相關(guān)技術(shù)2.1單片機(jī)技術(shù)單片機(jī)全稱為單片微型計(jì)算機(jī)，主要組成部分是中央處理器(CPU)、只讀存儲器(ROM)、隨機(jī)存儲器(RAM)等，將這些重要組成部件集成到一塊芯片上，單片機(jī)便就此誕生[3]。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的本身功能較強(qiáng)的特點(diǎn)，所以其廣泛用于各種行業(yè)，如機(jī)械工業(yè)化、農(nóng)林、國防軍事力量、科研探索以及學(xué)校教育等遍及人類生活領(lǐng)域，單片機(jī)推動電子行業(yè)發(fā)展的同時，也推動其相關(guān)電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代。因?yàn)閱纹瑱C(jī)系統(tǒng)需要完成許多功能處理，導(dǎo)致CPU超額負(fù)荷，此外，其內(nèi)部的定時器、中斷程序以及I/O口位置有限，一片單片機(jī)難以滿足這些要求并且給設(shè)計(jì)人員帶來研究阻礙。據(jù)此，可以采用兩個單片機(jī)，將其做成主從式結(jié)構(gòu)，每個部分承擔(dān)一定的控制運(yùn)算，避免單個單片機(jī)超負(fù)荷工作。上述的主從式結(jié)構(gòu)是將內(nèi)部兩個單片機(jī)分主次，從單片機(jī)依據(jù)主單片機(jī)發(fā)布的指令進(jìn)行工作，又將其工作結(jié)果反饋給主單片機(jī)，該結(jié)構(gòu)可以有助于設(shè)計(jì)人員簡化單片機(jī)的系統(tǒng)。主單片機(jī)主要完成智能小車行進(jìn)運(yùn)動、紅外線躲避障礙物以及小車軌跡反饋；而從單片機(jī)主要通過WiFi接收到主單片機(jī)的信號來進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。本文采用STM32單片機(jī)，這一單片機(jī)性能高、外設(shè)足夠、軟件支撐強(qiáng)大、技術(shù)方面的文件較為完整、芯片類型多、芯片的覆蓋范圍廣泛，并且深受廣大用戶的喜愛。2.2模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)通過ADC0832芯片實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換芯片ADC0832具有雙通道功能，分辨率較高，可以達(dá)到256級。具有效率高、成本低、功耗低的顯著優(yōu)勢，受到開發(fā)者的廣泛關(guān)注與喜愛哎，被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究與工業(yè)工程領(lǐng)域。ADC0809轉(zhuǎn)換芯片相比較ADC0832要快得多，但其引腳電路比較復(fù)雜，并且價(jià)錢是昂貴的。2.3無線遙控技術(shù)無線遙控是一種可以遠(yuǎn)程控制機(jī)器的裝置，其主要組成部分為集成電路電板以及可以產(chǎn)生不同信息的按鈕。無線遙控系統(tǒng)可以按不同的分類方式進(jìn)行區(qū)分，主要有：按傳輸控制指令信號的載體分為：無線電遙控、紅外線遙控、超聲波遙控；按信號的編碼方式分：頻率編碼和脈沖編碼；按傳輸通道數(shù)分為：單通道和多通道遙控；按同一時間能夠傳輸?shù)闹噶顢?shù)目分為：單路和多路遙控；按指令信號對被控目標(biāo)的控制技術(shù)分為：開關(guān)型和比例型遙控[4]。遙控系統(tǒng)主要的組成部分為發(fā)射器和接收器。發(fā)射器由指令鍵、指令編碼電路、調(diào)制電路、驅(qū)動電路、發(fā)射電路等幾部分組成。指令編碼電路產(chǎn)生相應(yīng)的指令編碼信號，編碼指令信號對載體進(jìn)行調(diào)制，再由驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大后由發(fā)射電路向外發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的指令編碼信號。接收器一般由接收電路、放大電路、解調(diào)電路、指令譯碼電路、驅(qū)動電路和執(zhí)行電路幾部分組成。接收電路將發(fā)射器發(fā)射的已調(diào)制的編碼指令信號接收下來，并進(jìn)行發(fā)大后送解調(diào)電路。