智能小车控制系统的设计

本科毕业设计论文

题 目 智能小车控制系统的设计

专业名称

学生姓名

指导教师

毕业时间

毕业

一、题目

智能小车控制系统的设计

二、指导思想和目的要求

（1）掌握运用所学理论知识分析解决工程实际问题的一般方法；

（2）培养分析问题、解决问题和独立工作的能力；

（3）通过毕业实习、毕业设计及毕业答辩全过程的训练，加强老师与学生之间、学生与学生之间知识的相互交流，互相渗透，培养学术研讨的好学风；

（4）要求同学们以满腔的热情、科学的态度，严谨的作风、•高度的责任感从事毕业设计工作；不得敷衍了事、马马虎虎、得过且过；提倡周密思考、大胆创新，反对死搬硬套、墨守陈规；提倡共同研究，反对相互抄袭；

（5）要求遵守学校的各项规章制度，确保毕业设计顺利地、高质量地完成。

三、主要技术指标

采用微控制器的智能小车无论是作为商品还是学科竞赛都很受青睐。本设计对小车的运动控制采用遥操作，并有手动和自动两种模式可选，分别实现小车的遥控运行和自动寻迹。这是一种有较高性价比的设计，可以在消费类电子产品上推广，产生较大的经济和社会效益。

（1）设计合理的技术方案；

（2）选择适合本方案的MCU ，采用舵机和电机控制，实现手动和自动寻迹两种运动模式；手动模式实现对“前进、后退、左转、右转”等遥控指令的实时执行，自动寻迹模式沿确定赛道完成前进运行；

（3）选择合适的光电传感器，实现小车运行中的自动避障；

（4）功能完备、可靠；

（5）系统的软硬件实现。

四、进度和要求

（1）第1-3周收集资料，根据需要学习相关的硬软件；

（2）第4周进行系统概要设计，提出设计的总体思想；

（3）第5周，初步确定设计方案；

（4）第6-12周，完成系统硬、软件的设计，针对设计中存在的缺点和不

足，不断完善设计方案；

（5）第13-14周，撰写并修改论文；

（6）第15周，完成论文，准备答辩资料。

五、主要参考书及参考资料

单片机应用相关资料；小车运动控制相关资料；

学生指导教师

摘 要

随着科技的发展，由微处理器和电子元件开发的智能玩具越来越受到消费者的青睐，相比较传统玩具，智能玩具能更好的发展儿童的智力，想象力，甚至能通过人机交流的方式为孩子的生活增添欢乐，作为智能玩具的一个品种，智能小车可以实现自动寻迹，遥控操作等功能，本设计是由高性价比的C51控制器加上寻迹传感器模块和无线遥控接收模块搭配而成，这是一种非常好的硬件设计方案，其优势在于所用的器件成本较低，可靠性较高，若进行市场推广，将会产生巨大的经济和社会效益。

本文对智能小车概况做了阐述，并简要说明了寻迹和遥控的基本原理。在硬件设计方面，本论文以ATMAL 公司的 AT89S52单片机为控制核心，依靠光电对管传感器采集黑线情况，设计小车的寻迹算法，另外使用了无线接收器接收遥控信号来控制小车的前进、后退、转向等动作。软件方面，利用C 语言编写小车的寻迹、遥控方案，设计出具有自动寻迹和无线控制功能的小车，小车能够在铺设的赛道上自动完成循黑线环绕一周，用户通过无线遥控使小车在自动寻迹和无线控制两种模式之间自由切换，本论文首先对系统的理论支持做了概述，然后对各模块的硬件接口电路进行了阐述，最后阐述了自动寻迹和无线控制的软件设计实现。

关键字：红外寻迹，无线遥控，微控制器

ABSTRACT

With the development of science and technology, developed by microprocessor and electronic components of smart toys more and more get the favour of consumer, instead of traditional toys, and can even children man-machine communication, high ratio of C51 controller combined with tracking sensor module and the wireless remote control receiving module is a very good solution, its advantage lies in the low device cost, high reliability, so it is suitable for market promotion, and will produce great economic benefit and social benefit.

In this paper, the general situation in this paper, the intelligent car and briefly illustrates the tracking and the basic principle of remote control. In terms of hardware design, this thesis ATMAL company AT89S52 single chip microcomputer as control core, rely on the photoelectric sensor to collect the black thread, the pipe design car tracking algorithm, using the wireless receiver remote control signal to control the car forward, backward, steering movements. Software, using C language programming, design the car tracking algorithm. Designed with automatic tracking and wireless control function of the car: car can automatically follow the black line on the laying of track around a week, and at any time during the process of marching switch remote control function.

This paper first makes a brief introduction to the system theory support to do, and then the hardware interface circuit of every module are expounded, finally expounds the software design of automatic tracking and wireless control implementation.

KEY WORDS ：infrared tracking, wireless remote control, MCU.

