基于单片机智能小车设计.doc
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1、北 华 航 天 工 业 学 院课程设计报告(论文)设计课题:基于51单片机智能循迹小车设计 专业班级: B12242 学生姓名: 李云鑫 指导教师: 王晓 设计时间: 2023年6月15日 北华航天工业学院电子工程系 基于51单片机智能循迹小车 课程设计任务书姓 名:李云鑫专 业:测控技术与仪器班 级:B12242指导教师:王晓职 称:学生课程设计题目:基于51单片机智能循迹小车设计。已知技术参数和设计规定:1.小车具有自动循迹功能。2.当小车运营时相应的发光二极管发光。3.当小车脱离跑道后直接直线行驶。4.在跑道上运营时,始终保持只有一个电机在转动,且小车沿直线行驶。所需仪器设备:1、pro
2、teus.7仿真软件2.VisualC+.6.0C语言编程软件成果验收形式:1、实物验收 2、实验报告验收.3、现场进行答辩参考文献:1 胡辉.单片机原理及应用.中国水利水电出版社. 2023.9月第一版2 谭浩强、C语言程序设计(第二版)。清华大学出版社3 康光华、电子技术基础模拟部分(第四版)、高等教育出版社时间安排2023年6月20日至2023年6月30日期间指导教师: 王晓 教研室主任: 王晓 2023年06 月15 日注:本表下发学生一份,指导教师一份,栏目不够时请另附页。课程设计任务书装订于设计计算说明书(或论文)封面之后,目录页之前。内 容 摘 要本设计重要有单片机模块、地面寻线
3、模块、发光二极管模块,电机驱动模块以及电源模块组成,小车具有自主寻迹的功能。本次设计采用ATMEL公司的AT89C2051单片机作为控制芯片,传感器模块采用红外接受管和比较器实现,能够轻松辨认黑白两色路面,同时具有抗环境干扰能力,电机模由LM393芯片和两个直流电机构成,组成了智能车的动力系统,电源采用5V的直流电池,通过系统组装,从而实现了小车的自动循迹的功能。索引关键词:智能小车 AT89C2051 单片机 LM393 红外接受管目 录一 概 述 1二 方案设计与论证8三 单元电路设计及各模块具体电路3 3.1. 电路中51单片机芯片介绍 133.2 最小系统部分电路 193.3控制模块电
4、路电路 203.4电机驱动及二极管模块电路203.5寻线检测模块部分电路 213.6软件设计 22四 总原理图及元器件清单 4.1总原理图 23 4.2元器件清单 23五 安装与调试 5.1电子元器件的装配 24 5.2.机械装配 255.3总装 25六 性能测试与分析6.1测试方法及注意事项 266.2源程序26七 结论 27八 心得体会 28九 参考文献 29一、概述 目前,在公司生产技术不断提高、对自动化技术规定不断加深的环境下,智能车辆以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运送、柔性生产组织等系统的关键设备。世界上许多国家都在积极进行智能车辆的研究和开发设计。移动机器人是机
5、器人学中的一个重要分支,出现于20世纪60年代。当时斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和charles Rosen等人,在1966年至1972年中研制出了取名shakey的自主式移动机器人,目的是将人工智能技术应用在复杂环境下,完毕机器人系统的自主推理、规划和控制。从此,移动机器人从无到有,数量不断增多,智能车辆作为移动机器人的一个重要分支也得到越来越多的关注。智能小车,是一个集环境感知、规划决策,自动行驶等功能于一体的综合系统,它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航及白动控制等技术,是典型的高新技术综合体。智能车辆也叫无人车辆,是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等
6、功能于一体的综合系统。它具有道路障碍自动辨认、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。智能车辆的重要特点是在复杂的道路情况下,能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预定的道路(轨迹)行进。智能车辆在原有车辆系统的基础上增长了一些智能化技术设备。(1)计算机解决系统,重要完毕对来自摄像机所获取的图像的预解决、增强、分析、辨认等工作(2)摄像机,用来获得道路图像信息(3)传感器设备,车速传感器用来获得当前车速,障碍物传感器用来获得前方、侧方、后方障碍物等信息。智能车辆技术按功能可分为三层,即智能感知预警系统、车辆驾驶系统和全自动操作系统团。上一层技术是下一层技术的基础。三个层次
7、具体如下(1)智能感知系统,运用各种传感器来获得车辆自身、车辆行驶的周边环境及驾驶员自身的状态信息,必要时发出预警信息。重要涉及碰撞预警系统和驾驶员状态监控系统。碰撞预警系统可以给出前方碰撞警告、盲点警告、车道偏离警告、换道、并道警告、十字路口警告、行人检测与警告、后方碰撞警告等.驾驶员状态监控系统涉及驾驶员打吨警告系统、驾驶员位置占有状态监测系统等。 (2)辅助驾驶系统,运用智能感知系统的信息进行决策规划,给驾驶员提出驾驶建议或部分地代替驾驶员进行车辆控制操作。重要涉及巡航控制、车辆跟踪系统、准确泊车系统及精确机动系统。 (3)车辆自动驾驶系统,这是智能车辆技术的最高层次,它由车载计算机所有
