基于单片机的智能玩具小车的设计_kaic

摘 ?要
现如今最潮流的词汇就是智能化，它的出现改变了整个世界的发展，给人们的生活带来了更加人性化的享受，智能化也在逐渐渗透各个领域，得到了广泛的普及和发展。而关于智能化的玩具小车也在悄悄地走进人们的娱乐生活，传统的玩具小车只有一些基本的操作，控制小车的前进方向，比较单一，而智能化的运用让小车更加灵活，可玩性更高。关于智能小车也应用到军事，工业，交通等领域，它们直接间接地带来了更高的经济效益和研究价值。
本次设计是基于单片机为核心控制的智能玩具小车，完成这次设计主要是由两部分组成，一个是小车主体部分，另一个是遥控控制部分，同时还需要各个软硬件的相互配合来共同完成。其中小车主体部分包含单片机控制芯片，各种传感器，电机驱动器等，遥控器的结构比较简单，只有单一的HT6221编码芯片。由于智能玩具小车综合性比较高，所以涉及的技术比较多，如单片机技术、智能玩具电动小车技术、无线遥控技术、红外传感技术等等。
完成本设计的智能小车，具有自动避障功能，自动循迹，无线电遥控，实时显示速度、路程等功能。
关键词：智能车；避障；红外线；遥控；单片机

Abstract
Nowadays the trend of the vocabulary is intelligent, it changed the whole development of the world, has brought people's lives more human enjoyment, intelligence has also been gradually permeate all areas, has been widely spread and development. About intelligent toy cars are also quietly walked into people's entertainment life, traditional toy car with some basic operation, control of the direction of the car, is a single, intelligent and apply make the car more flexible, playability is higher. Smart cars are also used in military, industrial, transportation and other fields. They bring higher economic benefits and research value directly and indirectly.
This design is intelligent toy car based on single chip microcomputer as control core, complete the design mainly consists of two parts, one is the small car body, the other is a remote control part, at the same time also need the various hardware and software together to complete together. The main body of the car consists of a single chip microcomputer control chip, various sensors, motor drivers, etc. The structure of the remote control is relatively simple, with only a single HT6221 coding chip. Due to the high comprehensiveness of intelligent toy cars, there are many technologies involved, such as single-chip microcomputer technology, intelligent toy electric car technology, wireless remote control technology, infrared sensing technology and so on.
