基于單片機的智能小車設計傳感器電路的設計和相關(guān)程序設計和調(diào)試摘要80C51單片機是一款八位單片機，他的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評。這里介紹的是如何用80C51單片機來實現(xiàn)智能壁障尋跡小車，該設計是結(jié)合科研項目而確定的設計類課題。本系統(tǒng)以設計題目的要求為目的，采用80C51單片機為控制核心，利用紅外傳感器檢測道路上的障礙，控制電動小汽車的自動避障，快慢速行駛，以及自動停車，并可以自動記錄時間、里程和速度，自動尋跡和尋光功能。整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性能高。實驗測試結(jié)果滿足要求，本文著重介紹了該系統(tǒng)的硬件設計方法及測試結(jié)果分析。關(guān)鍵字電動小車、80C51單片機、光敏檢測器、PWM調(diào)速ABSTRACT80C51ISA8BITSINGLECHIPCOMPUTERITSEASILYUSINGANDMULTIFUNCTIONSUFFERLARGEUSERSTHISARTICLEINTRODUCESINTELLIGENTVEHICLEWITHTHE80C51SINGLECHIPCOMPUTERTHISDESIGNCOMBINESWITHSCIENTIFICRESEARCHOBJECTTHISSYSTEMREGARDSTHEREQUESTOFTHETOPIC,ADOPTING80C51FORCONTROLLINGCORE,REDSENSORFORTESTTHEHINDERITCANRUNINAHIGHANDALOWSPEEDORSTOPAUTOMATICALLYITALSOCANRECORDTHETIME,DISTANCEANDTHESPEEDORSEARCHINGLIGHTANDMARKAUTOMATICALLYTHEELECTRICCIRCUITCONSTRUCTIONOFWHOLESYSTEMISSIMPLE,THEFUNCTIONISDEPENDABLEEXPERIMENTTESTRESULTSATISFYTHEREQUEST,THISTEXTEMPHASIZESINTRODUCEDTHEHARDWARESYSTEMDESIGNSANDTHERESULTANALYZEKEYWORDELECTRICITYMOTIVESMALLCAR80C51SINGLECHIPCOMPUTER,LIGHTELECTRICITYDETECTOR,PWMSPEEDADJUSTING,目錄第一章概述111課題研究背景與意義112課題設計內(nèi)容2第二章方案設計與論證321總體方案設計322系統(tǒng)方案設計與比較4221尋跡模塊選擇方案4LM324芯片介紹5222語音識別模塊6223電源模塊7224電機驅(qū)動系統(tǒng)7第三章系統(tǒng)硬件設計831總體硬件原理圖832單片機模塊932180C51單片機硬件結(jié)構(gòu)9322最小應用系統(tǒng)設計1033前向通道設計1134后向通道設計14第四章軟件設計1641軟件設計框圖1642模糊控制算法17421模糊控制算法的發(fā)展17422模糊控制算法的原理17423智能小車中的模糊控制算法1843尋跡的相關(guān)程序18第五章制作安裝與調(diào)試2151使用的儀器儀表及軟件2152系統(tǒng)制作2153系統(tǒng)調(diào)試21531硬件調(diào)試21532軟件調(diào)試22533聯(lián)合調(diào)試22設計總結(jié)23致謝辭24參考文獻25附錄27第1章概述11課題研究背景與意義隨著控制技術(shù)，計算機技術(shù)，信息處理技術(shù)和傳感器檢測技術(shù)以及汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，智能小車在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中已經(jīng)扮演了非常重要的角色，近年來，智能小車在野外，道路，現(xiàn)代物流及柔性制造系統(tǒng)中都有廣泛應用，已經(jīng)成為人工智能領域研究和發(fā)展的熱點之一。智能小車作為移動式機器人的一個重要分支，具有環(huán)境感知規(guī)劃決策，自動行駛等功能，它是計算機控制和電子技術(shù)的融合，集傳感器探測（光源，障礙物），單片機自動控制，電機調(diào)速等議題，可以說是計算機，傳感器，信息，通訊，導航，人工智能及自動控制等于一體高新技術(shù)綜合體?，F(xiàn)在，電子，機械，電子信息已經(jīng)不在明顯分家，自動控制在專業(yè)領域的地位已經(jīng)越來越重要。特別是作為機械行業(yè)的代表產(chǎn)品汽車，與電子信息產(chǎn)業(yè)的融合速度也顯著提高，呈現(xiàn)出兩個明顯的特點1，電子裝置占整車的價值量比例逐步提高，汽車將由以機械產(chǎn)品為主向高級的機電一體化發(fā)展，2，汽車開始向電子化，智能化和多媒體化方向發(fā)展，使其不僅作為一種代步工具，同時還具有交通娛樂等功能。另外，大學生各種大型的創(chuàng)新比賽中，智能車已經(jīng)是一個不可缺少的部分。比如，亞洲廣播電視聯(lián)盟亞太地區(qū)機器人大賽，全國大學生“飛思卡爾”智能汽車競賽等眾多重要競賽都有智能車的登場，設計和制作智能車能很好的培養(yǎng)學生對機電一體化的相關(guān)知識。為了適應機電一體化的發(fā)展和自己所學知識的結(jié)合，提出循跡與遙控與一體的智能車的構(gòu)想。