解調(diào)電路將以調(diào)制定編碼解調(diào)下來，即還原為編碼信號。指令譯碼器將編碼指令信號進(jìn)行譯碼，最后由驅(qū)動電路來驅(qū)動執(zhí)行電路實(shí)現(xiàn)各種指令的操作。2.4本章小結(jié)本章節(jié)主要闡述智能小車的基礎(chǔ)理論以及其先進(jìn)的科技技術(shù)，先對單片機(jī)的定義以及種類、特點(diǎn)進(jìn)行闡述，其次對特定選用的STM32單片機(jī)進(jìn)行全面講述，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換來對具體操作作了說明，最后詳細(xì)詮釋了無線遙控技術(shù)的定義及其分類。3系統(tǒng)需求分析3.1功能分析由于機(jī)械工業(yè)化以及高科技技術(shù)的創(chuàng)新，智能技術(shù)將傳統(tǒng)的控制模塊以及現(xiàn)有的智能管控相融合，發(fā)揮其長處，優(yōu)化整個系統(tǒng)，以此滿足客戶的各種要求。所以，智能技術(shù)的研發(fā)以及應(yīng)用在目前的高科技時代，具有較高的研究意義以及指導(dǎo)意義。按照上述要求以及相關(guān)設(shè)計(jì)要求，如圖3.1所示。以單片機(jī)為控制原理，設(shè)計(jì)了適用圖3.1系統(tǒng)框圖于其系統(tǒng)智能運(yùn)行的框圖。其運(yùn)動模塊主要包括主控、檢測、啟停、復(fù)位、電機(jī)驅(qū)動等模塊，形成整個系統(tǒng)。圖3.1系統(tǒng)框圖3.1.1主控本設(shè)計(jì)采用了STM32F103單片機(jī)微型處理器作為單片機(jī)處理芯片，是一種小規(guī)格的超級計(jì)算機(jī)。雖然單片機(jī)的功能不像電腦那么強(qiáng)大，但是足以處理絕大部分的控制工作，比如家庭中的冰箱、電視機(jī)、洗衣機(jī)、空調(diào)和電風(fēng)扇等家電，都是采用單片機(jī)作為處理器，進(jìn)行工作。在工業(yè)領(lǐng)域中一些機(jī)械的控制和環(huán)境信息的采集控制也都是用單片機(jī)進(jìn)行控制，在醫(yī)療設(shè)施和航空航天等高精度領(lǐng)域單片機(jī)也被廣泛應(yīng)用。單片機(jī)是微型計(jì)算機(jī)中極其重要的部分，通常被應(yīng)用在控制領(lǐng)域，STM32F103單片機(jī)使用MCS-51內(nèi)核，具有32個I/O口，8K字節(jié)的FLASH存儲器，512字節(jié)的RAM，只需要使用相應(yīng)的編譯器燒寫程序就可以實(shí)現(xiàn)對外圍器件的控制。它采用了一個較低的電壓，性能很強(qiáng)而且是微小型處理方式，使用起來非常方便的芯片。F013是在F101的基礎(chǔ)上進(jìn)行的增強(qiáng)，是32位的處理核心中功能最好的，它含有特殊的控制端和一些通訊端，十分匹配低消耗的使用場景。103型號的板子采用的內(nèi)核時M3型的，這種嵌入式的處理核心具有很高的性能并且價(jià)格很低耗能又少，頻率還達(dá)到了72MHz，在同一類型的產(chǎn)品中它的能力是最好的，十分符合這次的設(shè)計(jì)。它的內(nèi)部還有128K的快速存儲，從而能夠執(zhí)行很多的程序。它的功能消耗量也很少，相當(dāng)于0.5mA/MHz。圖3.2數(shù)字電壓表頭3.1.2顯示圖3.2數(shù)字電壓表頭我們采用數(shù)碼管作為顯示設(shè)備。數(shù)碼管價(jià)格便宜使用簡單，對不同管腳輸入相對流通的電流就能發(fā)亮，通過數(shù)字能顯示出多種參數(shù)，把溫度、時間、日期等能用數(shù)字表現(xiàn)的數(shù)據(jù)輸入進(jìn)去就能利用數(shù)碼管顯示出來。它在家電電器以及工業(yè)電器上非常普遍，能用到它的地方太多了，比如熱水器、電冰箱、顯示屏、空調(diào)等等都能發(fā)現(xiàn)它的身影。LED數(shù)碼管（）就是很多個發(fā)光二極管組合在一起形成“8”型的數(shù)碼管器件，在內(nèi)部將引線布局完整，再引出各自的筆劃和公用電極就能完成一個封裝。其實(shí)數(shù)碼管就是由7個發(fā)光管組成的8字型，分段一般用字母a,b,c,d,e,f,g,dp（dp表示點(diǎn)）來表示。把數(shù)碼管特定的分段加入電壓，相應(yīng)的段能夠發(fā)光，然后形成肉眼看到的數(shù)字。