智能小车优秀毕业论文

智能小车优秀毕业论文编号本科生毕业设计基于单片机的智能小车设计The Design of Intelligent Vehicle Based on MCU学生姓名xxx专 业自动化学 号xxx指导教师xxx学 院电子信息工程二O三年六月毕业设计原创承诺书1. 本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）基于单片机的智能小 车设计，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计（论 文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书 中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2. 本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均 在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要 贡献的个人和集体均已在文中注明。3. 在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由 本人承担相应的法律责任。4. 本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定， 即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学 校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅； 学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可 以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作者签名:摘要随着我国高科技水平的不断提高和工业自动化进程的不断推进，智能车被广 泛应用于各种玩具和其他产品的设计中，极大地丰富了人们的生活。本文基于ATmega16单片机设计了一种智能循迹避障小车，由电源模块、 红外传感器模块、电机驱动模块、调试模块和MCU模块组成。利用红外对管和 超声波检测黑线与障碍物，当左边的红外对管检测到黑线时，小车往左边偏转， 右边的红外对管检测到黑线时，小车往右边偏转。以ATmega16单片机为控制芯 片控制电动小车的速度及转向，从而实现自动循迹避障的功能。其中小车驱动由 L298N驱动电路完成，速度由单片机控制。关键词：智能小车 单片机 自动循迹 避障AbstractWith the increasing levels of high-tech and industrial automation process progresses, the intelligent vehicle is widely used to all kinds of toys and another productions devise. It is greatly enriched the life of the people.Based on ATmega16 microcontroller,this paper is about a design of intelligent tracking-avoidance car, which is consist of the power supply module, infrared sensor module, the motor drive module, debug module and the MCU modules. Using infrared and ultrasonic testing on the tube black line and the obstacle, when left on the tube detects infrared black line, the car deflected to the left, the right of infrared tube black line is detected, the car to the right deflection. ATmega16 microcontroller for the control chip to control the speed and steering electric car, enabling automatic tracking avoidance function. Which car is driven by L298N driver circuit completed, the speed controlled by the MCU.Keywords: Intelligent Vehicle; MCU;automatic tracking; obstacle avoidance摘要IABSTRACTII目录III第1章绪论11.1引言11.2课题研究目的及意义11.3课题研究现状及发展趋势21.4本文的主要工作3第2章小车的总体方案设计42.1设计思路42.2小车循迹避障传感器的选型62.3小车循迹避障设计方案8第3章小车的硬件电路设计103.1单片机的选型103.2小车的硬件电路设计14第4章小车的软件设计194.1主程序设计及流程图194.2避障子程序设计及流程图204.3循迹子程序设计及流程图21结论22参考文献23致谢24附录1系统电路图24附录2智能循迹壁障小车完整程序27第1章绪论1.1引言智能，在科技高速发展的今天，已成为一个引领时尚前沿的代名词，智能手 机，智能机器人等等已经在工业，军事中得到广泛的作用，在不为人们所熟知的 领域，如深海探测，航空航天，地质勘探，智能也发挥着举足轻重的作用1。智 能车是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。 整个系统设计集中运用了自动化控制、传感技术、导航、电子、电气、PC机、 机械、人工智能等多个学科的知识，是典型的高新技术综合体。