12課題設計內(nèi)容本課題是基于單片機智能小車的設計，本課題的任務主要是采用80C51為控制核心，利用光敏傳感器自動尋跡，設計的智能電動小車應該能夠?qū)崟r顯示時間、速度、里程，具有自動尋跡、避障功能，可程控行駛速度、準確定位停車。本系統(tǒng)以設計題目的要求為目的，采用80C51單片機為控制核心，利用光電等傳感器檢測道路上的障礙，控制電動小汽車的自動避障，快慢速行駛，以及自動停車，并可以自動記錄時間、里程和速度，自動尋跡和尋光功能。整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性能高。第2章方案設計與論證21總體方案設計此系統(tǒng)是以單片機為控制核心，處理執(zhí)行各個外部傳感器檢測得到的電平信號，其中外部信號有三部分得到尋跡模塊，遙控模塊和語音模塊。最后把處理結(jié)果傳遞給小車電機，使得到相應效果。總體設計框圖如下圖21總體模塊設計框圖復位電路STC80C51光敏探測器電機驅(qū)動時鐘電路22系統(tǒng)方案選擇與比較221尋跡模塊選擇方案方案一采用光敏電阻組成光敏探測器，光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線反射強烈，光線照射到黑線上時，光線反射較弱，因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發(fā)生明顯的變化，將阻值的變化值經(jīng)過比較器可以獲得高低電平。方案二采用紅外對管TCRT5000光電尋線傳感器，TCRT5000由紅外發(fā)射管和接收管兩部分組成，紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當發(fā)出的紅外線照射到白色地面時，地面將紅外線反射到接收管，接受三極管導通，輸出低電平，當發(fā)出的紅外線照射到黑色地面時，黑色地面將光線吸收。接收管沒有接收到反射后的紅外線而使三級管截止，輸出高電平，這樣外接一個比較器，可以與單片機連接，減少電路的連接，給設計帶來了方便，但周圍環(huán)境對其有一定的影響。方案三采用RPR220型光電對管，RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)射管，而接收器是一個高靈敏度硅平面光電三極管，其具有靈敏度高，體積小，工作性能穩(wěn)定的特點，但是其價格高，購買不方便。綜合各個方面的考慮，本次設計采用方案一。光敏探測器工作原理圖為下圖11尋跡電路分析方法V2的電壓計算公式V2VCCR1R6R6VCCR6R1R6R6不變，有光照R1變小，則V2變大。無光照，R1變大，則V2變小1，有光照情況光敏電阻R1變小，V2變大假設V246VTV3電壓4VV2V3反向端大于同向端，則OUT5輸出低電平為0給單片機識別，單片機通過IF掃描OUT5的引腳2，無光照情況3，光敏電阻R1變大，V2變小假設V232V，V3電壓不變還是4V。V2V3同向端大于反向端，則OUT5輸出高電平1給單片機識別，單片機通過IF掃描OUT5給的引腳LM324芯片介紹LM324系列器件帶有差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到30伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“”、“”為兩個信號輸入端，“V”、“V”為正、負電源端，“VO”為輸出端。兩個信號輸入端中，VI（）為反相輸入端，表示運放輸出端VO的信號與該輸入端的位相反；VI（）為同相輸入端，表示運放輸出端VO的信號與該輸入端的相位相同。LM324引腳排列如圖所示LM324系列由四個獨立的，高增益，內(nèi)部頻率補償運算放大器，其中專為從單電源供電的電壓范圍經(jīng)營。從分裂電源的操作也有可能和低電源電流消耗是獨立的電源電壓的幅度。應用領域包括傳感器放大器，直流增益模塊和所有傳統(tǒng)的運算放大器現(xiàn)在可以更容易地在單電源系統(tǒng)中實現(xiàn)的電路。例如，可直接操作的LM324系列，這是用來在數(shù)字系統(tǒng)中，輕松地將提供所需的接口電路，而無需額外的15V電源標準的5V電源電壓。LM324引腳圖222語音識別模塊本模塊為小車的附加功能模塊，主要采用柱極式話筒接收聲波信號，通過三極管放大電路放大信號，使信號經(jīng)過電容和整流的二極管得到一個電壓峰值為一伏的脈沖信號，并經(jīng)過74HC04取反后供單片機控制，實現(xiàn)語音控制。如圖31語音控制模塊原理圖。圖31語音控制模塊原理圖電源其中圖中P15為連接柱極式話筒的接口，P16為電源接口，R23的作用是調(diào)節(jié)話筒的靈敏度，C7則是用來濾除波形中的直流部分。中間電路為典型的三極管共E極放大電路，其放大倍數(shù)可以根據(jù)R24和R25來確定。但由于9013管的自身特性，使的其最大的放大電壓為1伏，經(jīng)過電容的整形形成直流電壓輸入二極管。當話筒沒有接受到一定強度的聲波時，由于二極管的管壓降，使電壓不能經(jīng)過其到非門芯片而讓芯片輸出電平為數(shù)字“1”，但當話筒接收到的聲波信號經(jīng)放大后超過二極管的管壓降，非門的輸入端上有一個正電壓，而使輸出端為低電平“0”，實現(xiàn)跳變觸發(fā)的產(chǎn)生，進而讓單片機的中斷口進行判斷，作出響應，實現(xiàn)語音控制。223電源模塊224電機驅(qū)動系統(tǒng)直流電機和步進電機都可以用于小車的驅(qū)動，故有兩種方案。方案一使用直流電動機，加上適當減速比的減速器。