3.1.3避障方案1:使用超聲波模塊超聲波模塊通過發(fā)射具有特征頻率的超聲波對被攝目標(biāo)進(jìn)行探測，通過計(jì)算從發(fā)射超聲波到接受到超聲波所用的時間，換算出距離，超聲波探測器探測距離遠(yuǎn)，測距方便。但由于聲波易受環(huán)境的影響，如風(fēng)速、溫度等，且使用復(fù)雜，故不采用該方案。方案2：使用紅外避障模塊其具有一對紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測方向遇到障礙物（反射面）時，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，綠色指示燈會亮起，同時信號輸出接口輸出數(shù)字信號（一個低電平信號），可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離，有效距離范圍2～30cm。該傳感器模塊對環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，且探測距離可以通過電位器調(diào)節(jié)，具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點(diǎn)，因此采取這一方案。圖3.3HI-IR2紅外避障模塊為了實(shí)現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)障礙物后能自動避讓，需要智能小車能夠?qū)崟r的監(jiān)測路面狀況信息，在遇到障礙物之前，能夠通過小車的紅外接收裝置發(fā)射紅外信號，并將路面的情況以數(shù)據(jù)信息的形式反饋給小車的控制系統(tǒng)，單片機(jī)根據(jù)得到的電平信號內(nèi)容進(jìn)行處理，并讓其判斷路面情況進(jìn)行處理。這兩部分的路面信息采集使用到了圖3.3中HJ-IR2紅外避障模塊圖3.3HI-IR2紅外避障模塊3.1.4循跡智能小車的循跡功能也是通過紅外線探測系統(tǒng)收集路面的軌跡線信息的，具備較強(qiáng)的適應(yīng)能力，能夠在光照條件不好的狀態(tài)下準(zhǔn)確檢測地面的軌跡線，并實(shí)現(xiàn)自動化的循跡功能，循跡傳感器模塊在智能小車和機(jī)器人等眾多自動化裝置中被廣泛應(yīng)用。傳感器中起到測量作用的硬件是紅外線發(fā)射管和接收管，支持調(diào)節(jié)發(fā)射紅外線的頻率。3.1.5電源方案1：采用干電池組進(jìn)行供電采用四節(jié)干電池降壓至5V后給單片機(jī)及其他邏輯單元供電。干電池使用方便、體積小、價(jià)格低、可任意組合成所需要電壓的直流電源，但它是一種一次性電池。正常工作的電池中,化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),不斷地把正電荷運(yùn)送到干電池的正極。干電池報(bào)廢后,需要集中回收處理,否則會污染環(huán)境。因此放棄這一方案。方案2：采用18650鋰電池組進(jìn)行供電圖3.4鋰電池組智能小車采用鋰電池組進(jìn)行供電這一方案，電池對應(yīng)的型號為18650（如圖3.4），并通過變壓裝置將鋰電池輸出的電壓降至單片機(jī)和其它元器件使用的電壓規(guī)格，該單片機(jī)的電源規(guī)格為5V。采用鋰電池供電的方案能夠保證小車較長時間工作，且電池能夠多次充電可以循環(huán)使用，具有能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在價(jià)格高的缺點(diǎn)。3.2性能分析智能小車的設(shè)計(jì)之初需要進(jìn)行性能分析，需要根據(jù)小車所需要實(shí)現(xiàn)的功能確定小車所需要的模塊和硬件設(shè)備，通過方案對比擇優(yōu)選取。同時在設(shè)計(jì)過程中還需要考慮設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性以及小車系統(tǒng)的可靠性，需要保證運(yùn)行過程具有較強(qiáng)的抗干擾能力。而在實(shí)際工作情況中還有眾多環(huán)境因素的影響，因此要求其具有較好的環(huán)境適應(yīng)能力。該小車需要實(shí)現(xiàn)的功能是自動避障和循跡。3.3本章小結(jié)在這一章從小車所需要實(shí)現(xiàn)的功能開始分析，并以此確定設(shè)計(jì)方案，選擇主要元器件的類型和型號，按照功能模塊的劃分對每一個部分的作用和硬件進(jìn)行分析。