1、xx 大学毕业设计说明书基于自动循迹避障的智能小车的硬件设计摘 要：本设计的主控芯片是在单片微信计算机的基础之上设计的一款能够实循迹功能遥控功能和避障功能三个功能的智能小车。可以实现智能小车通过在小车前方的四个红外传感器的检测使小车能够沿着在白色地面上面的黑线进行循迹功能和当小车发现前方有障碍物时通过超声波模块进行避障并自动选择没有障碍物的一方进行运动的功能以及可以通过安卓手机与小车蓝牙模块之间形成的虚拟蓝牙线路进行通信，使小车按照手机上位机发出的指令做出相应的动作三个功能。本设计的机械部分是使用前方两个驱动轮后方一个万向轮的结构，使得小车在运动过程中可以灵巧，运动自如。本次的设计已经做出了相
2、应的实物，实物可以按照预定的方案实现。关键字：智能小车,单片机,超声波模块,蓝牙模块,循迹模块Abstract:This design is an intelligent tracking avoidance remote control Vehicle, which is based on single chip microcomputer.the design leads to the achievement of three functions. The first function is that the Vehicle can track along the black lines
3、above the white ground by using the four infrared sensors in front of the Vehicle to detect. The second function includes obstacle avoidance and selecting the side of no obstacle .Last, communicating by the virtual Bluetooth communication lines passed between Android phones and car Bluetooth module
4、,the Vehicle can make the appropriate action in accordance with instructions issued by the phone. In the mechanical aspect ,the design uses the structure of two driving wheel and a universal wheels to make the vehicle runs smoothly and flexibly. The design has made the appropriate kind, kind can ach
5、ieve according to a predetermined plan.This design has made the corresponding physical according to the predetermined plan implementation.Keywords:Smart car, MCU,the Ultrasonic Module,the Bluetooth module,the Tracking Modulexx 大学毕业设计说明书目 录1 前言 11.1 智能小车的研究背景及意义 .11.2 智能小车的现状与发展前景 .22 方案设计 32.1 基于单片机
6、的方案设计 32.2 基于 CPLD 的方案设计 .42.3 主控模块的方案选择 52.4 驱动模块的方案选择 63 单片机硬件设计 93.1 主控电路 93.2 主控芯片 .93.3 脚口介绍 113.4 模块功能介绍 113.4.1 晶振电路 113.4.2 复位电路 .123.4.3 时钟电路 .143.4.4 LED 流水灯及蜂鸣器 153.4.5 插接件、按键及去抖电路的设计 .164 驱动电路 .194.1 H 桥式电路介绍 194.2 L298N 驱动模块介绍 204.3 电机驱动指示电路 245 循迹避障遥控模块设计 .255.1 循迹模块 .255.1.1 循迹模块方案选择
