智能小車畢業(yè)論文

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1、摘 要 智能作為現(xiàn)代社會的新產物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預先設定的模式在一個特定的環(huán)境里自動的運作，無需人為管理，便可以完成預期所要達到的或是更高的目標。本設計主要體現(xiàn)多功能小車的智能模式，設計中的理論方案、分析方法及特色與創(chuàng)新點等可以為自動運輸機器人、采礦勘探機器人、家用自動清潔機器人等自動半自動機器人的設計與普及有一定的參考意義。同時小車可以作為玩具的發(fā)展對象，為中國玩具市場技術含量的缺乏進行一定的彌補，實現(xiàn)經濟收益，形成商業(yè)價值。 整個小車平臺主要以51單片機為控制核心，通過無線遙控實現(xiàn)前進后退和轉向行駛；通過紅外線傳感器,實現(xiàn)小車的自適應巡航、避障等功能。 設計采用對比選

2、擇，模塊獨立，綜合處理的研究方法。通過翻閱大量的相關文獻資料，分析整理出有關信息，在此基礎上列出不同的解決方案，結合實際情況對比方案優(yōu)劣選出最優(yōu)方案進行設計。 從電機車體，最小系統(tǒng)到無線遙控，紅外線對管的自動尋跡再到紅外線自動避障和語音控制，完成各模塊設計。通過調試檢測各模塊，得到正確的信號輸出，實現(xiàn)其應有的功能。最后將各個調試成功的模塊結合到小車的車體上，結合程序，通過單片機的控制，將各模塊有效整合在一起，達到所預期的目標，完成最終設計與制作，能使小車在一定的環(huán)境中智能化運轉。 關鍵詞：智能，紅外線傳感器，自動尋跡，語音控制，綜合處理 Abstract As a new pr

3、oduct of modern society, intelligence is the trend in future development. It can work in some specific environment according to the mode which sets in advance. Dispensing with behavior adjustment management,but it can achieve the expected， even higher goal. The design mainly reflected a smart-car mo

4、del,The theoretical scheme, analysis method, uniqueness and innovation etc. that pointed in this paper, I think they are will be certain reference value in design and popularity of automatic or semi-automatic robot such as automatic transportation robot, prospecting robot, cleaning household robot e

5、tc.. This car can be used as a model of development of toy, to make up the deficiency of technical content in the chinese toy market,to realize economic profit and to form commercial value. The design takes micro-controller 51 as control center, use wireless control to make car go forward, go backw

6、ard or turn around; use infrared sensor to achieve the function of adaptive cruise and avoiding barriers. Using methods of contrast selection, module independence, integrated treatment; consulting a large number of related literature and data; and listing differnet solution; according to practical

7、situation and choose the best scheme to design. The motor car body, the minimum system and wireless control, the auto-guiding of infrared diode or auto-avioding barriers and voice-control, step by step, the design is forming gradually. And then, debugging and checking every single module, getting

8、the correct signal output. Finally, combining program, conforming every module efficiently to make it work. Key Words: intelligence, infrared sensor, auto-guiding, voice- control, combined processing 目 錄 1 引言 1 2 總體設計 2 2.1 各模塊分析選擇 2 2.1.1 主控單元方案比較與選擇 2 2.1.2 避障單元方案比較與選擇 3 2.1.3 尋跡

9、單元方案比較與選擇 3 2.1.4 遙控單元方案比較與選擇 3 2.1.5 語音控制單元方案比較與選擇 4 2.2 總體設計框圖 4 3 硬件設計 6 3.1 單片機控制模塊 6 3.1.1 時鐘電路 7 3.1.2 復位電路 7 3.1.3 燒寫接口電路 8 3.2 無線遙控模塊 8 3.2.1 無線遙控工作原理 9 3.2.2 PT2262/2272 芯片 10 3.3 紅外對管尋跡模塊 11 3.3.1 模塊系統(tǒng)分析 11 3.3.2 LM393芯片介紹 13 3.4 紅外避障模塊 14 3.4.1 紅外避障電路介紹 14 3.4.2 555芯片工作原

10、理 15 3.5 電機驅動模塊 15 3.6 語音控制模塊 16 4 軟件設計 18 4.1 模糊控制算法 18 4.1.1 模糊理論的發(fā)展 18 4.1.2 模糊控制算法原理 18 4.1.3 智能小車中的模糊控制算法 19 4.2 軟件設計框圖 19 4.3 軟件程序設計部分源程序 20 5 制作和調試 24 5.1 使用的儀器儀表及軟件 24 5.2 系統(tǒng)制作 24 5.3系統(tǒng)調試 24 5.3.1硬件調試 25 5.3.2 軟件調試 27 5.3.3 聯(lián)合調試 27 6 結論與展望 28 致 謝 29 參考文獻 30 附錄1 系統(tǒng)實物圖

11、 31 附錄2 實驗原理圖 32 附錄3 畢業(yè)設計作品說明書 33 35 1 引言 智能化作為現(xiàn)代社會的新產物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預先設定的模式在一個特定的環(huán)境里自動的運作，無需人為管理，便可以完成預期所要達到的或是更高的目標。 中國自1978年把“智能模擬”作為國家科學技術發(fā)展規(guī)劃的主要研究課題，開始著力研究智能化。從概念的引進到實驗室研究的實現(xiàn)，再到現(xiàn)在高端領域（航天航空、軍事、勘探等）的應用，這一過程為智能化的全面發(fā)展奠定基石。智能化全面的發(fā)展是實現(xiàn)其對資源的合理充分利用，以盡可能少的投入得到最大的收益，大大提高工業(yè)生產的效率，實現(xiàn)現(xiàn)有工業(yè)

