智能小车课程设计报告

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第一篇：智能小车课程设计报告

智能小车设计报告

魏旭峰、孔凡明、陈梦洋

(河北科技大学 电气信息学院 ) 摘

要:

AT89S52单片机是一款八位单片机，他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。该设计是结合科研项目而确定的设计类课题。本系统以设计题目的要求为目的，采用89S52单片机为控制核心，利用红外线传感器检测道路上的黑线，控制电动小汽车的自动寻路，快慢速行驶。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。

采用的技术主要有：

通过编程来控制小车的速度及方向; 传感器的有效应用; 1602液晶显示的应用;

关键词: 89S52单片机、光电检测器、PWM调速、电动小车

第一章 方案设计与论证

一 供电系统

二 光电检测系统

三 单片机最小应用系统设计

四 液晶显示1602的应用

五 电机驱动

第二章 软件设计

第二章 方案设计与论证

根据要求,小车应在规定的赛道上行驶,赛道中央黑线宽为25MM,确定如下方案: 在现有玩具电动车的基础上，加装光电检测器，实现对电动车的位置的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的转向和速度的智能控制. 这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。

一 供电系统

本模块使用LM2940芯片输出+5V的电压,为89S52单片机光电检测电路供电,采用LM1117可控变压芯片输出+6V电压为舵机供电.而电机则由单片机来控制,当单片机输出的电压不同时,电机的转速不同,以此来达到控制小车速度的目的.电路如图:

二 光电检测系统

本模块采用七对红外线发射和接收对管,来检测小车前方黑线位置和模拟车站停车位置.发射管发射管出红外线,当对管正下方为白色跑道时,发射管发射出去的红外线会被反射回来, 接收因接收到红外线而导通,两端电压为零,当对管正下方为黑色线时,黑线将吸收红外线,接收管因接收不到红外线而无法导通,两端电压为+4V左右,将接收管端电压与一个给定电压经LM324比较后输出0和+5V两固定个值,当对管正下方为白色时输出+5V电压,当对管正下方为黑线时输出0V,输出的电压交给单片机,以此来确定黑线的位置.电路如图:

三 单片机最小应用系统设计

89S52单片机是本系统的核心所在,自动寻迹和调速都是它控制, 七对光电对管经比较器输出的电压输入单片机,单片机根据电压的高低来判断黑线位置，进而调整速度和方向，电路如下：

四 舵机的应用

舵机是一种位置(角度)伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型;遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。

其工作原理是：单片机放的控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。

舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms~2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。

五 电机驱动

电机驱动电路是根据单片机的控制型号来控制电机的转动的，电路如下：

第二章 软件设计 #include sbit moto=P2^0;//舵机位定义 sbit in1=P2^1;////电机位定义 sbit in2=P2^2;////电机位定义 sbit L1=P1^7;////光电管位定义 sbit L2=P1^1; sbit L3=P1^2; sbit L4=P1^3; sbit L5=P1^4; sbit L6=P1^5; sbit L7=P1^6;

#define uchar unsigned char//宏定义 uchar duoj,dianj,time0=0,time1=0,L=0,e=30; void timer0() interrupt 1 //定时器零 控制舵机 { time0++;

if(time0==duoj) moto=0; if(time0==80) { time0=0;

moto=1; } TH0=(65536-313)/256; TL0=(65536-313)%256; } void timer1() interrupt 3 ///定时器一 控制电机 { time1++; if(time1==dianj) in1=1; if(time1==80) {

time1=0;

in1=0; } TH1=(65536-340)/256; TL1=(65536-340)%256; }

void main() /////主函数开始 { TMOD=0x11; TH0=(65536-313)/256; TL0=(65536-313)%256; TH1=(65536-340)/256; TL1=(65536-340)%256; EA=1; ET0=1;

ET1=1; in1=0; moto=1; TR0=1; TR1=1; while(1) //////检测黑线位置

{

while(1)

{

if(P1==0xff) {duoj=8;dianj=55;break;} 全白时缓进

if(L1==0) {duoj=10;dianj=37;L=1;break;} //L1

if(L7==0) {duoj=6;dianj=37;L=7;break;} //L7

if(L2==0) {duoj=10;dianj=22;L=2;break;} //L2

if(L6==0) {duoj=6;dianj=22;L=6;break;} //L6

//

if(L3==0) {duoj=9;dianj=27;L=3;break;} //L3

if(L5==0) {duoj=7;dianj=27;L=5;break;}

//L5

if(L4==0) {duoj=8;dianj=70;L=4;break;}

//l4

//else {duoj=8;dianj=17;break;}

}

while(P1==0xff) 当检测不到信号时保持最后的状态

{

switch(L)

