基于單片機STC89C52的多功能玩具小車設計

基于單片機STC89C52的多功能玩具小車設計,基于,單片機,stc89c52,多功能,玩具,小車,設計 畢業(yè)設計（論文） 題 目 基于單片機 STC89C52 的多功能智能小車設計 畢業(yè)設計（論文） I 摘 要 本文介紹了一種利用 AT89S52 單片機為控制核心，結(jié)合多種傳感器以及 PID 算法 實現(xiàn)無線控制、循跡、尋光和自動跟蹤的智能小車。智能小車通過無線遙控實現(xiàn)前進 后退和轉(zhuǎn)向行駛。利用反射式光電傳感器檢測黑線實現(xiàn)小車循跡，利用超聲波傳感器 檢測道路上移動的目標，控制電動小汽車的自動跟蹤它，整個系統(tǒng)具有自動尋跡、尋 光和速度測試功能。其中，控制部分采用 STC89C52 STC89C52 是一款 8 位單片機，它 的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評。電機驅(qū)動采用常用的 PWM 方式進行電 機的調(diào)速控制，小車的速度通過液晶屏來顯示。整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)較簡單，可靠性 能高，能滿足各種設計的要求。隨著我國高科技水平的不斷提高和工業(yè)自動化進程的 不斷推進，智能小車被廣泛應用于各種玩具和其他產(chǎn)品的設計中，極大地豐富了人們 的生活。 關(guān)鍵詞: 單片機；PWM 調(diào)速；循跡跟蹤；尋光 畢業(yè)設計（論文） II Abstract This paper introduced an kind of intelligent car that use AT89S52 SCM as control core , combine with multiple sensors and PID control algorithm to achieve the function that wireless control ,find track,search light and follow-up tracing .the electrical caruse wireless control to make car go forward, go backward or turn around. the electrical car uses reflective photoelectric sensor to detect black line to achieve track-finding, uses ultrasonic sensors to detect moving target on the road to following it automatically.The entire system has the function that trace route automatically,find light and test speed .Among them, STC89S52 which has 8-bit single-chip is used as the control part.Because of useing easily and having multi-function ,it suffers large users. The motor driver uses the common way--PWM for the motor controlling speed. the speed of car is displayed by the LCD screen .The circuit structure of the whole system is relatively simple, high reliability, and it can meet the requirements of the various design.With the continuous improvement of high technology and the stead process in industrial automation in our country,the Intelligence-car which gradually access to people's attention has been widely applied to design a variety of toys and other products,which greatly enriched people's lives. KEY WORDS: SCM；PWM speed adjusting; Track finding and follow-up tracing; Find light 畢業(yè)設計（論文） III 畢業(yè)設計（論文） 目 錄 摘 要 .I ABSTRACT.II 第 1 章 緒論.1 1.1 選題的背景與意義 1 1.1.1 國外智能車輛的現(xiàn)狀研究.1 1.1.2 國內(nèi)智能車輛的現(xiàn)狀研究.1 1.1.3 選題意義.2 1.2 本設計的內(nèi)容及意義 2 1.2.1 設計的內(nèi)容.2 1.2.2 本設計的意義.3 1.3 主要難點和解決的方法 .3 1.4 研究方法、手段及步驟 .3 第 2 章 方案設計與論證.5 2.1 創(chuàng)新點 5 2.2 總體體設計方案 5 2.3 小車的方案設計與論證 .6 2.4 驅(qū)動電機模塊的選定 .6 2.5 尋跡傳感器模塊的選定 .7 2.6 光源傳感器模塊的選定 .7 2.7 電源模塊的選定 .7 2.8 跟蹤模塊選定 .8 2.9 控制方式選定 .8 2.10 最終方案 .9 第 3 章 機械系統(tǒng)的設計.10 3.1 小車車體 .10 3.2 減速電機 .10 3.2.1 減速電機安裝.10 3.2.2 減速電機的安裝校核.12 畢業(yè)設計（論文） 3.2 萬向輪 .14 3.2.1 萬向輪組裝.14 3.2.2 萬向輪輪軸的安裝校核.15 3.3 模塊組裝 16 3.3.1 循跡模塊組裝16 3.3.2 尋光模塊的組裝.17 3.3.3 超聲波距離傳感的固定.17 3.3.4 電源的放置.18 3.3.5 主板模塊的安裝.18 3.4 小車整體組裝圖 .19 第 4 章 硬件設計.22 4.1 系統(tǒng)工作原理及功能簡介 22 4.2 單片機控制電路 .22 4.3 電機驅(qū)動電路 .24 4.3.1 驅(qū)動電路.24 4.3.2 PWM 調(diào)速原理26 4.4 循跡檢測電路 .26 4.5 穩(wěn)壓電路 .28 4.5.1 穩(wěn)壓芯片簡介.28 4.5.2 系統(tǒng)供電單元介紹.28 4.6 光源檢測電路 .29 4.7 自動跟蹤 .30 4.7.1 超聲波傳感器檢測電路.30 4.7.2.超聲波測距原理.31 4.8 液晶顯示電路 .32 4.9 智能小車整體設計 .33 第 5 章 智能小車軟件部分.36 5.1 軟件調(diào)試平臺 .36 5.2 系統(tǒng)軟件流程 .37 5.3 系統(tǒng)軟件各模塊程序 .38 5.3.1 主程序.38 畢業(yè)設計（論文） 5.3.2 宏定義.39 5.3.3 紅外接收.40 5.3.4 藍牙接收.41 5.3.5 循跡.42 5.3.6 自動跟蹤.43 5.3.7 尋光.45 5.4 手機上位機 .48 5.4.1 概述.48 5.4.2 功能.48 5.4.3 實現(xiàn)界面.49 5.4.4 程序流程圖.49 第 6 章 調(diào)試.51 6.1 調(diào)試方法 51 6.2 測試結(jié)果與分析 .51 參考文獻.53 致 謝.55 畢業(yè)設計（論文） 1 第 1 章 緒論 1.1選題的背景與意義 智能化作為現(xiàn)代社會發(fā)展的趨勢，是以后的發(fā)展方向，他可以按照自己設定的模 式在一個設定環(huán)境里自動的運行，不需要人為管理，便可以完成設想所要達到的目的。 遙控小車需要人不斷的控制個種動作，有的遙控車還能控制其速度，而智能小車可以 通過計算機編程來實現(xiàn)其對各種動作的控制，如停車，前進，后退等。是一個集環(huán)境 感知、規(guī)劃決策，自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，無需人工干預，它集中地運用 傳感、計算機信息、導航、 、通信、自動控制及人工智能等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜 合體。 1.1.1 國外智能車輛的現(xiàn)狀研究 國外智能車輛的研究歷史較長，始于上世紀 50 年代，它的發(fā)展歷程大致可以分為 三個階段。第一階段：20 世紀 50 年代是智能車輛研究的初始階段。1954 年美國 Barrett Electronic 公司研究開發(fā)出了世界上第一臺自主引導車系統(tǒng)；第二階段：在 歐洲，普羅米修斯項目于 1986 年開始了在這個領域的探索，在美洲，美國于 1995 年 成立了國家自動高速公路系統(tǒng)聯(lián)盟，其目標之一就是研究發(fā)展智能車輛的可行性，并 促進智能車輛技術(shù)進入實用化，設計和制造智能車輛的浪潮席卷了全世界，一大批世 界著名的公司開始研制智能車輛平臺；第三階段：90 年代開始，智能車輛進入了大規(guī) 模、深入、系統(tǒng)的研究階段，其中美國卡內(nèi)基-梅隴大學機器人研究所一共完成了 Navlab 系列的自主車的研究。 目前，智能車輛的發(fā)展正處于第三階段，這一階段的研究成果代表了當前國外智 能車輛的主要發(fā)展方向。 1.1.2 國內(nèi)智能車輛的現(xiàn)狀研究 相比于國外，我國開展智能車輛技術(shù)方面的研究起步較晚，開始于 20 世紀 80 年 代。我國在智能車方面的研究上落后于發(fā)達國家，存在一定的技術(shù)差距，但是我國也 取得了一系列的成果，例如，中國第一汽車集團公司和國防科技大學機電工程與自動 化學院在 2003 年研制成功了我國第一輛自主駕駛轎車。再例如應用現(xiàn)代控制理論，上 海交通大學設計出了一種自動駕駛汽車模型，可以自動駕駛，還有吉林大學設計并制 畢業(yè)設計（論文） 2 造了一輛用 CCD 識別地面鋪設的條狀路標導航的智能車輛，車輛由避障圖像識別、制 動、轉(zhuǎn)向、行駛和其他輔助系統(tǒng)組成。 1988 年，清華大學計算機系智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室開始研制的 THMR 系列 移動機器人取得了很大的成功，在 862 計劃的資助下，取得了豐碩的成果，它有面向 高速公路和一般道路的功能，目前能夠在校園非結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境下進行自主行駛道路 同時實現(xiàn)了跟蹤和避障。 也是智能交通系統(tǒng) ITS 的關(guān)鍵技術(shù)之一也是智能車輛研究。