4第4章電路設(shè)計(jì)4電路設(shè)計(jì)4.1主控電路設(shè)計(jì)4.1.1STM32F103單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖4.圖4.1STM32F103ZET6這是一款以ARMCortex-M3為核心的芯片，采用的是LQFP-144封裝技術(shù)，為32位微控制器。其主要特點(diǎn)有：片內(nèi)閃存支持在線編程，方便程序的調(diào)試，其中Flash為512KB，RAM為64KBCPU運(yùn)算速度較快，采用數(shù)據(jù)和指令分開傳輸?shù)姆绞?，系統(tǒng)頻率高；能夠在線燒寫編碼好的程序。提供8MHz和40kHz兩種晶振頻率?？梢允褂闷獾木д駷閱纹瑱C(jī)提供計(jì)數(shù)/計(jì)時功能，當(dāng)單片機(jī)掉電后，其備用電源引腳可支持時鐘行走。使用采用紐扣電池的后背寄存器，具有掉電數(shù)據(jù)保存功能。提供較為方便的調(diào)試功能。擁有豐富的接口，便于功能拓展。具有高效的數(shù)模轉(zhuǎn)換能力；需要提供2.0~3.6V的電壓給單片機(jī)。4.1.2最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)作為控制核心，并通過傳感器模塊采集路面信號，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制小車運(yùn)動軌跡等組成最小智能小車系統(tǒng)。4.1.3主控電路在這個系統(tǒng)里面，主控模塊就是一切零件的重中之重，是整個系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)所有零部件和協(xié)同處理各個模塊間的連接與數(shù)據(jù)處理，以此達(dá)到全系統(tǒng)的穩(wěn)步運(yùn)行。本設(shè)計(jì)中選用STM32F103ZET6單片機(jī)為主控模塊來主導(dǎo)系統(tǒng)。智能小車能夠目前自身的運(yùn)行模式找到對應(yīng)的函數(shù)，不同的函數(shù)具有不同的實(shí)際使用功能，比如路面信息采集函數(shù)就能讓主控模塊控制紅外采集裝置將監(jiān)測的路面狀況轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信息發(fā)送給控制器，控制器對數(shù)據(jù)處理后給相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動模塊發(fā)送相對應(yīng)的指令，小車的速度控制使用的是雙極式H型PWM脈寬調(diào)制技術(shù)。4.2顯示電路設(shè)計(jì)顯示電路主要顯示智能小車的狀態(tài)信息，包括鋰電池電量、傳感器的工作狀態(tài)等信息。4.3避障電路設(shè)計(jì)單片機(jī)的輸入輸出接口會接收小車上多個紅外傳感器發(fā)送的信號，并進(jìn)行相應(yīng)的處理和分析對小車運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制指令。1.避障傳感器為提高小車檢測障礙的精度，并能夠有效的做出反應(yīng)，系統(tǒng)采用了多個傳感器，該傳感器為反射式紅外光電傳感器，具有發(fā)射和接收一體的功能。采用接收和發(fā)射一體，主要是因?yàn)檫@樣做可以防止干擾，防止因?yàn)橹車目梢姽鈳淼母蓴_，使抗干擾性能增強(qiáng)。紅外線的最大特點(diǎn)就是反射能力極強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，利用紅外發(fā)射管和接收管的特點(diǎn)我們可以很好的防止周圍可見光的干擾，以便在系統(tǒng)抗干擾力上有較大的提升。對于小車遇到的障礙物，紅外發(fā)射管就發(fā)出同樣的光強(qiáng)，而紅外接收管另一邊所接收到的光強(qiáng)卻不同，所以電壓的輸出值也就不同。當(dāng)檢測到障礙時，有紅外光被反射回，光敏三極管導(dǎo)通，導(dǎo)致輸出為低電平，這樣不僅系統(tǒng)硬件電路簡單，而且信號處理速度快，圖4.2為紅外傳感器[8]。圖4.2紅外傳感器為了能夠保障小車能夠及時檢測到障礙物并防止出現(xiàn)盲區(qū)，系統(tǒng)采用型號為HJ-IR2的近程紅外避障傳感器，其檢測范圍為2-20cm，圖4.3為HJ-IR2的電路圖。