{

case 1:duoj=10;dianj=39;break;

case 2:duoj=10;dianj=22;break;

// case 3:duoj=9;dianj=25;break;

// case 4:duoj=8;dianj=70;break;

// case 5:duoj=7;dianj=25;break;

case 6:duoj=6;dianj=22;break;

case 7:duoj=6;dianj=39;break;

}

} } }////////主函数结束

第二篇：智能小车设计

新型便携式

井下巡迹探测小车

作者：黄浩 彭江

摘要

80C51 单片机是一款八位单片机，他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。这里介绍的是如何使用8051系列单片机来实现武汉理工大学科技文化节的设计，该设计是以煤井气体探测而确定的设计类课题。该设计采用80C51单片机为控制核心，利用红外传感器检测 路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。

采用的技术主要包括：

(1) 通过控制主芯片来控制各模块功能的实现

(2) 红外传感技术(巡迹模块、测速模块、路程检测模块等) (3) 气体检测技术 (4) 新型显示芯片的采用

目 录

第一章 前 言 ........................................................... 1 第二章 方案设计与论证 ..............................................6 一 系统基本方案 .................................................6 二 各模块方案的选择和论证 ...............................6 三 各模块的最终方案----11 四 系统原理图-------------12 第三章 系统的硬、软件设计与实现....................------13 一 寻迹模块-----------------14 二 金属探测模块-----------15 三 障碍物检测--------------17 四 光源检测-----------------18 五 电机驱动------------------18 六 动态显示-----------------19 七 甲烷气体检测------------20 八 系统主程序流程图------20 第四章 测试数据、测试结果分析及结论 ...................21 参 考 文 献 .........................................................---.23

第一章

前言

随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题 目的研究。可见其研究意义很大。本设计就是在这样的背景下提出的。本题目是结合社会实际情况而确定的设计类课题。设计的智能电动小车能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、寻光、避障功能、金属检测功能、准确定位停车和检测有害气体。

根据要求，确定如下方案：在现有的小车模型的基础上，加装光电、红外 线、红外传感器、金属探测器及甲烷气体检测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量和甲烷气体检测。 并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电 动车的智能控制。

这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，

可满足对系统的各项要求。本设计采用STC系列中的80C51和80c52单片机。以其为

控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障， ，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹，金属检测和寻光功能。

80C51 是一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。它是第

三代单片机的代表。

第三代单片机包括了 Intel 公司发展 MCS-51 系 的新一代产品，如 8xC152﹑

80C51FA/FB﹑80C51GA/GB﹑8xC451﹑8xC452,还包括了 Philips﹑Siemens﹑ADM﹑

Fujutsu﹑OKI﹑Harria-Metra﹑ATMEL 等公司以 80C51 为核心推出的大量各具特色﹑

与 80C51 兼容的单片机。新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩

展，以实现 Microcomputer 完善的控制功能为己任，将一些外部接口功能单元如 A/D ﹑PWM﹑PCA(可编程计数器阵 )﹑WDT(监视定时器)﹑高速 I/O 口﹑计数器的捕获/

比较逻辑等。这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的

串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。Philips 公司还为这一代

单片机 80C51 系 8xC592 单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线

----CAN(Controller Area Network BUS).

新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了

良好的基础。

本设计就采用了比较先进的80C51为控制核心，80C51采用CHOMS工艺，功耗很

低。该设计具有 际意义，可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。尤其是

在足球机器人研究方面具有很好的发展前景;在考古方面也应用到了超声波传感器进 行检测。所以本设计与实际相结合，意义很强。

第二章

2.1 系统基本方案

方案论证与设计

2.2 各模块方案的选择和论证

2.2.1 控制器模块

作用：各传感器信号的接收和辨认，控制小车的电机动作、显示车速、运行时间以及小车停车时发出的声光信号等。

方案1：采用FPGA或CPLD作为系统的控制器。

优点：可以实现复杂逻辑功能，规模大，速度快，密度高，体积小，稳定性高，容易实现仿真、调试和功能扩展。

缺点：成本高，引脚多，PCB布线复杂。

方案2：采用CPU(51MCU)方案。

优点：算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，技术成熟，体积小，成本低，容易实现仿真、调试和功能扩展。