目 录

第一章 绪论 ................................................................................................................. 5

1.1 课题研究背景................................................................................................ 5

1.2 寻迹控制介绍................................................................................................ 5

第二章 硬件模块的论证与分析 ................................................................................. 6

2.1 轨迹探测模块设计与比较............................................................................ 6

2.2 微控制器模块论证与分析............................................................................ 6

2.3 电机驱动模块论证与分析............................................................................ 7

2.4 电机选型的论证与分析................................................................................ 7

2.5 车体部分论证与分析.................................................................................... 8

第三章 AT89S52单片机简介 ..................................................................................... 9

3.1 AT89S52单片机详细介绍............................................................................. 9

3.1.1 微处理器.............................................................................................. 9

3.1.2 数据存储器.......................................................................................... 9

3.1.3 程序存储器.......................................................................................... 9

3.1.4 中断系统.............................................................................................. 9

3.1.5 定时器/计数器 .................................................................................... 9

3.1.6 串行口.................................................................................................. 9

3.1.7 I/O 端口 .......................................................................................... 10

3.1.8 特殊功能寄存器................................................................................ 10

3.2 最小应用系统设计...................................................................................... 10

3.2.1 时钟电路............................................................................................ 11

3.2.2 复位电路............................................................................................ 11

第四章 硬件模块详述 ............................................................................................... 12

4.1 设计方案介绍.............................................................................................. 12

4.2 寻迹模块的设计与实现.............................................................................. 12

4.2.1 反射式红外传感器电路详述............................................................ 12

4.2.2 红外传感器寻迹方法论述................................................................ 14

4.2.3 轨迹探测算法设计详述.................................................................... 15

4.3 电机驱动模块的电路设计与实现.............................................................. 18

4.4 电机驱动芯片介绍...................................................................................... 19

第五章 软件流程图的设计 ....................................................................................... 22

5.1 软件设计思路.............................................................................................. 22

5.2 软件设计流程图.......................................................................................... 22

第六章 系统整体连线图 ........................................................................................... 23

6.1 整体连线图.................................................................................................. 23

6.2 整体连线图说明.......................................................................................... 23

参考文献... .................................................................................................................. 24

致谢..............................................................................................................................26

毕业设计小结 ............................................................................................................. 27

附录A: 小车实物图 .................................................................................................. 28

附录B ：程序 . ............................................................................................................. 29

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

近年来，工业机器人，人工智能，无人驾驶汽车等得到了突飞猛进的发展，科技的发展使得工业生产效率成倍翻番，同时，伴随科技的进步，人们的生活方式也向着更先进，智能，人性的方向改善，智能玩具作为高科技的产物自然随之应用而生。

市场上可以见到的智能玩具品种各式各样，如智能遥控直升飞机、智能玩具小车等，这些玩具投放市场，一方面对传统的玩具产业结构造成了不少的冲击，另一方面也受到了人们的欢迎。本次课题选择了智能小车的设计并且能同时实现智能小车自动寻迹和遥控控制的功能，把自动寻迹和无线遥控两种模式融合在一款智能车上，这将是高性价比的设计方式，预期将会产生很好的市场反响。

1.2 寻迹控制介绍

寻迹是指小车在白色地板上循黑线行走，由于黑线和白色地板对光线的反射系数不同，因此可以依据传感器接收到反射光的强弱来判断“道路”。通常采用的方法是红外探测法。

红外探测法，就是利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同反射性质的特点，在小车行驶过程中反射管不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板发生漫反射，这部分反射光被装载在小车的接收管接收：如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就能否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。

第二章 硬件模块的论证与分析

2.1 轨迹探测模块设计与比较

方案一：用光敏电阻组成光敏探测器

光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化，当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，而光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。

方案二：红外探测法

即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中红外发射管不断地发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。

单片机就是通过接收到的高低电平为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。对于发射和接收红外线的红外探头，可以自己制作或直接采用集成式红外探头。经测试，第二种方法简单可靠。

本设计决定采用方案二。

2.2 微控制器模块论证与分析

方案一：MSP430系列单片机

MSP430单片机是低功耗微控制器，适合应用在譬如“便携式心率计”，“电子血压计”等对耗能和产品的体积非常敏感的应用环境，其最大的优点是低功耗，但其缺点是端口的驱动能力较弱，并且其内部集成的晶振频率较低，而且硬件成本和程序开发门槛较高，不适合在此场景中应用。

方案二：采用AT89S52系列单片机

AT89S52单片机是51单片机家族中的一款热销型号，与MCS-51单片机完全兼容，拥有8K 字节的系统可编程FLASH 存储器，256字节片内RAM ，32位I/O口线，三个16位的定时器和计数器，8个中断源，具有成本低廉，程序开发门槛较低，适合市场普及推广的优点。

综上所述，这里采用方案二。

2.3 电机驱动模块论证与分析

方案一：采用传统的功率三极管组成电机驱动电路来控制直流电机

线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻R 的电流大，发热厉害，损耗太大。

方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制

通过开关的切换对小车的速度进行调整. 此方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢，易损坏，寿命较短，可靠性不高。

方案三：采用专用芯片L298N 作为电机驱动芯片

L298N 是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它响应频率高，一片L298N 可以分别控制两个直流电机，额外还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。由L298N 结合单片机可实现对小车速度的精确控制。这种调速方式的优点有：调速特性优良，调整平滑，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的负载冲击，可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等。

这里决定采用L298N 控制直流电机。

2.4 电机选型的论证与分析

方案一：采用直流电机

直流电机的优点是速度快，价格便宜，能通过调节电压来改变速度，它的驱动电路简单，调速范围广，调速特性平滑。其缺点是转距小，带有大负载时很容易堵转；而且由于其速度较快，不易控制，精确度低，所以不宜在本课题采用。

方案二：采用步进电机

步进电机是一种能将电脉冲转化为角位移的机构，通过控制脉冲个数来控制角位移量，通过调节脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，其优点是精确度