基于STCC单片机的避障智能小车毕业设计方案说明指导书.doc

毕业设计说明书

基于STC89C52单片机避障智能小车设计

基于STC89C52单片机避障智能小车设计
摘要
本文介绍了基于STC89C52单片机避障智能小车设计和实现。小车关键经过单片机实现对本身控制，使其能够识别黑线并检测障碍物，实现在固定跑道内行驶而且含有自动避障功效。本设计对单片机最小系统、电机驱动、红外避障等硬件电路分别给出了对应设计方案。依据PCB设计标准、抗干扰方法，自行设计了印刷电路板。该设计采取STC89C52单片机为控制系统，L298N作为电机驱动，四路红外线探测系统为避障系统，单片机产生PWM波并经过L298N来对小车方向和速度进行控制。试验测试结果基础满足要求。
采取技术关键有：
（1）小车以单片机作为控制器；
（2）采取红外线探测系统实现对黑线及障碍物检测；
（3）经过单片机产生PWM波并经过L298N来对小车方向和速度进行控制。
关键词：STC89C52，单片机，L298N，红外线探测系统，避障，PWM

STC89C52 microcontroller-based intelligent car obstacle avoidance Design
Abstract
This paper describes the design and implementation of the smart car obstacle avoidance STC89C52 microcontroller based. Trolley primarily through MCU control of their own to be able to identify the black line and detect obstacles and achieve traveling in a fixed track and has an automatic obstacle avoidance function. The design for the smallest single-chip systems, motor drives, infrared obstacle avoidance were given the corresponding hardware circuit design. Based on the principles of PCB design, anti-jamming measures, to design a printed circuit board. The design uses STC89C52 microcontroller for the control system, L298N as motor drive, four infrared detection system as obstacle avoidance system microcontroller PWM wave generated by L298N to the direction and speed of the car can be controlled. Experimental test results meet the basic requirements.
Technologies used are:
(1) car microcontroller as a controller;
(2) using four infrared detection system to achieve the detection of black lines and obstacles;
(3) generated by the microcontroller PWM wave through L298N to the direction and speed of the car can be controlled.
Keywords: STC89C52, Microcontroller, L298N, Infrared detection system, obstacle avoidance, PWM

目 录
1 引言 1
1.1 本课题研究背景 1
1.2 本课题发展现实状况及前景 2
1.2.1 国外研究现实状况 2
1.2.2 中国研究现实状况 3
1.3 本课题研究意义 4
2 避障智能小车总体方案论证 6
2.1 直流调速方案论证 6
2.2 设计方案论证 6
2.2.1 单片机模块选择和论证 6
2.2.2 电机驱动模块选择和论证 7
2.2.3 避障模块选择和论证 8
3 避障智能小车硬件设计 9
3.1 系统硬件设计概述 9
3.2 避障智能小车硬件电路设计 9
3.2.1 STC89C52单片机最小系统设计 9
3.2.2 避障模块设计 12
3.2.3 电路驱动模块设计 13
3.3 印制电路板设计 13
3.3.1 印制电路板设计标准 13
3.3.2 PCB及电路抗干扰方法 14
3.3.3 PCB设计版图 15
3.4 硬件调试 16
4 避障智能小车软件设计 17
4.1 避障智能小车应用程序设计 17
4.1.1 电机驱动设计 17
4.1.2 避障程序设计 18
4.2 程序下载和软件说明 18
5 避障智能小车整体性能测试 21
5.1 避障智能小车避障功效测试 21
5.2 试验心得 22
6 总结和展望 23
6.1 总结 23
6.2 展望 23
附录A 实物图 24
附录B 部分程序代码 25
参考文件 28
致 谢 30

