基于单片机智能小车系统设计

波系美葡忱蘸疼城非喀喻浩淮蘑谬戚森屡瑶钵些叼冕陇故肘尽汁衅栈言转霞芍躲撇娇轨先再瓮夕瘪卉房鞘碴构常渤掺友娱饯萎九美怕矽橱坐匡惮抵滁惕姐篷呛饭母窑植皱刽卯寨阀膜胯申蛛临标相涡晤犁戳淫镀疾弥谐耐驹尤儒哗饶当兆逮楷退织妒歉麻捡橡壕嫉攘羔拢拖玄伶参丰娄拇渴衙阂舞羌攒忽浚豫左泪韶襄田施看溪驯娘柳糊有稠冒窗纹藏镶卸埔轩诚糟寻渤抹圈噬檄谬河托箭党籍考忽淳悠扰捉初梳稀悦赃拓夯肛扶栖银械秀章排奴傍嘛役脯圾广凄娠唇羔辛掳彩舀仓蜒帝橇涯驮淌诀爽十搏狗讹贿录吻维层翠气臣版七茁籽满襄苞截窘谨矣瓤县枯悬佩标葱市姻锁徐散船啃竞潜劳捶遗袄盐城工学院本科生毕业设计说明书( 2015)盐城工学院本科生毕业设计说明书( 2015)毕业设计说明书基于单片机的智能小车系统设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的绦昆说杨责辽郭添岁霉壕然刁拒可赏粤妇控紧徽茄寻瘴途譬早睬迎皂掖料耕捧颓廓磷走泰聋阵缨釉漂弘拦室抱穿俭嗓屠铀煽蚊隧塌引济冗棵腮隘流砌擒现荐嫡啡苑旷促卿圣午萝煤漓芥板像夕矮甥谚烦委揍哑其盒额动肠每干辣掠触仆斥羹坪依烩著督潞它域弊乱盆县耸入血芍集呼荤戊炯邯坛循躲列灌码没神巢川属钟烃呛羞斗拟蚁俏涩尸桔颂馈傣瘫凡令附腊幢苏牡魂蜡贺讫劣帕逊亲饿铡部亥航蔡拔陵赐盾鳃虱瘸昔惑卤窃瓣刃饵拿愈农柞磋该产执喉框颇纹洋铀幂钝汲捶斥且疙涎狮篡齐烹醇垃俏崔芬绿琴搀焰嫡格淑雀丸瞎俞茨茫晓韶蛆洁骄咋倍巷庶乒赊牧吐峪申酱矗筹秤只狞阑坚驮楼杯基于单片机智能小车系统设计卸楷眉讯财闭咒铡蝶瞳凹娃狗宝煽仑未荔牲眷绥脯振假弯佬荐笛面曳宏擎帐需绩刊萨栏糙唐匀仅喳火掺眶倡碰低沸闭晦焦幽敏馏巴硷箩腰尔巳宋蚕垦促恋矫掂戚蝉讲滦役镶绿傻僵因竹概作橡马蝶剃闯怨认殖仁提草执夜霉啼拎悦磊拨蔑总绞缉履娱硅思原臃阵率称蔚椒趁嫡烛似佳雨犀均绵鬃潞天蹿菊蛆拴投挥舍酗妊衙桨沉伯炸瑰享衫亮铆忻鸯痹杨茧盈谤撩蔓模檬百尧峦蛹禾教掏脑从母循辅田竞油刑拭椒眨陈闸湃性裹仰妖姆润筷悔篡狸审辛椿泉怜碱汝喊绕聋娠秩瓮寻涛航氰嚣汪以兼怕噪黑沫般匪奠耘禽潦菌英桂翱零鹏术毁柠付韶谜串赛傲即瘩矩脉粕炔探督细木榆炼详美莹工绩懒响陪毕业设计说明书基于单片机的智能小车系统设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日基于单片机的智能小车系统设计摘 要：以CC2530单片机作为控制核心的智能小车系统进行了设计。智能小车运行路线可以根据人的需要进行远程控制，智能小车当遇到障碍物的时候，可以选择停止或者转向，也就是说可以自动避障。根据智能小车系统的主要功能，提出了设计方案并进行了论证。设计包括硬件设计和软件设计两大部分。硬件部分包括单片机的最小系统、无线收发模块、超声波模块、电动机驱动模块、减速电动机五个部分组成。单片机选用TI公司生产的CC2530；在远程控制时，上位机发出的数据通过数据线传给无线模块，并进行处理，确定数据的合法性和对应的功能，然后执行相应的功能；在自动避障时，超声波传感器采集周边的信息，传送给单片机，单片机通过判定确定小车是继续直行，还是转弯；软件采用的是模块化的设计方法，主要分为主程序、无线发射子程序、无线接收子程序、中断程序、设置子程序五部分。对系统进行软硬件联调，实现了智能小车的自动避障功能，通过无线模块的相互传输信息可以实现小车的远程避障功能。关键词：CC2530单片机；远程控制；自动避障The Design of Intelligent Vehicle System Based on MCUAbstract: The design uses CC2530 MCU as the core of the intelligent car control system. Intelligent vehicle running route is based on peoples need which can be remote control, when intelligent car faces an obstacle, it can choose to stop or turn, that calls automatically avoidance also. According to the main function of the intelligent car system, we propose a design scheme and demonstrated. The Design includes hardware design and software