12、生產水平從自動化向智能化升級，實現(xiàn)當今智能化發(fā)展由高端向大眾普及[1]。從先前的模擬電路設計，到數(shù)字電路設計，再到現(xiàn)在的集成芯片的應用，各種能實現(xiàn)同樣功能的元件越來越小為智能化產物的生成奠定了良好的物質基礎。 本設計以智能化全面發(fā)展的普及與應用為目的，整體開發(fā)過程簡單易懂，所選擇的平臺與各電子元件恰當合理，無需花費過多的人力財力便可達到預期所要求各功能的實現(xiàn)，也符合課題研究的意義。設計的理論方案、分析方法及特色與創(chuàng)新點等可以為國內自動運輸機器人、采礦勘探機器人、家用自動清潔機器人等自動半自動機器人的設計與普及有一定的參考意義。小車也可以作為玩具的發(fā)展對象，為中國玩具市場技術含量的缺乏進行一定

13、的彌補，實現(xiàn)經濟收益，形成商業(yè)價值。同時作為高校畢業(yè)設計研究課題，對學生的思維、動手能力以及總結論述等綜合能力得到充分鍛煉，有利于以后獨立及全面的發(fā)展。 設計主要以簡易智能機器人為開發(fā)平臺，選擇通用、價廉的51單片機為控制平臺，選擇常見的電機模型車為機械平臺，通過細化設計要求，結合傳感器技術、電機控制技術、無線通信技術等相關知識實現(xiàn)小車的各種功能。設計完成以由無線電遙控、紅外線對管的自動尋跡、紅外線自動避障以及語音控制組成的硬件模塊結合軟件設計組成多功能智能小車，共同實現(xiàn)小車的前進倒退、轉向行駛，自動根據地面黑線尋跡導航，檢測障礙物后停止和語音信號的控制等功能，實現(xiàn)智能控制，達到設計目標。

14、 2 總體設計 本課題設計主要是制作一款能進行智能判斷并能做出正確反應的小車。小車具有以下幾個功能：自動避障功能；尋跡功能（按路面的黑色軌道行駛）；無線遙控功能和語音控制。作品既可以對高端智能化進行剖析，也可以作為高級智能玩具發(fā)展對象，同時可成為大學生學習嵌入式控制系統(tǒng)的應用實例。 作品以兩直流電動機為主驅動，通過各類傳感器件來采集各類信息，送入主控單元AT89S51單片機，處理數(shù)據后完成相應動作，以達到自身控制。電機驅動電路采用高電壓，高電流，四通道驅動集成芯片L293D；避障采用紅外線收發(fā)來完成，自動尋跡采用紅外線接收二極管完成；無線遙控則是采用帶有PT2272解碼的TDL-99

15、15接收模塊和帶有PT2262編碼的TDL9988-4發(fā)送模塊完成以及附加功能的語音模塊是以柱極式話筒脈沖波經過處理后完成。最后由控制單元處理數(shù)據后通過匯編程序有序合理的將各模塊信號整合在一起并完成相應動作，實現(xiàn)了智能控制，相當于簡易機器人[2]。 2.1 各模塊分析選擇 通過收集各硬件模塊資料信息，對其進行有效的分析選擇，最終選出最合理的設計方案。 2.1.1 主控單元方案比較與選擇 方案一：采用各類數(shù)字電路來組成小車的控制系統(tǒng)，對外圍避障信號，自動尋跡信號，無線遙控信號，語音控制信號進行處理。本方案電路復雜，靈活性不高，效率低，不利于小車智能化的擴展，對各路信號處理比較困難。 方

16、案二：采用AT89S51單片機來作為整機的控制單元。紅外線探頭采用市面上通用的發(fā)射管與及接收頭，經過比較芯片調制處理后由控制系統(tǒng)接收。路線尋找采用紅外線管對路面信號采集，送到單片機系統(tǒng)處理，同樣包括無線遙控信號和語音控制信號。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來解決復雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡潔化，各類功能易于實現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求[3]。 比較以上兩種方案的優(yōu)缺點，方案二簡潔、靈活、可擴展性好，更能達到題目的設計要求，因此采用方案二來實現(xiàn)。 2.1.2 避障單元方案比較與選擇 方案一：采用超聲波避障，超聲波受環(huán)境影響較大，電路復雜，而且地面對超聲波的反射，會影響系統(tǒng)對障礙物的判斷。

17、 方案二：采用紅外線避障，利用單片機來產生38KHz信號對紅外線發(fā)射管進行調制發(fā)射，發(fā)射出去的紅外線遇到避障物的時候反射回來，紅外線接收管對反射回來信號進行解調，輸出比較電平。外界對紅外信號的干擾比較小，且易于實現(xiàn)，價格也比較便宜，故采用方案二。 紅外線避障方法，利用一管發(fā)射另一管接收，接收管對外界紅外線的接收強弱來判斷障礙物的遠近，由于紅外線受外界可見光的影響較大，因此通過調制信號產生38KHz的載波來減少外界的一些干擾。只要障礙物在限定范圍內就會產生相對的電平供單片機控制，實現(xiàn)避障功能。 2.1.3 尋跡單元方案比較與選擇 方案一：采用發(fā)光二極管發(fā)光，用光敏二極管接收。由于光敏二極