以后智能机器 人的应用领域会愈发广泛，如在航天航空技术、海洋能源开发技术、微电子技术、 制造与维修技术、农业自动化、生物医学等领域会有很大的突破和进展。能自动识别道路并完成相关任务是对一类专业机器人的基本要求，本文主要 研究的是以Atmel Mega16芯片为核心控制核心的智能车。由电源模块、红外传 感器模块、电机驱动模块、调试模块和MCU模块组成，主要通过红外对管及超 声波收集的信息实现智能循迹与避障。1.2课题研究目的及意义自第一台工业机器人诞生3以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、 交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变 着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人 工作的机器一直是人类的梦想。其中智能小车可以作为机器人的典型代表。其需 要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，实现自动识别路线，选择正确的行进 路线，使用传感器感知路线并做出判断和相应的执行动作。智能小车设计与开发 涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科。 它可以分为三大部分：传感器检测部分，执行部分，CPU。现代智能小车发展很 快，从智能玩具到各行业都有实质成果，其基本可实现循迹、避障功能等基本功 能。日本目前投入市场的不再是高性能的工业机器人，微型机器人汽车也正在逐 步的进入市场。日前由日本科研人员研发的两款微型机器人汽车与大众见面，汽 车内安装有最尖端的视觉识别系统，通过内部的摄像头与传感器能够使小车自动 识别障碍物，从而避免碰撞，并判断小车与障碍物之间的距离。目前研究人员已 经将小车的这种自动识别系统应用到汽车工业领域去，这将为陷入低靡的汽车行 业注入新的活力4。随着计算机、自动控制、微电子技术、人工智能、虚拟现实、微纳米技术、仿生学、材料等相关学科领域的发展，避障循迹小车可以通过自动感知引导线以 及躲避障碍物在工作中取代人力运输，节省人力以及成本。智能车辆是一个运用 计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术实现环境感知、 规划决策和自动行驶为一体的高新技术综合体。此类机器人以后对我们的研究和 生活定会发挥至关重要的作用，在以后对车辆的自动驾驶，飞船的自动航行模式 及深海自动探测有很大的研究价值。1.3课题研究现状及发展趋势智能小车，也就是轮式机器人，主要有口令识别与语音合成、机器人自定位、 动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制等功能4-7。现在智能 小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。其基本可实现循迹、避 障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能，这几年的电子设计大赛智能小车又 在向声控系统发展。比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。2011-2012年 世界智能机器人研究取得了新进展。美国研制出受伤后可自行调整的机器人，英 国设计出吃苍蝇老鼠的机器人家具，法国研发出“儿童机器人”，欧洲研发出超 级机器人，能预知人类意图等。，这些都与我们的生活息息相关，给我们的生活 带来了极大地方便。我国一直比较重视智能机器人的研究，国家“863智能机器 人专家组将智能机器人的研究作为今后发展的重点。许多大专院校和科研机构都 在着手智能机器人的研究和开发工作，相继几所高校进行了这方面的研究并取得 了一定的成果，如沈阳自动化所的AGV小车，上海大学的导购机器人和哈工大 研究所的导游机器人，清华大学智能技术与系统国家重点实验室研制的THMR 系列微型移动车，整个系统包括摄像机，磁罗盘，差分GPS，电子地图等车载设 备，保证了移动车控制系统能够实现自主驾驶与辅助驾驶。除此之外，以哈尔滨 工业大学为首的众多高校也先后在“机器人足球赛”“机器人起重大赛”这些具 有国际水平的人工智能竞赛中取得优异的成绩。此次设计的智能车可以作为机器人的典型代表，主要实现循迹和避障两个功 能。该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为四大组成部分：传感器 检测部分、执行部分、工作状态显示部分、CPU。机器人要实现自动避障功能， 还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选 择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。基于上述要求，传感检测部分考 虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵 的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。智能小车的执 行部分，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。单片机驱动 直流电机一般有两种方案：第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能 的单片机，这样可以实现精确调速；第二，可以由软件模拟PWM输出调制，需 要占用单片机资源，难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大。考虑到实际 情况，本文选择第二种方案。CPU使用Mega16单片机，配合软件编程实现。1.4本文的主要工作本文研究的是小车的避障及循迹，主要包括以下2个部分：(1) 以Mega16单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和改进，使其功能 更加完善。系统硬件电路主要分为CPU、电源模块、循迹模块、避障模块、显 示模块、外围辅助模块六部分。