圖4.3HJ-IR2電路圖智能小車前部的紅外傳感器始終處于工作掃描狀態(tài)，對路面信息就行掃描，根據(jù)內(nèi)部的算法判斷路面是否有障礙物，障礙物出現(xiàn)后，前面的障礙接收頭能夠收到其反射的紅外信號，將其處理后通過單片機(jī)I/O口傳遞特定的電平信號，這些信號經(jīng)過單片機(jī)處理后會發(fā)出相對應(yīng)的控制指令給驅(qū)動芯片，驅(qū)動芯片接收電平信號控制驅(qū)動模塊停止工作，以此達(dá)到避障功能。圖4.3HJ-IR2電路圖4.4驅(qū)動電路設(shè)計(jì)4.4.1電機(jī)驅(qū)動電路小車采用的是鋰電池供電方案，考慮到電機(jī)啟動瞬間所需電流較大，所以無法由單片機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，因而設(shè)計(jì)單獨(dú)的單機(jī)驅(qū)動模塊，從而保證直負(fù)載較大的流電機(jī)獲得足夠的工作電流。能夠根據(jù)實(shí)際的電壓需求，從電源源頭進(jìn)行調(diào)節(jié)。改驅(qū)動芯片與單片機(jī)之間完全支持，直接連接到輸入輸出口即可，使用起來十分方便。4.4.2驅(qū)動電路的基本功能電機(jī)的啟停以及正常運(yùn)行都是由驅(qū)動電路提供穩(wěn)定的電流，并且通過電流的大小來改變小車運(yùn)行的速度，并利用單片機(jī)向驅(qū)動電路發(fā)送邏輯電平輸出信號控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)和后退動作。4.4.3驅(qū)動原理直流電機(jī)是由直流電源供電，輸入電能，輸出的是機(jī)械能。圖4.4所示為一個典型的直流電機(jī)控制電路。電路得名于“H橋式驅(qū)動電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠。如圖所示，H橋式電機(jī)驅(qū)動電路包括4個三極管和一個電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向[11]。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通。例如，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。該流向的電流將驅(qū)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動。另一對三極管Q2和Q3導(dǎo)通時，電流將從右至左流過電機(jī)，電流將從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動。圖圖4.4H橋式電機(jī)驅(qū)動電路4.4.4驅(qū)動電路圖45L293D驅(qū)動原理圖驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)決定了小車運(yùn)動控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，該方案中使用了L293D驅(qū)動芯片（圖4.5為L圖45L293D驅(qū)動原理圖4.5循跡檢測電路設(shè)計(jì)紅外接收裝置會一直處于工作狀態(tài)，當(dāng)小車在軌未偏離時，接受口收不到被完全吸收的反射光，小車就會一直保持直行運(yùn)動，而如果脫軌，接收到紅外光，小車會做以調(diào)整。例如向右偏移時，小車左端的接收端會受到紅外信號，這些紅外信號需要轉(zhuǎn)化成單片機(jī)能夠處理的電平信號，并根據(jù)這些信號經(jīng)過處理后給驅(qū)動芯片發(fā)出控制讓其左輪進(jìn)行減速，利用左右輪的速度差使小車實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)，重新入軌行駛。向左偏移時同理。該模塊主要涉及到自動檢測計(jì)數(shù)和自動轉(zhuǎn)換技術(shù)。4.6電源電路設(shè)計(jì)圖4.6LM2596S該智能小車的電源使用的是兩節(jié)3.7V的鋰電子電池，因?yàn)樾枰ＷC小車較長時間的工作，同時考慮到步進(jìn)電機(jī)啟動時所需的工作電流是正常工作電流的4-5倍，所以不再適合使用普通1.5V電池，否則會因供壓不穩(wěn)定導(dǎo)致單片機(jī)芯片燒毀，所以不采用。