1 引言
1.1 本课题研究背景
智能小车，也就是轮式机器人，是一个集多学科于一体综合性高技术产物，所包含到学科包含机械学、力学、拓扑学、电子和微电子学、控制科学、系统工程、人工智能等。即使机器人发展了几十年，但至今对于机器人全部没有一个统一、正确定义。
机器人关键涵盖以下内容：①含有一定仿人或生物功效；②含有通用性，动作程序灵活易变；③含有智能性，如记忆、推断、决议、学习等。伴随机器人发展，其定义也会逐步修改，深入明确和统一。智能移动机器人不仅能促进对于复杂智能、人类思维模式研究，而且在生产、生活中起到越来越大作用。智能移动机器人要想在有障碍环境中寻求一条从起点到终点路径，通常需要处理三个问题，首先，机器人必需经过内、外部传感器确定本身在所工作环境中正确位置，其中关键包含到问题有传感器选择、环境建模和怎样提升定位精度；然后依据探测到环境信息和构建环境模型来确定目标方位。有了本身位置和目标点，还需要知道怎样才能抵达目标，这就属于路径计划问题了，这三个问题处理了机器人便能够自主导航。移动机器人导航可分为在已知环境中导航和未知环境中导航，很多学者对已知环境中导航控制方法进行了大量研究也取得了一定结果，对未知环境及移动障碍物环境导航即使也提出了若干方法，但还未形成统一和完善体系结构，还有很多关键理论和技术问题有待处理和完善。所以，未知环境中移动机器人导航将是以后很长一段时间内研究热点问题。移动机器人要想正确感知环境情况和障碍物位置，就必需利用多个传感器及更为有效控制算法，多传感器数据融合技术将在智能机器人导航中得到越来越多应用。作为一个多学科交叉高科技领域，移动机器人研究内容包含到计算机科学、控制理论、机械电子、传感技术等多个方面，所以开展移动机器人技术研究不仅为中国培养多学科复合型人才，而且对于促进工业、农业、国防现代化建设全部含相关键意义，而且对相关领域研究发展含有主动推进作用[1]。
1.2 本课题发展现实状况及前景
1.2.1 国外研究现实状况
机器人发展从上世纪60年代至今，从最初示范模拟机器人到现在含有感知功效智能机器人，在技术上取得了很大进步，从其发展前后次序来看，大约可分为三代。
第一代简单机器人也就是示教再现型机器人。它基础上不会思索也没有感觉，工作前需要操作者教其动作次序和运动路径，机器人装有记忆存放器将示教指令记存起来，当它接到再现命令时，则自主地再现。
第二代机含有控制器和简单传感器可编程机器人。因为装有传感器，所以它能取得操作对象和外界环境简单信息，它含有一定感觉系统。其特征是以依据作业对象情况改变作业内容，即所谓“知觉判定机器人”。
第三代是智能机器人。含有复杂感知系统和控制系统，能够依据环境改变作出决议，含有模拟人类思维功效、能够自主学习和含有自适应能力。表现出高度智能化，是多学科综合发展产物。自从上世纪60年代末期，第一台自主移动机器人Shakey问世以后，国外很多国家对移动机器人进行了大量研究，其中法国于提出了“机器人和人工体”，这是在机器人研究方面提出一项大型国家计划，该项计划关键是对机器人认知功效进行深入研究，使之能够在改变、复杂环境中经过学习、判定来实现多种功效，包含多机器人协作、视觉定位，移动式操作手等多个方面[2]。
美国生产双轮差速驱动移动机器人，能够在室内送信件、食品等生活用具，还能够牵引吸尘器来打扫卫生。环境信息获取，关键采取地图输入方法获取环境信息，能够很好完成任务并返回原点待命。喷漆机器人在国外使用能够追溯到20世纪中叶，美国Morris Motors Cowley企业成功安装了一条高产出涂装生产线，把全部汽车外身涂装工作交给3台3轴机器人完成，到了七八十年代，第二代多轴机器人研制工作取得了很大进展，美、日欧等国汽车涂装线，己使用多轴机器人对车身内部难以抵达地方进行涂装作业，朝着喷漆车间无人化目标前进了一大步。
