毕业论文：多功能智能小车的设计与实现

当系统处于省电模式时，用中断请求将它唤醒只用。

单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。

首先，系列单片机的电源电压采用的是电压。

因而可使其在的时钟条件下运行，芯片的电流在左右，时钟关断模式的最低功耗只有。

其次，独特的时钟系统设计。

在系列中有两个不同的系统时钟系统基本时钟系统和锁频环和时钟系统或数字振荡器时钟系统。

有的使用个晶体振荡器，有的使用两个晶体振荡器。

由系统时钟系统产生和各功能所需的时钟。

并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。

由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。

在系统中共有种活动模式和五种低功耗模式。

在等待方式下，耗电为，在节电方式下，最低可达。

系统工作稳定。

上电复位后，首先由启动，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。

然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。

如果晶体振荡器在用做时钟时发生故障，会自动启动，以保证系统正常工作如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。

系列单片机有丰富的片上外围模块，它们分别是看门狗模拟比较器定时器定时器串口硬件乘法器液晶驱动器位总线直接数据存取端口基本定时器等的些外围模块的不同组合。

其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出转换器位定时器和具有捕获比较功能，大量的捕获比较寄存器，可用于事件计数时序发生等有的器件更具有可实现异步同步及多址访问串行通信接口，可方便的实现多机通信等应用具有较多的端口，最多达条口线端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入位硬件转换器有较高的转换速率，最高可达，能够满足大多数数据采集应用实现两路的位转换硬件串行总线接口实现存储器串行扩展以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输模块。

系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便，适应工业级运行环境，运行环境温度为摄氏度，所设计的产品适合用于工业环境下。

此外，单片机拥有方便高效的开发环境，目前系列有型，型和型种类型的器件，国内大量使用的是型。

这些器件的开发手段不同，对于型和型的器件是使用专用仿真器开发成功之后再烧写或掩膜芯片。

对于型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有调试接口，还有可电擦写的存储器，因此采用先通过接口下载程序到内，再由接口控制程序运行读取片内状态，以及存储器内容等信息供设计者调试，整个开发都可以在同个软件集成环境中进行。

这种方式只需要台机和个调试器，而不需要专用仿真器和编程器。

开发语言有汇编语言和语言。

综合分析得到，单片机更适合于低功耗高速实时控制以及数据计算，它拥有更多的片上资源供设计使用，因此我们选择了单片机。

主控制器原理单片机资源分配共有个口，设计主控制板时将未用到的剩余口均接出来留做扩展口。

如图图主控制器原理图在整个系统控制中，定时器的应用较多定时中断，用于控制无线扫描和传感器扫描。

产生四路波，用于控制电机，实现小车的动作改变。

产生占空比为的方波，供避障功能使用。

下面对定时器做个具体介绍。

具有两个位定时器和，定时器由个十六位定时器和多路比较捕获通道组成。

每个比较捕获通道都可以以十六位定时器的定时功能为核心进行单独的控制。

它还具有以下特性输入时钟可以有多种选择，可是慢时钟，快时钟以及外部时钟。

虽然没有自动重载时间常数功能，但产生的定时脉冲或信号没有软件带来的误差。

不仅能捕获外部事件发生的时间还可以锁定其发生时的高低电平。

可实现串行通信完善的中断服务功能种计数功能选择种输出方式选择和支持多时序控制等。

共有种计数模式停止模式增计数模式连续计数模式和增减计数模式。

我们用的增计数模式来产生的方波。

具体原理为捕获比较寄存器用作增计数模式的周期寄存器，因为为位寄存器，所以该模式适用于定时周期小于的连续计性不利。

般在调节和时需要先调节的值，因为比例系数较微分系数对小车的影响更大。

在调节的值时可以先将的值置为。

当发现小车在偏离黑线却可以很快的转回来时，就调的差不多了的调节相对简单。

搜线算法当小车因惯性超调控制失败环境干扰黑线中断等原因冲出黑线后，需要启用处理算法，重新搜寻黑线。

这里用了个最简单的方法当判断传感器没有读到黑线位置时，不运算也不输出，这样小车就会保持冲出黑线前最后刻的姿态，继续前进。

如果黑线中断或被遮挡，小车会沿原定路线走，如果小车因为超调惯性拐出跑道，会继续满舵转圈寻找黑线。

这种方法简单，但很多情况下会找不到跑道，在原地打转。

所以我们应该改进算法，使小车在若干秒满舵转圈仍然找不到黑线时就放大转圈半径等。

还有，小车如果在转弯时的速度太快，小车来不及处理，很容易脱离轨道，而且现在我们所采取的程序是让小车在转弯时如果弯度太大，个轮的速度就会为，而另外个的则是全速前进。