目前，國內(nèi)的許多科 研院和高校都在進行 ITS 關(guān)鍵設備、技術(shù)的研究，我國已形成了一支 ITS 技術(shù)研究開 發(fā)的專業(yè)技術(shù)隊伍。相信經(jīng)過努力，我國 ITS 及智能車輛的技術(shù)水平一定會得到很大 的提高。 1.1.3 選題意義 隨著人們物質(zhì)文化生活水平的不斷提高，智能化的電子玩具深受人們的喜愛，尤 其是各種智能小車，由于這類玩具具有較好的交互性，可控性，能夠給人們帶來很好 的娛樂以及參與其中的體驗，高科技智能化的電子類玩具逐漸成為市場的主流。與此 同時，智能小車可以應用于考古、機器人、醫(yī)療器械等許多方面，有很好的發(fā)展前景。 因此，智能化小車的研究不僅具有很大的現(xiàn)實意義，還具有極為廣闊的應用前景和市 場價值。世界各國在智能微型車領域進行了很多研究，己經(jīng)應用于各個領域，在探測 和軍事領域使用特別多。近年來，我國也開展了很多研究工作，以滿足不同用途的需 要?？梢灶A計，我國飛速發(fā)展的經(jīng)濟實力將為智能車輛的研究提供一個更加廣闊的前 景。因此，對智能小車進行深入細致的研究，不但能加深課堂上學到的理論知識，更 能將理論轉(zhuǎn)化為實際運用，為將來打下堅實的基礎。 1.2本設計的內(nèi)容及意義 1.2.1 設計的內(nèi)容 本設計的智能電動小車具有自動尋跡、尋光、避障、速度檢測功能，可程控行駛 速度、準確停車。 整體設計可以分為如下幾個模塊，控制核心采用 MCS-51 系列中的 AT89S52 單片機， 循跡避障是通過傳感器實現(xiàn)的，利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙，控制小車的自 動避障，從而發(fā)出避障信號。整個系統(tǒng)具有自動尋跡、尋光和速度測試功能。電機驅(qū) 動采用常用的 PWM 方式進行電機的降壓調(diào)速控制，小車的速度通過液晶屏來顯示。軟 畢業(yè)設計（論文） 3 件中主要用到工業(yè)中常用的 PID 控制算法。整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)較簡單，可靠性能高。 實驗測試結(jié)果滿足要求。 1.2.2 本設計的意義 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)注。全國電子大賽 和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目 的研究?？梢娖溲芯恳饬x很大。本設計就是在這樣的背景下提出的，本題目是結(jié)合科 研項目而確定的設計類課題。本設計就采用了比較先進的 C51 為控制核心， C51 采用 CHOMS 工藝，功耗很低。該設計具有實際意義，可以應用于考古、機器人、醫(yī)療器械等 許多方面。尤其是在足球機器人研究方面具有很好的發(fā)展前景；在考古方面也應用到 了超聲波傳感器進行檢測。所以本設計與實際相結(jié)合，現(xiàn)實意義很強。單片機的應用 領域越來越廣泛，無論是在生活，生產(chǎn)上，單片機無處不在。ATMEL 公司的 AT89S51 單 片機可以廣泛應用于計算機外部設備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通訊設備、家用電 器等各個領域。AT89S51 可以說是單片機領域的主流產(chǎn)品 ，其應用如此廣泛，所以有 必要去學習和應用該單片機，以滿足實際產(chǎn)品開發(fā)的需要，也是適應社會智能化、自 動化的趨勢。 通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設計并實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力。在實踐過程中， 熟悉以單片機為核心控制芯片，設計小車的檢測、驅(qū)動和顯示等外圍電路，采用智能 控制算法實現(xiàn)小車的智能循跡。靈活應用機電等相關(guān)學科的理論知識，聯(lián)系實際電路 設計的具體實現(xiàn)方法，達到理論與實踐的統(tǒng)一。在此過程中，加深對控制理論的理解 和認識。 1.3 主要難點和解決的方法 主要難點： (1)小車速度的控制。 (2)各檢測模塊在小車上的組裝。 (3)自動跟蹤時小車的搖擺問題。 解決方法： (1)拋棄電壓調(diào)速方案，改用調(diào)節(jié)占空比的方法。 (2)有螺絲孔的模塊用螺絲固定，不提供孔的用封窗戶的雙面膠來固定。 (3)減少傳感器的檢測周期，優(yōu)化程序算法。 畢業(yè)設計（論文） 4 1.4 研究方法、手段及步驟 硬件方面，電路板的制作和調(diào)試是關(guān)鍵，它是設計成功的根基。軟件方面，光電 傳感器對當前的路徑的檢測，通過編程使控制器按一定的周期進行采樣檢測，判斷檢 測器的狀態(tài)，并決定小車的應該是左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，還是前進，后退。即小車發(fā)現(xiàn)需尋跡 的線路后，能夠自行繞著該線路行走而無需用戶干預。 對于傳感器的研究： 1、查找、收集需要使用的各類傳感器控制的有關(guān)資料，學習掌握單片機編程、接 口技術(shù)的具體運用。 2、對單片機控制傳感器的方式進行分析，編寫控制程序。 3、對控制程序進行調(diào)試，完成設計方案，設計出電路原理圖。 