7、255.1.2 信号检测模块 275.2 避障模块 .285.2.1 发射部分电路 .315.2.2 接收部分的电路 325.3 无线控制模块设计 345.3.1 无线模块的选择 .345.3.2 蓝牙模块 .366 制作安装与调试 .406.1 智能小车的制作与安装 .4062 小车测试 406.2.1 测试驱动模块 L298N 模块 406.2.2 测试主控系统单片机学习板 .406.2.3 调节智能小车上的四路循迹电位器 .406.3 在调试过程中遇到的问题 .416.3.1 单片机学习板下载不了程序 .41xx 大学毕业设计说明书6.3.2 小车不能正常运动 .417 结论 .428
8、总结与体会 .439 谢辞（致谢） 4510 参考文献 4611 附录 1 单片机整体电路图 4712 附录 2 外文翻译资料 48xx 大学毕业设计说明书第 1 页1 前言1.1 智能小车的研究背景及意义智能现在已成为科学技术的发展方向，是现代社会一种新型的产物。智能的含义是在一种特定的环境为前提之下，人们通过预先设定的方案使其能够高效的完成各种工作任务而不用人亲自和直接的去操作。本设计的智能小车是一种能够完成循迹避障和遥控三个功能的智能移动机器人，在设计之中的理论、方案设计、分析的方法等可以为智能运输机器人、自动采矿机器人、民用家居清洁机器人等自动与半自动的机器人的设计制造和运用普及具有或
9、多或少的参考意义。智能小车也是玩具市场发展的一部分，研究和开发好智能玩具小车能够实现一定的经济利益和商业价值。智能小车是一种轮式机器人，属于移动激动机器人的一种。智能小车是一种能够按照认得意愿在特定的环境之中完成对现场环境的感知决策并完成各种特定的任务。智能小车的运动轨迹、启动和停止已经不再需要人为的去干预，通过单片机的控制已经得到了智能的实现。它的运动方向的改变时通过对单片机烧写的程序的改变来实现。智能小车要实现循迹功能、避障功能和遥控的功能，这就要求智能小车必须要自动的感知黑线和障碍物并且对接收到的信号能够自行正确的进行处理。本设计的智能小车其遥控部分功能是主要是在基于 Android 手
10、机上的蓝牙功能和智能小车上面后端插有的蓝牙模块之上，通过 Android 手机的上位机发出指令通过虚拟的蓝牙串口线对小车的运动做出相应的指示，使智能小车能够完成预定的各项功能，从而实现了通过手机对智能小车的遥控控制功能。智能小车的避障功能是在小车的前端装有一个超声波避障模块，在超声波避障模块下面有一个舵机，舵机能够实现 180 度的旋转，通过舵机带动超声波模块的旋转能够实现对周围环境的感知，当超声波模块前方出现障碍物时，超声波模块发出信号给单片机，单片机处理过后发出指令使小车停止前进，此时舵机将带动超声波模块进行旋转，旋转到一方没有障碍物时，小车将继续向前行驶，从而实现了智能小车的避障功能。智
11、能小车是运动轮式机器人的一种。本设计的组成可以分为五大组成部分：红外传感器检测部分、超声波测距部分、蓝牙遥控部分、执行部分和 CPU。对汽车产业产业的发展具有重要的意义，在这种背景之下研究智能小车的意义就显得十分重要了。智能小车的循迹功能在汽车自动控制领域得到了广泛的应用，汽车可以实现不需要人为的直接操作进行智能的倒车等功能，避障功能在汽车自动控制领域的应用及其广泛，汽车的尾部装有超声波避障设施，可以自动感知汽车后方的障碍物距离，同时随着距离的变换能够放出提示音使驾驶员注意行驶的安全。遥控作为现代新型的产物在汽车xx 大学毕业设计说明书第 2 页自动控制方面也得到了广泛的应用，汽车上面的遥控钥
12、匙实现了不需要人直接的去用钥匙打开汽车的车门，站在一定距离的地方通过遥控钥匙就可以实现了对汽车的开锁，关锁功能。智能在汽车自动控制行业的应用数不胜数，上面只讲了其中的一部分内容，总之智能现在在人类生产生活的各个行业的发展情景是十分大的。1.2 智能小车的现状与发展前景智能小车在现代的生活之中随处可见，其发展速度迅猛，从最简单的智能玩具小车到社会上的各行各业。智能小车的功能基本上可以实现了循迹功能、避障功能、红外走迷宫功能、倒车入库功能、蓝牙遥控无线遥控等基本功能。就近几年全国范围内举行的各种电子设计大赛来看，智能小车的发展将向着声控方面进行发展。飞思卡尔电子设计大赛时现在国内电子设计大赛的最高
13、级别的比赛走在了前列。而本设计的智能小车实现了三个功能主要是循迹功能、避障功能和遥控功能。现在对智能小车的开发已经涵盖了传感、电气以及智能等多个智能控制技术，然而智能控制技术是一门综合的跨科学技术。在现在对智能控制技术的研究异常的火热，在其应用方面变得越来越广泛。当今社会的新产物智能，变为了当今社会的发展方向，其主要功能是在预先就设定好了的功能能够在特定的环境之中自动的运行而不需要人为的控制。现代凡是人类不宜亲自或者直接接触的事物，均可以用智能机器人代为完成，并且可以达到人直接完成效果的更高的水平之上。智能机器人可以适应各种复杂的环境，与人类无法亲自触及的危险复杂环境，智能小车就是其中的一种体