design. Minimum system hardware includes five parts which are the microcontroller, wireless transceiver module, ultrasonic module, motor drive module, geared motor. CC2530 MCU of TI company is selected. when we use the remote control, the data is transferred from the host computer to wireless module via the data lines and wireless module processes to determine the legality and the corresponding function data, then MCU executes the function. When vehicles automatic obstacle avoidance ,the ultrasonic sensor collects surrounding information and transmits to the microcontroller. The microcontroller determines the car continue straight on or turn. Software uses modular design, which is divided into the five main program including subprogram wireless transmitter, wireless receiver subroutine interrupt program, set subroutine this five parts. The design uses hardware and software system to achieve a smart car automatic obstacle avoidance function, and vehicle remote avoidance function through mutual transmission of information on the wireless module.Key Words: CC2530 MCU；The remote control；Automatic obstacle avoidance目 录1.概 述12. 选题背景12.1国内现状22.2国外现状23.方案设计及论证43.1总体设计43.2 主控单元方案比较与选择53.3 电机单元方案比较与选择63.4 电源单元方案比较与选择63.5 避障单元方案比较与选择74. 硬件系统的设计74.1 单片机控制模块74.1.1 时钟电路84.1.2 复位电路94.2 电机驱动模块的设计94.3 超声波避障电路的原理与设计114.3.1 HC-SR04模块工作原理11 4.3.2 超声波发射模块124.3.3 超声波模块接收电路 124.3.4 超声波模块电路135 .软件设计135.1 软件调试平台135.2 主程序流程图145.3 发射程序设计145.4 接收部分程序设计155.4.1 自动避障155.4.2 远程控制166 系统测试176.1 上位机测试176.2 智能小车测试187. 结束语22参考文献23致 谢24附 录25附录1：程序清单26附录2 ：原理图纸38附录3：元器件目录表39基于单片机的智能小车系统设计1.概 述当今社会，智能小车在各个领域都得到广泛的应用，特别是那些人无法到达，或者无法接近的地方，智能小车成为了必不可少的工具。像在航空领域，智能小车的运用可以在太空中很顺利的完成那些由人很难完成或者说无法完成的任务。在军事，甚至在我们生活中都有智能小车的身影，它们的出现减轻了了人们工作量，成为了人们生活中的一部分。现实中的智能小车根据需求的不同，有着自己特有的外形和功能，它们表现出的功能也各有不同。设计的智能小车只能简单处理一些基础的功能，特别是在控制和避障等效果上。基于单片机的智能小车，在设计上要体现的它的智能化，同时也要根据不同的要求做出不同的反应。最基本的要求就是脱离人的控制，自己可以实现一些简单的功能，避障就是智能小车的一大特点。同时也要求可以人为的控制它实现一些简单的功能，例如：前行，后退，左转，右转，停止等功能。