18、管受可見光的影響較大，穩(wěn)定性差。 方案二：利用集成型紅外對管作為尋跡單元的傳感器，其中紅外線發(fā)射管發(fā)射紅外線，紅外線二極管進行接收。采用紅外線發(fā)射，外面可見光對接收信號的影響較小，再用射極輸出器對信號進行隔離。本方案也易于實現(xiàn)，比較可靠，因此采用方案二。 當小車底部的某邊紅外線收發(fā)對管遇到黑帶時，可以檢測到輸入電平為高電平，反之為低電平。結合單片機查詢方式，通過程序控制小車哪邊輪胎轉動來改變方向。這樣不斷循環(huán)檢測，方向控制，使小車按黑線行走。 2.1.4 遙控單元方案比較與選擇 方案一：由發(fā)射和接收兩大部分組成紅外遙控系統(tǒng)，應用編/解碼專用集成電路芯片來進行控制操作，發(fā)射部分包括鍵盤矩

19、陣、編碼調制、LED紅外發(fā)送器；接收部分包括光、電轉換放大器、解調、解碼電路等。相對結構比較復雜，而且使用的時候必須將遙控器前的紅外發(fā)射孔對準接收管才可以。 方案二：無線電遙控也由發(fā)射和接收兩大部分組成，由于無線電遙控模塊在市場上非常普及，加上無線電遙控有傳輸距離遠、抗干擾能力強、無方向性等優(yōu)點，對于小車的控制是一個不錯的選擇[4]。 方案三：超聲波遙控是利用超聲波來傳送指令的遙控，可以應用于需要遙控、遙測的場合。采用AX5326與AX5327等構成的遙控系統(tǒng)具有體積小、功耗低、功能強大、抗干擾能力強等優(yōu)點。但由于超聲波遙控價格相對上面兩種價格較貴，而且對于小車的遙控也太過于夸大化。 結

20、合三種方案，最終選擇用電量、發(fā)射、接受功率都不大，一般的小障礙也可以穿越，而且遙控無方向性的無線電遙控。采用帶有PT2272解碼的TDL-9915接收模塊和帶有PT2262編碼的TDL9988-4發(fā)送模塊完成。 2.1.5 語音控制單元方案比較與選擇 方案一：采用柱極式話筒產生不同的頻率信號來完成聲音提示，經放大整形后產生一個脈沖電平輸入給單片機完成聲音提示功能。但方案給人以提示的可懂性比較差，但在一定程度上能滿足要求，而且易于實現(xiàn)，成本也不高。 方案二：采用DS1420可分段錄放音模塊，能夠給人以直觀的提示，也可以實現(xiàn)更多電平轉換以讓單片機控制，但DS1420錄放音模塊價格比較高，程序

21、編制過程過于復雜，所以方案二性價比不如方案一。 柱極式話筒接收聲波信號，通過三極管放大信號，使信號通過整流的二極管得到一個脈沖信號，并經過74HC04取反后供單片機控制，實現(xiàn)語音控制。 2.2 總體設計框圖 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，其中外部信號有四部分得到：尋跡模塊，避障模塊，遙控模塊和語音模塊。最后把處理結果傳遞給小車電機，使得到相應效果。如圖2-1總體設計框圖 單片機核心控制 語音控制 自動尋跡 避障模塊 無線遙控 電機轉動 圖2-1 總體設計框圖 3 硬件設計 本系統(tǒng)硬件

22、主要有六大模塊組成：單片機控制模塊、無線遙控模塊、紅外對管尋跡模塊、紅外線避障模塊、電機控制模塊和語音控制模塊。 3.1 單片機控制模塊 本模塊采用51系列單片機作為核心處理器。單片機控制系統(tǒng)基本由最小系統(tǒng)和外圍信號I/O口組成，其中最小系統(tǒng)包括電源（地），CPU時序電路（一般使用11.0592M或者12M和30P電容組成），復位電路。有了以上三塊，單片機就能夠正常工作。 ?AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、

23、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。其應用范圍廣，性能良好，可用于解決復雜的控制問題。利用AT89S51的I／O端口對傳感器信號進行實時判斷監(jiān)控來控制步進電機做出相應的反映。如圖3-1是較為常見的帶燒錄接口的單片機最小系統(tǒng)圖。 圖3-1 帶燒錄接口的單片機最小系統(tǒng) 3.1.1 時鐘電路 單片機的時鐘產生有兩種方法：內部時鐘方式和外部時鐘方式。 系統(tǒng)的時鐘電路設計是采用的內部方式，即利用芯片內部的振蕩電

24、路。AT89單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12MHz，電容應盡可能的選擇陶瓷電容，電容值通常取30PF。在焊接刷電路板時，晶體振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。 3.1.2

