目录 基于单片机的智能避障遥控尛车 目录 第一章 绪论1 1.1 研究背景和意义1 第二章 系统框架及软硬件结构设计2 2.1 系统要求2 2.2 系统整体算法流程2 2.3 总体任务设计3 2.4 整体硬件结构设计4 2.5 整体软件结构设计4 第三章 模块的详细设计5 3.1 L293D电机驱动模块5 3.1.1模块介绍5 3.1.2 PWM脉冲控制原理5 3.1.3 脉冲控制代码6 基于单片机的智能避障遥控小车 第一章 绪论 1.1 研究背景囷意义 智能化无处不在各种智能化设备在不同的领域中发挥着自己的特长，而在家用方面的智能有着相当重要的意义 本次所设计的智能小车系统包含着对周围环境的检测、舵机控制以及短距离无线遥控等的功能，它需要实现微控制器、多传感器技术、蓝牙遥控、机械结構原理、数字逻辑、自动控制等各学科技术内容的渗透融合智能小车通过其上部搭载的89C52芯片作为核心控制器，通过多种传感器来获取周圍环境信息并将采集到的信息输送给CPU然后由CPU来给各个部分下达相对应的指令。智能小车不仅价格低廉而且甚至能够担任人类难以从事嘚任务，它在工业、农业以及社会生产生活等许多领域都起到了重要作用本次课题设计中所采用到的短距离无线遥控、单片机控制原理、多传感器技术、自动避障技术等等。现在在工业制造、农业生产、国家安全、军事武器医疗保健、太空探测等许多领域都日益发挥着其作用，在军事侦察、反恐、防暴、防核化等高危任务方面、环境污染检测方面和在恶劣环境中均有着非常好的发展前景从这些方面可知本课题研究意义非凡。 1 基于单片机的智能避障遥控小车 第二章 系统框架及软硬件结构设计 2.1 系统要求 在综合考量了单片机的使用性能、成夲和时间等问题本次课题主要旨在实现以下性能指标 1） 根据力学结构完成小车整体框架的搭建，稳固其整体重心； 2） 完成底层运动系统嘚搭建保证小车能够正常行进； 3） 完成小车自主避障功能，能够在简单地形避开障碍物； 4） 完成小车的简单路径规划； 5） 完成手机遥控功能通过手机控制底层小车的工作方式。 整体小车车身采用深圳欧鹏公司设计生产的金属框架通过自己的设计和搭建，完成底层硬件系统的搭载再通过上层安卓手机APP遥控，通过无线蓝牙通信协议实现小车能够遵从指令实现在室内的自主避障的巡航功能与手机遥控功能，整体电路图如图所示 图2-1 系统整体电路设计 2.2 系统整体算法流程 整个系统的算法结构具体流程如图2-1所示 图2-2 系统整体算法流程图 2.3 总体任务設计 小车总体任务分配如下图2-2所示。 按键1 前进 按键2 后退 按键3 左转 按键4 右转 按键5 第一档 按键6 第二档 按键7 第三档 按键8 停止 蓝牙遥控按键任务选擇 STC89C52 图2-3 小车任务分配 2.4 整体硬件结构设计 智能小车系统整体硬件结构以89C51单片机为中心主要分为以下几个部分 1） 运动结构即舵机模块是整个系統的基础，通过对舵机性能参数的测定对舵机进行标定、控速； 2） 供电结构采用分压式供电。由于各模块对电压的要求不同，所以需偠通过分压以适应不同模块对电压的需求其中舵机需要8v电压的供应，而单片机、传感器、蓝牙等模块则需要较低一点的电压5v供电； 3） 无線通信结构通过对蓝牙模块与单片机通信电路的设计与单片机串口功能的调试，做到小车与手机的无线通信 小车实物图如下图2-3所示。 圖2-4 小车实物图 2.5 整体软件结构设计 当启动电源系统初始化完成后小车进入等待的任务模式，等待上层安卓终端手机的APP客户端发送任务指令小车接收到上层手机发送的小车行进方向的指令后相对应的前进forward、后退backward、左转left、右转right、停止stop等。 13 第三章 模块的详细设计 3.1 L293D电机驱动模块 L293D采鼡16引脚DIP封装其内部集成了双极型H-桥电路，所有的开量都做成n型这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续；电机可四角限运荇；电机停止时有微振电流起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区低速平稳性好等L293D通过内部逻辑生成使能信号。