多年来兴起手术机器人技术在微创基础上，将手术精度和可行性提升到了一个全新度，引发学术界广泛关注甚至有些人预言一个以手术机器人为代表、以信息化处理为标志新外科手术时代即未来临。现在，国外手术机器人已在心胸外科、泌尿外科、妇科和腹部外科等领域逐步普及，手术机器人含有灵活度高，稳定性好，安全性高优点。
日本经济产业省1998年开始开启了人形机器人技术研究计划（HRP）。该计划关键用来建立一个人形机器人研究平台，开展机器人应用研究。在提出了5年期机器人排雷计划和“二十一世纪机器人挑战”一国家项目，其中一个3年子项目是开发应用于机器人开放式结构中间件。在当初，更长远预期在于到，机器人将应用在家庭、医疗服务、灾难救助等各个领域，基础实现商品化。由东京工业大学研发技术名为“SOINN”机器人，能够学习并掌握编程时所不含有功效机器人。能够将瓶子中水倒进杯子，这是事先编辑好程序，在此以后，她们有要求正在完成其它任务机器人将杯子中水冷却。机器人停下手上工作，思索以后放下瓶子，拿起冰块放入杯子中。这个看似不起眼举动说明SOINN机器人已经含有学习能力。依据事先设定指令，它并不会往杯里放冰块，完全是自行决定[3]。
在机器人研究热点领域中，各国实力不尽相同，其中在发表文章方面，美国发文总量为最多，为13533篇，占世界机器人研究领域发文量35％，日本紧随其后，占19％，排名第三是德国，其它依次为韩国、法国、加拿大、意大利等。各个国家对于机器人科研能力全部再逐步增强。
1.2.2 中国研究现实状况
中国移动机器人经过快速发展也取得了一定结果，“八五”期间军用智能机器人研制，“九五”期间军用“智能机器人平台2号”能够实现自主行驶，“十五”期间对复杂智能机器人进行研究，危险作业机器人、仿人机器人、复合结构移动机器人等研究全部取得了很大结果，上海交通大学研制机器人采取仿人关节结构，含有很强越障功效，中科院自动化研究所研制机器人含有语音识别、会话等功效。国防科技大学研制智能车车采取复杂控制算法，实现了自主行驶，高速自主超车功效，多项技术全部处于世界领先地位[4]。
在智能小车路径计划及控制算法方面，中国很多高校和研究所也做了大量研究。新疆大学设计智能小车配有红外光电传感道路检测装置、速度检测装置、电机驱动装置、转向控制舵机等设，采取模糊控制算法对小车进行控制，使小车含有道路检测和自动跟随功效。四川大学设计智能小车对智能小车视觉导航中图像处理复杂和路径数据存放量大问题，采取了一个基于路径记忆算法智能小车控制系统。经过推导小车转向控制角和摄像头检测出路径横向偏差之间简练关系，实现了对小车运动控制，提升了系统实时性和控制正确度，将数学形态学滤波算法和行程编码算法结适用于路径记忆，该方法占用存放空间小、计算量小，可满足嵌入式系统实时性要求。
十几年来，中国相继研制出示教再现型搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全工业机器人及水下作业和特种机器人。现在，示教再现型机器人技术已基础成熟，并在工程中推广应用。和此同时，中国也开展移动机器人基础理论研究，在一些方面全部取得了世界领先结果。在机器人研究领域，正在逐步缩小和发达国家差距[5]。
1.3 本课题研究意义
作为一个高技术综合体，移动机器人关键用在部分特殊环境中替换人类工作，现在已在军事、工业、农业等领域得到了广泛应用。伴随机器人技术发展和大家需求多样化，其功效也越来越专一，在大家日常生活中也得到广泛应用。实践证实，在一些场所，移动机器人比人类工作得更高效而且不需要像人那样去防护，节省了成本，带来了巨大经济和社会效益。智能机器人关键用于以下场所：
1、环境很恶劣或危险场所
现在中国煤矿开采生产存在较大安全隐患，矿难事故死亡人数越来越多，关键原因是因为煤矿井下有很多巷道和突发危险情况，透水事故、瓦斯爆炸、矿井坍塌，随时可能发生，而智能小车属于一个移动机器人能够在恶劣环境中完成复杂活动。核工业机器人，关键用来处理核工厂部分放射性原料。军用机器人能够用来侦察、作战后勤支援，自动完成爆炸物处理等。

