基于单片机的自动循迹小车设计

　　摘 要

　　近年来由于互联网技术的飞速发展带来了汽车行业的新时代.无人驾驶汽车也称智能汽车,即不需要人为干预,通过事先编程好的程序进行相应的操作,实现预期的路径效果的汽车.本次设计主要在原有的智能汽车基础上加载了自动灭火的功能,以实现在发生火灾这种高风险的情况下避免没有人员伤亡的情况下实现灭火.

　　本次设计的自动循迹小车,利用各种传感器原件,如红外传感器、循迹模块、超声波模块、温度传感器等对外部信息进行采集再传递给单片机,单片机再解析反馈的内容下达指令给电机,从而驱动电机控制小车按照事先预定的轨道行驶从而在行驶的过程中实现循迹、避障、遥控以及灭火等功能.在火焰检测传感器检测到火源时下达指令让风扇转动实现灭火.最后在完成灭火之后按照预定轨迹返回至初始点.

　　软件方面采用C语言进行相关程序编程,将每一个模块分别编写再做汇总, 再对小车实物进行硬件调试,最终完成能够实现预期功能的智能小车.

　　关键词:单片机 避障 循迹 灭火

　　Abstract

　　In recent years, thanks to the rapid development of Internet technology, theautomobile industry has brought a new era. Driverless cars, also known as smart cars,do not require human intervention to achieve the desired path effect throughprogrammed procedures. This design mainly based on the original smart cars loadedthe function of automatic fire extinguishing, to realize in the case of a fire in the highrisk avoid under the condition of no casualties fire.

　　The design of automatic tracking car, use a variety of original sensor, such asinfrared sensor, tracking module, ultrasonic module, temperature sensor and externalinformation acquisition and passed to the single chip microcomputer and single chipmicrocomputer to parse the content of the feedback give orders to the motor, thusdriving drive motor control the car according to the predetermined orbit in advance soas to realize tracking in the process of moving, avoiding obstacle,remote control andfire fighting, and other functions. When the flame detection sensor detects the sourceof fire, the instructions are sent to the fan to turn the fire. At last, return to the originalpoint according to the predetermined trajectory after extinguishing the fire.

　　Software with C language programming, each module respectively do summary towrite again, again on the car physical hardware debugging, finishing can achieveexpected function of smart car.

　　Key words: single chip microcomputer; Obstacle avoidance; Black line tracking;Put out the fire