直流電機具有良好的調(diào)速性能，控制起來也比較簡單。直流電機只要經(jīng)過直流電源就可以連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)電壓的大小可以改變電機的速度。直流電機的驅(qū)動電路實際上是一個功率放大器。常用的驅(qū)動方式是PWM方式，即脈沖寬度調(diào)制方式。此方法性能較好，電路和控制都比較簡單。方案二使用步進電機。步進電機具有良好的控制性能。當給步進電機輸入一個電脈沖信號時，步進電機的輸出軸就轉(zhuǎn)動一個角度，因此可以實現(xiàn)精確的位置控制。與直流電機不同，要使用步進電機連續(xù)的轉(zhuǎn)動，需要連續(xù)不斷的輸入點脈沖信號，轉(zhuǎn)速的大小由外加的脈沖頻率決定，而且其轉(zhuǎn)動不受電壓波動和負載變化的影響，也不受溫度，氣壓等環(huán)境因素的影響，僅與控制脈沖有關(guān)系。但是步進電機的驅(qū)動比較復雜，由控制器與功率放大器組成，具體差別見下表表32電機控制方式對比直流電機步進電機調(diào)速性能較好較差位置控制精度較差好驅(qū)動簡單復雜穩(wěn)定性較好好，僅僅與控制脈沖有關(guān)由上表可以看出步進電機和直流電機都有各自的優(yōu)點。步進電機能進行精確的位置控制，但是驅(qū)動電路麻煩，鑒于本次設計中小車的位置控制要求的不是很精確，直流電機即可滿足小車要求的精度。且直流電機易于控制，驅(qū)動電路十分簡單第三章系統(tǒng)硬件設計31總體硬件原理圖見附錄132單片機模塊此部分是整個小車運行的核心部分，起著控制小車所有運行狀態(tài)的作用?？刂频姆椒ㄓ泻芏?，大部分采用單片機控制。單片機要完成電機控制，尋跡控制等工作。一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計包含有兩部分內(nèi)容一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元，如ROMRAMI/O口定時/記數(shù)器中斷系統(tǒng)等能量不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒?，設計相應的電路。二是系統(tǒng)配置，既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如鍵盤顯示器打印機A/DD/A轉(zhuǎn)換器等，要設計合適的接口電路。32180C51單片機硬件結(jié)構(gòu)80C51單片機是把那些作為控制應用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、并行I/O口、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。1微處理器該單片機中有一個8位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還可以進行位變量的處理。2數(shù)據(jù)存儲器片內(nèi)為128個字節(jié)，片外最多可外擴至64K字節(jié)，用來存儲程序在運行期間的工作變量、運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲器。3程序存儲器由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲器的容量不夠，則需用擴展片外的只讀存儲器，片外最多可外擴至64K字節(jié)。4中斷系統(tǒng)具有5個中斷源，2級中斷優(yōu)先權(quán)。5定時器/計數(shù)器片內(nèi)有2個16位的定時器/計數(shù)器，具有四種工作方式。6串行口1個全雙工的串行口，具有四種工作方式?？捎脕磉M行串行通訊，擴展并行I/O口，甚至與多個單片機相連構(gòu)成多機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且應用更廣。7P1口、P2口、P3口、P4口8特殊功能寄存器共有21個，用于對片內(nèi)的個功能的部件進行管理、控制、監(jiān)視。實際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個具有特殊功能的RAM區(qū)。由上可見，80C51單片機的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強等特點。特別值得一提的是該單片機CPU中的位處理器，它實際上是一個完整的1位微計算機，這個一位微計算機有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位機在開關(guān)決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而8位機在數(shù)據(jù)采集，運算處理方面有明顯的長處。MCS51單片機中8位機和1位機的硬件資源復合在一起，二者相輔相承，它是單片機技術(shù)上的一個突破，這也是MCS51單片機在設計的精美之處。322最小應用系統(tǒng)設計80C51是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單可靠。用80C51單片機構(gòu)成最小應用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可，如圖3180C51單片機最小系統(tǒng)所示。