(2) 系统的软件编制。按照软件实现的功能，主要分为主程序、初始化子程 序、信息采集子程序、信息分析及处理子程序、运动控制子程序、工作状态显示 子程序。在程序的编写过程中，加入了详细的文字注释，便于后期的改进与维护。第2章小车的总体方案设计2.1设计思路2.1.1小车循迹避障的结构本文所述小车采用RP5大功率坦克车体，它采用带电感的大扭力280马达， 组合斜齿+金属齿，形成大扭力、低噪音底盘系统，具有动力性能强、底盘稳定 性高、可原地转圈、转弯灵活等特点。负载能力至少3KG以上。可以越障碍物， 适合比较高要求的场合。因此可模拟家庭及工业等场合的一些环境。小车系统结构框图如图2-1所示，系统以Mega16单片机为核心，配合外围 电路共同完成信号采集、路线检测、障碍检测、按键输入、信号显示和小车姿态 控制等功能。循迹采用单片机查询脉冲调制的反射式红外发射接收器返回的信号 以获取道路信息，避障则有中断和查询协同完成，并用发光二极管显示障碍信息 及小车运行状态。系统采用高性能的单片机，要求工作稳定、处理速度快、通用 性强，保证小车循迹避障的稳定性及可靠性，而且成本低。图2-1循迹避障小车结构框图2.1.2小车微处理器部分设计思路微处理器是小车的核心部分，主要完成对外围各个模块的管理，实现对外围 模块的信号发送，以及对传感器模块的信号采集，并根据软件算法对所采集的信 号进行处理，发送信号给执行模块进行任务执行，还对各种突发事件进行监控和 处理，保证整个系统的正常运作。这里采用Atmel Mega16单片机，该单片机是高 性能、低电压的8位AVR单片机，内含16K字节的系统内可编程Flash和512字节的 EEPROM，另外有两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器和一 个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器，32个可编程的I/O 口 9。2.1.3小车循迹避障部分设计思路小车循迹避障部分是能够采集周围环境障碍物的信息，并返回至单片机进行 处理，其组成部分包括：环境信息采集电路、放大电路、单片机控制电路。路线采集电路一般有脉冲调制的反射式红外发射接收器和信号放大器组成， 脉冲调制的反射式红外发射接收器根据不同颜色对光的反射程度不同，将路线信 息送至放大器，放大器可作为比较器可作简单的滤波，放大器将从脉冲调制的反 射式红外发射接收器返回的信号转化为单片机可识别的电平信号后送入单片机。 Mega16单片机可根据接收的信息判断路线的信息，实现对左右两侧直流电机工 作状态的控制，以实现左右转向，最终实现循迹功能。避障部分则有超声波模块和两路脉冲调制的反射式红外发射接收器。超声波 可实现测距，利用超声波返回的信号变化使单片机产生中断，实现障碍的判断， 当距离大与某个值时可继续前进，当距离小雨某个值时则单片机进行处理，实现 避障。2.1.4小车循迹避障电源部分设计思路LM2940是输出电压固定的低压差三端稳压器，使用6节干电池供电，通过 LM2940稳压芯片将干电池提供的9V电稳压至5V为Mega16单片机及其它电路 供电。LM2940最大输入电压为26V，输出电压为5V，最大输出电流为1A，且 输出电流为1A时，最小输入输出电压差小于0.8V。工作温度-40+125C，内 含静态电流降低电路、电流限制、过流保护、电池反接和反插入保护电路LM2940 工作稳定，比7805转换效率高。故该小车系统选用LM2940稳压芯片提供稳定的5V电源。2.1.5小车电机驱动部分设计思路小车车体为RP5-CH02玩具坦克车底盘，为差动式履带车，由于其为大功率， 采用带电感的大扭力260型马达，形成大扭力、低噪音底盘系统，具有动力性能 强，因此也需要大电流大功率驱动模块。左右两侧的电机分别由电机驱动芯片 L298N来驱动。L298N是一种内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，接收 标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机，可分别独立驱动两个直流 电机。L298N的信号输入端和使能端接收到来自单片机的信号，控制电机的通断 以及正、反转，还可以通过向使能端输入不同占空比的方波信号来调整电机转速 （PWM方式）。L298N的最大驱动电流为1A，其具体管脚排布如图4所示。其中， input端口接入控制信号，output端口接电机的两端，enable接使能信号。当input 1 和input 2接入信号为“1、0”和“0、1”时，相对应的电机分别正转和反转；当 两个input管脚接入信号为“1、1 ”和“0、0”时，相应电机停转。Enable使能端 为高电平时，相应输入端口信号有效；反之，则输入信号无效。在enable端接入 方波信号，通过调整方波信号的占空比，可实现对电机转速的控制。2.2小车循迹避障传感器的选型2.2.1小车循迹避障传感器简介可实现循迹避障功能的传感器多种多样，如循迹可以选用发光二极管+光敏 电阻、脉冲调制的反射式红外发射接收器、CCD传感器等；避障则可选有红外 对管、超声波模块、光电开关等。2.2.2小车循迹避障传感器的选定小车的循迹主要是循黑线前进，可采取的方案如下：方案1：采用发光二极管加光敏电阻，该方案缺点：易受到外界光源的干扰， 有时甚至检测不到黑线，主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、地表 材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。克服此缺点的方法：采用超高亮度 的发光二极管能降低一定的干扰，但这又会增加检测系统的功耗。方案2：脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于采用带有交流分量的调制 信号，则可大幅度减少外界的干扰；此外红外发射接收管的工作电流取决于平均 电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大 （50100mA） （ST-188允许的最大输入电流为50mA），则大大提高了信噪比。 