缺点：速度相对较低。

本设计拟采用此方案。

方案3：采用嵌入式处理器(ARM)方案。

优点：运算功能强大，速度较快，编程灵活，自由度大，外围器件少，成本适中，容易实现仿真、调试和功能扩展。

缺点：PCB设计及焊接技术要求高。

本设计可采也用此方案，取决于对相关技术的熟悉程度。

2.2.2 金属探测模块

作用：跑道中金属块的探测。

金属探测原理：采用电涡流式传感器，利用电涡流对L、Q、Z的影响探测金属。

测量电路：Q值测量电路，Z测量电路，L测量电路 本设计选择电感测量电路。

2.2.3 障碍物探测模块 作用：判断前进方向是否有障碍物，并确定小车与障碍物的距离。 方案1：激光测距技术

优点：方向性强、亮度高、单色性好、传输速度快、抗干扰性强、测量精度高，反映速度快等。

缺点：小车与障碍物的距离短最大不超过2m，而激光以光速传播导致检测技术上的困难。

方案2：超声波测距技术

优点：方向性较强、传输速度V=345m/s，在s≤2m时，T ≤11.6ms，远大于MCU的机器周期，便于逻辑判断。

因此采用方案2。其原理框图如下：

2.2.4 行程测量模块

作用：测量小车从启动到任意时刻所走的路程。 测量原理：S=n×C (S为行程，C为车轮周长，n为圈数) n可以用透射式或反射式光电传感器获得计数脉冲。 2.2.5 路面轨迹探测模块

作用：实现小车跟踪黑色轨道行使。

方案1：采用热探测器

优点：电路简单。 缺点：易受外界干扰。

方案2：采用红外光电探测器

优点：抗干扰能力较强。

缺点：结构较复杂，需2～3对传感器。

传感器小车状态

脱离导引线 正常行驶 轻微偏左 严重偏左 轻微偏右 严重偏右

3 0 0 0 0 1 1

2 0 1 1 0 1 0

1 0 0 1 1 0 0

二状极态 管A 二极管B 二极管C

光源与车之间

的位置

非常远 在车的右方

小车动作

1 0 0 0 2 0 0 1

- 右转(大) 3 0 1 0 4 0 1 1 5 1 0 0 6 1 1 0 7 1 1 1

在车的正前方 在车的右方 在车的左方 在车的左方 非常近

直线行驶 右转(小) 左转(大) 左转(小)

减速直线行驶

2.2.6电机驱动模块

作用：控制电机正转、反转和停止控制。 方案1：继电器法 优点：电路简单可靠 缺点：不容易实现精细控制 方案2：晶体管组成的PWM法 优点：电路较复杂 缺点：容易实现精细控制 2.2.7 显示模块

作用：显示时间和路程。 方案1：使用LCD显示屏 优点：功耗小，显示形式多样 缺点：编程难度较高，亮度较低 方案2：使用LED数码管 优点：编程难度低

缺点：功耗较大，电路连接相对较复杂 2.2.98计时模块

作用：计算小车从启动到停止的过程进行计时。 方案1：直接利用MCU的定时器实现精度为0.1s的计时。 2.2.10 状态标志模块

作用：产生声光信号。

方案：用LED产生光信号，用蜂鸣器产生声信号。

2.3 各模块的最终方案

(1)控制模块：AT89C51和AT89C2051或PIC系列MCU; (2)金属探测模块：采用电涡流式传感器; (3)障碍物探测模块：采用红外传感器;

(4)行程检测模块：采用光电传感器(透射式); (5)光源探测模块：采用光敏二极管;

(6)路面检测模块：采用光电传感器(反射式); (7)电机驱动模块：采用PWM技术控制电机转速; (8)显示模块：采用LED数码管;

(9)计时模块：采用AT89C51内部定时器/计数器; (10)状态标志模块：采用蜂鸣器和发光二极管。

2.4 系统原理图

第三章

本题是一个光、机、电一体的综合设计，在设计中运用了检测技术、自动控制技术和电子技术，系统可分为传感器检测部分和智能控制部分。

传感器检测部分：系统利用光电、电涡流、红外等传感器完成对路面、障碍物、路程、光源、金属物和甲烷的探测或检测。

智能控制电路部分：根据传感器变换输出的电信号进行逻辑判断，控制小车的电机、显示数码管、蜂鸣器以及发光二极管，完成小车的自动寻迹、探测金属、逃避障碍物、寻找光源、显示路程等各项任务。控制部分包括MCU电路、电机驱动电路和数码管动态驱动电路。