14、现，智能也被称之为轮式机器人。如果能把这门技术运用到我们现实的生活当中，无疑我们的生活会变得更加的方便、快捷和智能。智能小车的研究开发具有潜在的军用价值，还被广泛的运用在了科学研究方面、抢险救灾方面和地质勘探等人类生产和生活的多个方面。xx 大学毕业设计说明书第 3 页2 方案设计本次设计的总体方案的系统流程框图如图 2.1 所示：主控模块的选择可以采用CPLD 方案和单片机方案，2.1 和 2.2 部分对 CPLD 和单片机做了详细的介绍 循迹模块避障模块MCU 驱动模块蓝牙模块图 2.12.1 基于单片机的方案设计单片微型计算机是单片机（MCU）的全称，单片微型计算机是嵌入式微控制器一种很
15、典型的代表。单片微型计算机的组成部分是由计算器部分、控制器部分和存储器部分还有各种输出和输入设备组成的。单片微型计算机是一种集成芯片其集成了大型计算机的控制芯片。在社会发展的各个行业之中在工业控制行业等行业之中单片微型计算机得是最早被应用的。单片机内部结构图如图2.2所示：单片机的优点：1、系统的结构简单，使用方便，实现模块化；2、单片微信计算机可靠性很高，其可以工作 106 107 个小时没有任何故障；xx 大学毕业设计说明书第 4 页3、处理功能强，速度快；4、低电压，低功耗，便于生产便携式产品；5、控制功能强；6、坏境适应能力强；图 2.2 单片机内部结构图2.2 基于 CPLD 的方案
16、设计复杂的可编程逻辑器件 CPLD（Complex Programmable Logic Device）是一种由可编程逻辑阵列 PLA 器件和可编程逻辑器件 GAL 器件发展而来的。复杂的可编程逻辑器件 CPLD 是一种大规模的集成电路，CPLD 拥有的特点是结构及其之复杂，规模异常的大，用户在对 CPLD 应用时可以依据自己的需求来对其自行构造逻辑功能的一种数字集成电路。对原理图的设计、对硬件描述语言的开发和集成开发软件平台的设计是三种对可编程逻辑器件 CPLD 进行设计和开发的三种基本设计方法，CPLD 能够生成与设计开发时相互对应的目标文件，目标文件可以通过下载电缆把 CPLD 自动生成
17、的目标代码传送到了目标芯片里，从而实现了设计数字系统。CPLD 内部逻辑电路图如图 2.3 所示：CPLD 的优点：CPLD 拥有其编程较为灵活、设计开发时的开发周期时间不长、对其研究和开发的工具十分的先进、设计的成本和制造的成本相比较而言不高、集成程度很高，而且对于设计 CPLD 的设计者而言对硬件研究的经验要求并不需要很高。CPLD 标准产品不需要进行测试。保密的性能较强，价格并不是很高，因而对大规模的电路设xx 大学毕业设计说明书第 5 页计可以进行实现。据上述之优点 CPLD 被充分的运用在产品的原型设计和产品的生产之中。在现在的电子行业中，可编程逻辑器件 CPLD 已然的成为了不能够
18、缺少的组成部分之一。CPLD 的缺点：在矩阵单元中可编程逻辑的宏单元结构相比较而言是十分复杂，而且 CPLD 具有较为复杂的结构 I/O 单元互连结构，因设计者不同的需求能够生成与之相适应的电路结构，即可用来实现和完成一些特定的功能。分段式互联结构具有其预测不完全的缺点为了避免它，可编程逻辑器件 CPLD 的内部采用了具有一定大小的金属线来对其各个逻辑模块进行互连设计，所以逻辑电路设计的时间具有了可预测的特性。图 2.3 CPLD 内部逻辑电路图2.3 主控模块的方案选择本设计的智能小车在对主控模块的选择上具有了稳定性好、功耗低和设计使用的效率高等的特点，使智能小车的三个功能遥控功能、避障功能
19、和循迹功能能够按照预定的设计去实现。因此我对智能小车的主控系统设计了两个方案如下所示：方案一：主控系统的核心部位使用的是一片 CPLD（如 EPM7128LC84-14） ，从而来达到了能够实时处理控制各个模块信息的功能目的。优点：CPLD 的特性具有处理速度迅速、编写程序较为容易、CPLD 资源十分丰富、其开发的周期不长等诸多的优点。xx 大学毕业设计说明书第 6 页缺点：如果运用了上诉的方案，显然在控制上面增加了许多不必要的难题。单片机在控制方面较 CPLD 来说具有较大的优势，虽然 CPLD 在处理速度方面十分的快捷，但是智能小车的运行速度不是很高，导致了系统处理信息的要求变得很低。方案