此种测试方案反应速度大约在5us。方案3：采用CCD传感器，此种方法虽然能对路面信息进行准确完备的反 应，但它存在信息处理满，实时性差等缺点，因此若采用CCD传感器，无疑会 加重单片机的处理负担，不利于实现更好的控制策略。脉冲调制的反射式红外发射接收器工作稳定，价格便宜，又可减轻单片机的负担。因此，我选用方案二。避障则可选用超声波模块和脉冲调制的反射式红外发射接收器协同工作。由 于超声波反射声波对所测物体的斜度有一定要求，而红外对管对光线有限制，因 此，两者协同作用，同时，两侧的红外对管还可实现对左右两侧障碍物的检测， 使得小车对障碍物的检测更加准确。即声波通过测距判断障碍物的距离并通过左 右两侧的红外发射接收器判断左前右前方障碍的情况，控制小车的行进方向实现 避障。2.2.3小车循迹避障传感器的工作原理循迹模块有三路红外探测模块，均使用红外线发射和接收管等分立元器件组 成探头，又由于所采用的红外反射式传感器属于接近式传感器，其光电二极管光 生电流随所受到的反射光的强度而连续变化，因而会引起其两端电压的连续变 化。因此，若直接把这个电平信号供给单片机，容易产生误读情况，因此使用 LM339或LM358比较器（加入迟滞电路），防止临界输出抖动作为核心器件构成 中控电路。当有路线为黑色时，则对应的接收管返回给单片机的信号为1；为白 色或地面时，则单片机相应端口接收到的信号为0。用电位器产生一个基准电平， 当光电二极管的光生电流超过某一值时，运放的正向输入端电平高于基准电平， 这时运放的输出电平发生跳变，该信号即可被单片机处理。通过对基准电平的调 整，还可以调整传感器的灵敏度和探测距离，以改变单片机接收到信号的强弱和 探测的灵敏度。三路探头协同工作，根据三路探头返回值的不同确定路线的方向， 通过单片机改变两个直流电机的运行状态，来调整小车的姿态，以完成随导引线 完成循迹的任务。LOuS BtlTTL畛信号 _循环发出苫个4UKHZ豚冲模块内部 印印州发出信号输出回响回响电平输出信号与检测拒离成比例图2-2超声波时序图避障模块应用声波和脉冲调制的反射式红外发射接收器协同工作。其中，超 声波模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。其工作时序图如图2-2所示。以上时序图表明只需要采用IO 口 TRIG提供一个10uS以上脉冲触发信号， 该模块内部将发出8个40kHz周期电平并自动检测是否有信号返回。一旦检测 到有信号返回，通过IO 口 ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声 波从发射到返回的时间。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算 得到距离。即公式（2-1）：距离=高电平时间*声速（340M/S）/2（2-1）2.2.4小车循迹避障传感器的特性及主要技术参数红外反射式传感器由1个红外发射管（发射器）和1个光电二极管（接收器）构 成。红外发射管发出的红外光在遇到反光性较强的物体（表面为白色或近白色）后 被折回，被光电二极管接收到，引起光电二极管光生电流的增大。将这个变化经 LM339或LM358比较器处理即可变为电压信号，就可以被处理器接受并处理， 进而实现对反光性差别较大的两种颜色（如黑白两色）的识别。其安全工作电压范 围在3伏特至6伏特之间。US-020超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距 精度可高达3mm。其电气参数如下表：表2-1超声波电气参数电气参数US-020超声波模块工作电压DC 5V工作电流15mA工作频率40Hz最远射程4m最近射程2cm测量角度15度输入触发信号10uS的TTL脉冲输出回响信号输出TTL电平信号，与射程成比例规格尺寸45*20*15mm2.3小车循迹避障设计方案本论文中的小车以Mega16单片机为控制核心，采用脉冲调制的反射式红外 发射接收器采集道路信息，采用超声波和红外反射式传感器采集前方以及左右放 障碍的情况。首先，脉冲调制的反射式红外发射接收器对道路信息，即对黑线信息进行采 集，并经过LM339比较器转化为稳定的电平信号送至Mega16单片机，然后在 Mega16单片机内对信号进行处理，如中间传感器下为黑线时，由于黑色对光的 反射能力最弱，因此传感器返回给单片机的信号为高电平，即1，两侧均为白色， 则返回给单片机的信号为低电平，即0，此时，小车前进。其余情况则小车根据 传感器的信息进行运行状态的调整，以实现准确循黑线行进。另外，避障模块则由中间的超声波模块和左右两侧的红外传感器组成，由超 声波模块对所测物体斜度有要求，并且红外对斜度无要求但对光线有要求，因此， 两者协同工作，超声波通过测距实现障碍的判断，一旦距离小于某个定值，便是 小车转向，同时考虑左右两侧红外传感器的信息，以确定障碍物的信息，实现小 车的准确避障。其中超声波利用Mega16单片机的中断2对小车控制，同时单片 机查询左前右前方红外对管返回的信号，确定小车应该采取的控制状态。第3章小车的硬件电路设计在小车的设计中，单片机是其核心部件。它一方面要接收来自传感器送来的 路线信息和障碍物信号；另一方面要对两种信号进行处理，控制发光二极管的亮 灭，以显示其信息，同时控制电机进行相应动作，并且查询模式选择开关的状态。 单片机对信息接收选用查询的方式，要求单片机具备较快的运算速度，以实现对 信息的实时接收处理，保证循迹避障的精确、及时。并且也要考虑选择低价实用 的机型，并为将来的进一步研制同一系列的产品做准备。根据多方面的比较，本 设计选用AVR系列单片机。3.1单片机的选型3.1.1单片机的选择单片机是循迹避障小车的核心部件，一方面它要接收传感器送来的路线信息 和障碍物信号；另一方面要对两种信号进行处理，控制发光二极管的亮灭，以显 示其信息，同时控制电机进行相应动作。并且查询模式选择开关的状态。在单片 机实现的功能中，使用查询方式获取传感器返回的信息，即读取传感器返回信号， 需要单片机有较快的处理速度，使小车对信息的获取及处理是实时准确的，实现 小车的准确循迹与及时避障。