系统的硬、软件设计与实现 检测部分的单元电路设计 3.1寻迹模块电路设计

3.2金属探测电路的设计

金属探测流程图

金属块检测流程图

3.3 障碍物检测电路设计

绕障碍物程序流程图

3.4 光源检测电路设计

3.5 电机驱动电路设计

3.6 动态显示电路

3.7甲烷气体检测电路设计

3.8系统主程序流程图

第四章 测试数据、测试结果分析及结论

测试方法与仪器：

1、测试仪器

测试仪器包括秒表、数字万用表、信号发生器、示波器、51单片机开发板、直流稳 压电源等。

2、测试方法

数字万用表主要用来测试分立元件的电阻、压降、漏电流、截止/导通状态等参 数;

信号发生器与示波器用于测试各光电传感器信号的接收与传输; 51单片机开发板用于测试软件;

直流稳压电源在测试期间为各待测系统供电;

秒表用于产品测试，按照任务书的基本要求对制成的电动车进行产品测试。

测试数据及测试结果分析：

⑴ 计时精度分析 计时系统采用了新型显示芯片。理论上的误差不到 5秒/年。

⑵ 测距精度分析 测速系统采用了电机轴光电码盘检测技术。电机轴与车轮轴之间

采用了齿轮箱二级减速，变比 1/16。车轮周长 200mm,光电码盘与电机轴安装在一起，

电机轴每一转产生 2 个脉冲，车轮每转产生 32 个脉冲，理论测量精度可达

200mm/32=6.25mm ⑶ 定位精度分析 本设计采用实际测量与软件补偿技术，理论上可使定位精度提高到 误差<10mm。

(4)红外传感器里障碍物最近距离约为20mm，符合要求

参考文献

基于SPI的CAN总线控制器与MCS-51单片机的接口设计[J];《电子设计应用》;2010年01期

基于8051单片机的多功能汽车开车控制器[J];《自动化与仪器仪表》;2010年01期

存贮式井下数据采集系统的设计[A];中国地球物理学会年刊——《中国地球物理学会第十五届年会论文集》[C];1999年

用CMOS芯片取代CCD器件[N];《中国电子报》;2000年

; 基于ARM的嵌入式电火花加工图形界面系统研究[D];《东华大学》;2010年;; 基于单片机的智能型金属探测器的设计[J];内蒙古大学学报(自然科学版);2006年02期

基于AT89C51单片机的脉象信号采集系统研究[D];东北师范大学;2007年

AT89S52单片机和nRF903芯片在RFID系统中的应用[A];2006北京地区高校研究生学术交流会——通信与信息技术会议论文集(上)[C];2006年

第三篇：智能小车设计

文章来源：EDN电子设计技术网站

作者：谭永宏 张辉

【提要】本文对目标识别与跟踪技术进行了分析，在此基础上结合智能小车目标跟踪系统的开发，详细讨论了特定目标跟踪系统的具体实现方法，红外传感器在目标识别中的应用以及小车智能控制的软、硬件设计。该系统通过配置在智能小车上的红外传感器，采用红外传感技术对特定目标进行识别，在目标运动过程中，通过单片机接收计算机发出的命令控制智能小车跟踪目标，在没有人为干预的情况下，能够自主运行，稳定地跟踪目标，该设计为机器智能系统提供了一个研究平台。

本设计采用飞思卡尔的MC9S12DB128B作为智能小车核心控制器[1]，路面黑线检测采用反射式红外传感器，车速检测是通过改造结构，并使用反射式光电传感器实现的。电源供电是由电池提供的，我们在设计时将后轮电机驱动电路和前轮转向舵机驱动分开供电，采用了强电流、弱电流分开，数字、模拟独立供电。同时合理利用了单片机的PWM控制口对电动机进行转速控制，在此可靠硬件设计的同时，使用了一套独特的软件算法实现了小车根据检测黑线的结果使系统达到在高速运动中的精确控制，取得了很好的效果。

图1 智能小车实物与结构框图

根据设计要求我们对小车的硬件部分分别介绍：

1、 路面黑线检测模块[2]