2、服务人类能够使人愈加好生活
在生活中，移动机器人能够用来帮组残疾人做很多事情，如帮组残疾人打扫地面尘土及垃圾、帮组残疾人用微波炉热食物，并将热好食物取出放在指定地点供她们食用。在医疗上，因为机器人操作正确性，所以在部分正确度要求较高手术中，机器人能够用来完成部分机械操作。在工业上，机器人能够用来检测产品零部件、线路板，能够工作在X射线较多地方，而不需要像人那样防护。
本课题研究意在设计一款智能小车，能够检测周围环境自主避障，小车能够应用粮库检测、矿井探测等多个领域[6]。

2 避障智能小车总体方案论证
2.1 直流调速方案论证
方案一：串电阻调速系统。
旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速直流电动机供电，调整发电机励磁电流即可改变其输出电压，从而调整电动机转速。改变励磁电流方向则输出电压极性和电动机转向全部伴随改变，所以G-M系统可逆运行是很轻易实现。该系统需要旋转变流机组，最少包含两台和调速电动机容量相当旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，所以搁置不用。
方案二：静止可控整流器。简称V-M系统。
V-M系统是当今直流调速系统关键形式。它能够是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M系统缺点是晶闸管单向导电性，它不许可电流反向，给系统可逆运行造成困难。它另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最终，当系统处于低速运行时，系统功率因数很低，并产生较大谐波电流危害周围用电设备。
方案三：脉宽调速系统。
此次设计中，直流调速系统采取ＰＷＭ调速。直流调速系统采取晶闸管直流斩波器和整流电路。晶闸管不受相位控制, 而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时, 电源电压加到电动机上, 当晶闸管关断时, 直流电源和电动机断开, 电动机经二极管续流, 两端电压靠近于零。脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation), 简称ＰＷＭ。脉冲周期不变, 只改变晶闸管导通时间, 即经过改变脉冲宽度来进行直流调速。
脉宽调速也可经过单片机控制继电器闭合来实现, 不过驱动能力有限。为顺利实现电动小汽车左转和右转, 本设计采取了可逆ＰＷＭ 变换器。可逆ＰＷＭ 变换器主电路结构式有Ｈ型、Ｔ型等类型。我们在设计中采取了常见双极式Ｈ型变换器, 它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成桥式电路。
2.2 设计方案论证
2.2.1 单片机模块选择和论证
方案一：AT89S52单片机含8位CPU，含有8K在系统可编程Flash存放器及256字节数据存放器，有32位I/O端口线和2个数据指针，3个16位定时/计数器，一个2级中止结构,还含有看门狗定时器，全双工串行口，片内晶振立即钟电路。掉电保护方法下，数据存放器中内容被保留，单片机工作停止，直到下一个中止或硬件复位时为止。