同时在能够满足小车设计的速度及接口数的要求的 同类型单片机中，要考虑选择价格低廉的机型，在保证了控制准确性及实时性的 基础上，能够不提高成本。如今比较普遍的单片机有51系列与AVR系列。8051单片机虽然应用普遍、工具多、易上手、片源广、价格低，但是速度 慢、功耗大，适合民用，商用，不适合工业用途。AVR单片机（ATmega16）的时钟源（晶振、内部RC等）可以不经过分频 直接提供给CPU使用，而51的CPU主频等于晶振的12分频，ATmega16外部 提供16M的晶很，即CPU频率可达16M，常规51的时钟源为12M，经12分 频后CPU频率仅为1M，所以AVR单片机的运行速度比51单片机的运行速度要 快的多，并且AVR单片机可提供内容1M、2M、4M、8M等可变的CUP频率。AVR既具有简单的、可以自制的ISP下载线和Jtag仿真器，又有DIP直插 的封装形式。AVR的C语言编程与C语言教科书上学习的标准C语言语法是几 乎一样的，不像51的C语言，一些bit、srf之类的变量定义在教科书中是找不 到的。AVR I/O 口是真正的双向I/O 口，单片机读取外部引脚电平直接通过PINX 读取，不需要像51那样先给I/O 口全写1操作后才能读取外部引脚电平，使得 单片机读取外部数据更容易。AVR I/O具有强大的电流驱动能力，具有大电流（灌 电流）1020mA或40mA（单一输出），可直接驱动SSR或继电器。为适用于本论文设计的循迹避障小车，应选择一种比8051系列速度快、功 耗低、抗干扰性好。Atmel推出的AVR系列单片机具有高速、低功耗、超强抗 干扰等优点，速度却比8051单片机快812倍。而且AVR系列下属的Mega16 系列单片机是低功耗Flash单片机，它的高效寻址方式、大容量Flash、EEPROM、 A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器（PWM）等功能特点，较好的实现了强大 的功能与超低功耗的结合。而且在功能同样的情况下，管脚较少封装体积小，价 格比其他型号便宜，因此具有很好的性价比和应用适应性。3.1.2 ATmega16单片机简介本系统中所采用的单片机为Atmel Mega16单片机，Mega16是高性能、低 功耗的8位AVR10微处理器，16K字节的系统内可编程Flash （具有同时读写的 能力，即RWW），512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具 有比较模式的灵活定时器、计数器（T/C），片内、外中断，可编程串行USART， 有其实条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益 （TQFP封装）的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行 端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式，工作于空闲模式CPU停止 工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系 统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止震荡，所有功能除了中断系统和硬件复 位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时 间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了 异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换的开关噪声； Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得 期间只消耗极少的电流，同时具有快速启动的能力；扩展Standby模式下则允许 振荡器和异步定时器继续工作。本芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash允许 程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于 AVR内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下 载到应用Flash存储区（Application Flash Memory）o在更新Flash存储区时引导 Flash区（Boot Flash Memory ）的程序继续运行，实现了 RWW操作。通过将8 位RISC CPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega16成为一个 功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。VCC：数字电路的电源。GND：地。端口 A （PA7.PA0）:端口 A/D转换器的模拟输入端。端口 A为8位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出 和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口外部电路拉低时将 输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 A处于高阻状态。端口 B（PB7.PB0）:端口 B为8位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电图3-1 Mega16单片机引脚图 阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用 时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中， 即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。