关于检测模块大致可实现的方案有以下几种：

方案1：采用发光二极管+光敏电阻，该方案缺点：易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到黑线，主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。克服此缺点的方法：采用超高亮度的发光二极管能降低一定的干扰，但这又会增加检测系统的功耗。

方案2：脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于采用带有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界的干扰;此外红外发射接收管的工作电流取决于平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大(50～100mA)(ST-188允许的最大输入电流为50mA)，则大大提高了信噪比。此种测试方案反应速度大约在 5us。

方案3：采用多路阵列式光敏电阻组成的光电探测器。

方案4：采用CCD传感器，此种方法虽然能对路面信息进行准确完备的反应，但它存在信息处理满，实时性差等缺点，而且此次比赛不允许用其它处理器，因此若采用CCD传感器，无疑会加重单片机的处理负担，不利于实现更好的控制策略(控制策略才是此次比赛的核心)。

根据以上分析我们采用方案2，同时能实现的反射式红外发射接收器众多，我们选择了市场比较多见的ST-168，ST-178，ST-188，ST-198，利用下面的电路对这四款对管进行测量比较，最终选择ST-178作为我们检测黑线的传感器。

图2 检测黑线电路

图3 电机驱动电路

2、 整车动力系统

小车的动力系统由车上自带的RS- 380SH电机提供，并规定不能改动，因此我们可以设计的就是电机的驱动电路。考虑到小车空载跑直线时的速度较快，若在小车进入弯道时不采取减速措施，小车极易跑飞，我们经过实验发现通过改变PWM的占空比能使电机减速，但此种方法没有我们设计小车刹车装置好。此刹车装置是由一个受单片机控制的单刀双掷继电器与电机串联构成的，当小车处于正常工作时，电池两端的电压全部正方向加载与电机两端，当小车需要减速过弯时，继电器动作，将电池两端电压反向加载于电机两端，产生瞬时反转。

3、 传感器的安装方式及机械改造

在小车寻迹行走中，为了能精确判断出地面黑线位置并确定小车行走方向，因此需要对传感器的排布及安装位置进行设计，以达到提高寻迹可靠性的目的。我们对以下几种传感器排布进行了研究：

图4 传感器排布方式

分析上图的4种传感器排布，依据设计者的算法不同，可以采用其中的任意一种，它们之间没有绝对的优略，设计者还可以根据自己的要求单独设计，根据我们下面将采用的算法，采取布局4。

由于比赛的限定，机械设计上空间有限。我们依据说明书将小车安装好后，对以下两个部分改动，一是舵机的连杆处，在未作修改前，测试发现舵机的响应时间为5ms，其动作时间偏大。此处调整目的是为了让舵机的响应时间更短，并且直接操作舵机动作一个小角度后，前轮能有更大的转向角。为了提高舵机的动作时间，还可以将传感器板向前探伸，此种为被动调整，这样做只能让小车较早知道前方道路时间以抵消舵机的动作时间。二是在后轮处贴上特意制作的带有白黑相间的标签，将反射式红外传感器对准此标签，通过检测黑线来达到测速的目的。此种方法比安装测速电机简单， 而且测速电机的齿轮是与后轮的动力齿轮咬合，会给小车带来一定的阻力，这是与设计相背离的。

4、 电源管理模块

智能车系统根据各部件正常工作的需要，对配发的标准车模用7.2V 2000mAh Ni-cd蓄电池进行电压调节。其中，单片机系统、路面黑线检测的光电传感器、车速传感器电路需要5V电压，舵机机工作电压范围采用6V，后轮驱动电机可以使用7.2V 2000mAh Ni-cd蓄电池直接供电。考虑到由驱动电机引起的电压瞬间下降的现象，因此采用低压差稳压芯片MAX603。