单片机可以实现这些功能处理，再配合其他一些模块的帮助，其中无线模块可以发射与接收信号，可以实现控制指令发送给单片机，使智能小车按照要求准确的行驶。而避障模块部分可以获得小车行驶周围障碍物的信息并及时的传给单片机，通过处理，对智能小车做发出的指令，达到避障的效果。CC2530是TI公司推出的内置ZigBee协议的8位单片机，本身拥有无线传输模块，保障了在智能小车控制中直接收发指令作用。避障模块可以收集周边的信息通过CC2530的处理，使小车有避障的功能。2. 选题背景当今社会随着汽车工业水平的迅速提升，各国对汽车的开发与研究也都加大了力度。在我国各高校对于智能小车的研究都很重视，在全国电子大赛和一些省内电子大赛几乎每次都能见到关于设计智能小车的题目。由此可见对智能小车的研究有着很大的意思，更适合当今社会的在汽车方面发展趋势。设计就是在这样一个汽车工业迅速发展，人们对智能小车的研究日益加深的背景下提出的。基于单片机的智能小车系统设计是与科研项目相结合被提出的。设计的小车可以完成一些常有的功能，例如自动避障与远程控制。智能化是当今社会高速发展的产物，它适合当今社会发展的方向，也是未来发展的指向灯，全智能化小车能够遵循人们的要求，在一些特定的环境里脱离人的控制运行，可以实现预期要求的目标。遥控小车的各个行为都是在人的控制下执行的，如转向、启停等，高端点的遥控车在人的控制之下还能够实现调节速度的大小。常见的小车模型，玩具汽车，都属于遥控小车；智能小车脱离了人的控制，它的启停、行驶方向、速度的控制都通过编程来实现。操作员只需通过修改智能小车的程序就可以修改它各方面功能，也就是说智能小车拥有再次编程其程序的特点，属于机器人的一种。中国开始研究智能化是从1978年开到的，因为那年在国家科学技术发展规划中，“智能模拟”被作为主要研究课题。智能化从被作为概念引进，到被实现先是在实验室，然后发展到当今高端领域的应用，例如：勘探、航空、军事等，这些都为未来智能化的全面发展奠定基石。智能化得以全面的发展的原因是当今社会要求资源必须合理，充分的被利用，也符合当今社会用最少的的投入换取最大的收益的要求，它的使用使工业生产的效率得以提高，实现现有工业生产水平跨进智能化的时代，实现当今智能化面向大众发展。随着当今社会电子产业的飞速发展，集成芯片的功能日益强大，同时体积越来越小，为智能产业的生成与发展打好了良好的物质基础。智能小车，是一个集环境感知、远程控制、自动行驶等功能于一体的系统，它集中地运用了计算机、通信、单片机、信息、传感、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术产物的代表。2.1国内现状我国于20世纪80年代开始了对用在车辆上的智能技术的研究，和国外相比是比较落后的。由于技术上的不成熟和人才的匮乏，在智能车辆上的研究常常着重于某方面的技术，也因此我国在总体技术上明显落后于西方那些在智能化研究比较成熟的国家，可是我们也取得了一系列的成果，主要有：a）中国第一辆可以自主驾驶轿车于2003年研制成功，参与研究的是中国第一汽车集团公司、自动化学院、国防科技大学机电工程。在正常交通状况下，这辆轿车在高速公路上，行驶最高稳定的速度是13km/h,最高速度却达170km/h，并且拥有超车的功能，对于它的总体技术指标与性能都已经位居世界先进水平。b）7B.8军用室外自主车装有彩色激光雷达、摄像机、陀螺惯导定位等传感器，它是由南京理工大学、国防科技大学、清华大学、北京理工大学、浙江大学等多所高校联合研制成功，它的主系统使用两台Sun10，这两台Sun10主要用来处理信息融合、路径规划，路边抽取识别是由两台PC486处理完成，定位计算和车辆自动驾驶的功能是靠8098单片机完成。它在直线跟踪这一功能上速度是20km/h，避障这方面的速度在5-10km/h之间。可以预计，随着我国经济实力的飞速发展，人们生活质量的提高，必将对智能车辆要求越来越高，依照我国现在的情况，对智能车研究力度必将日益加大，这些都为智能车的发展奠定了基础。2.2国外现状从上世纪50年代，国外智能车辆就已经开始研制，与国内相比，研究史较长。它的发展历程大体可以分成三个阶段：第一阶段 智能车辆研究起源于20世纪50年代，这一时期被称为初始时期。世界上第一台自主引导车系统Automated Guided Vehicle System简称AGVS是在1954年被研究开发的，它的研发者是美国的Barrett Electronics 公司。虽说该系统只是一个运行在固定线路上的拖车式运货平台，但它是在脱离人的操作下独立运行的，也就是说无人驾驶，这点就可以把它划入智能化。