8、自动地实现车辆操作功能。目前,重要发展用于拥挤交通时低速自动驾驶系统、近距离车辆排队驾驶系统等。 这种智能小车的重要应用领域涉及以下几个方面: (1)军事侦察与环境探测现代战争对军事侦察提出了更高的规定,世界各国普遍重视对军事侦察的建设,采用各种有效措施防止敌方的忽然袭击,并广泛应用先进科学技术,不断研制多用途的侦察器材和探测设备,在车上装备摄像机、安全激光测距仪、夜视装置和卫星全球定位仪等设备,通过光缆操纵,完毕侦察和监视敌情、情报收集、目的搜索和自主巡逻等任务,进一步扩大侦察的范围,提高侦察的时效性和准确性。(2)探测危险与排除险情在战场上或工程中,经常会碰到各种各样的意外。这时,智能化探
9、测小车就会发挥很好的作用。战场上,可以使用智能车辆扫除路边炸弹、寻找和销毁地雷。民用方面,可以探测化学泄漏物质,可以进行地铁灭火,以及在强烈地震发生后到废墟中寻找被埋人员等。(3)安全检测受损评估 在工程建设领域,可对高速公路自动巡迹,进行道路质量检测和破坏分析检测对水库堤坝、海岸护岸堤、江河大坝进行质量和安全性检测。在制造领域,可用于工业管道中机械损伤,裂纹等缺陷的探寻,对输油和输气管线的泄漏和破损点的查找和定位等。(4)智能家居 在家庭中,可以用智能小车进行家具、远程控制家中的家用电器,控制室温等等。对这种小车的研究,将为未来环境探测术上的有力支持。课题研究的目的和意义:目前,国内外的许多
10、大学及研究机构都在积极投入人力、财力研制开发针对特殊条件下的安全监测系统。其中涉及研究使用远程、无人的方法来进行实现,如机器人、远程监控等。无线传输的发展使得测量变得相对简单并且使得解决数据的速度变得不久甚至可以达成实时解决”。通过构建智能小车系统,培养设计并实现自动控制系统的能力。在实践过程中,熟悉以单片机为核心控制芯片,设计小车的检测、驱动和显示等外围电路,采用智能控制算法实现小车的智能循迹。灵活应用机电等相关学科的理论知识,联系实际电路设计的具体实现方法,达成理论与实践的统一。在此过程中,加深对控制理论的理解和结识。二、方案设计与论证2.1::设计内容概述:作为一个初学者,我只是着重于设
11、计调试智能小车中一项颇具代表性的功能,就是循迹,最终设计出来的成品经调试成功后,可以按照自己设立好的路线(轨迹),,并且可以自动转向。2.2:系统简介:本系统的寻线传感器使用的是红外线接受管,并使用LM393电压比较器将红外线接受管的模拟信号转为单片机能辨认的电平信号。嵌入式控制核心采用的是51系列单片机AT89C2051。采用AT89C2051位嵌入式控制核心重要是成本和性能的兼顾,AT89C2051和AT89X51在不合用外部ROM,RAM时功能和指令时同样的,并且AT89C2051具有更小的体积,适合初学者使用。2.3:系统组成:1、设计重要分为以下几个模块:1)路面检测模块;2)电源模
12、块为约为5V;3)单片机模块;4) 电机及驱动模块; 5)发光二极管模块1):路面检测模块:用红外探测法,即运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,在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光,当红外光碰到白色纸质地板时发生漫反射,反射光被装在小车上的接受管接受;假如碰到黑线则红外光被吸取,小车上的接受管接受不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来拟定黑线的位置和小车的行走路线。2)电源模块:电源采用直流电源,为两节五号电池供电。为电机驱动电路板、传感器模块板和单片机主控制板提供能源,由于AT89C2051能耗低,故6v电压可以满足寻迹规定。3)单片机模块;采用AT89C
13、2051单片机作为主控制器。它是一个低功耗,高性能的8 位单片机,片内含2K字节闪速存储器,128字节RAM,15根I/O口,两个16位定期器,一个五向量两级中断结构,一个全双工串行口,一个精密模拟比较器以及两种可选 的软件节电工作方式。空闲方停止CPU工作但允许RAM、定期器/计数器、串行工作口和中断系统继续工作。掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位。 AT89C2051设计有2个程序保密位,保密位1被编程之后,程序存储器不能再被编程除非做一次擦除,保密位2被编程之后,程序不能被读出。4)电机及驱动模块;1、电机模块: 车体采用四轮结构,前轮驱动;为三
14、级减速机构,有一级蜗轮蜗杆传动,两级直齿轮传动。电机采用直流减速电机,直流减速电机转动力矩大,体积小,重量轻,装配简朴,使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力,带动变速(减速)齿轮组,可以产生较大扭力。2、驱动模块驱动模块采用专用芯片LM393 作为电机驱动芯片。5)发光二极管模块;用两个发光二极管连接到芯片上,通过程序控制,让它只有在电机转动时才干发光。2、系统框图:发光二极管模块AT89C2051单片机电源电路直流电机的驱动模块路面寻线模块2.4:课程设计的理论基础及工作原理。一方面智能小车是如何实现循迹功能的呢?那么这就涉及到了红外线接受管的概念: 红外线接受管是将红外线光信号变成