由于集成度的限制，最小應用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應用特點1有可供用戶使用的大量I/O口線。2內(nèi)部存儲器容量有限。3應用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。1）時鐘電路80C51雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。80C51單片機的時鐘產(chǎn)生方法有兩種。內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。本設計采用內(nèi)部時鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設計采用最常用的內(nèi)部時鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在12MHZ到12MHZ之間選擇。電容值無嚴格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度。有少許影響，CX1、CX2可在20PF到100PF之間取值，但在60PF到70PF時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。所以本設計中，振蕩晶體選擇6MHZ,電容選擇65PF。在設計印刷電路板時，晶體和電容應盡可能靠近單片機芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應采用NPO電容。2）復位電路80C51的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。復位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2,斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復位操作所需要的信號。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。最簡單的上電自動復位電路中上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只要VCC的上升時間不超過1MS,就可以實現(xiàn)自動上電復位。時鐘頻率用6MHZ時C取22UF,R取1K。除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。本設計就是用的按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過RST端經(jīng)電阻與電源VCC接通而實現(xiàn)的。時鐘頻率選用6MHZ時，C取22UF,RS取200，RK取1K。33前向通道設計單片機用與測控系統(tǒng)時，總要有與被測對象相聯(lián)系的前向通道。因此，前向通道設計與被測對象的狀態(tài)、特征、所處環(huán)境密切相關(guān)。在前向通道設計時要考慮到傳感器或敏感元件選擇、通道結(jié)構(gòu)、信號調(diào)節(jié)、電源配置、抗干擾設計等。在通道電路設計中還涉及到模擬電路諸多問題。1）前向通道的含義當將單片機用作測控系統(tǒng)時，系統(tǒng)中總要有被測信號輸入通道，有計算機拾取必要的輸入信息。作為測試系統(tǒng)，對被測對象拾取必要的原始參量信號是系統(tǒng)的核心任務，對控制系統(tǒng)來說，對被控對象狀態(tài)的測試以及對控制條件的監(jiān)測也是不可缺少的環(huán)節(jié)。對被測對象狀態(tài)的測試一般都離不開傳感器或敏感元件，這是因為被測對象的狀態(tài)參數(shù)常常是一些非電物理量，如溫度、壓力、載荷、位移等，而計算機是一個數(shù)字電路系統(tǒng)。因此，在前向通道中，傳感器、敏感元件及其相關(guān)電路占有重要地位。對被測對象的信號的拾取其主要任務就是最忠實地反映被測對象的真實狀態(tài)，它包括實時性與測量精度。同時使這些測量信號能滿足計算機輸入接口的電平要求。因此，單片機應用系統(tǒng)中的前向通道體現(xiàn)了被測對象與系統(tǒng)相互聯(lián)系的信號輸入通道，原始參數(shù)輸入通道。由于在該通道中主要是傳感器與傳感器有關(guān)的信號調(diào)節(jié)、變換電路,故也可稱為傳感器接口通道。在單片機應用系統(tǒng)中，對信號輸入、傳感、變換應作廣義理解，例如開關(guān)量的檢測及信號輸入，在單片機的各種應用系統(tǒng)中有著廣泛的應用。最簡單的開關(guān)量輸入通道就是一個具有TTL電平的狀態(tài)開關(guān)，如水銀溫度觸點、溫度晶閘管、時間繼電器、限位開關(guān)等。故只要反映外界狀態(tài)的信號輸入通道都可稱為前向通道。并不是所有單片機應用系統(tǒng)都有前向通道，例如時序控制系統(tǒng)，只根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的時間序列來控制外部的運行狀態(tài)；分布式測控系統(tǒng)中的智能控制總站完成上級主計算機與現(xiàn)場測、控子站計算機之間的指令、數(shù)據(jù)傳送。這些應用系統(tǒng)沒有被測對象，故不需要前向通道。2）前向通道的設計（1）傳感器的比較識別障礙的首要問題是傳感器的選擇，下面對幾種傳感器的優(yōu)缺點進行說明（見表1）。探測障礙的最簡單的方法是使用超聲波傳感器，它是利用向目標發(fā)射超聲波脈沖，計算其往返時間來判定距離的。