5、 软件控制方式

单片机系统根据接收路径识别电路的信号、车速传感器的信号，采用特定寻线算法[3]进行判断，进而控制舵机转向和后轮驱动电机的工作。下面是寻线的算法说明：

表1 传感器编码表

流程图中变量名的含义:

sensorA：存放a排传感器的取反后的值

sensorB：存放b排传感器的取反后的值

angel_1：判定|sensorA|的值

angel_2：判定| sensorA_sensorB|的值

angel_3：计算θ2中的参数之一

angel_4：计算θ中的参数之一

theta_1：theta_1 = θ

theta_2：theta_2 =θ2

delltaT：deltaT = =

deltaT_1：deltaT_1=

outangle： outangle=θ

maxangle：maxangle=45

长延时=50ms，短延时=34ms 传感器对应的编码表见表1。

图5 软件流程图

6、 结论

从本次设计大赛的汽车智能控制中体会到，要对高速行驶中的汽车实施控制并不是一个简单的自动控制问题，它涉及到了机械学、力学、光学、电子学等方面的知识，并与单片机相互配合，利用单片机的强大功能实现了路面黑线检测、带速度反馈的闭环速度控制系统、智能转向系统等功能。从最终测试结果来看，本系统具有较强的环境适应能力，很好的完成了题目的要求。

参考文献：

1、邵贝贝，单片机嵌入式应用的在线开发方法[M]，北京：清华大学出版社，2004

2、何希才，薛永毅，传感器及其应用实例[M]，北京：机械工业出版社，2004

3、宋志平，朱福海，沈基仁等.试验车运动控制系统[J]，微计算机信息，2005,21-2,36-37

经济效益：320万左右

第四篇：智能小车设计的文献综述

智能小车的设计

智能小车的设计

摘要：随着工业机械化和自动化的发展以及工业智能化的优点，智能小车在工业智能化上得到广泛的应用。本文就智能小车的设计构造以及机械智能化未来的应用与发展前景。

关键词：智能小车/设计构造/应用与发展

1 智能小车的设计构造

智能小车是集理论力学、机械结构、数字电路、模拟电路、传感器、单片机、控制理论和算法等多门学科为一体的综合系统。其内容涵盖机械、电子、自动控制原理、计算机、传感技术等多个学科和领域。该小车的车体由基于VB和串口无线通信的直流电机控制模块、L298N电机驱动模块、C8051F单片机控制模块以及车载机械手组成。可用于无人驾驶、自动抓取物体等人工智能领域。

1.1 基于VB和串口无线通信的直流电机控制模块

利用VB6.0语言编程实现对机器人上直流伺服电机的控制，从而实现机器人的加速和恒速运行。分别将两块接口为标准的RS-232接口、型号为ZT-TR43C的无线数传模块，接到发、收的两台PC机上，并利用VB通信控件MSCommon实现串口无线通信，从而实现机器人的远程无线控制。

近年来，在机器人与外部的通信方式选择上，由于机器人具有广阔运动空间，因而无线通信成为其所必须具备的通信方式之一。本文以一种轮简单的四轮智能小车作为研究对象，通过VB编程和无线模块通信实现远程控制;通过对智能小车后轮的两个驱动电机速度控制，使智能小车完成直线运行、转弯运行等动作。

目前，直流伺服电机有着很广泛的应用前景，如在印刷机械、造纸机械、纺织机械、工业机器人、高速电梯、数控机床等重要行业中，均得到了普遍的应用。本文提到的智能小车本身对位置伺服要求比较高，对速度也有一定的控制要求，而对小车的控制可以说最根本的就是对电机进行控制。

VB是一种易学习、功能强、效率高的可视化编程语言，用它来做可视化人机界面有着很好的应用前景。利用面向对象的可视化VB语言对其进行编程控制， 1

智能小车的设计

避免VC、C语言编程的繁琐与难阅读性。另外，利用Visual Basic 6.0 版本的可实现串行通信的MSCommon控件，实现了串口通信;通过无线传输模块实现了两台PC机之间的通信，为对小车进行远程控制搭建了很好的实验平台。同时，利用VB的Timer 控件对程序进行触发，使控制电机能够缓慢加减速;通过改变加速度的大小，使电机运转平稳，避免了PWM控制的不稳定。

通过PC机的RS-232串行接口与外部设备进行通信，是许多控制系统中常用的一种通信解决方案。在本小车控制中，通信采用的都是RS-232通信方式。VB提供的串行通信控件为MSCommon控件，此控件用于支持VB对串行口的访问。在串口通信过程中当发送数据、接收数据或者发生通信错误时，均触发该控件的OnComm事件，进行相应的数据处理。MSCommon 控件相应的属性为:CommPort属性，设置并返回通信端口号;Settings属性，以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位;PortOpen属性，设置并返回通信端口的状态，也可以打开和关闭端口;InputLen属性，说明Input属性从接收缓冲区中读取的字符数;MSCommon控件的PortOpen属性决定了通信开始和结束。