4、通過試驗分析硬件，完成硬件實物及軟硬件功能的調(diào)試。 畢業(yè)設計（論文） 5 第 2 章 方案設計與論證 2.1創(chuàng)新點 1．Pcf8591AD轉(zhuǎn)換芯片，通過兩個紅外接收管將接受到的的紅外光轉(zhuǎn)換成數(shù)字0- 255的信號，通過I2c總線與stc8591單片機連接進行數(shù)據(jù)傳輸，從而判斷光源的的強度 和方向。 2.整個尋找光源過程采用Android手機作為上位機，上位機與下位機通過藍牙進行 通信。形象的顯示尋找光源的過程，其最大特點和優(yōu)勢是界面友好，通信穩(wěn)定。 3.根據(jù)小車需要和實際情況，自行設計傳感器，不僅花費較少，而且使用效果好。 4.小車車體結(jié)構(gòu)好，完全自主設計，小車采用單層結(jié)構(gòu)，分放不同模塊的元件， 調(diào)試過程和修改過程相對簡單。 5.使用以7805芯片為核心的穩(wěn)壓設計，以L298為核心的電機驅(qū)動設計，保證系統(tǒng) 的穩(wěn)定性。 2.2總體體設計方案 總體方案為：整個電路分為驅(qū)動電機模塊、尋跡傳感器模塊、單片機控制模塊、 光源傳感器模塊、超聲波傳感器模塊、無線控制模塊六個模塊。 畢業(yè)設計（論文） 6 圖2-1 系統(tǒng)框圖 2.3 小車的方案設計與論證 方案1：自己制作電動車,自己制作車體，組裝合適的電機及電機驅(qū)動板，自制探 測器，并利用開發(fā)板做控制驅(qū)動小車。但自己制作的小車，車體會比較粗糙，車身重 量、平衡，小車的電路設計，這些都比較難良好地實現(xiàn)。 方案2：購買專用電動車 購買專用電動車具有組裝完整的車架車輪，甚至有完整 的電機裝配和電機驅(qū)動板。用自制探測器或購買完整探測模塊，并用開發(fā)板控制小車 運動。這種專用電動車裝配緊湊，各種所需電路的安裝十分方便，看起來也比較美觀。 而且，用專用電動車具有完整的電機裝配和電機驅(qū)動，這用就省去了對電機傳動和電 機驅(qū)動的設計和實現(xiàn)。 綜合考慮，我們選定了方案2作為我們的初步方案。 2.4 驅(qū)動電機模塊的選定 方案1：采用步進電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機 利用步進電機的準確定長步進性能 方便的實現(xiàn)調(diào)速和方向的偏轉(zhuǎn)，且能準確的測量速度、路程以及時間，簡化編程和硬 件連接的工作量。但步進電機的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速 時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度的系統(tǒng)。 方案2：采用直流電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機，直流電機的控制方法比較簡單，只 需給電機的兩根控制線加上適當?shù)碾妷杭纯墒闺姍C轉(zhuǎn)動起來，電壓越高則電機轉(zhuǎn)速越 高。而且改變正負極可方便的改變電機轉(zhuǎn)動的方向，方便改變小車的行進狀態(tài)。對于 畢業(yè)設計（論文） 7 直流電機的速度調(diào)高，可以采用改變電壓的方法，也可采用PWM調(diào)速方法。PWM調(diào)速就 是使加在直流電機兩端的電壓為方波形式，通過改變方波的占空比實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的 調(diào)節(jié)。 與其它調(diào)速系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點： 1. PWM從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。 2. 對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點。 3．由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。 4．主電路簡單，所用功率元件少。 5．低速性能好，穩(wěn)定精度高，調(diào)速范圍寬。 綜合考慮，本設計采用了方案2。 2.5 尋跡傳感器模塊的選定 方案1：采用發(fā)光二極管+光敏電阻，該方案缺點明顯：易受外界光源的干擾，有 時檢測不到黑線，光敏電阻的靈敏性不強是產(chǎn)生種情況的主要原因。而且外界的可見 光對系統(tǒng)的影響很大，使系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。 方案2：采用紅外光電對管，由于采用紅外線，可見光干擾少，又只需分辨黑白， 紅外光電對管有一個管發(fā)射紅外線一個用于紅外線接收，當紅外線照射到黑線上時不 會發(fā)射回來，當紅外線照射到白色的地方就會返回，光電對管發(fā)射的同時也能接收紅 外信號，整個檢測設備簡單，穩(wěn)定性高，速度快。缺點是檢測距離短，優(yōu)點是成本低， 易于操作。 根據(jù)以上分析我們采用方案2。很強的擴展性，使用簡單，靈活性高且價廉。所有 我們直接采用STC89C52作為主控芯片。 2.6 光源傳感器模塊的選定 方案1：采用兩個熱敏電阻作為核心的傳感器，實驗中發(fā)現(xiàn)在一定距離范圍內(nèi)，空 氣溫度變化非常小，熱敏電阻幾乎不發(fā)生任何變化。 