25、復位電路 復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。片內復位電路是復位引腳RST通過一個觸發(fā)器與復位電路相連，觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機器周期中由復位電路采樣一次。 復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。所謂上電復位，是指計算機加電瞬間，要在RST引腳出現(xiàn)大于10MS的正脈沖，使單片機進入復位狀態(tài)。按鈕復位是指用戶按下“復位”按鈕，使單片機進入復位狀態(tài)[5]。如圖3-2是上電復位及按鈕復位的一種實用電路。 圖3-2 復位電路 上電時，+5V電源立即對單片機芯片供電，同時經電阻R對電容C3充電。C3上電壓建立的規(guī)程就產生一定寬度的負脈沖，經反向后，RST上出現(xiàn)正脈沖使單片

26、機實現(xiàn)了上電復位。按鈕按下時，RST上同樣出現(xiàn)高電平，實現(xiàn)了按鈕復位。在應用系統(tǒng)中，有些外圍芯片也需要復位。如果這些芯片復位端的復位電平和單片機一致，則可以與單片機復位腳相連，因此，非門在這里不僅起了反向作用，還增大了驅動能力，電容C1，C2起慮波作用，防止干擾竄入復位端產生誤動作[5]。 3.1.3 燒寫接口電路 RST置高電平，然后向單片機串行發(fā)送編程命令。P1.7(SCK)輸入移位脈沖，P1.6(MISO)串行輸出，P1.5(MOSI)串行輸入。被燒寫的單片機一定是最小系統(tǒng)（單片機已經接好電源，晶振，可以運行）。如圖3-3 燒寫接口電路。 圖3-3 燒寫接口電路 3.2 無

27、線遙控模塊 此模塊實現(xiàn)了無線電遠距離控制小車的停啟、方向行駛的功能，在整個小車系統(tǒng)中起到不可忽視的作用。 3.2.1 無線遙控工作原理 圖3-4是無線電遙控設備方框圖，由發(fā)射機、接收機及執(zhí)行機構三部分組成。發(fā)射機主要包括編碼電路和發(fā)射電路。編碼電路由操縱器(操縱開關或電位器等)控制，操縱者通過操縱器；使編碼電路產生所需要的控制指令。這些控制指令是具有某些特征的、相互間易于區(qū)分的電信號，例如：用頻率為270Hz的正弦信號作為控制左舵的指令，用頻率為350Hz的正弦信號作為控制右舵的指令，即不同頻率的正弦信號代表不同的控制指令。除了可利用頻率特征外，還可用正弦信號的幅度及相位特征、脈沖信號的

28、幅度、寬度及相位特征以及碼組特征等表示各種指令。 圖3-4 無線電遙控設備方框圖 編碼電路產生的指令信號都是頻率較低的電信號，無法直接傳送到遙控目標上去，還要將指令信號送到發(fā)射電路，使它載在高頻信號(載波)上，才能由發(fā)射天線發(fā)送出去。我們把指令信號載到載波上去的過程叫調制，調制作用由發(fā)射電路的調制器完成。發(fā)射電路的主要作用是產生載波，并由調制器將指令信號調制在載波上，經天線將已調載波發(fā)送出去。接收機由接收電路及譯碼電路組成。接收電路又包括高頻部分及解調器部分。由接收天線送來的微弱信號經接收機高頻部分的選擇和放大后，送到解調器。由于“卸”下來的各種指令信號是混雜在一起的、還要送到譯碼電

29、路譯碼。譯碼電路的工作就象把卸下來的貨物鑒別分類，再分別送到使用場地一樣，它對各種指令信號進行簽別，送到相應的執(zhí)行放大電路。執(zhí)行放大電路把指令信號放大到具有一定的功率，用以驅動執(zhí)行機構。執(zhí)行機構將電能轉變?yōu)闄C械動作，例如電機的轉動、電磁鐵的吸動等，帶動被控的調節(jié)機構，從而實現(xiàn)對被控目標的控制[6]。 本模塊采用的無線遙控是市場上現(xiàn)成的帶有PT2272解碼的TDL-9915接收模塊和帶有PT2262編碼的TDL9988-4發(fā)送模塊，如圖3-5。 圖3-5 TDL-9915 和TDL9988-4 3.2.2 PT2262/2272 芯片 編碼芯片PT2262 發(fā)出的編碼信號由：地址碼

30、、數(shù)據碼、同步碼組成一個完整的碼字，解碼芯片PT2272 接收到信號后，其地址碼經過兩次比較核對后，VT 腳才輸出高電平，與此同時相應的數(shù)據腳也輸出高電平，如果發(fā)送端一直按住按鍵，編碼芯片也會連續(xù)發(fā)射。當發(fā)射機沒有按鍵按下時，PT2262 不接通電源，其17 腳為低電平，所以315MHz 的高頻發(fā)射電路不工作，當有按鍵按下時，PT2262 得電工作，其第17 腳輸出經調制的串行數(shù)據信號，當17 腳為高電平期間315MHz 的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等幅高頻信號，當17 腳為低平期間315MHz 的高頻發(fā)射電路停止振蕩，所以高頻發(fā)射電路完全收控于PT2262 的17 腳輸出的數(shù)字信號，從而對高頻電