該方法被廣泛應用于移動機器人的研究上。其優(yōu)點是價格便宜，易于使用，且在10M以內(nèi)能給出精確的測量。不過在ITS系統(tǒng)中除了上文提出的場景限制外，還有以下問題。首先因其只能在10M以內(nèi)有效使用，所以并不適合ITS系統(tǒng)。另外超聲波傳感器的工作原理基于聲，即使可以使之測達100M遠，但其更新頻率為2HZ，而且還有可能在傳輸中受到它信號的干擾，所以在CW/ICC系統(tǒng)中使用是不實際的。表1傳感器類型優(yōu)點缺點超聲波價格合理,夜間不受影響測量范圍小，對天氣變化敏感視覺易于多目標測量和分類,分辨率好不能直接測量距離,算法復雜,處理速度慢激光雷達價格合理,夜間不受影響對水,燈光,灰塵敏感MMW雷達不受燈光,大氣影響價格貴視覺傳感器在CW系統(tǒng)中使用得非常廣泛。其優(yōu)點是尺寸小，價格合理，在一定的寬度和視覺域內(nèi)可以測量定多個目標，并且可以利用測量的圖像根據(jù)外形和大小對目標進行分類。但是算法復雜，處理速度慢。雷達傳感器在軍事和航空領域已經(jīng)使用了幾十年。主要優(yōu)點是可以魯棒地探測到障礙而不受天氣或燈光條件限制。近十年來隨著尺寸及價格的降低，在汽車行業(yè)開始被使用。但是仍存在性價比的問題。（2）超聲波障礙檢測超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，其頻率超過20KHZ，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。它有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過程中有衰減。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器，結(jié)合不同的電路，可以制成超聲波儀器及裝置，在通訊、醫(yī)療及家電中獲得廣泛應用。作為超聲波傳感器的材料，主要為壓電晶體。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉(zhuǎn)變成電能，故它分為發(fā)送器和接收器。超聲波傳感器有透射型、反射型兩種類型，常用于防盜報警器、接近開關(guān)、測距及材料探傷、測厚等。但由于光線對超聲波傳感器的影響太大，不適合在小車上應用。避障單元和循跡單元都采用脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器。由于采用該有交流分量的調(diào)制信號，則可大幅度減少外界干擾；另外紅外發(fā)射接受管的最大工作電流取決與平均電流，如果采用占空比小的調(diào)制信號，在平均電流不變的情況下，瞬時電流很大（50100MA），則大大提高了信噪比。并且其反映靈敏，外圍電路也很簡單。（3）元件介紹紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率用輻照度W/M2表示。一般來說，其紅外輻射功率與正向工作電流成正比，但在接近正向電流的最大額定值時，器件的溫度因電流的熱耗而上升，使光發(fā)射功率下降。紅外二極管電流過小，將影響其輻射功率的發(fā)揮，但工作電流過大將影響其壽命，甚至使紅外二極管燒毀。紅外發(fā)光二極管的伏安特性與普通硅二極管極為相似。當電壓越過正向閾值電壓（約08V左右）電流開始流動，而且是一很陡直的曲線，表明其工作電流對工作電壓十分敏感。因此要求工作電壓準確、穩(wěn)定，否則影響輻射功率的發(fā)揮及其可靠性。紅外發(fā)光二極管輻射功率隨環(huán)境溫度的升高（包括其本身的發(fā)熱所產(chǎn)生的環(huán)境溫度升高）會使其輻射功率下降。紅外燈特別是遠距離紅外燈，熱耗是設計和選擇時應注意的問題。紅外發(fā)光二極管最大輻射強度一般在光軸的正前方，并隨輻射方向與光軸夾角的增加而減小。輻射強度為最大值的50的角度稱為半強度輻射角。不同封裝工藝型號的紅外發(fā)光二極管的輻射角度有所不同。光敏三極管具有兩個PN結(jié)，其基本原理與二極管相同；但它把光信號變成電信號的同時，還放大了信號電流，因此具有更高的靈敏度。一般光敏三極管的基極已在管內(nèi)連接，只有C和E兩根引出線（也有將基極線引出的）。在使用光敏管時，不能從外型來區(qū)別是二極管還是三極管，只能由型號來判定。光敏電阻它的電阻值會隨光照的變化而變化，入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導體材料制成的。光敏電阻器的阻值隨入射光線（可見光）的強弱變化而變化，在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達110M歐,在強光條件（100LX）下，它阻值（亮阻）僅有幾百至數(shù)千歐姆。74LS14是74系列的非門，74LS14一般用于某些信號的整形或者異受干擾/關(guān)鍵信號的信號緩沖等。34后向通道設計在工業(yè)控制系統(tǒng)中，單片機總要對控制對象實現(xiàn)操作，因此，在這樣的系統(tǒng)中，總要有后向通道。后向通道是計算機實現(xiàn)控制運算處理后，對控制對象的輸出通道接口。根據(jù)單片機的輸出和控制對象實現(xiàn)控制信號的要求，后向通道具有以下特點（1）小信號輸出、大功率控制。根據(jù)目前單片機輸出功率的限制，不能輸出控制對象所要求的功率信號。（2）是一個輸出通道。輸出伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制信號，而伺服驅(qū)動系統(tǒng)中的狀態(tài)反饋信號通常是作為檢測信號輸入前向通道。