方案2：采用兩個光敏電阻作為核心的傳感器，利用光敏電阻對不同距離及不同強 度的光照均有較好的光敏特性來將外界光信號轉(zhuǎn)換成電信號，提供給單片機進行相關(guān) 判斷操作。實驗中我們發(fā)現(xiàn)這種方案有很大的缺點，抗干擾能力極差，而且誤差偏大， 畢業(yè)設計（論文） 8 不能準確測定光源位置。 方案3：采用紅外接收二極管，紅外接收二極管將外界紅外光的變化轉(zhuǎn)化為電流的 變化，通過 pcf8591A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號反映為 0~255 范圍內(nèi)的數(shù)字信號。外界紅 外光越強，數(shù)值越小，根據(jù)數(shù)值的變化能判斷紅外光線的強弱,從而能判別出光源的遠 近。傳感器可以用來探測光源，探測角度達60度，其中紅外光波長在940納米附近時， 其靈敏度達到最大。 鑒于以上3種方案的比較，我們選擇方案3。 2.7 電源模塊的選定 在本系統(tǒng)中，需要用到的電源有單片機的5V，L298N芯片的電源5V和電機的電源7- 25V。所以需要對電源的提供必須正確和穩(wěn)定可靠。 方案1：采用UT-3W提供的電源方案為電機供電，通過穩(wěn)壓芯片提供的電源接口為 單片機提供電源。優(yōu)點：簡單方便。 方案2：用六節(jié)干電池為整個系統(tǒng)供電，再轉(zhuǎn)換為電機和單片機需要的電壓。 基于系統(tǒng)的穩(wěn)定性考慮，我選擇了方案1。 2.8 跟蹤模塊選定 為了跟蹤前方移動的物體，需要先檢測前方的物體，所以首先選定檢測的傳感器。 方案一：采用二只紅外對管分別放于小車的前端兩側(cè)，但是此方案檢測的距離比較近， 在晴天的時候，尤其是太陽光線的干擾嚴重。 方案二：采用二只超聲波距離傳感器分別置于小車的前端兩側(cè)，方向與小車前進方向 平行，對小車與目標相對距離和方位能作出較為準確的判別和及時反應，而且檢測距 離遠，檢測距離準確，無干擾，兩個傳感器能夠很好的配合實現(xiàn)移動物體的跟蹤。 兩種方案的區(qū)別見表 2-1。 表 2-1 移動物體檢測系統(tǒng)方案對比 紅外檢測 超聲波檢測 畢業(yè)設計（論文） 9 檢測距離 精確度 受外界環(huán)境干擾程度 硬件電路 成本 4-10cm 1cm 易受外界環(huán)境干擾 所需元器件少，尺寸小， 8 元左右 0.10-4.00m 1cm 不易受外界環(huán)境干擾 稍復雜，安裝簡便 6 元左右 從 2-1 表可以看出，紅外檢測較近，超聲波檢測距比較遠，不容易受外界光線干 擾，當小車在行駛時，檢測移動的物體，顛簸，太陽光、燈光可能會對采集的信息產(chǎn) 生影響。故模塊選擇超聲波檢測模塊。 2.9 控制方式選定 方案 1：有線的按鍵方式或車體上的按鍵控制能夠控制小車的移動和功能，簡單， 成本低，但是在控制的過程不方便，或者控制線會影響小車的運行。 方案 2：無線控制能夠遠距離的控制小車的運行以及功能選擇，硬件電路和編程相 對復雜但對智能小車控制更加的得心應手。 在這里我們選擇方案 2，應用紅外控制和藍牙控制兩種選擇，紅外無線控制不需要 連接，即能夠控制，方便快捷。藍牙控制可以通過鏈接藍牙手機或藍牙電腦通過形象 的界面控制，更加的人性化。 2.10 最終方案 經(jīng)過反復論證，我們最終確定了如下方案： 1．車體是購買組裝小車。 2．采用STC89C51單片機作為控制核心。 3．采用8V電源供電。 4．用紅外探測傳感器作為尋跡傳感器。 5．采用紅外接收管和PCF8591型號A/D轉(zhuǎn)換芯片制作光源傳感器。 6. 采用超聲波距離傳感器來實現(xiàn)自動跟蹤。 7．Andriod手機上位機顯示狀態(tài)。 畢業(yè)設計（論文） 10 第 3 章 機械系統(tǒng)的設計 3.1 小車車體 本題目要求小車的機械系統(tǒng)穩(wěn)定、靈活、簡單，而三輪運動系統(tǒng)具備以上特點。 驅(qū)動部分：由于玩具汽車的直流電機功率較小，而小車上裝有電池、電機、電子 器件等，使得電機負擔較重。為使小車能夠順利啟動，且運動平穩(wěn)，在直流電機和輪 車軸之間加裝了三級減速齒輪。 電池的安裝：將電池放置在車體的電機前后位置，降低車體重心，提高穩(wěn)定性， 同時可增加驅(qū)動輪的抓地力，減小輪子空轉(zhuǎn)所引起的誤差。簡單，而三輪運動系統(tǒng)具 備以上特點 。 畢業(yè)設計（論文） 11 圖 3-1 三輪小車 3.2 減速電機 3.2.1 減速電機安裝 減速電機是小車的動力源，參數(shù)如下所示： 1.工作電壓: 3V～9V DC(建議工作電壓在 6 到 8V 左右) 2.最大扭力: (3V 時)cmkg?8.0 3.減速比: 1:48 4.負載電流: 70mA (250mA MAX)(3V 時) 5.速度： 5V 空載轉(zhuǎn)速：208 轉(zhuǎn)/分鐘； 5V 空載安裝直徑 66 毫米車輪后的速度：44 米/分鐘； 8V 空載轉(zhuǎn)速：325 轉(zhuǎn)/分鐘; 8V 空轉(zhuǎn)安裝直徑 66 毫米車輪后的速度：68 米/分 鐘； 6.8V 扭矩：2.1KG CM； 該電機用 8V 電壓，動力強勁，小車部分尺寸如下所示。 畢業(yè)設計（論文） 12 圖3-2 減速電機尺寸 減速電機安裝在小車底盤上，減速電機上有2m 的四個孔，用 M2*8的自攻螺絲鏈接 在小車底盤上如圖所示。 圖 3-3 減速電機安裝 圖 3-4 安裝孔尺寸 3.2.2 減速電機的安裝校核 智能小車采用 8v 的電源電壓，電機也采用 8V 驅(qū)動電壓，動力強勁 8V 空轉(zhuǎn)安裝直 徑 66 毫米車輪后扭矩 2.1 ?？