在走直线时，小车的速度也稍有减慢。

所以我们需要对程序进行相应的修改，让小车在走直线时能全速前进在拐弯时速度能慢下来。

避障算法方案如图所示，将障碍物与小车之间的距离分为以下八挡。

当小车的正前方离障碍物的位置小于参数时，将电机反转定时间然后从左边绕开它，继续向前行进同理，可以实现躲避左边右边后边的障碍物。

并用反射式红外传感器来检测黑线的位置，使小车能按黑线前进。

图障碍物距离与参数的关系图用矢量合成法来计算障碍物与小车之间的距离，并将其转换为上图所示的关系。

具体如下图矢量合成法计算距离如上图所示，将每个传感器的数据看成个推力矢量，并将它们分解在轴和轴上。

注意由障碍物产生的矢量由传感器指向测距环中心，而由光线产生的矢量由测距环中指向传感器。

将各个矢量分解在轴和轴上后，求轴和轴上的矢量和，将轴上的矢量和作为两轮的共同速度，而将轴上的矢量和作为两轮的差速度，这样就能使小车产生避障的动作。

这样算下来精度不是很高，而且传感器的位置本来就没有对个点完全对称。

方案二用上面的算法会增加复杂性。

最简单的方法是通过改变串联电阻的方法来改变传感器的测距范围，这样，既可以有效地躲避障碍物，而且也不用增加算法来判断离障碍物的位置，可以更加准确的躲避障碍物。

转弯控制算法前文已述，只要改变左右两轮的速度比，即可控制小车的转弯方向。

软件上占空比可设置为，分别对应到寄存器数据的。

按右图控制左右轮寄存器的值，即可控制转向。

图电机转向及转速控制改进这种方法的速度控制是开环的。

占空比和实际速度实际转弯角之间并是很不严格的线性。

加上电机的差异负重的不同电池电量的差别轮胎大小的差别都会造成速度的差异。

虽然上面的巡线算法可以将这些误差都包进反馈环而得以校正，但会造成控制性能的下降。

车轮上可以安装反射辐条，或者打孔，用红外传感器计算脉冲频率而测量速度，并做速度反馈，将轮速严格保持在指令给定的速度上，控制性能会有明显提高。

第五章总结现在小车已经能够在手持式仪表的控制下，根据指令完成要求的动作操作，并能的完成寻迹和避障功能。

从它转弯直走的轨迹上来说，已经基本上是按轨迹很完美的前行，左右摆动的幅度也不是很大，所以还是给人种比较完美的感觉。

在实际操作中，我发现左右两个直流电机的性能差异比较大，比如在让它走直线时寻迹功能没开启，左右两个轮子所需的占空比相差加大，并且在电源电压有改变时，占空比又是不同的比例，所以让小车单独走直线比较困难，我将会继续研究这是什么原因所造成的。

虽然毕业设计我花了很长的时间在摸索，但收获很大。

通过这次实践我掌握了以及系统的操作，同时也熟悉了单片机，对完成项科研项目的开发过程有了全面系统的认识。

尤其重要的是通过它提高了解决问题以及与人交流的能力，通过相互之间的讨论研究，加深了对问题的认识。

这样的小车完全是由板做成的，成本比较低，也很适合业余爱好者的操作，并且它是初学者动手能力的很好的锻炼，将来也有可能成为小朋友亲睐的对象，只要让小朋友随便画个图形，它都可以沿图形运行。

同时还可以实现遥控，更加增添了研究它的乐趣。

参考文献丹尼斯克拉克，迈克尔欧文斯，机器人设计与控制第版，科学出版社，年月沈建华，杨艳琴，崔骁曙，系列位超低功耗单片机原理与应用第版，清华大学出版社，年月胡大可，系列单片机语言程序设计与开发第版，北京航空航天大学出版社，年月王丽娟，徐军，戴宝华，荣政，程序设计第版，西安电子科技大学出版社，年月胡伟，季晓衡，单片机程序设计及应用实例第版，人民邮电出版社，年月迈克普瑞德科，机器人控制器与程序设计第版，科学出版社，年月，机器人探索工程实践指南第版，电子工业出版社，年月，页页沈建华杨艳琴翟晓曙系列位超低功耗单片机原理与应用第版北京清华大学出版社，。

孙肖子张企民模拟电子技术基础第版西安西安电子科技大学出版社，。

杨颂华冯毛官孙万蓉等数字电子科技基础第版西安西安电子科技大学出版社，。

吕辉陈中注李纲等现代测控技术第版西安西安电子科技大学出版社，。

徐科军马修水等传感器与检测技术第版北京电子工业出版社。

附录元器件清单元件类型大小封装数目电容电容电容电容电解电容电解电容电阻电阻电阻电阻电阻发光二极管晶振晶振电源插孔瞬时接触按键拨动开关电源开关肖特基二极管电感散热片接插件若干电池组若干附录电路原理图桌面毕业设计寻迹电路避障电路电机驱动电路电源单片机摘要自主反应式智能系统是种应用广泛的控制系统。

对电路的分析和验证工作依靠智能化来完成，效率高。

因此它的研究与开发是项非常有意义的工作。

本小车以超低功耗单片机为核心，研究小车避障寻迹的设计和实现方法，完成障碍检测避障寻迹功能。

充分运用了单片机的功能。

本论文介绍了新型车的机械结构及相应的硬件电路和实现算法。

在机械结构上，对普通的小车作了改进，即用个万用轮来代替两个前轮，使小车的转向更加灵敏。

利用反射式红外传感器来寻迹红外体化接收头来检测障碍物的位置，通过改变单片机产生的方波的占空比，使其能在设计范围内可实现任意角度黑线和任意角度移动，还可以实现避障的功能。

在算法上，利用矢量分解法算法等对小车的运行进行控制并能有效的改善其运行轨迹。

关键字寻迹避障目录第章绪论现代测控技术概述现代测控技术的定义现代测控技术的发展趋势第二章多功能智能小车整体系统介绍第