20、二：主控系统的核心部位使用单片机，从而来达到了能够实时处理控制各个模块信息的功能目的。优点：单片机若作为主控系统的核心部位具有在控制上方便快捷程序烧写较为方便这是单片机对于 CPLD 来说具有的无法比拟的优点。能够很好的实现对小车的自动控制。充分的发挥单片机的学习应用资源十分丰富这一优点，而且具备了强大功能控制功能与可位寻址的功能。并且单片机的价格十分低廉等诸多的优点。根据上述两种方案的比较，本次设计智能小车的主控系统我采用了方案二的设计。对于此次设计的各种特点来充分的分析之后，不能使用程序储存器和有被减少了的 I/O 口的单片机体积小的单片机来作为控制系统 D/A、A/D 功能也不必选用。故
21、本设计我选用了单片机来作为智能小车的主控模块。在上诉的分析过后,对于本次设计的智能小车的主控系统设计我决定了使用 51 单片机作为本次设计智能小车的主控系统。51单片微型计算机拥有位操作指令很强大的功能，51 单片机的 I/O 口都可以按位来寻址，51 单片机的程序空间能够达到 8K 之大，但是对于本次的设计来说却是无法全部用及，51 单片机的价格却是很便宜的这对于本次设计来说是十分弥足珍贵的。在上述的对本次设计的主控系统分析了过后并且考虑了本次设计循迹、避障、遥控功能和很多的因素了之后，本次设计智能小车的主控系统我决定采用的是 stc89c51型号的单片机，如图 2.4 所示。充分的去应用上
22、诉单片机上所拥有的资源。xx 大学毕业设计说明书第 7 页图 2.4 51 单片机2.4 驱动模块的方案选择本次的设计的电机驱动模块要求稳定性高、效率高、加速能力强等的特点，我计了三种电机驱动模块的方案如下所示：方案一：通过驱动电动的工作状态的开或是关状态来实现，驱动电机的开关状态由继电器来对其进行控制,对驱动电机的开关状态的控制实现了小车速度的改变。采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.优点:电路较为简单.缺点:继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。方案二：实现分压的目的是为了调节电动机的电压，其方法是通过电阻网络或是数字电位器来实现，从而实现了
23、调节电动机电压的功能。缺点：现在一般的电动机电流较大，分压使得效率变得很低，使得有效功率不高。只能通过对有级调速来实现对电阻网络进行调速，从价格方面来说而数字电阻元件价格很贵。方案三：直流电机的功率放大器由采用了功率放大器三极管的功率放大器来进行输出控制。优点：功率放大器运用了功率三极管来对其进行输出的控制。采用的 H 型桥式电路(如图 4.1)由达林管组成，线性型驱动的电路结构原理简单，其实现加速的能力很强。在占空比可以进行调节的开关状态之下，用单片机控制达林顿管可以十分精确的调整驱动电机的转速。这种 H 型桥式电路的工作模式有饱和模式和截止模式，因此其工作时候的效率变得很高。这种电路实现了
24、对转速和方向的控制，电子管稳定性很强其开关的速度变得很快。这种 PWM 调速技术在社会上得到了广泛的采用。本设计我选用的是 L298N 型号的驱动模块。根据上述比较对三种方案设计的对比之后，本次的设计我决定采用的是方案三来作为本次设计的电机驱动模块。上诉方案分析中方案三所讲的电机驱动模块调速方式有调速的特性十分优越、调整的特性十分平滑、调速的范围很大、过载的能力大，能够承受很频繁的负载冲击特性，并且能够达到无数次的无级迅速启动、电机迅速制动和电机急速反转等诸多的优良特性。故此本设计的直流电机的功率放大器我决定使用采用功率放大器（运用功率三极管）作为输出控制。L298N 的引脚图如图 2.4 所
25、示，L298N 电路图如图 2.5 所示：xx 大学毕业设计说明书第 8 页图 2.5 L298N 引脚图图 2.6 L298N 电路图xx 大学毕业设计说明书第 9 页3 单片机硬件设计3.1 主控电路主控模块是对循迹避障遥控功能模块发送而来的信号进行处理分析，并且能够给出 PWM 波控制驱动电机的转速，开始和停止功能。其主控电路电路图如下图 3.1 所示：图 3.1 主控电路3.2 主控芯片现在的 51 单片机（MCU）都能够兼容 Intel 8031 指令系统。51 系列型号的单片机在其最初时是 Intel 8031 单片机，伴随着 Flash rom 技术的迅速发展 8031 单片机的
