,talk1,false);DisplayListChar(0,1,13,talk2,false);while(1){move_car();if((display_flage==0x01)&&(dis_flage==0x00)){P1|=0X04;//ledcs=1;P0=0x0f;P1&=0XFB;dis_flage=0x01;WriteCommandLCM(0x01,1);//顯示清屏delay(100);DisplayListChar(0,0,10,talk3,false);DisplayListChar(0,1,11,talk4,false);}delay(20000);}}#include"reg52.h"#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineleft_infrare0#defineright_infrare1ucharflage=0x00;uchardisplay_flage=0x00;#definestate10X5F//前進(jìn)#definestate20X4F//右轉(zhuǎn)#definestate30X1F//左轉(zhuǎn)#definestate40X0F//后退#definestate50XfF//停車#definelight_off0x0f//關(guān)轉(zhuǎn)向燈#defineleft_light0X1F//左轉(zhuǎn)向燈#defineright_light0X2F//右轉(zhuǎn)向燈#defineback_light0XcF//剎車燈#definefront_light0x3f//前燈#definelight_on0xff//開所有燈#definetrue1#definefalse0ucharcodeProduct[]={"Create-RBcar"};ucharcodewebcom[]={"www.create.cc"};ucharcodetalk1[]={"Mastor:please"};//14charactersucharcodetalk2[]={"touchmyhead"};//12charactersucharcodetalk3[]={"thankyou!"};//10charactersucharcodetalk4[]={"I'mrunning"};//11charactersexternvoidLCMInit(void);externvoidWriteCommandLCM(unsignedcharWCLCM,BuysC);//BuysC為0時忽略忙檢測externvoidDisplayListChar(ucharX,ucharY,ucharListLength,uchar*DData,ucharn);/***************************************sbitledcs=P1^2;//74H573的片選信號sbitleft_led=P0^2;//左紅外發(fā)射管sbitright_led=P0^3;//右紅外發(fā)射管#include<REG52.h>sbitLCM_RS=P1^5;//定義引腳sbitLCM_RW=P1^6;sbitLCM_E=P1^7;#defineLCM_DataP0#defineBusy0x80//用于檢測LCM狀態(tài)字中的Busy標(biāo)識#defineucharunsignedchar#definetrue1#definefalse0#defineled_on(){ledCS=1;P0=0xff;ledCS=0;}#defineled_off(){ledCS=1;P0=0x00;ledCS=0;}ucharcodeuctech[]={"Create-RBcar"};ucharcodenet[]={"www.create.cc"};sbitledCS=P1^2;voidDelay5Ms(void);voidDelay400Ms(void);//讀狀態(tài)unsignedcharReadStatusLCM(void){LCM_Data=0xFF;LCM_RS=0;LCM_RW=1;LCM_E=0;LCM_E=0;LCM_E=1;while(LCM_Data&Busy);//檢測忙信號return(LCM_Data);}//寫數(shù)據(jù)voidWriteDataLCM(unsignedcharWDLCM){ReadStatusLCM();//檢測忙LCM_Data=WDLCM;LCM_RS=1;LCM_RW=0;LCM_E=0;//若晶振速度太高可以在這后加小的延時LCM_E=0;//延時LCM_E=0;//延時LCM_E=1;}//寫指令voidWriteCommandLCM(unsignedcharWCLCM,BuysC)//BuysC為0時忽略忙檢測{if(BuysC)ReadStatusLCM();//根據(jù)需要檢測忙LCM_Data=WCLCM;LCM_RS=0;LCM_RW=0;LCM_E=0;LCM_E=0;LCM_E=0;//延時LCM_E=1;}//讀數(shù)據(jù)/*unsignedcharReadDataLCM(void){LCM_RS=1;LCM_RW=1;LCM_E=0;LCM_E=0;LCM_E=1;return(LCM_Data);}*/voidLCMInit(void)//LCM初始化{Delay400Ms();LCM_Data=0;WriteCommandLCM(0x38,0);//三次顯示模式設(shè)置，不檢測忙信號Delay5Ms();WriteCommandLCM(0x38,0);Delay5Ms();WriteCommandLCM(0x38,0);Delay5Ms();WriteCommandLCM(0x38,1);//顯示模式設(shè)置,開始要求每次檢測忙信號WriteCommandLCM(0x08,1);//關(guān)閉顯示W(wǎng)riteCommandLCM(0x01,1);//顯示清屏WriteCommandLCM(0x06,1);//顯示光標(biāo)移動設(shè)置WriteCommandLCM(0x0C,1);//顯示開及光標(biāo)設(shè)置}//按指定位置顯示一個字符voidDisplayOneChar(ucharX,ucharY,ucharDData){Y&=0x1;X&=0xF;//限制X不能大于15，Y不能大于1if(Y)X|=0x40;//當(dāng)要顯示第二行時地址碼+0x40;X|=0x80;//算出指令碼WriteCommandLCM(X,0);//這里不檢測忙信號，發(fā)送地址碼WriteDataLCM(DData);}//按指定位置顯示一串字符(只能寫一行)；voidDisplayListChar(ucharX,ucharY,ucharListLength,uchar*DData,ucharn){uchari;Y&=0x1;X&=0xF;//限制X不能大于15，Y不能大于1for(i=0;i<ListLength;i++){if(X<=0xF)//X坐標(biāo)應(yīng)小于0xF{DisplayOneChar(X,Y,DData[i]);//顯示單個字符if(n==true)Delay400Ms();X++;}}}//5ms延時voidDelay5Ms(void){unsignedintTempCyc=5552;while(TempCyc--);}//400ms延時voidDelay400Ms(void){ucharTempCycA=5;unsignedintTempCycB;while(TempCycA--){TempCycB=7269;while(TempCycB--);};}voidmain(){Delay400Ms();led_off();LCMInit();//LCM初始化DisplayListChar(0,0,14,uctech,true);DisplayListChar(0,1,15,net,false);while(1);4.3.2紅外遙控源程序紅外遙控源程序?qū)崿F(xiàn)TC9012對智能機器車的紅外遙控功能。此部分源程序如下。/*************************************程序說明：該程序為遙控器鍵值測試程序當(dāng)單片機接收到正確的鍵值，通過LCD顯示，顯示的鍵值為十進(jìn)制**************************************/#include"main.h"voiddelay(uintn){while(--n);}voidaccept(void)interrupt2using3{uchari=0;uchark=0;uchardatacode_L=0;uchardatacode_H=0;EX1=0;for(i=0;i<4;i++)//重復(fù)10次，目的是檢測在8820微秒內(nèi)如果出現(xiàn)高電平就退出解碼程序{DELAY_1();//調(diào)用882微秒延時子程序if(input)//延時882微秒后判斷P3.2腳是否出現(xiàn)高電平如果有就退出解碼程序{gotoreti;}}//以上完成對遙控信號的9000微秒的初始低電平信號的識別。do{;}while(!input);//等待高電平避開9毫秒低電平引導(dǎo)脈沖DELAY_2();//延時4.74毫秒避開4.5毫秒的結(jié)果碼for(i=0;i<16;i++)//忽略前16位系統(tǒng)識別碼{do{;}while(!input);//等待地址碼第一位的高電平信號DELAY_1();//高電平開始后用882微秒的時間尺去判斷信號此時的高低電平狀態(tài)if(input){DELAY_3();}//檢測到高電平1的話,延時1毫秒等待脈沖高電平結(jié)束}for(k=0;k<8;k++)//接收一字節(jié)的原碼{do{;}while(!input);//等待地址碼第一位的高電平信號DELAY_1();if(input){DELAY_3();//為1延時code_L^=0x80;}else{code_L&=0x7f;}if(k<7)code_L>>=1;}for(i=0;i<8;i++)//接收一字節(jié)的反碼{do{;}while(!input);//等待地址碼第一位的高電平信號DELAY_1();if(input){DELAY_3();//為1延時code_H^=0x80;}else{code_H&=0x7f;}if(i<7)code_H>>=1;}if(code_H==(~code_L))//如果不等表示接收數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤,放棄{yk_code=code_L;yk_ok=1;}reti:EX1=1;}voidInit_T(void){EA=1;EX1=1;IT1=1;}voidDisdata_switch(ucharDat){if(Dat>0x30){dis_data[1]='f';dis_data[0]='f';}else{dis_data[0]=(Dat/10)|0x30;dis_data[1]=(Dat%10)|0x30;}}voidmain(){Init_T();led_off();LCMInit();DisplayListChar(0,0,13,testname,true);DisplayListChar(0,1,8,temp,false);//while(1);while(1){if(yk_ok){Disdata_switch(yk_code);yk_ok=0;}delay(255);DisplayListChar(8,1,2,dis_data,false);}}5制作與調(diào)試在對硬件選擇和軟件設(shè)計的步驟完成后，本次課題設(shè)計進(jìn)入制作與調(diào)試的階段。制作與調(diào)試是對智能機器車的制作與測試階段，在這個階段，采用的是分模塊制作、調(diào)試的方法，即分別對自動尋跡模塊、避障模塊和遙控模塊進(jìn)行制作與調(diào)試，再整合系統(tǒng)的方法。5.1使用的儀器儀表和軟件本部分需要使用到的儀器儀表和軟件包括有：數(shù)字萬用表單片機仿真器燒寫器直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源編譯軟件數(shù)字萬用表用于測量電壓、電阻等數(shù)值；單片機仿真器用于對編寫好的程序進(jìn)行上機調(diào)試，驗證程序的可行性、正確性和執(zhí)行性；燒寫器與編譯軟件把經(jīng)上機調(diào)試的程序下載到89S52單片機上，本課題采用的是具有可在線編程功能的ISP下載線和EASY51PRO軟件作為下載工具。直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源用于給智能機器車進(jìn)行充電。5.2軟件的調(diào)試軟件的調(diào)試是利用單片機仿真器在計算機上實現(xiàn)已編程序的各項功能，檢測各個程序能否達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。在本次設(shè)計中，由于各個模塊存在獨立性，因此采用各個模塊先進(jìn)行單獨調(diào)試，如果各個程序功能都能實現(xiàn)后，再進(jìn)行綜合調(diào)試的方法。例如，在自動尋跡模塊的調(diào)試過程中，先對其進(jìn)行單獨的調(diào)試，當(dāng)該程序能達(dá)到各項既定的功能