（3）接近控制對象，環(huán)境惡劣?？刂茖ο蠖酁榇蠊β仕欧?qū)動機構(gòu)，電磁、機械干擾較為嚴重。但后向通道是一個輸出通道，而且輸出電平較高，不易受到直接損害。但這些干擾易從系統(tǒng)的前向通道竄入。單片機在完成控制處理后，總是以數(shù)字信號通過I/O口或數(shù)據(jù)總線送給控制對象。這些數(shù)字信號形態(tài)主要有開關(guān)量、二進制數(shù)字量和頻率量，可直接用于開關(guān)量、數(shù)字量系統(tǒng)及頻率調(diào)制系統(tǒng)，但對于一些模擬量控制系統(tǒng)，則應通過數(shù)模轉(zhuǎn)換成模擬量控制信號。根據(jù)單片機輸出信號形態(tài)及控制對象要求，后向通道應解決（1）功率驅(qū)動。將單片機輸出信號進行功率放大，以滿足伺服驅(qū)動的功率要求。（2）干擾防治。主要防治伺服驅(qū)動系統(tǒng)通過信號通道電源以及空間電磁場對計算機系統(tǒng)的干擾。通常采用信號隔離電源隔離和對功率開關(guān)實現(xiàn)過零切換等方法進行干擾防治。（3）數(shù)/模轉(zhuǎn)換。對于二進制輸出的數(shù)字量采用D/A變換器；對于頻率量輸出則可以采用為順利實現(xiàn)電動小汽車的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，本設計采用了可逆PWM變換器?？赡鍼WM變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有H型、T型等類型。我們在設計中采用了常用的雙極式H型變換器，它是由4個三極電力晶體管和4個續(xù)流二極管組成的橋式電路。雙極式PWM變換器的優(yōu)點如下（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電動機在四象限中運行；（3）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速時，每個晶體管的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導通；5）低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍可達20000左右。1）、脈寬調(diào)制原理脈寬調(diào)制器本身是一個由運算放大器和幾個輸入信號組成的電壓比較器。運算放大器工作在開換狀態(tài)，稍微有一點輸入信號就可使其輸出電壓達到飽和值，當輸入電壓極性改變時，輸出電壓就在正、負飽和值之間變化，這樣就完成了把連續(xù)電壓變成脈沖電壓的轉(zhuǎn)換作用。加在運算放大器反相輸入端上的有三個輸入信號。一個輸入信號是鋸齒波調(diào)制信號，另一個是控制電壓，其極性大小可隨時改變，與鋸齒波調(diào)制信號相減，從而在運算放大器的輸出端得到周期不變、脈寬可變的調(diào)制輸出電壓。只要改變控制電壓的極性,也就改變了PWM變換器輸出平均電壓的極性,因而改變了電動機的轉(zhuǎn)向改變控制電壓的大小,則調(diào)節(jié)了輸出脈沖電壓的寬度,從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速只要鋸齒波的線性度足夠好,輸出脈沖的寬度是和控制電壓的大小成正比的2）、邏輯延時環(huán)節(jié)在可逆PWM變換器中,跨接在電源兩端的上下兩個晶體管經(jīng)常交替工作由于晶體管的關(guān)斷過程中有一段存儲時間和電流下降時間,總稱關(guān)斷時間,在這段時間內(nèi)晶體管并未完全關(guān)斷如果在此期間另一個晶體管已經(jīng)導通,則將造成上下兩管之通,從而使電源正負極短路為避免發(fā)生這種情況,設置了由RC電路構(gòu)成的延時環(huán)節(jié)3）、電源的設計本設計的電源為車載電源。為保證電源工作可靠，單片機系統(tǒng)與動力伺服系統(tǒng)的電源采用了大功率、大容量的蓄電池；而傳感器的工作電源則采用了小巧輕便的干電池。第四章軟件設計軟件設計是實現(xiàn)小車智能運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵所在，相當于人類大腦思維活動，通過軟件設計可將各個變化信號數(shù)據(jù)有效的結(jié)合處理，產(chǎn)生相應的動作反應。在小車運行的控制過程中，我們采用模糊控制算法實現(xiàn)對小車樣本訓練。41軟件設計框圖本系統(tǒng)中通過遙控啟動后，小車一直處于自動尋跡和尋找障礙信號的狀態(tài)中，當避障信號和遙控信號任一信號給單片機收集到后都轉(zhuǎn)入相應的狀態(tài)停止和遙控方向行駛。另外中斷控制程序語音控制則是實現(xiàn)當外部有一定強度的信號進入控制核心就對整個小車實現(xiàn)狀態(tài)停止等待功能，其主程序流程如下。開始檢測黑線啟動電機左/右轉(zhuǎn)繼續(xù)前進YN停止42模糊控制算法421模糊理論的發(fā)展20世紀60年代，美國加利福尼亞大學著名教授扎德發(fā)表了一篇關(guān)于模糊集合的論文，由此提出了模糊理論。四十多年來，在模糊理論算法、模糊推理、工業(yè)控制應用，以及穩(wěn)定性理論研究方面，都有不少研究論文發(fā)表。80年代后，自動控制系統(tǒng)隨著被控對象的復雜化，它不僅表現(xiàn)在控制系統(tǒng)具有多輸入、多輸出的強偶合性、參數(shù)時變性和嚴重的非線性等特性，更突出的是從系統(tǒng)對象所能獲取的知識信息量相對的減少，以及與此相反的對控制性能的要求卻日益高度化。