26、发展日新月异。8031 单片机现如今成为了世界上应用十分广泛的 8 位单片机中的其中一种，现在 ATMEL 公司生产研发的 AT89 系列单片微型计算机的代表型号是 8031 单片微型计算机。本设计对智能小车的主控系统采用的是宏晶 44 脚 LQFP 封装的单时钟/机器周期（1T）增强型 51 单片微型计算机 stc89c52。Stc89c52 型号的单片机其主要性能参数如下：xx 大学毕业设计说明书第 10 页1、工作电压：3.5V-5.5V；2、stc89c51 型号的单片微型计算机的工作频率为：0-35MHz,相当于普通8051 系列单片机的 0-420MHz；3、用户应用程序空间：8K
27、；4、stc89c51 单片机的片上集成了 1280 字节的 RAM；5、stc89c51 单片机拥有 44 个通用的 I/O 口，可以设置成四种模式：准双向口/弱上拉模式、强推挽/强上拉模式、仅为输入/高阻模式、开漏模式，stc89c51+单片机上面的每个 I/O 口驱动的能力都可以实现 20mA，但是他的所有的芯片都不能超越 120mA；6、时钟源：外部高精度晶振/时钟、内部 RC 时钟：11MHz-17MHZ 共 4 个 16 位定时器；7、路外部 I/O 口中断；8、两个通用全双工异步串行口(UART)；主控芯片如图 3.2 所示：XTAL1XTAL2RSTP14P15P30P31P3
28、3P34P35P37P00P01P02P03P04P05P06P07VCCP20P21P22P23P24P25P26P27P10P11P12P13P17P32P36EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9P3.7(RD)17P3.6(WR)16P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P1.0(T2)1P1.1(T2EX)2P1.23P1.34P1.45P1.5(MOSI)6P1.6(MISO)7P1.7(SCK)8(AD0)P0.0 39(AD1)P0.1 38(AD2)P0.2 37(AD3)P0.3 36(AD4)P0.4 35(
29、AD5)P0.5 34(AD6)P0.6 33(AD7)P0.7 32(A8)P2.0 21(A9)P2.1 22(A10)P2.2 23(A11)P2.3 24(A12)P2.4 25(A13)P2.5 26(A14)P2.6 27(A15)P2.7 28PSEN 29ALE/PROG 30(TXD)P3.1 11(RXD)P3.0 10GND 20VCC 40U1AT89S52P16RXDTXDALEPSENVCCMOSIMISOSCK图 3.2 主控芯片电路图3.3 脚口介绍P0 口 ： P0 是 一 个 双 向 8 位 三 态 I/O 口 。 作 为 输 出 端 口 ， 每 位 能 驱
30、 动 8 个 TTL负 载 。 P0 口 也 可 作 为 低 8 位 地 址 /数 据 复 用 口 使 用 。 P0 口 线 内 没 有 固 定 的 上 拉 电xx 大学毕业设计说明书第 11 页阻 ， 由 两 个 MOS 管 串 联 组 成 ， 既 可 以 实 现 开 漏 输 出 ， 又 可 实 现 处 于 高 阻 时 的 “浮空 ”状 态 ， 故 称 P0 口 为 三 态 的 I/O 口 。P1 口 ： 8 位 准 双 向 I/O 口 ， 可 驱 动 4 个 LS 型 TTL 负 载 。 内 部 具 有 上 拉 电 阻 。引 脚 号 第 二 功 能 ：P1.0 T2（ 定 时 /计 数 器
31、 T2 的 外 部 计 数 输 入 ） ， 时 钟 输 出 。P1.1 T2EX（ 定 时 /计 数 器 T2 的 捕 捉 /重 载 触 发 信 号 和 方 向 控 制 ） 。P1.5 MOSI（ 在 系 统 编 程 用 ）P1.6 MISO（ 在 系 统 编 程 用 ） P1.7 SCK（ 在 系 统 编 程 用 ） P2 口 ： P2 口 是 一 个 8 位 准 双 向 I/O 口 ， 与 地 址 总 线 （ 高 8 位 ） 复 用 ， 可 驱动 4 个 LS 型 TTL 负 载 。 具 有 内 部 上 拉 电 阻 。P3 口 ： P3 口 是 一 个 8 位 准 双 向 I/O 口 ，
32、双 功 能 复 用 口 ， 可 驱 动 4 个 LS 型TTL 负 载 。 具 有 内 部 上 拉 电 阻 。 P3 口 也 作 为 第 二 功 能 复 用 口 使 用 ， 如 下 表 3.1 所 示 。 端 口 引 脚 第 二 功 能P3.0 RXD(串 行 输 入 口 )P3.1 TXD(串 行 输 出 口 )P3.2 INTO(外 中 断 0)P3.3 INT1(外 中 断 1)P3.4 TO(定 时 /计 数 器 0)P3.5 T1(定 时 /计 数 器 1)P3.6 WR(外 部 数 据 存 储 器 写 选 通 )P3.7 RD(外 部 数 据 存 储 器 读 选 通 )表 3.1