15、电信号的半导体器件,它的核心部件是一个特殊材料的PN结,和普通二极管相比,在结构上采用了大的改变,红外线接受管为了更多更大面积的接受入射光线,PN结面积尽量做的比较大,电极面积尽量减小,并且PN结的结深很浅,一般小于1微米。红外线接受二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时,反向电流很小(一般小于0.1微安),称为暗电流。当有红外线光照时,携带能量的红外线光子进入PN结后,把能量传给共价键上的束缚电子,使部分电子挣脱共价键,从而产生电子-空穴对(简称:光生载流子)。它们在反向电压作用下参与漂移运动,使反向电流明显变大,光的强度越大,反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。红外线接受二极管在
16、一般照度的光线照射下,所产生的电流叫光电流。假如在外电路上接上负载,负载上就获得了电信号,并且这个电信号随着光的变化而相应变化。 而本次设计中我用的是黑色红外线接受管,也就是说当接受管检测不到黑色的反射光时,通过它的电流很小,即电路不能工作,反之,当接受管接受到了黑光的刺激,即电路开始工作,这也就说明循迹小车必须寻得是一条黑色的轨迹,即跑道是黑色的。 并且,我们都知道,轨迹必然不也许是一条直线,这样可以说一点挑战性都没有,那么,假如轨迹是弯曲的,要想让小车沿着轨迹行走,它就必须会转弯,不会转弯,它就偏离了跑道了,循迹就会失败,可是一个没有思想,没有生命的小车自己怎么可以转弯呢,这些将会在底下统
17、统揭晓。 绕了这么多弯,现在我就来讲讲我的小车工作原理,或者说当你打开电源后它到底是怎么工作的。一方面,我事先会在我的AT89C2051芯片中输入已经调试好的程序,在小车的底部会有两个两个黑色红外线接受管,分别相应着小车的左右两个电机,当左边接受管探测到黑线时即p1-5=0,则左侧电机停止转动,即p1-6=1反之,则继续转动,即p1-6=0。而当右边接受管探测到黑线时,即p1-4=1则右侧电机停止运动,即p1-3=1反之则转动,即p1-3=1。而这也保证了小车会自己转向,比如,当轨迹向右弯曲时,当小车运动至转弯处,即必然会导致左边接受管位探测到黑线,而右边电机探测到黑线,所以便会导致左边电机转
18、动,而右边电机不转动,小车便会向右转动,即实现了小车的转向功能。而有时,左边与右边接受管会同时探测到黑线,即小车眼直线行走时(p1-5=1;p1-4=1),那么我们可以让右边电机运转动(p1-3=0),左侧电机不运营,即停止转动(p1-6=1),那么此刻小车就会有一个向左转向的趋势,然而当小车转动一个角度后,立马便会出现一种情况,即左侧接受管不会再探测到黑线,而右侧还会,这便出现了上面的情况,小车便会左边电机转动,而右边电机不会转动,所以小车就会有右转动的趋势,而紧接着,右边接受管便会检测不到黑线,而左边会检测到黑线,即左边电机不转,右边电机会转,如此往复,小车便会摇摇摆晃地走过这条直线啦。而
19、在我设计的电路中,为了方便清楚地观测到电机的转动与不转动,特地增加了一个发光二极管电路,即小车左右两侧各有一个发光二极管相应着小车的左右电机,当电机转动时,二极管会发光,当电机不转动时,即发光二极管熄灭。三、单元电路设计与参数计算3.1. 电路中51单片机芯片介绍。AT89C2051AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机,片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128bytes的随机数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央解决器和Flash存储单
20、元,AT89C2051单片机在电子类产品中有广泛的应用。 1内部结构编辑AT89C2051是一个带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储器(EEPROM)的低电压,高性能8位CMOS微解决器。它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS-51指令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的CPLI和闪速存储器,ATMEL的AT89C2051是一强劲的微型解决器,它对许多嵌入式控制应用提供一定高度灵活和成本低的解决办法。AT89C2051提供以下标准功能:2K字节闪速存储器,128字节RAM,15根I/O口,两个16位定期器,一个五向量两级中断结构,一个全双工串行口,一个精密模拟比较器
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