1、基于单片机智能小车系统毕业设计说明书基于单片机的智能小车系统设计专业自动化学生姓名班级自动化114学号指导教师完成日期2015年6月5日毕业设计说明书（毕业论文）独创性声明本人声明所呈交的毕业设计说明书(毕业论文)是本人在导师指导下进行的研究、设计工作后独立完成的。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，说明书中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究所做贡献集体和个人，均己在说明书中作了明确的说明并表示谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。毕业设计说明书（毕业论文）作者签名(手写): 日期: 年 月 日指导教师签名(手写):日期: 年 月 日基于单片机的智能小车系统设计摘
2、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
3、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
4、 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 i
5、ncludes 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
6、 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 th
7、e 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
8、 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
9、 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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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、
16、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
17、/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
18、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19
19、96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 Universit
20、y）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
21、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 Recko
22、ning 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
23、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
24、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。 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
25、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Zig
26、Bee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
27、 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
28、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
29、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
30、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，
31、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
32、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，