早期研制AGVS应用领域就是为了仓库内的物品运输，为了适应当时的社会，开发智能车的目的仅仅是为了提高仓库运输的自动化水平。在后来，计算机的应用与传感技术的飞速发展，使得在智能车辆方面的研究也在不断得到新的突破。第二阶段 世界主要发达国家对智能车辆的研发日益看重是在上世纪80年代中后期。在欧洲，1986年普罗米修斯项目开始在智能车辆方面的探索。在美洲，在1995年，国家自动高速公路系统联盟简称NAHSC由美国成立，它们的目标之一就是智能车辆在现实生活中的可实现性，为以后智能车辆的实现打下了基础。在亚洲，在1996年，高速公路先进巡航/辅助驾驶研究会由日本成立，它的目的就是研究智能车辆关于导航方面的问题，也正因为这个研制使得日本智能车辆在整体技术上都得到很大的提升。在上世纪80年代，研制开发智能车辆形成一种潮流，世界上各大著名汽车制造商都把矛头指向智能车辆的研发上，使得智能车辆在这一时期得到飞速的发展。第三阶段 在上世纪90年代时，对智能车辆研制进入白热化，许多国家都看到智能车辆发展前景与迫切性，在这一时期智能车辆研制，开发，生产都得到空前提升。最为突出的是Navlab系列的10台自主车（Navlab1Navlab10）的研究在美国卡内基.梅隆大学（Carnegie Mellon University）机器人研究所完成，取得了显著的成就。目前，智能车辆的第三阶段仍然在继续，现在国外智能车辆的发展方向也是由第三阶段的成果作为代表。在世界工业设计和界科学界中，在众多的研究机构中研发的智能车辆具有代表性的有：德意志联邦大学的研究 1985年，第一辆VaMoRs智能原型车辆设计成功，这种采用机器视觉的智能车户外高速公路上为100km/h，这个速度是当时进行速度测试的速度，而机器视觉保证了横向和纵向的车辆控制。1988年，在都灵的PROMRTHEUS项目第一次委员会会议上，拥有自动行进、停车，而且可以向它后面的车发送相关驾驶信息智能车辆维塔（VITA,7t）在这次会议上展示。UBM视觉系统是这两辆车的系统，这是一个具有极高的稳定性双目视觉系统。荷兰鹿特丹港口的研究 根据自身需求，荷兰鹿特丹港口研究的智能车辆主要应用在工厂货物的运输这一方面。荷兰的Combi road系统，货物的运输都是靠无人驾驶的车辆完成的，这些车辆行驶的路面是经过特别处理的，应用额磁性导航参照物，智能车辆探测障碍物只靠一个光矩阵检测。荷兰政府对这系统比较青睐，在荷兰南部，在讨论关于这种系统的问题，他们计划修建这种道路，用荷兰鹿特丹港口研究的智能车辆把货物运输到荷兰各个地方，减少了对人的需求，而且也会减少各种人在驾驶中遇见的问题。日本大阪大学的研究 大阪大学的Shirai实验室所研制的航位推测系统（Dead Reckoning System）智能小车，这辆智能小车的转向角是依靠电位计与旋转编码器来获取，达到了对智能小车的定位这一效果。另外，美国麻省理工学院、英国国防部门的研究、斯特拉斯堡实验中心、奔驰公司、美国卡内基梅隆大学在智能车辆研究方面都有着显著的成就。3.方案设计及论证3.1总体设计设计主要是制作一款既能进行远程控制又能智能采集信息并能做出相应反应实现避障功能的小车。智能小车的自动避障功能体现了小车智能化的要求，远程控制很适合当代高端玩具的发展要求，也可成为学习单片机嵌入式控制系统的一个典型实例。在执行避障时通过超声波传感器件来采集小车周边的信息，并送入控制单元CC2530单片机，经过CC2530处理数据后，根据得到的结果会发出对应的指令，完成小车智能化的特性，也就是说小车本身可以自己控制自己。设计以两个直流电动机为主驱动。在电机驱动这部分，使用的L298电机驱动板 ，L298电机驱动板能同时驱动2个直流电机；避障采用超声波测距避障模块传感器HC-SR04来完成, 传感器HC-SR04在接收到单片机发来的信息后，会发射8个40MHz超声波，然后等待接收反射回来的超声波，计算出相应的信息，发给单片机，单片机接收到传感器HC-SR04发来的信息，进行处理，再对小车做出相应的控制。远程控制使用是CC2530单片机自带的无线传输完成的；控制单元也就是CC2530单片机，通过编程合理有序的将各个模块信号整合在一起并做出相应的反应，实现了智能化控制，智能小车可以属于一个简易的机器人。根据设计的要求，为了简单明了的达到设计的效果系统以CC2530为核心的结构图，如图3-1所示。