1.2 L298N电机驱动模块

1.2.1 L298N与电机驱动模块

电机驱动模块主要采用L298N，L298N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，停止的操作，非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，与L293D的差别是其输出电流增大，功率增强。其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，减速电机，伺服电机，等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可直接控制步进电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。

1.2.2 L298N型驱动器的原理及应用

L298N是SGS公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片，内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V;输出电流大，瞬间峰值电流 2

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可达3A，持续工作电流为2A;额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载;采用标准逻辑电平信号控制;具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作;可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。

1.3 C8051单片机控制模块

Cygnal公司的C8051单片机使用Cygnal的专利CIP-51微控制器内核。以下介绍C8051单片机的一些重要技术以及在本系统中的应用。

①C8051单片机使用Cygnal的专利CIP-51微控制嚣内核，采用流水线指令结构;70%指令的执行时间为1个或2个系统时钟周期;速度可达25 MIPS(时钟频率为25 MHz时)。这样就可以应用复杂的控制算法提高控制精度。

②C8051单片机内部有4个通用16位计数器/定时器和专用的看门狗定时器(WDT)，这样就不再需要附加外部计数器件和外部看门狗电路。本系统中定时器0和定时器2用作小车左右轮反馈脉冲计数，定时器1配置成自动重装载的8位计数器/定时器。用于波特率发生器。

③C8051单片机引入r数字交叉开关，允许将内部数字系统资源分配给端口I/O引脚。通过设置优先权交叉开关控制寄存器，将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其他数字信号配置为出现在端口I/O引脚。

④C805l单片机内部有一个可编程计数器阵列(PCA)，由一个专用的16位计数器/定时器和5个16位捕捉/比较模块组成。通过设置特殊功能寄存器PCA0CPM将捕捉/比较模块0和1(CEX0和CEXl)设置成8位脉冲宽度调制器(PWM)驱动左右轮电机转动。

⑤C805l单片机内部有12位逐次逼近型ADC，可以在不增加外围电路的前提下方便地检测模拟信号。本系统从电机电枢回路中引出电流信号送入单片机，实现电流环控制。

⑥C805l单片机具有片内JTAG和调试电路，通过4脚JTAG接口并使用安装在最终应用系统中的器件就可以进行全速、非侵入式的在系统调试.而且支持断点、

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单步、观察点、堆栈监视器，支持观察修改存储器和寄存器。

由以上介绍可以看出，在小车子系统中选用C8051单片机是非常合适的，由于可以硬件生成PWM，占用CPU资源很少;高性能的指令系统以及和VB语言之间进行交叉汇编，为设计各种控制算法提供了广阔的空间。

1.4 车载机械手

1.4.1 机械手的简单介绍

机械手是典型的机电一体化装置，它综合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果，随着经济的发展和各行各业对自动化程度要求的提高，机器人技术得到了迅速发展，出现了各种各样的机械手产品。手爪的应用环境干差万别，抓取可靠、环境适应性好、控制简单、自适应性强、自主能力高是衡量机器人手爪设计水平的重要标志。性能优良的机器人手爪可以实现可靠、快速和精确地抓取。近年来机器人技术得到大力的发展，手爪的研究也步入一个良好的发展时期，机器人手爪正由简单发展到复杂，由笨拙发展到灵巧，其中的仿人灵巧手已经发展到可以与人手媲美。机械手对目标物体抓取的稳定性研究是一个值得长期探讨的课题。

1.4.2 车载机械手的总体结构体系

搭载机械手的移动机器人本体为四轮万向轮小车，它具备自主导航能力。在遇到物体时，可远程控制并操作机械手抓取。车载机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统3大部分组成。执行机构是机械臂、机械手爪与基座的总称。驱动机构有液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。目前专用机械手采用电气驱动方式的较多，而本设计运用的是舵机控制方式的二指机械手。

1.4.3 车载机械手的执行机构

1.4.3.1 手部

手部安装与手臂前端是用来抓持工件(或工具)的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。它模仿人类手指，分为无关节型，固定关节型和自由关节型3种。手指的数量又可分为二指、三指、四指等，本次设计采用的为二指形手爪。 1.4.3.2 手臂