31、路完成幅度鍵控（ASK 調制）相當于調制度為100％的調幅。如圖3-6 PT2262引腳圖： 圖 3-6 PT2262引腳圖 PT2272解碼芯片有不同的后綴，表示不同的功能，有L4/M4/L6/M6之分，其中L表示鎖存輸出，數(shù)據只要成功接收就能一直保持對應的電平狀態(tài)，直到下次遙控數(shù)據發(fā)生變化時改變。M表示非鎖存輸出，數(shù)據腳輸出的電平是瞬時的而且和發(fā)射端是否發(fā)射相對應，可以用于類似點動的控制。后綴的6和4表示有幾路并行的控制通道，當采用4路并行數(shù)據時（PT2272-M4)，對應的地址編碼應該是8位，如果采用6路的并行數(shù)據時(PT2272-M6)，對應的地址編碼應該是6位。如圖 3-7

32、 PT2272引腳圖： 圖 3-7 PT2272解碼電路引腳圖 編碼電路PT2262和解碼PT2272的第1～8 腳為地址設定腳，有三種狀態(tài)可供選擇：懸空、接正電源、接地三種狀態(tài)，只有發(fā)射端PT2262和接收端PT2272的地址編碼完全相同，才能配對使用。同一個系統(tǒng)地址碼必須一致，不同的系統(tǒng)可以依靠不同的地址碼加以區(qū)分。 3.3 紅外對管尋跡模塊 尋跡是指小車在白色地板上循黑線行走，本系統(tǒng)采取的方法是紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色紙質地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如

33、果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光[7]。由此過程來改變接收管的輸出電壓，單片機以電壓的變化為依據來執(zhí)行小車電機確定行走路線。 3.3.1 模塊系統(tǒng)分析 圖3-8為紅外線尋跡安裝圖，圖3-9為尋跡模塊實現(xiàn)原理圖，分析如下： 圖 3-8 紅外線尋跡安裝圖 圖 3-9尋跡模塊原理圖 如圖3-9是整個紅外線尋跡過程實現(xiàn)的原理圖。四針接口處P3，P4的1，2腳是跟紅外線發(fā)射管連接，3，4則是跟接收管相連，放置插針是為了更容易實現(xiàn)紅外線管的放置。由于紅外線接收光的變化可以讓接收管上的電壓發(fā)生變化，相當于可變電阻，這種特性為設計提供基本的保障。比較芯片LM358（L

34、M393）可以根據接收管的電壓和參考電壓進行比較后輸出相應電平。此圖的比較接法為正接法，就是當紅外線管遇到黑線時，反射減少，“+”斷輸入電壓增加，使的輸出端輸出電壓為高，經上拉電阻R12（R20）上拉后達到單片機有效接收電平。小車進入尋跡模式后，即單片機開始不停地掃描與探測器連接的單片機I/O口，一旦檢測到某個I/O口有信號，即進入判斷處理程序,先確定2個探測器中的哪一個探測到了黑線，如果左面?zhèn)鞲衅鳎t燈亮）探測到黑線，即小車左半部分壓到黑線，車身向右偏出，此時應使小車向左轉；如果右面?zhèn)鞲衅鳎S燈亮）探測到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左偏出了軌跡，則應使小車向右轉。在經過了方向調整后，

35、小車再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測黑線重復上述動作，實現(xiàn)方向控制，按照黑線行駛。 其中， R11和R19為限流電阻，防止紅外線發(fā)生管因電流過大而燒壞；由R14和一個可變電阻組成的電路為參考電壓電路，由于檢測小車行駛的過程會因環(huán)境或則黑線材料的改變使輸出電壓成一個變化值，所以通過可變電阻來改變參考電壓，使能正常運行；同時R12和R20為上拉電阻，讓輸入單片機的電壓達到高電平；發(fā)光二極管則是能更直觀的判斷出哪對傳感器在起作用。 3.3.2 LM393芯片介紹 雙電壓比較器電路—LM393，如圖3-10 LM393原理結構圖和表3-1 引腳功能表。 圖 3-10 LM393原理結構圖 表

36、3-1 引腳功能表 引出端序號 功能 符號 引出端序號 功能 符號 1 輸出端1 OUT1 5 正向輸入端2 1N+(2) 2 反向輸入端1 1N-(1) 6 反向輸入端2 1N-(2) 3 正向輸入端1 1N+(1) 7 輸出端2 OUT2 續(xù)表3-1 4 地 GND 8 電源 VCC 3.4 紅外避障模塊 紅外避障模塊主要實現(xiàn)小車的避障處理，當小車檢測到前面有障礙物時，由單片機發(fā)出指令實現(xiàn)小車停止功能。其實現(xiàn)原理與紅外線對管尋跡模塊基本一致，只是為了實現(xiàn)更好的避障效果（主要是距離問題），所以采用了自制紅外接發(fā)

37、電路。 3.4.1 紅外避障電路介紹 本模塊主要有兩部分組成，38KHZ的紅外發(fā)射模塊和接收比較模塊，采用38KHZ頻率段是能有效的排除可見光的干擾，實現(xiàn)避障有效距離50CM左右，更好的完成對電機的控制。如圖3-11 紅外線避障電路原理圖。通過555芯片組成多諧振蕩器，根據式（3-1）可設計出38KHZ方波信號 （3-1） 圖 3-11 紅外線避障電路原理圖 接通電源后，電容C被充電當2腳上升到2/3，使3腳為低電平，同時內部三極管T導通，此時電容C通過和T放電，下降，當下降到/3時，翻轉為高電平。當放電結束時，T截止，通過、向電容C充電，