端口 C（PC7.PC0）:端口 C为8位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电 阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用 时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中， 即使系统时钟还未起振，端口 C于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出 现引脚PC5（TDI）、PC3（TMS）与PC2（TCK）的上拉电阻被激活。端口 D（PD7.PD0）:端口 D为8位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电 阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用 时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中， 即使系统时钟还未起振，端口D于高阻状态。RESET：复位输入引脚。持续时间超过最小们现实间的低电平将引起系统复 位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。XTAL1：反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2:反向振荡放大器的输出端。AVCC： AVCC是端口 A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应 直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。AREF： A/D的模拟基准输入引脚。3.1.3 ATmega16 的 I/O 端口ATmega16 芯片有 PORTA、PORTB、PORTC、PORTD （简称 PA、PB、PC、 和PD）4组8位，共32路通用I/O接口，分别对应芯片上32个I/O引脚。所以 这些I/O接口都是双（有的为3）功能复用。这些I/O 口同外围电路有机结合， 构成各式各样的单片机嵌入式系统的前向、后向通道接口，人机交互接口和数据 通信接口，可实现千变万化的应用。作为数字I/O使用时，所有AVR I/O端口都具有真正的读-修改-写功能。这 意味着用SBI或CBI指令改变某些管脚的方向（或者是端口电平、禁止/使能上 拉电阻）时不会无意义地改变其他管脚的方向（或者是端口电平、禁止/使能上 拉电阻）。输出缓冲器具有对称的驱动能力，可以输出或吸收大电流，直接驱动 LED。所有的端口引脚具有与电压无关的上拉电阻。每个端口都有三个I/O存储器地址：数据寄存器一PORTx、数据方向寄存器 -DDRx和端口输入引脚一PINx。数据寄存器和数据方向寄存器为读、写寄存器， 而端口输入引脚为只读寄存器。但是需要特别注意的是，对PINx寄存器某一位 写入逻辑“1”将造成数据寄存器响应位的数据发生“0”与“1 ”的交替变化。当寄存 器MCUCR的上拉禁止位PUD置位时所有端口引脚的上拉电阻都被禁止。每个端口引脚都具有三个寄存器位：DDxn、PORTxn和PINxn。DDxn位于 DDRx寄存器，PORTxn位于PORTx寄存器，PINxn位于PINx寄存器。引脚配置为输入时，若PORTxn为“1”，上拉电阻将使能。如果需要关闭这 个上拉电阻，可以将PORTxn清零，或者将这个引脚配置为输出。复位时各引脚 为高阻态，即使此时并没有时钟在运行。当引脚配置为输出时，若PORTxn为“1”，引脚输出高电平（“1”），否则输 出低电平（“0”）。在（高阻态）三态（DDxn，PORTxn=0b00）输出高电平（DDxn，PORTxn） =0b11）两种状态之间进行切换时，上拉电阻使能（DDxn，PORTxn） =0b01） 或输出低电平（DDxn，PORTxn） =0b10）这两种模式必然会有一个发生。通常， 上拉电阻使能是完全可以接受的，因为高阻环境不在意是强高电平信号输出还是 上拉输出。如果使用情况不是这样子，可以通过置位SFIOR寄存器的PUD来禁 止所有端口的上拉电阻。不论如何配置DDxn,都可以通过读取PINxn寄存器来获得引脚电平PINxn 寄存器的各个位与其前面的锁存器组成一个同步器，这样就可以避免在内部时钟 状态发生改变的短时间范围内由于引脚电平变化而造成的信号不稳定，其缺点是 引入了延迟。3.2小车的硬件电路设计3.2.1微处理器模块电路微处理器用Atmel Mega16单片机构成的最小系统11组成，其包括晶振、一 个复位电路和一个小车运行模式选择按键。其中晶振大小为16MHz，复位开关 为微动开关，模式选择开关则为带锁开关，可实现模式选择的锁定，以便主程序 查询。电路图如图3-2所示。图3-2 Mega16最小系统3.2.2电源模块电路电源可以采用4节1.5V电池直接供电，但是6V的电压不能同时给单片机 与电机供电，并且由于小车电机功耗大，这种方案中电源容易受电路的影响，因 此在此系统中采用LM2940来供电。LM2940是输出电压固定的低压差三端稳压器；输出电压5V，输出电流1A； 输出电流1A时，最小输入输出电压差小于0.8V；最大输入电压26V；工作温度 -40+125C ；内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。该模块采用LM2940作为稳压芯片，其输入用6节干电池供电，输出为+5V, 为整个系统提供稳定的+5V电源，该设计可以提高系统的稳定性以及降低系统对 工作环境的要求。电路中加入带锁按键可以在停止工作时切断电源，以节省电源， 并且在输入输出端分别加入了 LED指示灯，指示电源的工作状态。其电路图如 图3-3所示。图3-3电源模块3.2.3循迹模块电路脉冲调制的反射式红外发射接收器返回的信号较弱，且直接输入给单片机的 话容易产生误判，而对信息处理出现错误的分析，以致出现循迹的错误，因此， 需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整12，满足单片机输入信号的 要求。本系统采用的LM339比较器实现滤波及电平调整。常见的运算放大器中， LM339价格低廉、使用简单等优点比较突出，因此本设计中的信号处理、电平 调整用LM339作为电路的比较器。