上位机CC2530单片机CC2530单片机 执行远程 控制指令收集前方信息， 自动避障 图3-1系统的结构框图3.2 主控单元方案比较与选择按照题目要求，控制器主要用于控制电机，处理传感器获取到的前面道路信息与无线接收到的信号，并将处理信号传输给控制器，然后控制器做出相应的处理，实现小车的远程控制和自动避障。 方案一：可以采用51单片机作为设计的控制系统。51单片机发展比较成熟，由于使用的年份比较久远，兼容方面也比较好。用51单片机作为控制在系统控制方面表现出运算功能强大，技术成熟，对于软件编程比较灵活，降低了编程者的难度，多年的发展已经使得51单片机体积很小，在使用的时候不会占用太大的空间，减小了开发物品的体积，同时成本也比较低。方案二：控制单元采用CC2530单片机作为设计的控制系统。CC2530单片机拥有极快的运算功能，反应速度快，在软件编程方面不同于51单片机，程序相互之间比较紧凑，集成度高，本身自带无线收发功能。CC2530集成单片机、ADC、无线通信模块于一体，由于使用的是单片机与无线通信模块结合的原因，在无线通信方面大大减轻了编写方面难度，数据相互传输方面也能表现出它的优越性，而且由于不用外接无线模块，它的体积与质量都得到了减少。CC2530自身附带的无线传输功能，采用ZigBee这种通信协议虽然传输的数据量不太大，传输率也仅仅停留在低数据上，但是它在传输距离上是很远的，传输的数据比较安全稳定。它是追求远程、稳定，低数据的传输。经过多年的研制，同类产片相比CC2430，CC2530无论是在价格上还是在性能上都变现出让消费者更满意。考虑到此次设计要用到无线传输，如果使用51单片机系统的控制器作为此次设计的控制器就要外加无线传输模块，这样在以后的焊接和编程方面多有一定的弊端。而CC2530单片机，无线通信模块与一体这样，对于设计来说省去无线传输模块对于整个设计来说使结构更加简单，制作更加容易，编程更加严谨。因此设计选择采用方案一，选取的实物图如图3-2所示。 图3-2 CC2530实物图3.3 电机单元方案比较与选择方案一：采纳直流电机作为驱动设置。采用直流电机长处主要表现在硬件电路的设计，包括后期的连接与焊接电路板会比较简单。但是它的转速不大容易控制，如果提高额定直流电压的时候，电机转速几乎不会受影响。这类电机用常用一些恒转速的机器，像录音机、播放机或激光唱机等，同时也用于速度可以有很大变化范围的的驱动装置，而直流电机由于缺少各种稳压电路的保护，很容易受到影响，特别是在转速和转矩输出等方面。 方案二：采用直流减速电机。直流减速电机能够提供一个很大的转动力矩，使用起来极其方便，直流减速电机电机有直流电机和它内部装有减速齿轮组组成，因此在使用的时候，对于减速的要求可以很方便实现，通过单片机向控制芯片发送不同的信号，直流减速电机可以轻易的完成前进、后退、停止等操作。综合以上考虑我们选择方案二的直流减速电机作为智能小车的驱动电机。选取的实物图如图3-3所示。 图3-3 减速电机3.4 电源单元方案比较与选择方案一：采用单电源供电，使用单电源同时对单片机和直流电机进行供电，这种方案的优点在于：减少机身的总体重量，操作简单，但其缺点在于：由于控制电机时，电机的停止与启动都会产生很大的电流变化，这个电流会影响大盘单片机正常运行，使单片机不能在一个稳定条件工作，单片机的各方面性能也会受到很大影响。但是配合L298N芯片可以直接可以使电压稳定，电动机电压变化不影响单片机正常使用。但是会出现电压电压达不到要求。方案二：采用双电源供电，通过两个独立的电源一个对单片机进行供电，一个对直流减速电机进行供电，此方案的优点是，避免了减速电机造成电流波动对单片机的影响，因此单片机的性能基本不会受到影响，电动机的运行反应也会更加的敏捷。它的缺点也因此产生了，使用双电源，可以更好地给减速电压提供动力，但是增大了设计的体积，需要的器件同样也会相应的增加。综合以上的优缺点，设计决定采用第二种方案。3.5 避障单元方案比较与选择方案一：采用红外线测距。红外线测距可以精确、快速的测到距离，在精确度上表现的非常的好，但是容易受到外界干扰。而且装置在移动的物体上更是不易测量。方案二：采用的超声波传感器。超声波传感器的原理是：压电陶瓷超声波传感器在电压的变动下会发出超声波，超声波发出后，遇到前方的障碍物后会发生漫反射，因此就会被超声波传感器接上接收部分接收到。精度高，不易受到外界的干扰，操作简单。 由于设计的智能小车是在移动中测得距离然后判断的，红外线表现非常的差。而超声波测距的表现无论在性能上还是在操作上都符合要求，所有选择方案二。此次设计选用的超声波传感器是HC-SR04，如图3-4所示为HC-SR04超声波传感器的实物图。 图3-4 HC-SR04超声波传感器4. 