38、上升到/3時，電路又翻轉為低電平，如此周而復始，于是，在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波，由3腳輸出，再通過三極管9013驅動后由發(fā)射管發(fā)出并由接收模塊接收實現(xiàn)單片機控制[8]。 3.4.2 555芯片工作原理 NE555是一個能產生精確定時脈沖的高穩(wěn)度控制器，其輸出驅動電流可達200MV。在多諧振蕩器工作方式時，其輸出的脈沖占空比由兩個外接電阻和一個外接電容確定；在單穩(wěn)態(tài)工作方式時，其延時時間由一個外接電阻和一個外接電容確定，可延時數(shù)微秒到數(shù)小時。工作電壓范圍：4.5V16V。如圖3-12 555內部框架圖。 圖 3-12 555內部框架圖 其中圖中2腳的功能為觸發(fā)，5腳功

39、能為控制電壓，6腳功能為閥值，7腳功能為放電端。 3.5 電機驅動模塊 小車電機為直流減速電機，帶有齒輪組，考慮不需調速功能，所以采用電機驅動芯片L293D。L293D是著名的SGS公司的產品。為單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅動，設計用來接收DTL或者TTL邏輯電平，驅動感性負載(比如繼電器，直流和步進馬達)，和開關電源晶體管。內部包含4通道邏輯驅動電路。L293D可直接的對電機進行控制，無須隔離電路。通過單片機的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機進行正反轉，停止的操作，非常方便，用程序輸入對應的碼值，能夠實現(xiàn)對應的動作，有效控制電機運動，如圖3-13 電機驅動原理圖。J

40、16和J17控制左邊電機，J18和J19控制右邊電機。取左邊電機為例，當J16輸入數(shù)字電平“1”， J17輸入數(shù)字電平“0”時實現(xiàn)正轉；當J16輸入數(shù)字電平“0”， J17輸入數(shù)字電平“1”時實現(xiàn)反轉；當J16輸入數(shù)字電平“0（1）”， J17輸入數(shù)字電平“0（1）”時實現(xiàn)停止；最后結合左右電機通過單片機共同實現(xiàn)小車的前后左右四個方向行駛[9]。 圖 3-13 電機驅動原理圖 3.6 語音控制模塊 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，并經過74HC04取反后供單片機控制

41、，實現(xiàn)語音控制[10]。如圖3-14 語音控制模塊原理圖。 圖3-14 語音控制模塊原理圖 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

42、電平“0”，實現(xiàn)跳變觸發(fā)的產生，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。 4 軟件設計 軟件設計是實現(xiàn)小車智能運轉的關鍵所在，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)據有效的結合處理，產生相應的動作反應。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。 4.1 模糊控制算法 4.1.1 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)

43、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)的結構、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。 目前，模糊控制技術有了更大的發(fā)展，過去將大型機械設備和生產過程作為控制對象，而現(xiàn)在模糊控制技術已經開始大量應用在家用電器、交通工具等方面。 4.1.

44、2 模糊控制算法原理 模糊控制的關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中的模糊控制規(guī)則。這些模糊控制規(guī)則的來源是根據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驗，從這些抽出輸入和輸出關系，加以描述，實質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驗和策略進行歸納、總結，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，此時就構成了一個模糊

45、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、經驗為依據建立模糊控制規(guī)則；以熟練操作者的手動操作策略、經驗和測試數(shù)據來建立模糊控制規(guī)則，根據被控對象的模糊模型建立模糊控制規(guī)則以及根據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）-----手動的調整（信息的實施）。 4.1.3 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：智能小車通過經驗和測試數(shù)據來建立模糊控制規(guī)則。其主要控制過程為：尋跡與避

46、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。 4.2 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，其主程序流程如圖4-1所示。 開始 初始化各端口 查

47、詢按鍵 向前D按下？ N Y 尋跡行駛 遙控控制？ 方向行駛 避障控制？ 避障控制？ 停止 結束 Y Y Y N N N 中斷 保護現(xiàn)場 語音控制 行駛停止 中斷返回 恢復現(xiàn)場 圖4-1 程序流程圖 4.3 軟件程序設計部分源程序 本程序以匯編的形式編輯，結合硬件實現(xiàn)小車整個系統(tǒng)功能。小車以自動尋跡為主體，不斷測試避障信號，實現(xiàn)隨時避障，并通過遙控控制小車的方向行駛。此程序主要以查詢方式實現(xiàn)，同時也結合了語音控制的中斷方式，主體程序如下： 5 制作和調試 5.1 使用的儀器儀表及軟件 數(shù)字萬用表

48、 DT9203 單片機仿真器 WAVE6000 燒寫器 GF2100 直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源 DH1718E-5 示波器 DF1641D 畫圖制板軟件 PROTEL DXP 編譯軟件 ISP在線編譯 電烙鐵 TLW-30 5.2 系統(tǒng)制作 根據系統(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：面包板上的調試，PCB電路板的制作，各元器件的焊接和模塊的連接。面包板上的調試是保證系統(tǒng)功能穩(wěn)定實現(xiàn)的基礎，