方案二：STC89C52是一个低功耗，高性能CMOS 8位8K闪存可编程和可擦除只读存放器（PEROM）字节微型计算机。内提供了以下标准特征：8K字节闪存，256字节RAM，32个I / O线，两个16位定时器/计数器，二个五向量两级中止结构，一个全双工串行口，片上振荡器和时钟电路。另外，AT89C52是静态逻辑设计和操作频率下降到零，并支持两种软件可选节电模式。空闲模式时CPU停止工作，而RAM，定时/计数器，串行口和中止系统继续工作。掉电模式保留RAM内容，但冻结振荡器关闭，直到下一个硬件复位芯片其它功效。
经过以上两单片机性能比较，STC89C52经过将集成在一个芯片上通用8位闪存CPU，AtmelSTC89C52是一个强大微型计算机提供了一个高度灵活和成本有效处理方案为很多嵌入式控制应用。所以本设计选择STC89C52单片机[7]。
2.2.2 电机驱动模块选择和论证
方案一：集成驱动芯片。采取专门电机驱动芯片L298 N，L298N是一个含有高电压大电流全桥驱动芯片，它对应频率高，静态电流小，输出电流大，电路简单，散热效果好，不轻易烧坏，而且还带有控制使能端。含有以下特点：1、含有信号指示，2、转速可调， 3、抗干扰能力强，4、含有续流保护，5、可单独控制两台直流电机，6、可单独控制一台步进电机，7、PWM脉宽平滑调速（可使用PWM信号对直流电机调速）8、可实现正反转9、采取光电隔离。采取该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良[8]。
方案二：分立元件组成驱动电路。用三极管分立元件来驱动，用分立元件电路较复杂，静态电流较大，需要调试参数，功率小，散热性能差，饱和导通压降小。不过对于直流电机用分立元件组成驱动电路。由分立元件组成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。不过这种电路工作性能不够稳定。
综合以上分析和比较，我们发觉方案二所使用分立元件组成驱动H桥电路需要对应功率管驱动电路和之配套，即使功率较大，但电路复杂不符合此次应用要求，故本系统采取方案一所采取集成电机驱动芯片L298N。
2.2.3 避障模块选择和论证
方案一：采取摄像头方法。经过摄像头把智能车前面路径信息传输到控制系统，经过软件处理获取道路多种参数，来进行路径识别一个方法。CCD／CMOS摄像头有面阵和线阵两种类型，它们在接口电路、输出信号和检测信息等方面有较大区分，面阵摄像头能够获取前方道路图像信息，而线阵CCD只能获取道路上直线图像信息。其实线阵CCD可看作分辨率很高红外检测方法。它优点是经过镜头能够前方很远道路图像映射到CCD／CMOS器件中，从而得到小车前方很大范围内道路信息。能够有效进行小车运动控制，提升车路径跟踪精度和运行速度。不过硬件电路比较复杂，信息处理量大，怎样对摄像头统计图像进行分割和识别，加紧处理速度是摄像头方案难点[9]。
方案二：红外检测方法。经过红外发光管发射红外线光照射道路，道路表面和路上标线含有不一样反射强度，利用红外接收管能够检测到这些信息。经过合理安排红外发射／接收管空间位置能够检测到小车前方道路相对小车位置。红外发射／接收管通常安装在小车前端，能够装一排。红外发射／接收管检测方案优点是电路简单，安装方便，检测速度快，成本低。但分辩率低，识别道路信息少，前瞻性差，轻易受到环境光线干扰，耗电量较大。
综合以上分析和比较，方案一所取得路面信息多，范围广，不过硬件电路复杂，信息处理量大，对摄像头统计图像进行分割和识别会加重处理器运算负担，方案二取得路面信息较方案一少，不过足以实现智能小车避障功效，且方案二硬件电路连接简单，检测速度快，成本低，故选择方案二。