在確定供電方式后，考慮到避障、循跡系統(tǒng)中芯片的工作電壓為5V，并且單片機(jī)工作時需要保持電壓穩(wěn)定，所以需要使用LM2596S穩(wěn)壓芯片（見圖4.6）接收鋰電池輸出的電壓，由于使用的步進(jìn)電機(jī)的額定電壓和電流較大，允許由驅(qū)動電源直接供應(yīng)。圖4.6LM2596S4.7本章小結(jié)從以STM32單片機(jī)為控制核心的最小單片機(jī)系統(tǒng)的組成開始設(shè)計(jì)，按照功能進(jìn)行模塊劃分，并完成相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)，從而小車提供穩(wěn)定的工作電源，實(shí)現(xiàn)信號檢測、避障、循跡等一系列的功能。第七章結(jié)論與展望5控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5.1引言小車的智能避障循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件部分設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，前面章節(jié)的工作內(nèi)容主要是確定硬件的選型以及各個模塊的電路設(shè)計(jì)，而實(shí)現(xiàn)真正的控制功能還需要設(shè)計(jì)相關(guān)的控制軟件。5.1.1一般要求在設(shè)計(jì)控制軟件之前需要理清軟件控制對象和實(shí)現(xiàn)的功能，在此基礎(chǔ)上還需要考慮用戶對系統(tǒng)所提的要求以及程序?qū)嶋H的運(yùn)行環(huán)境與影響。一個高質(zhì)量的程序應(yīng)具備以下幾個特點(diǎn)：1.實(shí)時性在工業(yè)等眾多領(lǐng)域中的控制系統(tǒng)一般都需求實(shí)時控制，因此對軟件的執(zhí)行速度有一定的要求，即程序運(yùn)行所需速度需盡可能快。實(shí)時性即是指應(yīng)用系統(tǒng)軟件的這種需求。2.程序的簡練性程序的簡練性是指程序應(yīng)精簡、凝練，既能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)，又能使程序簡潔。在能夠完成功能和技術(shù)要求的前提下，程序應(yīng)當(dāng)越簡單，則程序占用的存儲空間越小，這樣可減少空間應(yīng)用，降低成本，避免資源浪費(fèi)。3.程序的靈活性、可擴(kuò)展性該要求主要是指設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)程序應(yīng)該具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，在設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)盡量編寫子程序來增加程序的靈活性，當(dāng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的功能需要擴(kuò)展時，程序在原有基礎(chǔ)是否容易修改，即程序的擴(kuò)展性。4.程序的可靠性在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中如果經(jīng)常出現(xiàn)因?yàn)檐浖栴}而產(chǎn)生的故障，那么就失去了程序應(yīng)該具有的可靠性，系統(tǒng)的可靠性在整個系統(tǒng)中是至關(guān)重要的，是決定系統(tǒng)正常工作的保障。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性一方面取決于硬件系統(tǒng)，另一方面也取決于軟件系統(tǒng)。5.1.2設(shè)計(jì)過程在確定了程序設(shè)計(jì)要求后，需要按照以下設(shè)計(jì)步驟依次完成單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)：1.程序設(shè)計(jì)的第一步就是做好規(guī)劃，明確要求，設(shè)計(jì)好程序以及顯示模塊的界面；2.根據(jù)控制問題建立對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，完成問題向模型的轉(zhuǎn)換過程；3.確定算法開展建模過程；4.按照功能劃分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時繪制對應(yīng)的流程圖；5.