The intelligent car designed in this design has the function of automatic obstacle avoidance, automatic tracking, radio remote control, real-time display speed, distance and other functions.
Key words:Smartcar; 51 single chip microcomputer; obstacle avoidance; infrared; remote control.
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目录
1 绪论'
1.1 目的意义'
1.2 智能小车概述'
1.2.1 智能小车的发展历程回顾'
1.2.2 国外智能车发展的概况'
1.2.3 国内智能车发展的概况
1.3 本文的研究内容及创新点'
1.3.1 研究内容'
1.3.2 创新点'
2 系统总体设计方案'
2.1功能要求'
2.2系统的总体方案设计'
2.2.1主控系统'
2.2.2电机驱动模块'
2.2.3电源模块'
2.2.4红外遥控和接收模块'
3 系统硬件构成'
3.1 系统设计原理'
3.2 各个模块电路设计'
3.2.1 AT89C52RC简介'
3.2.2 HT6221无线遥控芯片'
3.2.3 L298芯片直流电机驱动模块'
3.2.4 红外避障模块'
3.2.5 超声波测距模块'
3.2.6 蜂鸣器驱动电路'
3.2.7 液晶显示电路'
3.2.8遥控部分独立按键电路'
4 系统软件设计与实现'
4.1软件设计'
4.1.1自动循迹'
4.1.2自动避障'
4.1.3遥控部分'
4.1.4 显示部分'
4.2 软件实现'
5 系统调试与结果'
5.1硬件调试'
5.1.1测试方法与仪器'
5.1.2软件程序调试'
5.1.3测试经验总结'
5.2 实物结果和应用程序'
5.2.1 小车实物图'
5.2.2 实物测试结果及分析'
6 结论和展望'
6.1 结论'
6.2 展望'
参考文献'
谢辞'
附录'
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1 绪论
1.1 目的意义
? ? 智能化已经进入21世纪发展的主流，人们的生活也越来越离不开它了，人类社会科技发展的结晶也使得我们的生活越来越美好。关于在智能车这一方面的研究也让人们备受关注，因为智能车的存在可以有效的代替人们来实现我们本身不能完成的任务或者比较危险的任务，而智能车可以弥补到这一点。而它已经深入到各种领域中，比如工农业智能车运输或者喷洒施肥，军事中探测地雷，以及危险的地区执行防核化和恶劣环境的探测[1]。由此可见，智能车在实际应用中显示着巨大的能量，所以本次设计具有重要的意义和研究的价值。通过这次设计和实践不仅可以锻炼自己的动手能力还可以夯实自己大学四年来所学的知识，为自己在以后的路打下坚实的基础[2]。
交通的快速发展让世界变得更快捷，不过也同样带来一些悲剧。智能驾驶的交通可以给世界带来更多的福音，这样的技术不仅仅能减少事故的发生频率而且还能减轻驾驶员的一些负担，从而提升了交通效率和安全系数。
另外智能化在经济的市场中也起到巨大的推动作用，比如 PDA、手持游戏机和智能手机等等，他们都占据了很大的市场份额。在玩具领域，随着电子技术不断融入玩具，使得玩具也越来越智能化，也就构成了新一类的融合类电子终端，这也是世界各国玩具产业发展的一种方向。去年，结合了高端的电子技术的玩具的销售额仅仅在在美国一个国家的玩具市场上就达到115亿美元，大大超过了一般玩具的增长速度。因为2010年全世界的智能玩具销售收入才100亿美元。据权威部门预计，2014年末销售额增加更大，可以达到200亿美元。智能玩具绝对是利润比较丰厚的，因为智能玩具的技术是建立在已有的主流融合终端上，然后在其基础上进行了创新，成本相对来说较低。这样一来，投资者的投资回报就比较丰厚[3]。另一方面，鉴于电子智能玩具对于儿童成长的重要性及越来越智能化和多样化，受到了消费者的喜爱。现在，中国在玩具消费上的人均值相对其他国家来说要低很多，因此，智能玩具在中国的市场空间将会很大。所以，融合了计算机控制与电子技术的智能化玩具的研究越来越受到社会各界的广泛重视。随着智能水平的不断提高，人们的生活方式迅速地改变，电子智能玩具有很好的市场前景。作为电子智能玩具之一的智能玩具电动小车更受儿童青睐，是儿童玩具中的宠中之宠。本设计就是在这样的背景下提出的[4]。