如今，對模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、模糊推理算法，以及模糊控制穩(wěn)定性等問題的研究成果已進入實用化時期，其成果應用主要集中于工業(yè)窯爐方面，如退火爐，電弧冶煉爐，水泥爐及造紙機的控制等。422模糊控制算法原理模糊控制的關(guān)鍵和核心是模糊控制規(guī)則，即用人的自然語言對操作者的手動控制策略加以描述，得到一些不精確的、定性的、判定的規(guī)則，這些規(guī)則就是模糊控制技術(shù)中的模糊控制規(guī)則。這些模糊控制規(guī)則的來源是根據(jù)操作者對被控制對象的動態(tài)性的認識、表達和對被控對象的控制經(jīng)驗，從這些抽出輸入和輸出關(guān)系，加以描述，實質(zhì)上就是被控對象的數(shù)學模型。在實際應用中，特別是人工操作控制，并不需要建立被控對象的數(shù)學模型。為了模擬人工控制過程，對人工控制操縱的經(jīng)驗和策略進行歸納、總結(jié)，建立一系列的模糊控制規(guī)則，將這些規(guī)則進行一定的處理便產(chǎn)生相應的模糊控制算法，利用計算機來實現(xiàn)這些模糊語句，此時就構(gòu)成了一個模糊控制器，而其中的模糊控制算法則描述了控制器的行為特征。對于模糊控制規(guī)則的建立方法很多，主要有以專家知識、經(jīng)驗為依據(jù)建立模糊控制規(guī)則；以熟練操作者的手動操作策略、經(jīng)驗和測試數(shù)據(jù)來建立模糊控制規(guī)則，根據(jù)被控對象的模糊模型建立模糊控制規(guī)則以及根據(jù)學習算法建立模糊控制規(guī)則等。模糊控制的控制過程，如果由人來實現(xiàn)，都是按照這樣的一個順序進行的感覺器官的觀測（獲取信息）人腦的思維、判斷（存儲和處理信息）手動的調(diào)整（信息的實施）。423智能小車中的模糊控制算法本設計的模糊控制規(guī)則的建立方法是智能小車通過經(jīng)驗和測試數(shù)據(jù)來建立模糊控制規(guī)則。其主要控制過程為尋跡與避障的紅外發(fā)射裝置發(fā)送信息，由收裝置接收，接收裝置相當于人的感覺器官獲取信息傳給單片機，單片機相當于人的大腦，可以存儲和處理信息，通過訓練樣本庫，測試出小車尋跡最佳偏轉(zhuǎn)角度，最佳避障距離等，包括其他的遙控信號、語音信號等，從而命令智能小車執(zhí)行相應的操作，完成智能行駛。43尋跡相關(guān)程序INCLUDE/包含51單片機相關(guān)的頭文件SBITLEFTLEDP20/定義前方左側(cè)指示燈端口SBITRIGHTLEDP07/定義前方右側(cè)指示燈端口SBITLEFTIRP35/定義前方左側(cè)紅外探頭端口SBITRIGHTIRP36/定義前方右側(cè)紅外探頭端口SBITFONTIRP37/定義前方正前方紅外探頭端口SBITM1AP00/定義左側(cè)電機驅(qū)動A端SBITM1BP01/定義左側(cè)電機驅(qū)動B端SBITM2AP02/定義右側(cè)電機驅(qū)動A端SBITM2BP03/定義右側(cè)電機驅(qū)動B端SBITB1P04/定義語音識識別傳感器端口SBITSB1P06/定義蜂鳴器端口DEFINERUNSHOWP1/定義數(shù)據(jù)顯示端口VOIDDELAY/定義機器人調(diào)轉(zhuǎn)子時間子程序UNSIGNEDINTDELAYTIME50000/定義機器人轉(zhuǎn)彎時間變量WHILEDELAYTIME/機器人轉(zhuǎn)彎循環(huán)SB1SB1/蜂鳴器閃響RETURNVOIDCONTROLCARUNSIGNEDCHARCONTYPE/定義電機控制子程序M1A0/將M1電機A端初始化為0M1B0/將M1電機B端初始化為0M2A0/將M2電機A端初始化為0M2B0/將M2電機B端初始化為0SWITCHCONTYPE/判斷用戶設定電機形式CASE1/前進/判斷用戶是否選擇形式1M1A1/M1電機正轉(zhuǎn)M2A1/M2電機正轉(zhuǎn)BREAKCASE2/后退/判斷用戶是否選擇形式2M1B1/M1電機反轉(zhuǎn)M2B1/M2電機反轉(zhuǎn)BREAKCASE3/左轉(zhuǎn)/判斷用戶是否選擇形式3M2A1/M2電機正轉(zhuǎn)BREAKCASE4/右轉(zhuǎn)/判斷用戶是否選擇形式4M1A1/M1電機正轉(zhuǎn)/M2電機反轉(zhuǎn)BREAKCASE8/停止/判斷用戶是否選擇形式8BREAK/退出當前選擇VOIDMAIN/主程序入口BITRUNFLAG0/定義小車運行標志位RUNSHOW0/初始化顯示狀態(tài)CONTROLCAR1/初始化小車運行狀態(tài)WHILE1/程序主循環(huán)STARTLEFTLEDLEFTIR/前方左側(cè)指示燈指示出前方左側(cè)紅外探頭狀態(tài)RIGHTLEDRIGHTIR/前方右側(cè)指示燈指示出前方右側(cè)紅外探頭狀態(tài)IFLEFTIR0/左側(cè)紅外探頭沒有接收到白色道路信號CONTROLCAR4/左側(cè)沒有信號時，開始向右轉(zhuǎn)一定的角度DELAY/修改這里進行轉(zhuǎn)彎角度的調(diào)整DELAY/同上DELAYGOTONEXTRUNIFRIGHTIR0CONTROLCAR3/右側(cè)沒有信號時,開始向左轉(zhuǎn)一定的角度DELAY/修改這里進行轉(zhuǎn)彎角度的調(diào)整DELAY/同上DELAYGOTONEXTRUNGOTOSTARTNEXTRUNCONTROLCAR1第五章制作安裝與調(diào)試51使用的儀器儀表及軟件數(shù)字萬用表DT9203單片機仿真器WAVE6000示波器DF1641D畫圖制板軟件PROTELDXP編譯軟件KEILC51電烙鐵TLW3052系統(tǒng)制作根據(jù)系統(tǒng)設計方案，本系統(tǒng)的制作主要是硬件制作，包括三個部分面板上的調(diào)試，PCB電路板的制作，各元器件的焊接和模塊的連接。