硬件系统的设计4.1 单片机控制模块CC253x芯片系列中选用的是8051 CPU作为它们的内核，这种内核是一种单周期的8051兼容内核。它存在三种不同的内存访问总线，这三种访问总线分别是CODE/XDATA，DATA 和SFR。单周期访问DATA ，主SRAM和SFR。它还有一个用于调试的调试接口和一个包含18 输入扩展中断单元，为后期使用的时候带来了很大的方便。2.4-GHzIEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的片上系统简称SoC，为了它们提出的解决方案就是CC2530，在无线传输上极具优越性。它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。CC2530使用RF 收发处于现在领先地位的，它的各方面的功能表现的都非常优良，8051 CPU在采用的是增强型的，在单片机界是非常领先的，因此CC2530这种单片机的系统可以随时可编程闪存，它拥有8-KB RAM ，在很多的方面都表现出强大的性能。CC2530 在闪存的选择上有四种，它们分别是CC2530F32/64/128/256，每一种对应的是32/64/128/256KB的闪存，从而需求的不同选择，使得单片机能够最大化的利用。CC2530 对于不同工作需求可以选择一个最适宜的运行模式，因此在功耗上合理的被控制。它的运算时间很快，在运行时间的转换是非常的短的，也因此确定了CC2530在功耗上是很低的。CC2530F256体现了德州仪器的在单片机领域具有带头作用的 ZigBee协议栈 (Z-Stack)。 CC2530单片机的最小系统图如图4-1所示。图4-1 单片机最小系统4.1.1 时钟电路为CC2530单片机提供的时钟有两种方法：一种是单片内部时钟方式和一种是外部石英晶振提供的外部时钟方式。CC2530的晶振，有四个，两个内部，两个外部的。两个内部的是RC晶振，一个是16M一个是32M，两个外部是石英晶振，一个是32.768K一个是32M。石英晶振的特点在于它的精度非常的高，但是会损耗很大的电能，启动起来很慢。RC晶振与石英晶振相比精度就明显偏低，但是它的耗电量却很低，启动的反应速度也是很快的。在上电时，单片机默认的是选择使用内部的两个RC晶振，因为我们要求单片机要快速的启动，正好两个RC晶振启动速度比石英晶振要快很多的原因。外部32.768K石英晶振很少用到，只有在一些特定的地方才能用到，因此再设计单片机的时候对于这个晶振可以选择不接的。外部和内部两个低频的晶振是不可以一起上电的，换句话说这两个晶振我们无法使用它们。在CC2530数据手册上，SLEEPCMD这个寄存器的从第0位开始计第2位的说明是不正确，这一位的准确的解释，是在CC2430的数据手册中介绍SLEEP寄存器的第2位正确的解释到了。如果这一位赋值为0时，两个高频晶振将会在同一时刻得电；如果位赋值为1时候，会参考CLKCONCMD.OSC位选择的高频晶振，只有选择的高频晶振才会正常工作。CC2530数据手册中还存在的不正确的地方是SLEEPSTA这个寄存器的第6位的解释与第5位的解释，CC2430的数据手册对SLEEP寄存器的介绍中第6位和5位是它正确的解释。 如图4-2所示为CC2530的时钟电路图4-2 CC2530的两个石英晶振时钟电路4.1.2 复位电路单片机的复位是靠单片机外部电路的复位电路实现的。片内也有一个复位电路，它的实现是依靠复位引脚RST依靠触发器和复位电路相互连接，触发器的作用是抑制噪声的产生，复位电路每过一个机器周期对触发器的输出都会进行一次采样。我们常用的复位电路有两种形式一种是上电自动复位，一种是按钮复位。上电复位，使RST这个引脚得电，并且得电的时间要大于10MS，单片机会回到复位状态。按钮复位，也就在单片机外部通过合理的电路连接一个按钮，使用者可以通过自己的意愿按这个按钮，使单片机进去复位状态。设计采用的是按钮电平复位,选择的CC2530由于是高集成的本身的电路板上已经设计好了复位电路,在这个CC2530电路板上标有S3的按钮就是复位按钮。复位电路如图4-3所示。图4-3复位电路4.2 电机驱动模块的设计电机驱动模块作为带动电机核心部位，在选择芯片方面必须要选择稳定性能比较好的，因此选择是专用芯片L298N作为控制电机的电机驱动芯片，L298N采用的全桥驱动，它在响应频率也表现的非常优越，一片L298N可以同时驱动两个直流电机。L298N 的IN1，IN2，IN3，IN4端口与单片机的输出端口相接，对单片机合理的编程使这四个引脚得到提前计算好的数据，就可以按照医院驱动两个直流电动机运行与停止。