1.2 智能小车概述
智能小车是指在没有人的意志或者操控下，小车可以根据自己的实际情况来自动选择最佳的路线或者最节省能源的路线，从而可以避免不必要的损失。更为智能的小车可以用于科学探测，实时地显示各种数据和采集过来的资料。智能小车总体可以分为三大部分组成，第一个是传感部分，第二个是控制部分，第三个是执行部分。传感部分就好比人类的感官，对外部的环境进行采集数据，控制部分就好比人类的大脑通过外部数据分析来做出一系列判断，而执行部分则代表人类的四肢，对大脑下达的任务进行执行，从而达到实现目的的初衷。
1.2.1 智能小车的发展历程回顾
社会科学技术让人们的生活变得越来越美好，我们的生活质量也变得越来越高，人们就凭着自己的丰富的想象力发明出一些工具，这些技术工具可以让人避免危险的工作环境，替人们完成所要求的工作。人们的想象就造就了机器人的诞生。而智能小车就是在机器人的额外的分支衍生出的另类人类智慧结晶。
第一代的智能小车是一种可编程的简单控制的小车，它没有任何传感器，可以编程一些简单的程序，让小车可以进行简单的跟随任务，然而并不能随着环境的变化来改变自身状态[5]。
第二代的智能小车是由闭环反馈控制系统为核心构建而成，它拥有一些简单地感知外界环境的能力，在一定条件下可以适应环境的变化。该小车配备了各种传感器和显示器，增强了小车的适应能力。
现如今，第三代智能车还在研究开发阶段，不过现阶段研发的小车已经装上各种传感器，通过采集外部数据可以精确地描述外部情况。智能车还可以独立的完成各种设置的任务，它具有自身的数据库、多信息处理系统，可以根据外部环境的变化来做出一些决策，具有一定的自主学习的能力和自主判断的能力。现如今为了使智能小车更能独立地完成工作，各种传感器的应用和信息融合技术让小车变得更加智能。
1.2.2 国外智能车发展的概况
自从科技技术问世以来，在20世纪的50年代的开始，国外就开始对智能小车着重研究了，他们的研究历程可以分为三个系统阶段：
初级阶段：美国在20世纪50年代，他们自主研发了一种智能小车，这种小车可以实现自主引导车系统，该系统具备了一些智能小车的初级阶段即无人驾驶。这是一个智能小车时代的划界限，智能车的明显的标志。
略有成就的阶段：自1980后期，欧洲以及美洲的一些国家主要对智能小车进行可行性和实用性的研究，并且取得了巨大的成就。
深入系统研究的阶段：从1990年开始，海外的各个国家尤其是对于德国和美国等，他们对智能车做出了深入的研究，并且加以推广和应用。尤为突出的是美国Navalab系列的自主车的研究，此次研究的内容取得了令人咂舌的成绩[6]。
1.2.3 国内智能车发展的概况
在我们国家自从将科学技术作为第一生产力，我们的科学研究就开始深入各个领域，其中智能车在我们国家很多高校和科研机构都进行了ITS的核心技术的研究。在最近的30年以来，我国已经积累了很多的经验和技术研究的科研成果，特别是在ITS技术研究方面取得了巨大的成就。虽然我国对于这个领域起步较晚，但是其发展的速度毫不逊色其他国家，比如我国在2013年，首次发射了月球探测器“玉兔”探测智能小车，该小车为我国对月球的研究更加深厚的认知，也拉近了与其他强国对外太空的研究，其中智能小车起着不可磨灭的作用[7]。
而此次的智能玩具小车的设计则是智能小车的缩影，针对此次的论文设计可以对智能车的研究起到一些相应的推动作用，这次的设计研究比较而言相对简单而且设计成本较低，便捷有利于研究，所以本次以智能玩具小车来作为研究的对象。
1.3 本文的研究内容和创新点
1.3.1 研究内容
本次研究智能小车实现四个部分，即数字显示部分，自动循迹部分，自动避让部分，遥控部分。
A.'自动避让部分，自动循迹部分
? ? 自动避让和循迹部分都是运用红外反射传感原理来进行的，红外发射、接收头安装在车头，其工作原理是红外发射器发射红外线被物体反射，接收头接收过作出判断是否有障碍物，然后做出一系列动作。
B.'遥控部分
? ? 小车遥控部分采用无线遥控模块，红外遥控代码简单，操作性强。
C.'显示部分
显示部分主要两部分组成，一个是超声波测距模块组成测得距离，一个是液晶显示部分，数字数码管显示实时小车速度和行驶的路程。
1.3.2 创新内容
（1）由于无线通信容易受空间和距离的限制而且容易受到干扰，采用多点反射方法实现小车和控制器之间的通信联系。