　　目录

　　1 绪论.........................................................7

　　1.1 课题研究的历史背景和影响....................................7

　　1.1.1 课题研究的历史背景........................................7

　　1.1.2 课题研究的影响...........................................7

　　1.2 国内外智能汽车的发展情况....................................8

　　1.2.1 国内智能汽车的发展情况 ..................................8

　　1.2.2 国外智能汽车的发展情况 ..................................8

　　1.2.3 未来的研究方向 ..........................................8

　　1.3 论文主要内容..............................................9

　　2 设计任务和方案的确定.........................................10

　　2.1 设计的主要内容要求 .........................................10

　　2.2 总体方案设计 ...............................................10

　　2.3 各电子元件以及模块部件的选择及特性 ...........................11

　　2.3.1 主控制模块 .............................................11

　　2.3.2 电源模块 ...............................................11

　　2.3.3 循迹模块 ...............................................11

　　2.3.4 避障模块 ...............................................11

　　2.3.5 电机模块 ...............................................12

　　2.3.6 电机驱动模块 ...........................................12

　　2.3.7 火焰检测模块 .........................................12

　　2.3.8 灭火模块 ...............................................12

　　2.4 本章小结..................................................12

　　3 系统硬件电路的设计与实现......................................13

　　3.1单片机电路 .................................................13

　　3.2 循迹电路设计 ..............................................14

　　3.3避障电路设计 ................................................14

　　3.4灭火电路设计 ................................................15

　　3.5智能防撞报警电路设计 ........................................16

　　3.6 遥控电路设计 ...............................................16

　　3.7 电机驱动电路 ...............................................17

　　3.8 本章小结 ..................................................18

　　4 系统软件设计与实现 ...........................................19

　　4.1 主控制程序流程图 .............................................19

　　4.2 循迹程序流程图 ...............................................20

　　4.3 避障程序流程图 ...............................................21

　　4.4 报警程序流程图 ...............................................22

　　4.5 电机驱动模块程序流程图 .......................................24

　　4.6 本章小结 .....................................................25

　　5 系统调试........................................................26

　　5.1 软件调试 .....................................................26

　　5.2 硬件调试 .....................................................26

　　5.2.1循迹模块测试 ............................................26

　　5.2.2 电源模块调试 ...........................................26

　　5.2.3 红外避障模块调试 .......................................27

　　5.3 本章小结 .....................................................27

　　结 论.............................................................28

　　参考文献..........................................................28

　　致 谢............................................................30

　　附录1电路原理图...................................................31

　　附录2 底板PCB图....................................................33

　　附录3 主板PCB图....................................................34

　　附录4 硬件实物图....................................................35

　　附录5 元件清单.....................................................36

　　附录6 部分功能子程序................................................38

　　1 绪论

　　1.1 课题研究的历史背景和影响

　　1.1.1 课题研究的历史背景

　　由于人们缺乏相关的消防意识导致火灾现象时有发生.尤其在最近几年科学技术的飞速 发展,高层建筑逐渐增多,再加上人们消防意识的匮乏,火灾安全隐患时刻存在.由于高层建筑的特殊结构,消防员很难在第一时间赶到火源的位置进行灭火.同时消防员在现场灭火时,由于潜在的易燃易爆物品会导致爆炸产生冲击波从而危及消防员的生命,媒体上也常常报道消防员因公殉职的事迹.另外随着人工智能浪潮的席卷,无人汽车的 技术支持越来越成熟,另外人口的增长加上人们生活质量的提高加上出行的频繁.无人车的需求日益高涨,再加上传统人为驾驶汽车的局限性和危险性,像交通事故造成的人员伤亡每年也时有报道.所以越早遏制住火灾的发生显得尤为重要.但是我国对此类智能消防循迹小车的研究才刚刚起步,在技术和实践方面还不够成熟[1].对于很多高危火灾现场,例如化工厂,易燃易爆的生产厂房乃至加油站,这些地方的消防工作对消防员的生命安全威胁极大,所以智能循迹小车的消防功能研究显得尤其突出.

　　为了能够在求援的黄金时间求出火灾中的受害者,无人小车的小巧性可以避免在前往始发途中突发的交通堵塞问题,从而能够在第一时间赶到事故现场,而随着人工智能元年的到来,人工智能技术的日趋成熟使得智能小车即将成为现实.由于大数据时代的到来加上科技的发展,实时监控技术的完善也给小车的控制提供了强有力的保障.现在 类似的智能机器也已经逐渐走进人们的生活,常见的家里有清洁机器人和早教机器人,一些工厂也逐步用机器人来代替人工工作.当然为了保障智能小车顺利高效的完成工作,如何准确的收集外部环境信息并加以分析就显得格外重要.

　　1.1.2 课题研究的影响

　　由于大数据时代的到来,人工智能日趋成熟,无人车所具有的功能越来越丰富复杂,无人消防车的运用就可以有效取代消防员这样的高危职业.然而,相比国外而言我国对无人车的领域研究开发还不够成熟,在技术层面还比较落后.我国应该加强对智能科技无人驾驶领域的重视,从根本上提升自主科技水平,当灾难发生时,能够在黄金时间采取最佳的营救措施,同时保障消防员,武警等高危职业的人身安全,最大程度降低灾后的损失,维护国家人民的财产和人身安全.

　　这篇论文研究的基于单片机的智能循迹小车应用十分广泛,就灭火功能的实现就可以应用在消防领域,未来发展前景十分广阔,对很多高危险职业来说是一次福音.智能小车其实本质上是一种智能机器人,它可以完成一些人类才能完成的工作.这次设计出来的智能循迹小车,不同于市面上的高级人工智能机器人,它在结构和电路方面都比较简单,在未来此类灭火小车的不断完善能够有效的促进消防行业的进步.

　　现在,智能车在各个领域具有无限潜在的发展可能.类似飞机的无人驾驶技术也可以应用在日常家用汽车中,其中自动巡航,避障等功能还可以有效提高交通效率.在一些暴雨,暴雪天气,交通事故很容易发生,但是通过超声波或者红外避障就能避免交通事故的发生.这些技术的发展都能够有效提高人们的出行和生活质量.

　　1.2 国内外智能汽车的发展情况

　　1.2.1 国内智能汽车的发展情况

　　在上个世纪八十年代起我国对于智能汽车的研究才刚刚有了萌芽.在最开始的几年由于我国还未改革开放外加技术的落后,相关科研进度还比较缓慢.后来国家出台了相关政策措施促进了我国机器人研究的发展,如现在的家用机器人乃至百度人工智能小度都与之密不可分.这几年,工厂采用机器人代替人工的措施也促进了相关工作生产的效率.由于机器人的科技进步加上成本的降低,人们对于它们代替简单劳动的期望日益增加.

　　可以预料到随着我国科技的不断进步加上综合国力的增强,我国在智能汽车领域也会越来越重视,并且会出台有关政策促进智能车事业的发展.科技兴国指日可待.