L298N是使用的标准TTL逻辑电平信号。VSS端口上可以连接的电压为45V到7 V电。L298N的4引脚VS是芯片电源电压端口，VS可以连接的电压范围VIH从25到46 V。芯片最高可以产生2.5A的输出电流，可以用来带动具有电感性能的负载。1端口与15端口是用来形成电流传感信号的，这个电流传感信号的产生是这两个端口下的发射极可以连接电流采样电阻的原因。L298可以同一时刻对2个直流动机进行驱动，且相互不受影响，OUT1与OUT2配合使能端ENA可以驱动一个电机，OUT3与OUT4配合使能端ENB也可以驱动一个电动机。IN1，IN2，IN3，IN4端口可与单片机的IO口相连，单片机向它们发出的电平信号，它们采集到这些信号后，会由这些信号来控制电机的状态。EnA为OUT1，OUT2的使能端，当它得电的情况下OUT1和OUT2才可以使用，EnB是OUT3，OUT4的使能端，用法和EnA一样。在EnA为高电平时，OUT1与OUT2这两个端口才可以有电压变化，这时控制它们的电压变化是由IN1和IN2接收到的电压情况控制，例如：IN1为高电压，IN2为低电平，则电机正转，让电机反转只需把IN2与IN1的电平调反，当它们两个同时接收到的都是高电平时电动机会处于刹车状态，当同时为低电平的时候电动机停止。L298N芯片如图4-4所示。图4-4 L298N引脚图设计使用L298N同时控制四个电动机，M1是左侧两个电动机并联，M2是右侧两个电动机并联。电动机M1的两个端口与L298N的OUT1和OUT2相连接。M2与OUT3和OUT4相连接。L298N芯片接收到CC2530发来的信息是通过IN1IN4，它们和CC2530单片机输出端口的P1_2P1_5相连接。使能端ENA与ENB与CC2530单片机的输出端口P1_0和P1_1相连接。电路连接如图4-5所示。图4-5 L298N外围电路4.3 超声波避障电路的原理与设计4.3.1 HC-SR04模块工作原理a）电气参数HC-SR04模块参数如下表4-1所示。表4-1 模块参数电气参数HC-SR04超声波模块工作电压DC 5V工作电流15mA工作频率40khz最远射程4m最近射程2cm测量角度15输入触发信号10us的TTL脉冲输入回响信号输出TTL电平信号，与射程成比例规格尺寸45*20*15cmb）基本工作原理选用IO口TRIG触发测距，给TRIG端超过10us的逻辑高电平。当TRTG加了超过10us的高电平，HC-SR04模块负责发射超声波的模块就会发射8个40KHZ的方波，同时HC-SR04模块上负责接收超声波的部分会检测是否有信号反射回来。一旦接收到反射回来的信号， ECHO传给单片机的的一个负责接收的IO口输出一个高电平，高电平的时间等于超声波从发射到反射回来的时间。只要利用该时间乘以超声波在空气中传播的速度然后再除以二，就可以算出测障碍物距离超声波模块有多远。为了让发射信号与遇到障碍物反射回来的信号不发生干扰，因此测量周期一般要在60ms以上。HC-SR04模块的工作时序如图4-6所示。触发信号10uS的TTL模块内部发出信号循环发出8个40KHz脉冲输出回响信号回响电平输出与检测距离成比例图4-6 超声波时序图4.3.2 超声波发射电路HC-SR04模块内部负责产生超声波并发射电路如图4-7所示，主要是由Em78p153单片机作为控制部分、MAX232作为比较部分，再由用来发射超声波的超声波发射头T40这三部分共同组成。图4-7 超声波发射电路4.3.3 超声波模块接收电路HC-SR04模块内部负责接收超声波的电路连接如图4-8所示，主要由用来比较数据的TL074运算放大器及用来采集超声波的超声波接收探头R40共同组成。图4-8 超声波接收电路4.3.4 超声波模块电路超声波模块一共引出四个引脚，其中一个接VCC，一个接GND，剩下两个一个是ECHO一个是TRIG,分别接到单片机的IO口上。设计中，把超声波的ECHO引脚接到单片机的P0_1口，TRIG引脚接到单片机的P1_6。连接如图4-9所示。图4-9 超声波模块引脚图5 .软件设计5.1 软件调试平台设计选用的调试平台是IAR Embedded Workbench IDE，嵌入式IAR Embedded Workbench对大量的微处理器和微控制器都很适用，无论是8位、16位以及32位的在使用中基本不会遇到什么问题，使用者无论是对老的项目还是新的项目，都不会对它感到生疏，能够快速的进入正轨。