面板上的調(diào)試是保證系統(tǒng)功能穩(wěn)定實現(xiàn)的基礎，在各個模塊都能產(chǎn)生相應的信號后可以根據(jù)電路圖制作集成PCB電路板，使系統(tǒng)電路美觀而且更能保證穩(wěn)定性，最后通過焊接元器件，實現(xiàn)有效功能后連接到小車平臺上，形成完美整體。其中制作集成PCB電路板過程最為復雜，在面板上的調(diào)試過程完成后根據(jù)已有的電路，將其通過電路畫圖軟件得到原理圖并進一步轉(zhuǎn)化生成PCB圖。在得到PCB電路圖后，通過11比例打印到熱轉(zhuǎn)印紙，熱轉(zhuǎn)印紙轉(zhuǎn)印到已經(jīng)截好的銅板上，放進三氯化鐵溶液中腐蝕得到成型電路板，最后根據(jù)板上的焊盤進行鉆孔，完成PCB電路板制作。53系統(tǒng)調(diào)試本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分硬件調(diào)試，軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。由于在系統(tǒng)設計中采用模塊設計法，所以方便對各電路模塊功能進行逐級測試單片機控制模塊的調(diào)試、紅外對管尋跡模塊的調(diào)試、紅外線避障模塊的調(diào)試以及電機控制模塊調(diào)試，最后將各模塊組合后結(jié)合軟件進行整體測試。531硬件調(diào)試對各個模塊的功能進行調(diào)試，主要調(diào)試各模塊能否實現(xiàn)指定的功能。小車運行次數(shù)成功循跡次數(shù)112233532軟件調(diào)試軟件調(diào)試采用單片機仿真器WAVE6000及微機，將編好的程序進行調(diào)試，主要是檢查語法錯誤并確認硬件完整無誤。由于本系統(tǒng)是分模塊進行程序設計的，所以調(diào)試時先分模塊進行調(diào)試。如小車紅外線尋跡程序，在調(diào)試時將它放在一個子程序里單獨測試，看其是否能夠完成預定的功能，如能，測試通過，否則，修改并反復測試直到通過533聯(lián)合調(diào)試各模塊都調(diào)試通過之后，將各個模塊連接起來與硬件結(jié)合進行聯(lián)合調(diào)試。在進行聯(lián)合調(diào)試時，經(jīng)過反復的實驗，不斷的來修改參數(shù)來完善結(jié)果。使程序按照要求設計的要求進行。44設計總結(jié)在老師的指導和本組成員的共同努力下，完成了本課題的設計任務，設計出了功能樣機，經(jīng)測試其功能已達到了本課題的要求，完全符合本課題的各項指標。歷時幾個月的設計的過程中，從查閱資料到實現(xiàn)系統(tǒng)功能的程序流程圖，從原理圖到印制板的設計、系統(tǒng)的硬件/軟件設計、調(diào)試，到系統(tǒng)的最后焊接和功能樣機的安裝，在每一步中我都學到了許多以往在書本上無法學到的知識，一個完整的系統(tǒng)開發(fā)與我們平時做過的實驗有著很大的不同，平時的實驗只是單一地實現(xiàn)某一種功能或兩種，而一個完整的系統(tǒng)開發(fā)則需要多方考慮各種因素實現(xiàn)眾多功能。包括如何開發(fā)出一個完整的系統(tǒng)、系統(tǒng)軟硬件的設計方法、系統(tǒng)設計、調(diào)試過程中如何發(fā)現(xiàn)并解決問題以及在系統(tǒng)設計過程中理論與實踐相結(jié)合的重要性等。這些寶貴的實踐經(jīng)驗將為我以后的工作和學習打下堅實的基礎。在系統(tǒng)設計過程中，我們碰到過困難和挫折，但是在夏巍老師的精心指導和全組成員的共同努力下，終于使本設計獲得了成功，這其中的苦與樂將會成為永遠美好的回憶。在此特別感謝指導教師夏老師，在設計過程中遇到困難而使我們無法前進時，是他豐富的知識和系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗帶領我們走出了困境，我們的成功與他的悉心指導是分不開的。參考文獻1夏美云，張鴻彥人工智能發(fā)展探討J焦作大學學報，2005年4期，49662江晉劍，錢萌一種基于AT89S52的簡易智能小車設計J科技論文，2007，7，971003船倉一郎，土屋堯，崛桂太郎（日）機器人控制電子學M北京科技出版社，2004，54陳繼榮智能電子制作創(chuàng)新制作機器人制作入門M北京科學出版社，2007，105李建忠單片機原理及應用M西安西安科技大學出版社，2002，26趙負圖無線電接收發(fā)射應用集成電路手冊M北京化學工業(yè)出版社，2003，117趙負圖光電檢測控制電路手冊M北京化學工業(yè)出版社，2001，18康華光電子技術(shù)基礎數(shù)字部分（第五版）M北京高等駕御出版社，200619肖偉，武強，閆秀桃，劉根L293D在護士移動機器人主控電路板設計中的應用J國外電子元器件，2007年11期，646610吳黎明語音信號及單片機處理M北京科學出版社，2007，311張以和，陳敵北例說8051M北京人民郵電出版社，2006，112趙廣林輕松跟我學PROTEL99S