確定編程語言，為了盡可能縮短編程開發(fā)周期，盡量使用函數(shù)調(diào)用；6.將各個功能模塊子程序組合，并對整體進(jìn)行調(diào)試。5.1.3設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)控制軟件是根據(jù)已有硬件條件和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行的，相當(dāng)于對硬件方案的表達(dá)，轉(zhuǎn)化成單片機(jī)能夠讀懂的語言，但是軟件程序設(shè)計(jì)的好壞同樣會影響小車避障循跡功能實(shí)現(xiàn)的效果，所以需要在設(shè)計(jì)過程中注意以下細(xì)節(jié)：設(shè)計(jì)過程中需要注意不同功能模塊之間的干擾作用，使得軟件具有較強(qiáng)的抗干擾能力，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；軟件程序要做到模塊化和層次化，程序結(jié)構(gòu)清晰；需要根據(jù)已有的存儲空間，注意內(nèi)存控制；軟件布局要清晰易讀；編程中需要注意語言的規(guī)范性，并做好軟件備份工作。5.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照結(jié)構(gòu)將軟件功能劃分成數(shù)據(jù)處理部分和過程控制部分，其中信號數(shù)據(jù)采集后還需要經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)字信號處理后進(jìn)行信號的傳輸；當(dāng)單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后經(jīng)過分析處理后，向小車運(yùn)動執(zhí)行元件發(fā)送控制指令。圖5.1系統(tǒng)軟件流程圖圖5.1系統(tǒng)軟件流程圖5.3主要模塊實(shí)現(xiàn)5.3.1電機(jī)和舵機(jī)驅(qū)動圖5.2電機(jī)驅(qū)動流程圖圖5.2電機(jī)驅(qū)動流程圖5.3.2避障小車在沒有障礙物情況下快速前進(jìn)，同時系統(tǒng)不停掃描I/O口檢測紅外信號，這些紅外信號需要轉(zhuǎn)化成單片機(jī)能夠處理的電平信號，并根據(jù)這些信號經(jīng)過處理后給驅(qū)動芯片，當(dāng)出現(xiàn)障礙物小車停止前進(jìn)并轉(zhuǎn)為后退運(yùn)動狀態(tài)；當(dāng)右側(cè)出現(xiàn)障礙物時，發(fā)出控制讓其左輪進(jìn)行減速，利用左右輪的速度差使小車實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)，然后重新入軌行駛。左側(cè)出現(xiàn)障礙物同理。5.3.3循跡圖5.3循跡流程圖圖5.圖5.3循跡流程圖5.4本章小結(jié)通過功能分析并在模塊化設(shè)計(jì)原則下按照繪制的軟法流程圖完成各個部分的軟件設(shè)計(jì)，同時列出了軟件設(shè)計(jì)過程中的注意事項(xiàng)和程序編寫細(xì)節(jié)。6系統(tǒng)功能測試6.1測試儀器及設(shè)備單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，雖然不同模塊是根據(jù)具體的使用要求設(shè)計(jì)而出的，但是理論設(shè)計(jì)需要經(jīng)過實(shí)際的功能調(diào)試才能保證各個模塊之間的工作正常工作，也有利于在日后使用中出現(xiàn)問題能給出及時的處理，并給與及時的調(diào)整修正。所以有必要對單片機(jī)系統(tǒng)的所有功能進(jìn)行測試，從而檢查出軟硬件設(shè)計(jì)中的出現(xiàn)的錯誤。同時還需要展開上電、掉電測試，這部分主要是檢查硬件中電源的可靠性。1.測試儀器信號發(fā)生器、秒表、萬用表、仿真軟件、示波器、直流穩(wěn)壓電源等。2.測試方法使用萬用表檢查電路設(shè)計(jì)的正確性，主要通過電阻的阻向、電壓、電流等參數(shù)；信號發(fā)生器產(chǎn)生測試信號，檢查傳感器和硬件電路的正確性；系統(tǒng)供電檢測（使用直流穩(wěn)壓電源）;電動小車的產(chǎn)品測試;對模塊程序進(jìn)行仿真測試查找軟件漏洞。