33、P3 口 引 脚 与 第 二 功 能3.4 模块功能介绍3.4.1 晶振电路在本设计的选用的单片微型计算机 stc89c51 上有反相放大器（高增益） ，其上的引脚 XTAL1 是放大器的输入端，XTAL2 是放大器的输出端。时钟的产生方式有内部产生xx 大学毕业设计说明书第 12 页方式以及外部产生两种方式。外接的定时元件接在 XTAL1 引脚与 XTAL2 引脚之上，自激振荡就由内部振荡器产生。石英晶体和电容组成了并联谐振回路由，如图 3.3 所示。晶振电路对其外部的时钟信号占空比没有要求是因为经过二分频触发后的外部时钟信号作为了外部时钟电路的输入。本次设计的晶振使用的是 12MHZ 无源
34、晶振，晶振的是为系统提供时钟信号。图 3.3 单片机晶振电路图3.4.2 复位电路复位电路在单片机中是很关键的，当程序运行不正常或停止运行时，这时就需要进行复位操作。MCS-5l 系列单片机的复位引脚 RST 出现两个机器周期的高电平时，芯片就会执行复位操作。如果 RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位操作通常有两种基本形式：上电自动复位和开关复位。上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和 RESET 相连，电压全部加在了电阻上，RESET 的输入为高，芯片被复位。随之+5V 电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。并联在电容的两端为复位按键，当
35、复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使 RST 管脚出现高电平达到手动复位的效果。一般来说，只要 RST 管脚上保持 10ms 以上的高电平，就能使单片机有效的复位。图 3.3 所示的复位电阻和电容为经典值，实际制作是可以用同一数量级的电阻和电容代替，读者也可自行计算 RC 充电时间或在工作环境实际测量，以确保单片机的复位电路可靠。51 单片机的 EA/VPP（31 脚） 是内部和外部程序存储器的选择管脚。当 EA 保持高电平时，单片机访问内部程序存储器，图 3.3 所示。xx 大学毕业设计说明书第 13 页图 3.3 MCU 及复位电路图 3.4 单片机复
36、位电路图xx 大学毕业设计说明书第 14 页图 3.5 晶振的等效电路原理图3.4.3 时钟电路微处理器上的时钟管教如下所示：XTAL1：单片机内部振荡电路的输入端XTLA2：单片机内部振荡电路的输出端微处理器上面的时钟管教 XTAL1 与 XTAL2 都是单独的输入反相放大器和输出反相放大器，在石英晶振内两个时钟管脚都可以使用为片内振荡器，也能作为器件外部时钟的直接驱动。在两个时钟管教外接上由一个石英晶体与两个电容共同组成的定时元件。自激振荡便由内部振荡器自动产生。晶振的功耗随着晶振的频率增加而逐渐增大，在本设计中石英晶振采用的是 11.0592M。两个与晶振并联的电容由于对振荡的频率有所影
37、响，但是却起到了微调频率的作用。单片机的时钟电路图如图 3.6 所示：xx 大学毕业设计说明书第 15 页图 3.6 单片机时钟电路图3.4.4 LED 流水灯及蜂鸣器LED 流水灯常用于调试程序时输出调试信息，或者在产品应用中用于指示信息。图中采用共阳极连接方式，同样使用 1K 电阻做限流电阻，用 J2 做开关，工作时，J2短接，当在 LED 灯的阴极输出低电平，LED 灯导通发光，输出逻辑高电平，LED 截止。流水灯电路图如图 3.7 所示：图 3.7 流水灯电路图 xx 大学毕业设计说明书第 16 页蜂鸣器常用语输出警示信息，由于单片机 I/O 口输出电流有限，因而图中使用 PNP型三极
38、管 Q3 作功率放大，图中 Q3 工作于饱和区，也就是起开关及功率放大的作用，R3 作限流保护作用，当 BELL 端输出逻辑零时 Q3 导通，输出逻辑高是 Q3 截止，通过Q3 一定频率的通断，可以使蜂鸣器发出一定音调的声音。蜂鸣器电路图如图 3.8 所示：图 3.8 蜂鸣器电路图3.4.5 插接件、按键及去抖电路的设计插 接 件 常 用 于 外 围 传 感 器 与 主 控 板 之 间 的 电 源 、 信 号 连 接 ， 具 有 结 构 简 单 ， 使用 灵 活 ， 接 触 可 靠 等 优 点 。 插 接 件 原 理 图 如 图 3.9 所 示 ：xx 大学毕业设计说明书第 17 页图 3.9