图3-4循迹模块电路图LM339是四电压比较器集成电路。其工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作。LM393/339是高增益，宽频带器件，像大多数比较器一样，如果输出 端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡.这种现象仅仅出现在当 比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙.电源加旁路滤波并不能解决这个问题， 标准PC板的设计对减小输入一输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小 于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量（滞回1.010mV）能导致快 速转换，使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡。除非利用滞后，否则直接插 入IC并在引脚上加上电阻将引起输入一输出在很短的转换周期内振荡，如果输入 信号是脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要。比较器的所有 没有用的引脚必须接地。如图3-4所示，即为循迹模块电路图。其中红外发射接收对管将信号返回至 LM339正输入端，与负输入端电压比较，当大于负输入端电压时，输出端为高 电平，反之，则输出为低电平。如当路线为黑线时，接收管则不导通，LM339 正输入端为高电平，此时比较器的输出也为高电平，反之，为地面或白色时，比 较器输出为低电平。并且模块灵敏度可由电位器调节负端输入电压来调节。循迹模块三个传感器安装主要是分为左中右，前进时中间的传感器在黑线 上，这样安装能使小车更稳定地在规定的路线上行驶，即中间的传感器是第一级 保护，当小车偏离路线时，快速的反应使小车能纠正回到规定路线，外面的两个 传感器是第二级保护，即当小车转大角度时，第一级保护传感器得到反应时用于 对小车路线的纠正，这样能使小车更稳定地运行。3.2.4避障模块电路避障模块有两部分组成，包括探测左前右前的红外对管（如图3-5）和超声 波（如图3-6）。图3-5左前右前避障模块图3-6超声波模块其中如图3-5示，左前右前避障传感器为脉冲调制的反射式红外发射接收器， 但其较容易受光线影响，而图3-6示的超声波模块测距对所探测物体斜度有要求， 两者结合既可不受被测物体斜度的影响，而且可以对高度不同的障碍物进行探 测，增加了探测的准确性和全面性，增加了避障的准确度。3.2.5驱动模块电路本文设计的小车采用直流电机提供动力，并且电机均接有具有保护作用的大电感。其电路图如图3-7所示。图3-7驱动模块如图所示，小车采用直流电机提供动力，L1、L2两个大电感对电机其保护 作用。由有L298驱动模块驱动电机，L298N是一种内含两个H桥的高电压大电 流全桥式驱动器13接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机， 可分别独立驱动两个直流电机，本设计即用了这样的连接方式驱动左右两个电 机，E1、E2接控制使能端，控制电机的停转；In1In4接单片机的输出端，用于 控制电动机转向。表31为L298N的E1功能逻辑。L298N中E2、In3、In4的 逻辑与表31相同。表3-1 L298N的E1功能逻辑E1In1In2状态0停止101正转110反转111刹车100停止3.2.6显示模块电路如图3-8所示，本系统使用发光二极管来显示障碍物的情况和小车的运行状 态，以方便小车的调试和实验，并且加上限流电阻，以实现对发光二极管的保护， 提高系统的安全稳定性能。发光二级光均为共阳极，当单片机给低电平时，发光 二极管被点亮。根据传感器返回的信息，单片机控制发光二极管的亮灭。当左侧 传感器测到有障碍时，则标有“左前障碍”的发光二级光被点亮，当小车右转时， 则标有“右转”的小灯会被点亮。图3-8显示模块第4章小车的软件设计本论文中，软件解决的是单片机对信息的接收及处理的问题，即实现收集信 息、对小车运行状态控制和对信息的显示。本系统应用ICCAVR进行编程，采 用C语言编程14，使用Progisp对单片机进行程序的烧写。4.1主程序设计及流程图主程序流程图如图4-1所示。首先单片机初始化，包括对定时器及端口的初 始化，然后检测模式选择按键的状态。若为循迹模式，则进入循迹子程序，查询 循迹传感器的状态，进行循迹处理；若为避障模式，则进入子程序，对壁障传感 器进行查询处理。并且每次都需要检测按键状态，保证小车的运行模式不出现错 误。小车根据按键状态识别运行模式，当按键闭合时进入避障模式子程序，当按 键断开时，小车为循迹模式，执行循迹子程序。模式选择按键闭合？ 一Y执行避障子程序执行循迹子程序开始程序初始化图4-1主程序流程图4.2避障子程序设计及流程图避障子程序主要实现对有无障碍的判断，从而对小车给与正确的运行指令， 实现避障。避障传感器有左前、右前、正前三个传感器，对障碍进行探测，对障 碍的探测更准确全面，如当正前方有障碍，而左前方无障碍时，则可是小车左转， 避开障碍。先判断正前方传感器状态，再对左前右前的状态进行判断，根据三个 传感器的状态便可实现对小车状态的控制。如若三个方向都有障碍时，则小车先 实施后退再进行做左转，防止其撞上障碍物。其程序流程图如图4-2所示。图4-2避障子程序流程图左前方有？1r11rE显示V4.3循迹子程序设计及流程图循迹主要依靠车体前方三个并排固定的脉冲调制的反射式红外发射接收器 采集黑线信息，返回至单片机进行分析处理，对小车的运行加以控制，使小车始 终循着黑线前进。其三个传感器分别为左、中、右，当小车状态不为白黑白时， 则小车状态实施转向调整，直至转至白黑白状态，若为黑黑黑状态则可检测为十字路口，则直接前行通过，最后为白白白时，则小车停止。三个传感器协调工作， 则可实现准确循迹。其程序流程图如图4-3所示。初始化NYN右转/显示直到白黑白左中右黑白白或黑黑白？左中右白黑白？前进/显示L 左中右-黑黑黑或黑白黑？