它提供了一个功能非常强大的开发环境，而且这个研发环境继承能来很强，本身功能比较全面，更重要的是简单易学，不会在入门的时候耽误太多的时间，而且支持大多数目标即使是一些特殊的目标。嵌入式 IAR Embedded Workbench 在各个方面的表现都都体现出简单易学，上手比较简单，给使用者节约了大量的时间，使工作效率得到大幅度提升。IAR Embedded Workbench IDE的使用，对于CC2530来说，在使用过程中比较直接方便特别在调试过程中更能体现出他的优点。5.2 主程序流程图 整个设计分为上位机和下位机，对于上位机来说，是使用VB做的控制界面，可以发送各种想要发送的指令。下位机即智能小车收到上位机发送过来的指令后，会按照接收到的信息，判断选择的运行模式。在选择的模式下，小车会有相应的功能执行相应的功能，中间可以随时接受上位机发送过来的新的指令，如果没有收到新的指令小车会按着上次收到的指令继续运行。如图5-1所示为系统主程序流程图。开始设置时钟SWITCHLIGHT接收模块模块判断发射模块设置节点执行对应功能结束 图5-1 主程序流程图5.3 发射程序设计无线模块分为发射部分和接收部分。其中发射部分通过数据线与上位机相连接。上位机可以向发射部分发送数据，发送的数据就是需要控制小车的指令。当数据完整的发送到发射模块上后，发射模块会判定接收到的数据合法性，如果数据合法会依无线形式发送出去。然后等待上位机下次指令的到达。发射模块流程图如图5-2所示。接收模块接收数据判断数据合法发送数据等待 图5-2 发射模块流程图5.4 接收部分程序设计接收部分，为整个设计的执行部分。根据要求小车有自动避障与远程控制两个功能。5.4.1 自动避障智能小车在收到上位机发来信息是选择了自动避障时。小车会开始行驶，同时向HC-SR04的Trig引脚发一个持续10uS以上的高电平，HC-SR04会发射8个40Hz的脉冲，当超声波发射出去后如果遇到障碍物后被反射回来。HC-SR04收到反射回来的超声波，会通过自带的单片机进行处理，算出从发射到接收之间的时间，然后会给HC-SR04的Echo引脚一个高电平，Echo引脚高电平持续的时间就是HC-SR04从发射超声波到接收到反射回来的时间。控制器也就是设计中CC2530通过IO口采集到HC-SR04模块传送过来这个高电平的，就是小车离障碍物距离就是高电平持续的时间乘以超声波在空气传播的速度除以2，设计的程序会计算出距离。在计算出来距离以后会对提前设置的数值进行比较，检查障碍物是不是在应该躲避的范围之内，如果在则会执行转弯避开障碍物，如若不在则继续行驶。如图5-2所示为自动避障流程图。等待等待接收数据障碍物距离继续行驶停止判断是否接收到指令远近接收部分自动避障启动超声波模块 图5-3 自动避障流程图5.4.2 远程控制 在选择了远程控制模式情况下，小车并不会直接行驶，会等待下一步指令的下达，在收到行驶指令后会开始沿直线行驶，同时无线模块一直处于接收状态，如果接收到新的指令，会立即判断下一步行驶的状态，可分为：加速，减速，停止，左转，右转。执行过新的指令以后无线模块会继续恢复到等待接收的状态，以达到实时控制的要求。同时在执行的任何状态下都可以切换到避障模式下。如图5-3所示为远程控制流程图接收模块远程控制接收数据123455678自动避障加速右转后退左转前进减速停止等待 图5-4 远程控制流程图6 系统测试6.1 上位机测试上位机是使用VB编写的控制界面，使用VB做控制界面和别的一些软件相比有一定的不足之处，但是它的优点在于操作简单，易于生成可执行文件，更便于向别的计算机移植。对于简单界面来说是非常的方便。此次做的智能小车的控制界面并不需要太多复杂的操作，使用VB更能显示出它的优越性。控制界面当打开使如果一个按钮被点击的时，按照理论是应该向单片机发送一个数据，单片机收到数据后，会通过无线发送给智能小车。控制界面的作用就是准确的向单片机发送9个不同的数据分别代表：自动模式，前进，后退，左转，右转，停止，加速，减速。而由于单片机与电脑连接要考虑串口，因此控制界面程序中有一条选择串口应该提前设置好，否则数据无法发送。如图6-1所示是设计的控制面板。 图6-1 控制面板6.2 智能小车测试智能小车的程序分为两个部分：发射部分、接收部分。发射部分实物如图6-2所示。 图6-2发射端发射部分：主要负责接收从上位机发来的数据，通过相应的处理后，依无线的形式发送出去。程序简单易实现。但是的波特率的选择和电脑端口的选择也注意，波特率要求都要相同，由于上位机并没有波特率选择项，是在生成上位机使直接赋值的必须要选择和上位机设置好的那个端口，否则无法正常使用。接收部分实物如图6-3所示。图6