H-桥电路嘚输入量可以用来设置马达转动方向使能信号可以用于脉宽调整（PWM）。另外L293D将2个H-桥电路集成到1片芯片上，这就意味着用1片芯片可以同時控制2个电机每1个电机需要3个控制信号EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信号IN1、IN2为电机转动方向控制信号，IN1、IN2分别为10时，电机正转反之，电机反轉选用一路PWM连接EN12引脚，通过调整PWM的占空比可以调整电机的转速选择一路I/O口，经反向器74HC14分别接IN1和IN2引脚控制电机的正反转。实物图如下圖3-1所示 图3-1 模块实物图 3.1.2 PWM脉冲控制原理 所谓PWM就是脉宽调制器，通过调制器给电机提供一个具有一定频率的脉冲宽度可调的脉冲电脉冲宽度樾大即占空比越大，提供给电机的平均电压越大电机转速就高。反之脉冲宽度越小则占空比越越小。提供给电机的平均电压越小电機转速就低。 PWM不管是高电平还是低电平时电机都是转动的电机的转速取决于平均电压。 3.1.3 脉冲控制代码 void 50 256; } 3.2 HC05蓝牙模块 3.2.1 模块简介 HC-05蓝牙无线通信模塊有两种工作方式一个是命令响应工作模式，另一个是自动连接工作模式在命令响应工作模式下，使用者通过向模块发送AT工作指令来對模块的控制参数进行设定和下达控制指令而在自动连接工作模式下， 模块又有三种工作模式分别为主机（Master）、从机（Slave）和回环（Loopback）彡种工作模式，选定工作模式后模块就自动按照提前设定好的方式进行数据传输。通过调节模块外部引脚的输入电平来动态转换模块的笁作状态模块实物图如图3-5所示。 图3-2 HC05实物图 3.2.2 蓝牙串口程序说明 void usart_receivevoid interrupt 4 本次课题需要通过使用串口调试软件使得上位机与底层小车进行通信达到调試小车的目的但是目前笔记本电脑因为空间的限制和其他方面考虑的原因都没有串口，所以需要使用到这一个USB转串口模块 模块与单片機需要按下图3-8所示相连接。 HC05 蓝牙 模块 单 片 机 图3-5 USB转TTL模块与单片机的连接示意图 图3-6 USB转TTL串口模块实物图 第四章 系统功能设计与实现 4.1 安卓手机蓝牙遥控的设计与实现 4.1.1 设计基本思路 遥控功能的实现基于蓝牙通信协议的建立，需要从依次实现以下几个步骤 1） 检测HC05蓝牙模块是否能够正常笁作将蓝牙模块按要求接上5v或3.3v电压，等待一段时间后使用安卓终端搜索，查看蓝牙模块是否能够被搜索并与其相连接； 2） 单片机串口能否正常通信编写好串口通信程序并将其烧录字单片机中，将单片机通过开发板与电脑串口连接打开电脑端串口调试工具查看是否能夠正常通信； 3） 查看蓝牙模块是否能够正常发送和接收数据，将蓝牙模块通过USB转TTL模块与电脑USB口相连打开电脑串口调试助手。安装好手机APP与蓝牙模块连接好后，使用手机端APP查看是否能够正常发送和接收数据； 4） 将蓝牙模块的串口与智能小车上的单片机串口相连并编写好遙控选择功能代码，使用手机发送数据查看智能小车能否执行相应的的指令。 下图为电脑端的串口调试助手 图4-1 串口调试工具 4.1.2 遥控任务汾配 通过无线蓝牙通信的实现，上层安卓终端主要可以实现以下小车的行进方向进入的工作模式等，具体功能如下表所示 表4-2 蓝牙遥控按键及选择功能表 按键 F B S L R 1 2 3 功能 前进 后退 停止 左转 右转 第一档 第二档 第三档 4.2.3 蓝牙遥控操作流程 蓝牙遥控操作流程示意图如下。 图4-3 蓝牙遥控流程圖 首先将智能小车正常上电工作待小车初始化完成后，打开安卓终端的APP进行连接连接成功后即可选择功能。可按avoid键进入自主避障模式如需进入遥控模式则仅需按back键返回上一层。 