39、 接插件原理图按 键 是 最 常 用 的 输 入 器 件 ， 如 电 路 中 说 示 ， 当 按 下 K1时 ， P2.4引 脚 被 拉 低 ，当 单 片 机 检 测 时 会 得 到 逻 辑 低 信 号 ， 当 按 键 放 开 时 ， 由 于 内 部 上 拉 电 阻 的 作 用 ， 单片 机 检 测 是 会 得 到 逻 辑 高 信 号 ， 因 而 实 现 了 信 息 的 输 入 。 值 得 注 意 的 是 ， 由 于 机 械按 键 在 按 下 时 会 产 生 机 械 抖 动 ， 而 相 比 机 械 抖 动 而 言 ， 单 片 机 读 引 脚 的 而 速 度 很 快 ，因 而 为 了 防 止 按
40、 键 按 下 时 由 于 抖 动 而 出 现 只 按 下 一 次 而 检 测 到 多 次 按 下 信 息 ， 常 常在 检 测 到 第 一 次 按 下 之 后 ， 加 一 个 延 时 ， 等 待 按 键 抖 动 停 止 而 后 再 处 理 。 按 键 原 理图 如 图 3.10所 示 ：图 3.10 按键原理图由于在按键的时候，机械开关按键的接触并不完好，有一定的机械抖动，在很短xx 大学毕业设计说明书第 18 页的时间当中电压会发生很多次的抖动，这就相当于好几个的脉冲信号。故这种开关是不能够直接去作为驱动开关使用的，因为这样会使电路产生了错误的信号。为了避免这种错误，可以接一个基本的 RS
41、触发器在驱动电路与机械开关之间， RS 触发器如图3.11 所示。当没有按下 RS 触发器上的按键开关时 S=0，R=1 时可以测出 A=1，A=0。当按下按键时 S=1，R=0 ，可以得出 A=0，A=1，这样就改变了 A 的状态。若有由于机械开关接触时发生了抖动，那么 R 状态则会变化多次，如果 R=1，因为 A=0，那么 G2门依旧是“有低出高” ，是不会干扰到其输出的状态的。故此图 3.12 所示的改进后的电路图，每当按下开关一次时，A 点输出的信号只会发生一次的改变。图 3.10 无抖动开关电路图 3.11 基本 R-S 电路xx 大学毕业设计说明书第 19 页4 驱动电路4.1 H
42、 桥式电路介绍一种十分典型的直流电机控制电路 H 桥式电路如图 4.1 所示。H 桥式电路因为看起来很像字母 H 所以把这种电路叫做“H 桥式电路” 。H 桥式电路中的横杠代表的是“驱动电机” 。H 桥式电路中包含了 4 个三极管和一个直流电机。处在 H 桥式电路对角线上两个三极管导通时那么此时直流电机开始转动。因为三极管的导通情况不同，电流流向电机的方向不一所以控制了电机的转动方向，实现了对直流电机的控制。直流电机转动的充分必要条件是，处在电路中对角线上面的两个三极管必须导通。如图 4.2 所示，当初在对角线上的三极管 Q1 和 Q2 管都导通的时候，电流的流向为从电源的正极开始经过 Q1
43、自左至右的穿过直流电机经过三极管 Q4 返回电源的负极。按照图 4.3 所示，电机的转动方向为顺时针转动。相反若处在对角线上的三极管 Q2 与 Q3都导通的时候，电流的流向相反变为了自右至左，如图箭头所示电机的转动方向变为了逆时针。图 4.1 H 桥式电路xx 大学毕业设计说明书第 20 页图 4.2 H 桥电路顺时针转动图 4.3 H 桥电路逆时针转动4.2 L298N 驱动模块介绍本次设计选用 L298N 驱动模块，此次选用的驱动模块 STM 工艺稳定性很高，运用的电解电容质量高，从而使得 L298N 驱动模块电路能够实现稳定的运行；L298N 不需要再外接一个开关去控制驱动模块电源的开关
44、，并且不需要外接一个二极管防止反接的保护电路，L298N 驱动模块能够很好的制止电源反过来连接。采用的是 ST 公司生产的原装芯片 L298N 驱动模块。L298N 电机驱动模块能够直接的去驱动 3-16V 的直流电机。xx 大学毕业设计说明书第 21 页5V 的输出接口（输出最低只需要 6V）L298N 驱动模块也有提供，并且 5V 单片机电路系统的供电（低纹波系数）L298N 驱动电路也能够提供。3.3V MCU ARM 的控制 L298N 电机驱动模块也拥有，直流电机的速度控制和方向控制能够实现方便的控制，2 相的步进电机 L298N 驱动模块也能够控制的。L298N 的实物图如图 4.