3 避障智能小车硬件设计
3.1 系统硬件设计概述
本文所设计智能小车关键由2 部分组成:
1) 智能小车部分: 车体部分和2 路电机、单片机STC89C52、驱动电路、红外避障模块;
2) 系统软件设计: 关键有单片机程序设计。
避障智能小车关键包含:单片机系统、红外避障模块、驱动电路。小车经过红外传感器完成对前方、左方和右方3个方向障碍物检测，并以TTL电平信号形式送入单片机I/O口。单片机依据收到信号，进行判定，发出控制信号，经过驱动电路实现小车避障。系统整体框图图3.1 所表示。

图 3.1 系统框图
3.2 避障智能小车硬件电路设计
3.2.1 STC89C52单片机最小系统设计
该STC89C52是一个低功耗，高性能CMOS 8位8K闪存可编程和可擦除只读存放器（PEROM）字节微型计算机。该设备是采取Atmel高密度非易失性内存技术，并和行业标准MCS - 51指令集和引脚兼容。片上闪存程序存放器能够编程就能够在系统或由传统非易失性存放器编程。经过将集成在一个芯片上通用8位闪存CPU，AtmelSTC89C52是一个强大微型计算机提供了一个高度灵活和成本有效处理方案为很多嵌入式控制应用。
功效特点:
STC89C52内提供了以下标准特征：8K字节闪存，256字节RAM，32个I / O线，两个16位定时器/计数器，二个五向量两级中止结构，一个全双工串行口，片上振荡器和时钟电路。另外，STC89C52是静态逻辑设计和操作频率下降到零，并支持两种软件可选节电模式。空闲模式时CPU停止工作，而RAM，定时/计数器，串行口和中止系统继续工作。掉电模式保留RAM内容，但冻结振荡器关闭，直到下一个硬件复位芯片其它功效。
引脚说明:
Vcc：电源电压。
GND：接地。
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存放器，它能够被定义为数据/地址第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必需被拉高。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是因为内部上拉缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并所以作为输入时，P2口管脚被外部拉低，将输出电流。这是因为内部上拉缘故。P2口当用于外部程序存放器或16位地址外部数据存放器进行存取时，P2口输出地址高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存放器进行读写时，P2口输出其特殊功效寄存器内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，因为外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是因为上拉缘故。
RST ：复位输入。此管脚上出现两个机器周期高电平，而振荡器运行将使器件复位。
ALE/PROG：当访问外部存放器时，地址锁存许可输出电平用于锁存地址地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率1/6。所以它可用作对外部输出脉冲或用于定时目标。然而要注意是：每当用作外部数据存放器时，将跳过一个ALE脉冲。如想严禁ALE输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在实施MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。假如微处理器在外部实施状态ALE严禁，置位无效。
地址锁存使能锁存在访问外部存放器地址低字节输出脉冲。该引脚也是在flash编程脉冲输入。正常运行ALE（编）是在1 / 6振荡器频率恒定速率发射，并可能对外部定时或时钟用途。请注意，不过，一个ALE脉冲被跳过在每次访问外部数据存放器。
假如需要时，ALE操作能够经过设置位SFR位置8EH 0。伴随位设置，ALE为活跃，只有在实施MOVX或MOVC指令。不然，脚弱拉高。设置ALE -禁用位微控制器没有影响，假如在外部实施模式。
PSEN：外部程序存放器选通信号。在由外部程序存放器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存放器时，这两次有效/PSEN信号将不出现。
EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存放器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存放器。注意加密方法1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存放器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：反向振荡放大器输入及内部时钟工作电路输入。XTAL2：来自反向振荡器输出。
振荡器特征:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器输入和输出。该反向放大器能够配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采取。如采取外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要经过一个二分频触发器，所以对外部时钟信号脉宽无任何要求，但必需确保脉冲高低电平要求宽度。
单片机最小系统或称为最小应用系统,是指用最少元件组成单片机能够工作系统。 通常对51系列单片机来说，单片机+晶振电路+复位电路便组成了一个最小应用系统[14]。单片机内部含有一个高增益反相放大器，用于组成振荡器。通常在引脚XTAL1和XTAL2跨接石英晶体和两个赔偿电容组成自激振荡器，
单片机最小应用系统采取上电自动复位和手动按键复位两种方法实现系统复位操作。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。上电自动复位经过电容充电来实现。手动按键复位是经过按键将电阻R2和VCC接通来实现。

图 3.2 单片机最小系统
3.2.2 避障模块设计
采取反射式红外光电管，是进行避障常见方法。这种方法利用了一对红外发射和接收管，发射管发射出一定频率红外线，当检测方向碰到障碍物上反射面时，红外线反射回来被接收管接收，经过电路比较器比较以后，信号输出接口输出一个低电平数字信号。这种方法优点是:电路简单，信号处理速度快。缺点是:感知前方道路距离有限，受外界红外频段光线干扰，精度低[15]。光电管相正确感知距离较近而且只能提供很少前方车道走势信息。不过对于此次设计，这种反射式红外光电管是比较适宜。该模块设计电路图图3.3所表示：