（2）采用红外无线的信号来控制小车的动作，小车通过装置发射信号来检测是否遇到障碍，把检测过来的信号转换成高低电平通过单片机执行相应的动作。
（3）AT829C52单片机所提供的电压不足以支持电动机的转动，所以需要外接一个电源，用稳压电路设计来维持电压的稳定。
2 系统总体设计方案
2.1功能要求
智能小车要实现的具体任务：
（1）用遥控器控制小车的向前、向后、左右旋转、启动、停止；
（2）LED显示小车的工作状态；
（3）小车前进可以自动避让障碍；
（4）小车可以自主完成规定路线设置。
2.2系统的总体方案设计
本次设计的智能玩具小车可以分为四个主要模块部分，它们分别是单片机控制部分，数据显示部分，电动机驱动部分以及红外遥控部分。智能小车要实现这些设定的功能，这些模块在软硬件的相互配合下来实现，下面来一一介绍各种运用到的技术。
? ? 要实现这次设计的内容，我利用的是单片机STC89C52为主要控制核心，利用了无线遥控，红外线传感技术，混合系统等。采取了以模块化的方式来分解智能小车的各个系统的，从而独立而又协调地实现智能小车的各种功能。本次设计同样也是一个复杂的系统控制系统，所以就选择多开关的输入特点，即当按下不同的开关小车则实现不同的功能。如图2-1就是玩具小车的系统控制框图，这个系统框图概括了智能小车的整体结构，然后对各个模块进行合理的设计。
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图2-1 智能小车系统控制框图
2.2.1主控系统
?如今，市面上大多数玩具智能小车都是以单片机为基础的来控制小车，这是因为单片机具有很多的优点比如：价格优良，控制能力强，集成度高，外部总线多，可寻址的操作功能，低功耗以及丰富的外部总线。这一切的优点得到了人们的青睐和广泛应用，这也推动了嵌入式的发展，让小车更能丰富的实现各种功能。它已经深入到各个领域，也是现代电子技术中不可缺少的一部分，所以也推动了单片机的大肆发展，种类类型不尽相同，不过常见的单片机有Intel公司的MCS-51单片机、WinB ond (华邦)公司的W77、Atmel公司生产的AT89系列单片机、W78系列单片机、Motorola 公司的M68系列单片机、Philips公司的P系列单片机、EPSON公司的单片机等[9]。
单片机作为整个系统的控制核心，利用单片机控制小车可以实现定性指标。充分考虑整个系统的要求，关键是实现汽车的自动控制。考虑到这一点，单片机突出了其优点——控制简单方便。因此，鉴于这种设计，一个具有多开关输入的复杂程序控制系统需要一个标准的单片机，它能很好地处理多个开关输入，但不能使用一个具有简化I/O端口和程序存储器的小型单片机。选择STC89C52作为主控装置是对整个设计的综合考虑。
2.2.2电机驱动模块
电机驱动模块主要是以L298为集成的单片电路，它采用15引脚多路的powerso 20封装。这是一个工作在高电压电流的驱动器，并可以驱动感应负载。该驱动器可以由两个使能输出，一个是输出信号的输出，另一个用来禁用设备。由于L298是双全桥驱动，每一个桥下晶体管的发射极连接在一起，相应的外部端子可用于接外部感测电阻器。提供额外的电源输入，使得逻辑在较低电压下工作。
用到L298来控制小车速度，它的调速特性优良，平稳，负载能力大，可以使速度范围调节更大，而且具有承载频繁转换无极的快速转换和抗负荷能力，电机的驱动模块如图2-2。

图2-2 电动机驱动模块电路
2.2.3电源模块
为了便于更换和充电，设计采用4节5号可充电电池提供6V电压。由于单片机并不能提供电源供求，需要在电机外部额外添加电源模块来为小车提供动力。这样做不仅可以抑制电压的干扰，而且还能避免小车在启动和制动所带来的影响（电源模块电路如图2-3）。通过此设定，能够使小车正常工作。

图2-3 电源模块电路

2.2.4 红外遥控和接收模块
智能玩具小车中的红外技术已经相当成熟了，本次设计中运用的是HT6221的遥控技术。红外线接收部分装载在小车中集成单片机中，发射遥控部分则是在外部遥控器内部。红外线对射管的驱动方式采用的是分离型光电传感驱动，这样做大大的提升了红外遥控的抗干扰能力，因为太阳光也含有红外线，它也能对智能小车的遥控产生影响，而采用分离式感光驱动则太阳光就不能通过二极管来导通，使系统误判。
红外遥控工作原理是由遥控信号发送器发射遥控代码脉冲，驱动发射管输出遥控信号，智能小车装载的接收器接收到信号然后通过放大器将信号放大，再进行检测、整形和解调，最后反馈到单片机控制系统中，解码后并执行相应的远程控制功能。