　　1.2.2 国外智能汽车的发展情况

　　国外对于无人车的研究比较早,最早可以上述到上个世纪五十年代美国一家公司于1954年自主研发出了世界上首台自动循迹汽车系统AGVS(Automated Guided VehicleSystem).这个系统的本质其实就是无人驾驶技术.AGVS最初应用于公司内部材料、货物的运输.由于当时技术和需求的局限性并没有深入的拓展功能和活动范围,直到后来智能化的发展,此项技术开始广泛应用于各个领域.

　　1.2.3 未来的研究方向

　　智能汽车综合了车辆工程,人工智能,计算机科学与技术,机械及其自动化等多个专业和领域,同时这也是未来必然的发展趋势.此次课题所设计的智能小车本质上就是智能汽车的概念映射.随着图像识别计算机技术和算法设计的不断提高.智能汽车已成为未来汽车领域一个重要的分支,同时灭火功能的完善对于消防领域也有着重要的提升:

　　相信在不久的未来,智能汽车能够克服复杂的环境因素,成为人们生活中的必需品.

　　1.3 论文主要内容

　　本次毕业设计智能循迹小车的关键就在于对于外部环境信息的收集和分析.本次设 计的智能小车配备有多个传感器,这些传感器可以对外部信息进行采集将结果传给单片机,再由单片机发布相应的操作指令,简言之这次设计的智能小车具备循迹,避障,遥控,灭火等功能,可以看成是一个智能消防车的微型缩影.这次小车的循迹功能主要是循迹黑线并且不脱离轨道.这次设计的黑线我采用了16毫米宽的黑色绝缘胶,通过对于 黑线的检测改变电机的电压进行差速转向,从而实现设计本身的功能需求.通过单片机控制对各传感器感应的信息进行分析和反馈,以此实现小车的循迹、避障和灭火等功能.论文分为以下五个章节:

　　第一章:绪论,本章详细阐明了这次毕业设计课题的历史和发展过程,简要说明了国内外智能汽车的发展现状和趋势,并且展望了未来无人汽车的发展前景.

　　第二章:设计任务和方案的确定,本章节通过小车所要实现的相关功能提出对应的具体方案,同时确定各个零部件以及电子元件的选择和优缺点分析.

　　第三章:系统硬件电路设计与实现,本节主要是阐述了各个模块的电路原理图和设 计思想.

　　第四章:系统软件设计与实现,本章主要以流程图的形式来表示各功能实现的原理过程.

　　第五章:系统调试,本章将硬件和软件两个部分分开叙述,同时简述在最后小车焊接以后运行中所存在的问题及解决办法.

　　在本文的最后,对此次设计进行总结.

　　…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件

　　结 论

　　本次课程设计题目为"基于单片机的图规划智能循迹小车设计",小车以STC89C2为主控制单元对各个模块传感器的信息进行分析,并发布命令完成小车所要实现的功能.这 次毕业设计的未来前景是无人汽车.尽管无人汽车撞人的事情屡次发生,甚至在近一次美国的无人驾驶汽车撞到了一名行人并致其死亡.但人们对于无人汽车技术的向往依旧十分强烈.同时在本次设计的应用技术层面我们加上了灭火功能,这一功能应用本质上是模拟消防汽车.由于传统消防汽车体积的问题导致很多特殊地点无法准确到达,导致救援的延误.所以智能小车的研究拓展显得尤为重要.

　　致 谢

　　经过×××老师的耐心指导和帮助外加上自己不懈地学习和努力,设计完成的智能循迹小车也已经能够完成实现预期的功能.在做毕业设计的这几个月内,×老师对于相关专业知识的掌握力和教学水平让我很是收益.此外还要感谢飞思卡尔车队的学弟们帮助我对小车进行了故障排除和软硬件调试,在此表示深深的感激.经过这次毕业设计让我重新认识了我的专业以及汽车专业和其他专业的交叉融合,相辅相成,同时也为我今后的考研,乃至工作提供的专业导向,是人生中不可或缺的一段经历.

　　通过本此毕业设计,我收获良多,尤其是在C语言上的理解要比以往更深一个层次,同时对单片机也有了一定的了解,当然在硬件调试时由于自身的一些原因出现了很多方面的问题,像电压的选择错误导致单片机无法正常工作等等,但是最后通过咨询×老师和学弟们让我顺利的解决了存在的问题.最后由于自身专业水平有限,可能在本次设计中还存在有一些不对的地方,还希望各位老师能够指出来加以点评.
　　参考文献
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　　[3]蒋瑞挺.自制模块化循迹智能小车[J].无线电.2011,(2):32-34.
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