芍獌奢喛傭?qū)動力：cmkg? 畢業(yè)設計（論文） 13 F1=2TLg （3-1） 其中 車輪扭矩 T=2.1 cmkg? 車輪半徑 L=3.3cm 可知兩個輪總驅(qū)動力： NF8.135.9.2??? 減速電機安裝在小車底盤上，固定主要用四個自攻螺絲，自攻螺絲主要受到剪切應 力，當前方阻擋了小車后，此時螺絲受到最大的剪切應力。 切應力強度校核： （3-2）??QmPaA?? 式中 Q——自攻螺絲所受剪切力（N） A——自攻螺絲橫截面積(mm 2) 實際計算要考慮到有八個自攻螺絲，就有 8 個剪切面所以有： （3-3）N FQ0.17? 自攻螺絲橫截面積： A=πR 2=3.14 12=3.14mm2 （3-4）? 表 3-1 拉、壓許用應力 ??? 材料 Q235 Q255 Q275 Q295 Q345 Q390 20 35 45??? 190 205 245 195 235 245 205 265 300 材料 40Cr 20CrM o 35CrM o 42CrM o 20CrMnMo ZG25 ZG35 QT600- 3 QT700- 2??? 490 440 490 540 590 225 250 225 350 材料 QT400- 15 HT200 HT150??? 200 110~8 0 60~90 自攻螺絲為 Q235,查表 3-1 可知許用拉、壓應力為[τ]=190mpa。 畢業(yè)設計（論文） 14 許用剪應力 塑性材料 =0.6~0.8 許用拉應力；脆性材料 =0.8~1.0 許??-???? ??? 用拉應力 Q235 為塑性材料，所以許用剪應力： [τ]=0.6 190mpa=154mpa （3-5）? 計算自攻螺絲剪應力： τ 切應力 = =5.4mpa 1; //數(shù)據(jù)最高位補“0” if (N=8) {IRCOM[j] = IRCOM[j] | 0x80;} //數(shù)據(jù)最高位補“1” 畢業(yè)設計（論文） 42 N=0; }//end for k }//end for j lcd_wcmd(0x01); //清除 LCD 的顯示內(nèi)容 switch(IRCOM[2]) { case 0x08:com=IRCOM[2];lcd_wstr(0,lcdcomd);lcd_wstr(0x05,lcdleft); break; case 0x5a:com=IRCOM[2];lcd_wstr(0,lcdcomd);lcd_wstr(0x05,lcdright); break; case 0x18:com=IRCOM[2];lcd_wstr(0,lcdcomd);lcd_wstr(0x05,lcdfomer); break; case 0x52:com=IRCOM[2];lcd_wstr(0,lcdcomd);lcd_wstr(0x05,lcdback); break; case 0x1c:com=IRCOM[2];lcd_wstr(0,lcdcomd);lcd_wstr(0x05,lcdstop); break; case 0x09:com=IRCOM[2];lcd_wstr(0,lcdcomd);lcd_wstr(0x05,lcdtrack); break; case SPEED_UP :speedup(); break; case SLOW_DOWN :speeddown();break; } beep(); EX0 = 1; } 5.3.4 藍牙接收 void ser() interrupt 4 { RI=0; //com_backup=com; com_bluetooth=SBUF; switch(com_bluetooth) { case '4':com=RIGHT; lcd_wstr(0,lcdcomd);lcd_wstr(0x05,lcdright); break; case '6':com=LEFT; lcd_wstr(0,lcdcomd);lcd_wstr(0x05,lcdleft); break; case '2':com=FOMER; lcd_wstr(0,lcdcomd);lcd_wstr(0x05,lcdfomer); break; case '5':com=BACK ; lcd_wstr(0,lcdcomd);lcd_wstr(0x05,lcdback); break; case '7':com=STOP; lcd_wstr(0,lcdcomd);lcd_wstr(0x05,lcdstop); break; case '3':speeddown(); com=0x09; break; case '1':speedup(); break; 畢業(yè)設計（論文） 43 } beep(); flag_io=1; } 5.3.5 循跡 void tracking() //循跡 { uchar flag_lr=0; // uchar turn_n=250; uchar crossrd_n=0;//十字路口 uchar crossrd_sn=3; uchar flag_jcroad ; // init_tk(); //delay_1(1000); uchar souxun; uchar flag_souxun=0; //fomer_ms(1500); angle_fomer(13); while(com==0x16) { delay_ms(5); lcd_pos(0x08); display_3d(zhuanpan); if(TK_L==NX else dleft_ms(5); lcd_wstr(0X40,track_right); lcd_wstr(0X44,track_right); // fomer_ms(10); 