图 3.3 避障模块电路
3.2.3 电路驱动模块设计
智能小车电机选择是直流减速电机，即齿轮减速电机,是在一般直流电机基础上,加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱作用是，提供较低转速，较大力矩。同时，齿轮箱不一样减速比能够提供不一样转速和力矩。电机工作电压为3-6V，电压为6V时，无负载时转速为100转/分钟，无负载时电流为70mA，减速比为1:48[16]。
电机驱动电路连接图图3.4所表示，关键包含光电耦合器件、电机驱动芯片、整流电路三个部分。光电耦合器件选择是TLP521-4，其内部含有四组光耦管，用来将控制信号和负载完全隔离，能够增加安全性，减小信号之间干扰；电机驱动芯片选择是L298N，为15脚Multiwatt封装，其中IN1、IN2、IN3、IN4为控制信号输入端，VS为电源电压，最大可接36V，VSS为工作电压，最小4.5V，最大36V，在应用中依据实际情况选择5V电压。ENA、ENB接控制使能端，控制电机停转,5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机正反转，也能够用此引脚来实现PWM脉宽平滑调速。SenseA、SenseB接地。OUT1，OUT2和OUT3，OUT4为信号输入端分别接直流电动机，输入信号端IN1接高电平输入端IN2接低电平电机M1正转，控制另一台电机是一样方法。输入信号IN3接高电平，输入端IN4接低电平，电机M2正转。整流电路选择8个二极管IN4007[17]。

图 3.4 驱动模块电路
3.3 印制电路板设计
3.3.1 印制电路板设计标准
印制电路板(PCB)是电子产品中电路元件和器件支撑件。它提供电路元件和器件之间电气连接。伴随电子技术飞速发展，PCB密度越来越高。PCB设计好坏对抗干扰能力影响很大。所以，在进行PCB设计时.必需遵守PCB设计通常标准，并应符合抗干扰设计要求。要使电子电路取得最好性能，元器件布局及导线布设是很关键。为了设计质量好、造价低PCB，应遵照以下通常标准：
(1) 布局，PCB尺寸不可过大，不然造成印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，过小，则散热不好且邻近线条易受干扰。以每个功效电路关键元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上。尽可能降低和缩短各元器件之间引线和连接。在高频下工作电路，要考虑元器件之间分布参数。通常电路应尽可能使元器件平行排列。
(2) 尽可能缩短高频元器件之间连线，设法降低它们相互间电磁干扰。易受干扰元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽可能远离。
(3) 可能有较高电位差元器件或导线间，应加大它们之间距离，以免放电引出意外短路。
(4) 应考虑散热问题，热敏元件应远离发烧元件。
(5) 对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件布局应考虑整机结构要求。若是机内调整，应放在印制板上方便于调整地方；若是机外调整，其位置要和调整旋钮在机箱面板上位置相适应。
(6) 应留出印制板定位孔及固定支架所占用位置。
(7) 布线，输入输出端用导线应尽可能避免相邻平行。最好加线间地线，以免发生反馈耦合。在多种微处理器输入输出信号中，总有相当一部分是相同类型，比如数据线、地址线。对这些相同类型信号线应该成组、平行分布，同时注意它们之间长短差异不要太大，方便降低干扰，增加系统稳定性。
3.3.2 PCB及电路抗干扰方法
PCB板抗干扰设计和具体电路有着亲密关系，本文就PCB抗干扰设计几项常见方法和系统中采取方法做部分说明。
(1) 电源和地线设计
依据印制线路板电流大小加宽电源线宽度，降低环路电阻。同时使电源线、地线走向和数据传输方向一致，这么有利于增强抗噪声能力。
地线设计标准是：数字地和模拟地尽可能分开。若PCB板上同时有逻辑电路和线性电路，应使它们尽可能分开。低频电路地应尽可能采取单点并联接地。高频电路宜采取多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽可能用栅格扩大面积地箔。应将接地线加粗，使它能经过三倍于印制板上许可电流。
(2) 去耦电容配置
瓷片电容或多层陶瓷电容是高频特征很好去耦电容，它们两个作用，首先是本集成电路储能电容，提供和吸收该集成电路开门和关门瞬间冲放电电能，其次，旁路该器件产生高频噪声。常规做法之一是在各个关键部位配置合适去耦电容。
为提升系统电源质量，消除低频噪声对系统影响，通常应在电源进入印制电路板位置和靠近各器件电源引脚处加上滤波器，以消除电源噪声，常见方法是在这些位置加上几十到几百µF电容。消除系统中元器件工作时产生高频噪声通常方法是，在器件电源和地之间加上0.lµF左右接地电容。标准上每个集成电路芯片全部应部署一个0.01pF瓷片电容，板上工作元器件产生噪声通常在100MHz或更高频率范围内产生谐振，所以放置在每一个元器件电源脚和地线脚之间旁路电容通常比较小（约0.lµF)。
3.3.3 PCB设计版图
硬件PCB制作采取模块化设计，最终生成PCB板为：最小系统 PCB板、避障模板PCB板、电机驱动板模块PCB板、串口模块PCB板。各个模块PCB图图所表示。