图4-4 蓝牙模块连接示意图 图4-5 安卓终端APP界面 第五章 软硬件调试 5.1 硬件调试 硬件调试采用从整体到部汾的考量方法 1） 智能小车整体框架的搭建，确保各模块能够搭载在其上面而相互没有影响； 2） 完成整体电源电路、工作电路的设计保證各模块之间供电正常使用和与单片机之间的合理连接； 3） 烧录测试程序，保证单片机能够正常进行烧录和擦除程序同时还需要测试其串口功能，实现单片机与手机之间的正常通信； 4） 小车底层运动系统的完成测试舵机的基本性能，保证其能正常工作； 5） 对HC05蓝牙模块进荇基本性能测试保证其在正常工作电压下能够正常工作。再通过上位机的测试确保其能够正常的收发数据。 5.2 软件调试 1） 通过编写代码實现对底层小车的驱动包括舵机参数的测定，电机的标定对电机进行速度调控，实现小车的方向控制； 2） 避障算法的设计通过考量3個传感

本次毕业设计主要是针对蓝牙智能小车进行分析、设计和制作本次设计以STC 89C52单片机为主控芯片，实现智能小车的蓝牙遥控功能 2.1总体方案设计 图1系统原理框图 本小车是以STC 89C52芯片为主控制器。开始由手机发送蓝牙无线信号来启动小车通过单片机与蓝牙模块输出的信号来控制小车行驶。由于成本问题小车使鼡2WD驱动，造成的影响是降低了小车的平稳性；小车采用PWM脉宽调制技术实现对电机的运转驱动；这就是本设计的总体设计思路 2.2蓝牙模块选擇 无线控制是为了能够实现对智能小车的远程遥控，使小车可以在遥控状态下代替人类完成一些危险项目本次设计的无线控制选用蓝牙傳输技术的原因可以从以下（表1）了解 蓝牙技术 红外技术 WIFI技术 通信距离 100m 10m 300m 通信速率 10Mb/s 16Mb/s 11Mb/s 通信频率或波长 2.4GHz 0.75um-24um 2.4GHz 开发难易 中等 易 难 模块成本 一般 便宜 价格較高 表1无线技术的对比 通过表格可以看出，他们在近距离通讯领域都可以提供可靠的通信服务但是同时他们的应用有着各自的技术架构嘚限制。在以上的三种技术中红外技术的通信距离过短，不太适合使用；而WIFI技术通信距离足够但开发难度以及成本较高；所以我最终選择了蓝牙无线传输技术。 2.3 电机驱动模块选择 由于单片机的驱动能力有限并不足以直接驱动电机转动，为了实现对电机的驱动就需要茬单片机与电机之间增加高驱动力的电路。本设计电路就是为了解决这一问题而选择合适的电机驱动模块 市面上的驱动模块有很多种类，如以L293D芯片为主体的驱动模块和以L298N芯片为主体的驱动模块考虑到各模块之间的协调性，我最终选择了以L298N芯片为主体的驱动模块 第三章 智能小车底盘结构分析 在本次设计中，小车使用二轮驱动二轮驱动式的结构中因为后轮的驱动力大，而前轮以固定式的万向轮代替，洇此本次设计的车子底盘与四轮驱动的小车相比更易发生方向偏移而且二轮驱动的车子由于前端重量较轻，小车启动时前端容易出现腾涳现象但相对四轮驱动式的小车而言，二轮驱动式的小车耗电更小持续工作时间更长。从整体的性能来看四轮驱动式结构的优势是比較明显的但是为了控制制作成本，本次设计还是决定使用二轮驱动的小车底盘 3.1底板设计 图2二轮驱动小车底板图 底板是用来支撑车体的主要部件。同时也是用来固定车子零部件的底板上主要有红外传感器安装槽、超声波传感器安装孔、电机定位槽和走线孔，其余的槽孔昰用来留在日后扩展用的每个器件的安装位置如图2所示。由于本次设计并没有使用到上述两种传感器所以对底板的结构无需太注重。 3.2 電机与底板的连接支架设计 图3电机支架图 电机支架主要是用来将电机固定在底板上的本次选择的固定支柱是由铝金属制作成的；辅助零件有M3*20螺钉、M3*5螺钉以及M3螺母。连接时每个电机只需固定在支柱的侧面孔上接着把支柱的顶端用螺钉与小车底板固定即可把电机卡住在小车底板上。 3.3整体装配图 图4整体装配图 整体车体由车盘电机轮子，电机电机支架，测速码盘万向轮等组成。 在本次的智能小车设计中采用了三轮式结构，前轮采用万向轮牵引左右分别为驱动轮。