49、在各個模塊都能產生相應的信號后可以根據電路圖制作集成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，在面包板上的調試過程完成后根據已有的電路，將其通過電路畫圖軟件得到原理圖并進一步轉化生成PCB圖。在得到PCB電路圖后，通過1：1比例打印到熱轉印紙，熱轉印紙轉印到已經截好的銅板上，放進三氯化鐵溶液中腐蝕得到成型電路板，最后根據板上的焊盤進行鉆孔，完成PCB電路板制作[12]。 5.3系統(tǒng)調試 本系統(tǒng)的調試共分為三大部分：硬件調試，軟件調試和軟硬件聯(lián)調。由于在系統(tǒng)設計中采用模塊設計法，

50、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試、無線遙控模塊的調試、紅外對管尋跡模塊的調試、紅外線避障模塊的調試以及電機控制模塊和語音控制模塊的調試，最后將各模塊組合后結合軟件進行整體測試。 5.3.1硬件調試 對各個模塊的功能進行調試，主要調試各模塊能否實現(xiàn)指定的功能。 1 電機控制 此模塊調試實現(xiàn)的功能是結合軟件共同實現(xiàn)，當連接單片機與電機控制芯片的I/0加上一定的電平可以實現(xiàn)電機左右轉向，前后轉向以及停止等功能，同時通過程序延時降低電機轉速。如表5-1為電機測試記錄。 表5-1 電機測試記錄 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 小車行駛狀態(tài) 0 1

51、 1 0 小車向前行駛 1 0 0 1 小車向后行駛 0 1 0（1） 0（1） 小車向前右轉 0（1） 0（1） 1 0 小車向前左轉 1 0 0（1） 0（1） 小車向左后退 0（1） 0（1） 0 1 小車向右后退 0（1） 0（1） 0（1） 0（1） 小車停止行駛 2 無線遙控 此功能實現(xiàn)四個按鍵控制四路方向，按下“D”，小車向前行駛，“B”對應向后，“C”對應向左，“A”則實現(xiàn)向右行駛功能。經過多次的測試與數(shù)據記錄，得出相應的結果，如表5-2。 表5-2 遙控測試記錄分析 次數(shù) 第1次 第2次 第3次

52、 第4次 第5次 第6次 第7次 按鍵 D A C B C D A 駛向 前 右 左 后 左 停 停 距離 1M 0.9M 1M 0.5M 1.5M 3M 2.5M 次數(shù) 第8次 第9次 第10次 第11次 第12次 第13次 第14次 按鍵 B D C A B C D 駛向 后 前 停 右 后 左 前 距離 0.5M 2M 2M 1M 0.5M 1.5M 0.3M 續(xù)表5-2 最佳距 1.5M以內 成功率 11/14=89.6% 3 紅外對管尋跡 尋跡對管有兩個

53、組成，所以分別調試其兩路有效信號。當兩對管都放置黑線之外的白色地板上時，單片機對應I/O口收到的電平都為低，輸入電壓為0.3V左右，當左邊的紅外線管進入黑線范圍，對應電平變高，為4.2V左右，同時指示等紅燈亮，說明要控制小車右轉；當在右邊時同左邊情況對應，需控制左轉。其中選取八次硬件測試記錄如下表5-3： 表5-3 尋跡硬件測試記錄 測試次數(shù) 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次 第6次 第7次 第8次 放置位置 雙管黑線上 左管黑線上 右管黑線上 左管黑線上 雙管黑線上 雙管黑線外 左管黑線上 右管黑線上 放置距離 3CM 2CM 2CM 3

54、CM 5CM 2CM 7CM 4CM P2.4電壓 4.31V 4.12V 0.32V 4.15V 4.21V 0.21V 0.12V 0.21V P2.5電壓 4.18V 0.25V 4.25V 0.30V 4.30V 0.18V 0.21V 4.23V 由上表可以看出小車的尋跡紅外線管只要放置在離地面4CM之內一般都可以實現(xiàn)信號的輸出，而實際車頭離地面的距離也只有2-4CM，可以實現(xiàn)有效控制。 4 紅外線避障 此模塊的檢測與紅外線尋跡模塊基本一致，相當于一路尋跡信號，在沒有障礙物時輸入電壓為0.9V左右，屬于低電平，碰到障礙物電壓跳變?yōu)?.

55、7V左右，以此來得到單片機控制。避障數(shù)據測試記錄情況如下表5-4： 表5-4 避障數(shù)據測試記錄情況 測試次數(shù) 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次 放置距離 30CM 20CM 25CM 50CM 35CM P2.7電壓 0.89V 4.62V 4.62V 0.87V 0.86V 測試次數(shù) 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次 放置距離 15CM 25CM 20CM 30CM 40CM P2.7電壓 4.70V 4.66V 4.65V 0.89V 0.87V 由上表可以得到，在調節(jié)確定滑變電阻后測試數(shù)據可以得到，小

56、車的避障有效范圍可以達到30CM左右，同時也可以再通過調節(jié)滑變電阻增加和減小有效距離。 5 語音控制 主要是得到一個觸發(fā)跳變信號，經過此電路的連接，連接與單片機的74HC04的2腳在沒有一定聲波輸入是屬于高電平，電壓為5V，當接收到一定聲波后電壓馬上變?yōu)?.1V，產生了觸發(fā)跳變，供單片中斷口實現(xiàn)功能。但由于硬件的限制，此信號得到需要一個相當強的聲音才可實現(xiàn)效果。 5.3.2 軟件調試 軟件調試采用單片機仿真器WAVE6000及微機，將編好的程序進行調試，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，所以調試時先分模塊進行調試。如小車紅外線尋跡程序，在調試時將它