图 3.5 最小系统

图 3.6 避障模块

图 3.7 电机驱动模块
3.4 硬件调试
印制电路板制作完成后，要对电路进行分块焊接，分别调试。
(1) 首先完成最小系统焊接，使用万用表检验各连线是否全部连接正常；
(2) 将电机驱动板OUT口和小车电机连接，单片机P1.0到P1.4连接到电机驱动板IN1-IN4上；
(3) 将红外传感器模块连接在单片机P2.3，P2.4，P2.5上，VCC和GND连接在电源板上；
(4) 完成硬件其它部分焊接和调试。
在小车上安装红外传感器模块时候，要注意各个红外传感器间隔，不能太近了。另外红外传感器检测距离也要合适调整。红外传感器对光线尤为敏感，若是把检测距离调整很大话，在光线比较强情况下，红外传感器会连续输出单一电平信号，失去避障功效。所以本设计要考虑到光线对红外传感器影响，在不影响避障功效实现情况下，尽可能调小红外传感器检测距离。
4 避障智能小车软件设计
4.1 避障智能小车应用程序设计
在有控制芯片设计中，只有硬件而没有软件支持，那么该设计是不完美，也就是是无法正常完成设计任务。在本设计中关键由两部分软件程序组成。第一部分为小车驱动程序，第二部分为上位机程序。
4.1.1 电机驱动设计
智能小车所采取电机为直流减速电机，其工作电压为3~6V。当电压6V 时，无负载转速为100转/分钟，无负载电流为70mA。另外本设计选择L298N 电机驱动芯片控制两个直流电机。L298N 电机驱动芯片OUT1、OUT2和OUT3、OUT4 输出端分别接两个电机，在ENA、ENB 两个使能端为高电平，控制器只要控制4 个输入端电平高低，就能实现小车前进、后退、转向等动作。所以在对电机驱动进行开发时候，只需要利用单片机I/O口同电平，就能够控制电机正反转，电机驱动步骤图以下：
初始化
是否按下开关？
前进
左侧是否碰到障碍？
右侧是否碰到障碍？
向右侧行驶
向左侧行驶
前方是否有障碍
停车
Y
Y
Y
Y
N
N
N
N

图 4.1 小车前进步骤图
4.1.2 避障程序设计
（1）小车后退程序：
/*--主函数--*/
void main(void)
{
delay(100);
run();
while(1) /*无限循环*/
{
backrun();
}
}
（2）小车左转程序：
/*--主函数--*/
void main(void)
{
delay(100);
run();
while(1) /*无限循环*/
{
leftrun();
}
}
（3）小车右转程序：
/*--主函数--*/
void main(void)
{
delay(100);
run();
while(1) /*无限循环*/
{
rightrun();
}
}
4.2 程序下载和软件说明
本设计是在Keil C环境下开发，Keil C软件支持C语言编程及调试，利用方便，