畢業(yè)設計（論文） 44 // turn_n--; // if(turn_n==0){flag_lr=0;turn_n=200;} } else if(TK_L==ZX flag_lr=1; fomer_ms(4); lcd_wstr(0X40,track_left); lcd_wstr(0X44,track_right); } else if(TK_L==NX flag_lr=0; fomer_ms(4); lcd_wstr(0X44,track_left); lcd_wstr(0X40,track_right); } else if(TK_L==ZX lcd_wstr(0X40,track_left); lcd_wstr(0X44,track_left); } // tx_canshu(); } } 5.3.6 自動跟蹤 void gengzong() { uchar n=10,zou=2; uint cha; 畢業(yè)設計（論文） 45 init_ceju(); lcd_wstr(0,track_DIS); lcd_wstr(0x40,track_left); lcd_wstr(0x48,track_right); while(com==0x09) { n++; if(n70) { n=0; dst0=conut0(); dst1=conut1(); lcd_pos(0x42); display_d(distance1); lcd_pos(0x4a); display_d(distance0); } delay(5); if(dst0(dst1/10)) right_ms(zou); } else { if(dst0600) { fomer_ms(10); zou=4; } cha=dst1-dst0; // if if(cha(dst0/10)) left_ms(zou); zou=3; } } //顯示 } init_time0(); init_io(); } 5.3.7 尋光 void fun_tracker() { uchar d_value ; uchar left_compare=0,right_compare=0,fomer_n=10; uchar flag_fomer=0; 畢業(yè)設計（論文） 47 uchar display_n=0; uchar adjustLR_n=0; uchar flag_LR=0; while(com_hong==0x44) { //數(shù)據(jù) 處理 獲取 en_l=1;en_r=1; delay_ms(1); read_chanel(); en_l=0; en_r=0; if(light_Hleft=light_Hright) d_value=light_Hleft-light_Hright; else d_value=light_Hright-light_Hleft; //數(shù)據(jù)顯示 if(display_n==10) { if(flag_brush){write_com(1);flag_brush=0;} write_com(0x80); display_d(light_Hleft); display_d(light_Hright); display_d(d_value); display_d(LRD_value1); write_com(0x80+40); display_h(com_hong); //display_d(speed_bus); display_n=0; } display_n++; delay_ms(3);//調(diào)整發(fā)射的占空比 //跟蹤 if((light_Hleft-left_compare=trackD_value1||light_Hright- right_compare=trackD_value1) else d_value=light_Hright-light_Hleft; if(light_Hleft=light_Hright) { left_ms(7); // brake_bus(1); } else { right_ms(7); // brake_bus(1); } adjustLR_n++; flag_LR=1; } if(flag_LR){brake_bus(20);flag_LR=0;} flag_fomer=1; adjustLR_n=0; if(light_Hlefttrack_verson||light_Hrighttrack_verson)//確定在跟蹤最遠距離 // { if(light_Hlefttrack_verson+trackD_value // brake_bus(1); } else brake_bus(30); } else { if(flag_fomer) { fomer_ms(50); flag_fomer=0; // brake_bus(1); } } } } if(com_hong!=0x1c) com_hong=0x44;} } 5.4 手機上位機 5.4.1 概述 本智能滅火小車采用 Android 手機作為上位機，上位機與下位機通過藍牙進行通信。 其最大特點和優(yōu)勢是界面友好，通信穩(wěn)定。 5.4.2 功能 上位機（Android 手機）主要完成兩方面的功能： （1）向下位機（小車）發(fā)送啟動指令。控制小車的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、 畢業(yè)設計（論文） 50 加減速和停止。 （2）向下位機（小車）發(fā)送指令，選擇小車功能。 5.4.3 實現(xiàn)界面 人性化的手機上位機是智能小車控制的一大特點，控制界面如 5-3 所示。 圖 5-3 Android 手機控制界面 5.4.4 程序流程圖 Android 手機程序流程圖如 5-4 所示。 畢業(yè)設計（論文） 51 開始 連接小車 發(fā)送數(shù)據(jù)監(jiān)聽 接收數(shù)據(jù)監(jiān)聽 是否連接成功 向小車發(fā)送啟動指 令 對數(shù)據(jù)分析 判斷發(fā)送指令 判斷有無數(shù)據(jù) 輸入 將發(fā)送結(jié)果 、 數(shù)據(jù) 分析結(jié)果顯示在手 機上 結(jié)束 否 是 有 有 無 無 圖 5-4 Android 手機程序流程圖 畢業(yè)設計（論文） 52 第 6 章 調(diào)試 6.1調(diào)試方法 由于本次實驗電路模塊較多，其中直流電機驅(qū)動模塊，消耗電源電流相對大，我 們8Ｖ電源開始調(diào)試，小車正常運轉(zhuǎn)，在啟動的過程中有打滑現(xiàn)象，并且耗電量特大， 故重新編寫電機啟動程序，讓電機一點一點的啟動，調(diào)整好，不在打滑。 在驅(qū)動板長期高速運行中，我發(fā)現(xiàn)，PWM驅(qū)動板上的 L298N驅(qū)動芯片產(chǎn)生大量的 熱量，很燙。我在驅(qū)動芯片上安裝散熱片，并在PWM驅(qū)動板上涂上了一層散熱膠，驅(qū) 動板即使發(fā)熱，也不會燒壞PWM驅(qū)動板。 系統(tǒng)供電電源為5v穩(wěn)壓芯片7805，有發(fā)熱現(xiàn)象，但單片機消耗電量有限，經(jīng)分析 為循跡傳感器和尋光傳感器一直在開著，經(jīng)修改程序，在不用時，關(guān)閉它們的通路。 6.2 測試結(jié)果與分析 本次調(diào)試主要對小車的速度、循跡、跟蹤物體、尋光進行了測試。每個測試進行 三次。兩次都是在鋪有黑色硬紙條的軌道上進行。 測試儀器： 8V直流電源 秒表 小車在平板紙、水泥地面和有較大褶皺的紙板上進行速度測試，小車速度測試結(jié) 果如表5-1 所示。 表5-1 速度測試 次數(shù) 路況 平紙 板 水泥地面 有較大褶皺的紙板 1 0.70 0.50 0.43 2 0.66 0.55 中途因底盤低而停止 3 0.65 0.53 0.46 在循跡測試中，小車在因速度過快而脫離軌道后仍全部能自行返回原軌道，無須 人為搬回讓人欣喜，循跡測試如表 5-2 所示。 畢業(yè)設計（論文） 53 表5-2 循跡避障測試 項目 次數(shù) 完成時間 （ s） 行駛過程中脫 離軌道次數(shù) 脫離軌道成功返回軌道次數(shù) 1 49 3 3 2 45 5 5 3 42 3 3 跟蹤物體在不動的界面上進行測試，測試結(jié)果如5-2所示，可以看出不平的地面會 對小車跟蹤造成比較大的影響 表5-3 跟蹤移動物體測試 項目 距離 完成時間 （s） 行駛過程中失 去目標 界面 1 60 2 平紙板 2 60 2 水泥地面 3 60 4 有較大褶皺的紙板 點燃一根蠟燭，讓小車去尋找蠟燭，距離越遠小車用的時間越長，但超過8米，小 車不能感應到蠟燭燈額光線。測試結(jié)果如表5-2所示。 表5-4 尋光測試 項目 距離 完成時間 （s） 是否成功 3 5 成功 5 8 成功 8 失敗 根據(jù)測試結(jié)果，可以看出小車各功能能夠基本實現(xiàn)。結(jié)果表明，小車能夠很好的 完成循跡，即使由于速度過快脫離循跡軌道也不影響，小車能夠立即進入軌道。跟蹤 移動物體的測試結(jié)果可以看出不平的地面會對小車跟蹤造成比較大的影響。尋光的過 程也是比較順利，但距離過遠，小車在行駛當中也有可能失去目標。這是由于采用的 算法不夠理想。在實際調(diào)試過程中，小車發(fā)生過程序跑飛的情況，經(jīng)果調(diào)整，改進程 序后，小車運行穩(wěn)定，很少出現(xiàn)跟蹤失敗。 畢業(yè)設計（論文） 54 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，49～66. 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Climbing and Walking Robots, 2006,1(4), 387～397. 畢業(yè)設計（論文） 56 致 謝 本人在做設計期間，得到了徐老師的指導和幫助，多次為我尋找資料，疏通思路， 講解難點。在徐老師的幫助下，我完成了大部分的設計，徐老師以其嚴謹求實的治學 態(tài)度，不斷地給我指出不足和缺點，并在我遇到困難時為我指點迷津，他高度的敬業(yè) 的精神和孜孜以求、兢兢業(yè)業(yè)的工作作風深深的觸動了我。他知識淵博，視野開闊， 我被深深的啟迪。同時徐老師致力要求我自己獨立完成設計，培養(yǎng)我以后做事的獨立 性。 持續(xù)幾個月的忙碌，本次畢業(yè)設計已經(jīng)接近尾聲，雖然不是特別完美，但它凝聚 了多方的心血，作為一個本科生的畢業(yè)設計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周 全的地方，如果沒有導師的督促指導，同學們的支持合作，想要完成這個設計是難以 想象的。和他們的接觸及溝通不僅使我樹立了遠大的學術(shù)目標、掌握了基本的研究方 法，還使我明白了許多待人接物與為人處世的道理。 在此深深得感謝徐老師，和一直在過程中幫助的同學和朋友，感謝你們使得我不 斷的在學習中進步，成長。