左转/显示直到白黑白VY前进/显示左中右一N白白白？停止/显示返回图4-3循迹子程序流程图结论通过此次毕业设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查资 料的过程中了解了许多课外知识，开拓了视野认识了将来电子的发展方向，使自 己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。本次设计以Mega16为主控芯片对循迹避障小车的硬件和软件进行了设计。 采用Mega16单片机控制小车，具有稳定性好、编程方便自由、易于扩展等优点。 最后对设计的小车进行了实验，在地面上用黑胶布粘出不同的轨道，小车能很好 地识别路径、避障，运行稳定，障碍及小车运行状态显示准确，有一定的抗干扰 能力。从运行情况来看，循迹效果比较好，但是避障的效果不是很好，我认为是由 于避障模块中用到的红外传感器容易受外界光线的影响，导致出现误判，而导致 避障的失败，这也是这次设计最大的误区，并且缺少一些扩展，相信有足够的时 间和实验条件，我肯定会解决问题。参考文献I 蔡自兴.21世纪机器人技术的发展趋势J.南京化工大学报，2000, 22 (4)： 73-79高枫.基于ARM的智能寻迹小车的设计与实现D.山西：中北大学2012.63 刘海波.1994-2013China Academic Journal Electronic Publishing House 4 Skog I，Hndel P. In-car positioning and navigation technologiesAsurveyJ. IEEETransactions on Intelligent Transportation Sys-tems 2009, 10(1): 421.5 Obradovic D, Lenz H, Schupfner M. Fusion of sensor data in Simens car navigation system J. IEEE Transactions on VehicularTechnology 2007, 56(1):4350.6 黄大志，周庆贵，陈业强.基于单片机轮式寻迹机器人控制系统的设计J.机床 与液压，2009, 37( 8) : 350 352.7 王玮，王丹，培德.基于光电探测系统的地面车精确定位定向技术J.北京航空 航天大学学报，2007, 33( 8) : 902 905.8 肖南峰.智能机器人M.广州：华南理工大学出版社，2008.1:7-89 陈明荧.ATmega16单片机课程设计实训教材M.北京:清华大学出版社,2004.10 雷钢，王宏远.基于AVR单片机的控制系统设计J.华中科技大学学报.2006.II 张军.AVR单片机应用系统开发典型实例M.北京:中国电力出版社,2005.12 刘崇翔基于ARM的智能小车的设计与研究，江南大学硕士学位论文，2012.0313 彭南华.经济型喷漆机器人轨迹规划及关节控制研究D。湖南：中南大学，2009(4)： 3-714 沈文.AVR单片机C语言开发入门指导M.北京:清华大学出版社,2003.15 Jayanta Mukherjee a,*, Manfred K. Lang b, S.K. Mitra. Demosaicing of images obtained from single-chip imaging sensors in YUV color space. J. 2005:13-18致谢本次设计是在xx老师的精心指导下完成的。从论文的选题到各个研究阶段， 自始自终得到了她的悉心指导，为本设计的完成倾注了大量的心血。X老师为人 处世认真负责，时刻监督我设计进度，同时在设计需要的时候都能马上帮我解决。 丛老师严谨求实的科研态度、执着追求的敬业精神以及平易近人的工作作风，使 我终生受益。她不仅一直对我的课题研究和论文进行具体的指导；而且在思想上， 也给我提供了很大的帮助和支持。在此，向X老师表示衷心的感谢和深深的敬意!同时也要感谢电子信息工程学院的全体老师，感谢他们的帮助与教导，使我 在长春理工大学度过了愉快而又充实的大学生活，不仅学习专业理论知识、提高 了科研能力，还加强了自身修养、得到了为人处事等全方面的锻炼。在本次设计 中我也得到同学和朋友的大力支持和帮助，同时感谢他们四年来的支持和关怀。最后，谨向在百忙之中抽出时间来参加我的论文答辩的各位老师表示衷心的 感谢。附录1系统电路图US-020附录2智能循迹壁障小车完整程序#include #include unsigned int Flagy=0;unsigned int Flagz=0;unsigned int Flagc=0;unsigned int num=0;unsigned int temp4;unsigned int a=0;unsigned char trig_flag=0;unsigned int distance=100; int error=0;小车停止指示灯灭#define Stop PORTA =0b11000000;PORTC |=(16);PORTC |=(17)小车前进PA6指示前进 低电平有效后退PA7指示后退 低电平有效#define Front PORTC |=(16);PORTC |=(17);PORTA = 0b10011011#define Back PORTC |=(16);PORTC |=(17);PORTA = 0b01110110小车左转PC7指示 低电平有效 右转PC6指示低电平有效#define Zuozhuan PORTA |=(16)&(17);PORTC |=(16);PORTC &=(17)#define Left PORTA = 0b11000011#define Youzhuan PORTA |=(16)&(17);PORTC |=(17);PORTC &=(16)#define Right PORTA = 0b11011000/* 延时函数*/2小十小十小十小十小十小十十十十小小十十小小十十十十小十十十小十十小十/ /*/函数名:delayus()、delayms()功能:微秒级、毫秒级延时参 数:us -欲延时的us数 ms -欲延时的ms数返回值:无 *