45、2 所示：图4.2 L298N 驱动模块现在的电机驱动电路大多都运用的是 H 桥式驱动电路，而 L298N 电机驱动电路的内部拥有了 H 桥式驱动电路，故此可以选用 L298N 驱动模块来驱动本次设计的电机。通过单片微信计算机传送给 L298N 电机驱动模块的 PWM 信号来实现对智能小车的启动、停止、方向的改变和速度的控制。L298N 电机驱动模块的引脚图如图 4.3L298N 引脚图所示，L298N 驱动模块的驱动原理如图 4.4 电机驱动原理图所示：各引脚如图 4.3 所示：1 CURRENT SENSING A2 OUTPUT 13 OUTPUT 2xx 大学毕业设计说明书第 22 页
46、4 SUPPLY VOL TAGE VS5 INPUT 16 ENABLE A7 INPUT 28 GND9 LOGIC SUPPLY VOLTAGE VSS10 INPUT 311 ENABLE B12 INPUT 413 OUTPUT 314 OUTPUT 415 CURRENT SENSING B散热片与8脚连通图 4.3 L298N 引脚图xx 大学毕业设计说明书第 23 页图 4.4 电机驱动原理图电路 1xx 大学毕业设计说明书第 24 页图4.5电机驱动模块原理图24.3 电机驱动指示电路电路图如图 4.6 所示：图 4.6 电机驱动指示电路电机驱动选用 L293N，能满足设计性
47、能要求，并且价格便宜。L293N 输出端用标准插针接出，便于组装调试。同时电路设计是还在输出端使用 LED 显示 L293N 的输出状态，如果电机正转时 D1灯亮，那么电机翻转式 D1灯熄灭，同时 D2灯亮，由此方便程序调试，图中 R7和 R8为限流电阻，阻值计算方法与上例相同。xx 大学毕业设计说明书第 25 页5 循迹避障遥控模块设计5.1 循迹模块5.1.1 循迹模块方案选择本次设计智能小车的循迹模块要求稳定性高、效率高、抗干扰能力强等的特点，故此我设计了三种智能小车的循迹模块如下表格所示：方案一：采用简易光电传感器结合外围电路探测。缺点：在实际中该中方案设计的稳定性不好，传感器容易受到
48、地方和光线的干扰。方案二：采用四路循迹模块(如图 2.4)，有四个红外的传感器分别放置于小车底座前方左右各两个。优点：稳定性强，抗干扰能力强，效率高等的特点。方案三：采用了三只红外传感器其中两只放置在智能小车前端的两侧，另外一只红外传感器放置在小车前端中央。缺点：如果小车脱离了轨道过后，就一只传感器偏离了轨道，这是小车等待其他两只传感器检测到轨道时，小车才能给重新回到轨道上运行。但是在实际运行的过程中，小车在循迹时小车左右晃动较为厉害虽然可以勉强实现循迹功能不能够准确稳定的实现循迹功能。根据上述三种方案设计的对比之后，本次的设计我决定采用方案二作为本次设计的循迹模块。运用了四只红外传感器(如图
49、 5.1） ，放置于小车底座前方左右两侧即左边两只右边两只，通过这四只红外传感器感知黑线与白线的信号从而控制智能小车的转向调整小车车身。在反复不断的测试后表明合理安装了四只红外传感器的位置过后小车的循迹功能变得稳定。红外探测法的原理为，红外线的反射特性在不同的颜色的物体表变的反射特性是不一样的。四只红外传感器在智能小车的运动过程之中源源不断地向发射出红外光，红外光在白色纸质上面放生的是漫反射而在黑色的纸质上面不发生漫反射。红外传感器在遇到白色时将信号传送给了接收装置，而在遇到的是黑色的时候接收装置接收不到信号。根据上述的两种情况接收装置将所接收到的信号传送至单片机，单片微机通过计算和处理过后将信号传送给驱动模块从而控制了小车的运动方向，实现了智能小车循迹的功能。然而红外探测器的探测距离并不是无限的，其最大的探测距离一般不易超过 3cm。xx 大学毕业设计说明书第 26 页图 5.1 四路循迹模块xx 大学毕业设计说明书第 27 页图 5.2 四路循迹模块原理图5.1.2 信号检测模块此次循迹的原理为智能小车在设定好的了白色路面上，画有黑色的轨道，光线对白色和黑色的纸质反射系数不一样。根据接收器接收到对不同颜色的纸质光线的反射系数大小来对轨道进行判断进而实现了智能小车的循迹功能。本次的设计我采用的是红外探测法。红外探测法的原理为，红外线的反射特性在不同的颜色的物体