57、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。 雖然在軟件的調試過程中，綜合利用了設定斷點、單步、跟蹤等調試手段，使得調試工作更易進行。但是也出現(xiàn)了一定的問題，如語音程序只能實現(xiàn)第一次調用，電機延時沒起到效果等等。通過了多次分離合并，修改測試語句以及單片機外加LED燈觀察現(xiàn)象等方法得以解決，達到綜合效果。 5.3.3 聯(lián)合調試 各模塊都調試通過之后，將各個模塊連接起來與硬件結合進行聯(lián)合調試。在進行聯(lián)合調試時，經過反復的實驗，不斷的來修改參數(shù)來完善結果。使程序按照要求設計的要求進行。 6 結論與展望 本

58、設計方案按照任務書的要求，以51單片機為控制核心，結合無線遙控模塊、紅外對管尋跡模塊、紅外線避障模塊、電機控制模塊和語音控制模塊實現(xiàn)小車的自動尋跡功能（按路面的黑色軌道行駛），自動避障功能，無線遙控和語音控制功能?；就瓿筛黜椫笜?，實現(xiàn)小車的智能化行駛。 系統(tǒng)是通過軟硬結合的方式，得到硬件檢測信號后輸入單片機各個對應的I/O接口，通過匯編程序控制過程，小車由遙控啟動后，自動尋跡，并不斷檢測遙控、避障和語音信號，只要得到其中任何一種信號都將轉入它們對應的功能模塊，實現(xiàn)有效控制。 由于時間不足以及客觀多方面的困難，整個小車相比任務書中的要求已經簡化的比較多，伴隨著也出現(xiàn)多個地方的不足：遙控只能

59、達到前進后退左右轉向，不能控制停止；電機轉速過快使尋跡靈敏度不高；語音控制的麥克風接收的擊掌聲需非常響才有效果等等。不過，這些一定的不足有利于激發(fā)我的興趣，不斷改進完善小車：遙控達到以上功能外還將加入速度控制，停啟等；語音則應用語音芯片實現(xiàn)人類語音智能控制；同時也可以加入里程計算顯示或則其他溫度、濕度、氣壓的控制檢測等多方面的功能，達到智能機器人的效果。這些也需從工作中學習實現(xiàn)，讓自己更上一個臺階。 致 謝 本人在做設計期間，得到了肖質紅老師的精心指導，多次尋找相關資料，為我指點迷津，幫助我開拓思路。肖老師以其嚴謹求實的治學態(tài)度，高度的敬業(yè)的精神，兢兢業(yè)業(yè)、孜

60、孜以求的工作作風和大膽創(chuàng)新的進取精神對我產生重要影響。她淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。同時肖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。 在此深深得感謝肖老師，和一直在過程中幫助的鄭老師，以及指導，關心和幫助的同學和朋友，

61、感謝你們使得我不斷的在學習中進步，成長。 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. [2] 江晉劍，錢萌.一種基于AT89S52的簡易智能小車設計[J].科技論文，2007，7，97～100. [3] 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，2004，5. [4] 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，2007，10. [5] 李建忠.單片機原理及應用[M]. 西安：西安科技大學出版社，2002，2. [6] 趙負圖

62、.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，2003，11. [7] 趙負圖.光電檢測控制電路手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2001，1. [8] 康華光.電子技術基礎數(shù)字部分（第五版）[M].北京：高等駕御出版社，2006.1. [9] 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，64～66. [10] 吳黎明.語音信號及單片機處理[M]. 北京：科學出版社，2007，3. [11] 張以和，陳敵北.例說8051[M].北京：人民郵電出版社，2006，1. [12] 趙廣林.輕

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64、, T.S.?Khashan. Intelligent Technical Audition and Vision Sensors for Walking Robot Realizing Telepresence Functions[J]. Climbing and Walking Robots, 2006,1(4), 387～397. 附錄1 系統(tǒng)實物圖 附錄2 實驗原理圖 附錄3 畢業(yè)設計作品說明書 一、 作品名稱 多功能智能小車的設計與制作 二、 作品功能 1、無線電遙控小車行駛的方向； 2、按照黑線自動尋跡行駛； 3、碰到障礙物停止，并交由遙控控制；

65、4、語音控制小車停止； 三、 運行環(huán)境 硬件環(huán)境： 尋跡路線多寬，障礙物多遠，環(huán)境光線多強，聲音強度； 軟件環(huán)境： 軟件運行環(huán)境：匯編程序； 四、 操作步驟 1、遙控D鍵啟動向前行駛，按鍵控制方向行駛，B向后行駛，C左轉，A右轉； 2、黑線自動尋跡行走，車頭紅外線接收一定距離障礙物后停止，可由遙控重新控制； 3、低頭向麥克風吹下或則足夠的拍手聲可將小車停止； 五、 注意事項 1、由于小車的直流電機轉速過快與尋跡信號檢測的輸入形成時間差，使得小車的尋跡靈敏度有一定的降低，所以需注意尋跡黑線適當鋪寬。 2、避障模塊的靈敏度相對較高，需注意環(huán)境光線，應適當昏暗。