圖6.1智能小車6.2系統(tǒng)功能測試思路圖6.1智能小車系統(tǒng)功能測試主要圍繞循跡功能測試和避障功能測試，觀察小車實(shí)際運(yùn)行時的循跡能力以及遇到障礙物時的緊急避讓能力，智能小車的實(shí)物圖如圖6.1所示。循跡測試讓小車跑“8”字型跑道。小車在自制的跑道上測試，跑道為在白色地面用黑顏料畫出路線。小車需能夠在跑道上沿著直線或彎道通過，并且能夠自動辨別十字路向前通行。避障測試當(dāng)小車在前方遇到障礙物時，可以自動向后于東；當(dāng)其在左方遇到障礙物時，可以自動原地向右運(yùn)動；當(dāng)右方遇到障礙物時，小車能夠自動原地向右運(yùn)動。遙控測試按下前進(jìn)或后退按鈕時，小車會向前進(jìn)或向后退；當(dāng)按下左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)按鈕時，小車會左右轉(zhuǎn)彎；當(dāng)沒有按下任何按鈕時，小車停止運(yùn)動。6.3系統(tǒng)測試結(jié)果及分析1.按下開機(jī)按鈕，顯示模塊顯示電源電壓為7.2V，在正常的電壓范圍內(nèi)，電源電量充足，無異常。。2.進(jìn)行小車遙控控制。將小車平置地面，在沒有按下任何按鍵時，小車無任何運(yùn)動。按下前進(jìn)鍵小車保持前進(jìn)；按下后退鍵小車開始后退；按下左轉(zhuǎn)鍵小車向左轉(zhuǎn)動；按下右轉(zhuǎn)鍵小車向右轉(zhuǎn)動。遙控器需對準(zhǔn)小車，控制距離過近，不能遠(yuǎn)程控制，需改進(jìn)。有遮擋物時，控制效果幾近于無，無遮擋物時，控制靈敏度良好。3.進(jìn)行小車避障試驗(yàn)。為前進(jìn)小車設(shè)置障礙物，小車能夠在碰撞之前停下并后退；當(dāng)障礙物布置在小車左側(cè)，小車能原地向右運(yùn)動；當(dāng)障礙物布置在小車右側(cè)，小車能原地向左運(yùn)動。小車無法在足夠轉(zhuǎn)彎的距離之下感知到前方障礙物，因此只能先后退，無法直接轉(zhuǎn)彎以躲避障礙物。4、進(jìn)行小車循跡實(shí)驗(yàn)。第一此實(shí)驗(yàn)，未設(shè)置遙控功能，小車無法停止，但可以根據(jù)線路自動循跡；第二次試驗(yàn)，加上遙控功能，小車可停止，但只能根據(jù)遙控命令進(jìn)行運(yùn)動，無法自動循跡。如何二者合一有待改進(jìn)。6.4本章小結(jié)在完成小車軟硬件方面的設(shè)計(jì)后，需要保證所設(shè)計(jì)小車能夠?qū)崿F(xiàn)智能避障和循跡功能，且控制系統(tǒng)在工作時保持穩(wěn)定，所以展開了一系列的測試，并就測試結(jié)果進(jìn)行分析和判斷。結(jié)論與展望7.1結(jié)論本設(shè)計(jì)選用了穩(wěn)定性比較好，簡單易學(xué)的STM32F103單片機(jī)，利用傳感器構(gòu)成的信號檢測電路實(shí)時檢測電動小車的運(yùn)行位置、運(yùn)行狀況，單片機(jī)接收并處理信號檢測電路檢測到的各種數(shù)據(jù)和遙控器發(fā)出的信號，然后由單片機(jī)發(fā)出指令，小車從而實(shí)現(xiàn)智能控制。該智能小車最終能夠完成遙控器的無線控制，并且能夠自動實(shí)現(xiàn)避障功能，且能夠精確停車。7.2展望本智能小車可用于汽車，減少車禍?zhǔn)鹿实陌l(fā)生。當(dāng)駕駛員因忽感不適或疲憊困乏而降低警惕忽視路況時，避障可有效阻止因駕駛員在此類狀態(tài)下撞車等意外的發(fā)生，避障加循跡甚至可用于無人駕駛汽車，設(shè)置行程路線而后自動駕駛，如若加上遠(yuǎn)程遙控監(jiān)視，可方便家人幫助行動不便的人外出且能實(shí)時了解狀況。本智能小車可用于倉庫無人搬運(yùn)，減少人流量，增加效率；亦可用于探索開發(fā)海洋、月球及其他人類難以涉足之地，即其在科學(xué)考察方面具有很重要的應(yīng)用地位。智能小車在眾多領(lǐng)域?qū)⒔杂兄卮蟮牡匚?，具有誘人的前景和絕大的潛力。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)胡亞琦.單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2010.郎建軍.基于Proteus的單片機(jī)可視化軟硬件仿真[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2006.張毅剛.基于C51編程的Pr