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手臂的作用是引导手指精确地抓住目标物体，并运送到所需要的位置上去，故手臂的位置需精确定位。手臂分为有关节臂和无关节臂，以前主流设计几乎都是无关节手臂。而目前设计多为有关节手臂，本次设计的小型侦察车车载机械手即为有关节手臂。手臂由以下几部分组成：①动作元件，带动手臂运动的动力装置，在本车载机械手中为两台直流无刷伺服电机，驱动手臂运动;②导向装置，保证手臂的正确方向及承受由于目标物体重量所产生的弯曲和扭转力矩;③手臂，承接和承受外力作用的部件，手臂上的零部件都装在手臂上。 1.4.3.3 关节与基座

关节部分是非常关键，要求其既能保证电机轴固定到连接手臂，又要满足不同臂长需要，即在一定范围内可灵活更换臂长，手臂套筒长度可自由调节。机械手通过基座安装固定在小型车的仪器舱上，基座是用以承受机械手全部重量的构件，对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作维修方便和造型美观。

2 机械智能化的应用与发展前景

随着现代科学技术的迅速发展，机器智能化技术的应用几乎扩展到整个工业领域，并在工业生产中发挥了巨大作用。但对于未知或特殊的任务，作为机械智能化的代表-机器人还不能独立完成，而且缺少必要的柔性。为了提高整个系统的效能，需要研究如何使人与机器人相互配合，共同完成作业任务。搭载于机器人上的机械手能模仿人手臂的某些动作功能，可以按固定程序抓取、搬运物件或对工具的自动操作，代替人的繁重劳动以实现工作的机械化和自动化，业已成为机器人系统中非常重要的组成部分。特别是近年来机械手已逐渐应用于易燃易爆品的装配、拆卸、搬运，以及消防、反恐、防爆等高度危险环境，代替人类完成力所不及的工作，这类机械手因此也被称为“专用机械手”。世界各国对专用机械手的研究愈加重视，纷纷投入大量的人力、物力加以研究和应用。从目前情况看，我国“专用机械手”还处在研究、跟踪、试验阶段，其主要原因在于这类机械手不仅需要载体平台的稳定移动，而且还要求机械手稳定执行操作。针对污染与核辐射环境的应急处理需要，笔者设计出小型3自由度机械手，搭载于已开发出来的小型移动机器人平台上。在机器人侦察各种污染和辐射环境、人员不便进入的情况下，车载机械手的出现，可以代替人员进行手工操作、抓取、采集样品等，大大改善了工作条件，提高了工作效率，保障了人员安全。

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参考文献

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第五篇：智能小车的结构与设计

智能小车俯视图 结构说明：

本产品是由一个语音模块、一个+5V的辅助电源(LM7805数字压控电路)、一个电机驱动模块、四个电机、一块IAP单片机 ，一对无线发送接收模块。

功能与使用：

这辆语音控制智能小车通过语音识别来判断我们人所说的指令来行走的，给不同的指令就会按不同的指令来行走。可以根据我们说的去执行，更加人性化，同时也能起到人车交流的效果，操作简单，易于使用。

图2：智能小车全景图

平台选型说明

单片机开发板(以STC15F2K61S2芯片为控制核心)

设计说明

设计原理图如下：

3 设计原理图

设计方案：

语音控制智能小车，主控电路是由单片机开发板(以IAP15F2K61S2芯片为控制核心)来控制小车，主要是由语音控制模块通过无线模块发送信号来控制小车的前进、后退、左右转等功能。

语音模块主要是由LD3320 ASR非特定语音识别芯片组成的，通过识别人的语言，从从而实现轻松的语控制。我们采用锂电池通过7085稳压输出5V的直流电，方便携带，轻巧灵活，设计合理。通过对单片机开发板编写系统程序，调试出合适的程序，才能很好地处理信号和控制小车，以及各种电器。

作品特色

先进性：

传统玩具的市场比重正在逐步缩水，高科技含量的电子玩具则蒸蒸日上。高科技含量的电子互动式玩具已经成为玩具行业发展的主流。本文设计一个具有语音识别功能的智能遥控小车。本文还在小车的控制系统中采用语音识别系统，使控制者可以用语音对小车进行控制，产生相应的动作，而且小车和控制者还具有一定的交互功能，体现出了现代科技想智能化发展的潮流。

实用性：

当我们的技术成熟的时候我们可以向机动车改装，这样的话手脚残疾人也能开车了，还有就是该技术可以应用到智能家居中，让我们能够更加轻松地控制家里面的用电设备，使我们的住所更加人性化。

图4：语音芯片原理图