虽然三轮式的结构简单易于操作但是在小车行驶过程中的稳定性不足，苴由于万向轮的径向阻力非常小所以很容易偏向。但是因为成本问题我还是选择了使用这一结构。 第四章 控制系统电路设计 一个单片機应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容一是系统扩展即单片机内部的功能单元，如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定时/记数器﹑中断系统等能不能满足應用系统的要求时必须在片外进行扩展，选择适当的芯片设计相应的电路。二是系统配置既按照系统功能要求配置外围设备，在本設计中电机驱动模块﹑蓝牙模块都需要设计合适的接口电路 4.1 单片机最小系统设计 单片机最小系统是本设计的控制核心模块，单片机最小系统由三部分组成STC89C52芯片部分、复位部分（由按键开关、极性电容、10K电阻组成）、晶振部分（由12M石英晶振、两个30PF的瓷片电容组成）主要起程序的输入与控制、程序的复位、时间频率控制的作用。 其中STC89C52芯片是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器具有 8K字节系统可编程Flash存儲器。STC89C52使用经典的MCS-51内核但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为眾多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案STC89C52芯片具有以下标准功能 8k字节Flash，512字节RAM 32 位I/O 口线，看门狗定时器内置4KB EEPROM，MAX810复位电路3个16 位定时器/计数器，4个外部中断一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支歭2种软件可选择节电模式空闲模式下，CPU 停止工作允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下RAM内容被保存，振荡器被冻结单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止最高运作频率35MHz，6T/12T可选下图是STC89C52单片机最小系统电路图 图5STC89C52单片机最小系统電路图 4.2 电机驱动电路设计 本设计是采用了L298N电机驱动模块来驱动减速电机工作；L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采鼡15脚封装主要特点是工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W内含两个H桥的高電压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测電阻将变化量反馈给控制电路。 图6L298N电机驱动模块电路原理图 图7L298N电机驱动模块实物图 从（图6）、（图7）可以看出L298N电机驱动模块具有12V电源输叺、5V电源输出、四单片机IO控制输入接口和两电机信号输出接口；12V电源输入提高了本次设计的电源模块电压设计但同时带来的好处是相对5V電源输入的电源使用持续时间增长，5V电源输出口可以给单片机、蓝牙模块供电该模块的芯片加装了散热片，增加了芯片的持续工作时间 4.3 蓝牙模块设计 蓝牙模块主要是为了实现上位机与下位机的数据传输，本设计是通过蓝牙转串口模块实现上位机与下位机的无线通讯功能，所以本质上使用的是单片机串口通信 串行通讯的特点是数据按位顺序传送，最少仅需一根传输线即可完成成本低但传送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米 根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种信息只能单向传送为單工；信息能双向传送但不能同时双向传送称为半双工；信息