《智能小車圖像識別系統(tǒng)電路設(shè)計》6700字（論文）

智能小車圖像識別系統(tǒng)電路設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\u21704一、緒論 1307291.1課題的來源及意義 126341.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2285811.3本文研究主要內(nèi)容 3314051.4本章小結(jié) 314842二、總體方案設(shè)計 4260672.1整體的框架 4174702.2總體方案設(shè)計思想 5259952.3本章小結(jié) 525768三、硬件設(shè)計 5133623.1控制模塊 5156473.1.1控制器的選擇 5248723.1.2AT89C52單片機 621263.2紅外線路面圖像識別模塊 7107653.3紅外線檢測信號以及單片機的接收控制 8195633.4電機驅(qū)動模塊 999673.4.1電機驅(qū)動芯片的選擇 923623.6本章小結(jié) 1110438四、系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn) 13253554.1小車循跡 13258424.2調(diào)試 1468544.3本章小結(jié) 157583結(jié)論 1625414參考文獻 16一、緒論1.1課題的來源及意義現(xiàn)在的世界是一個高速發(fā)展的世界，是電子產(chǎn)品高速發(fā)展的世界，即智能化的世界。無線控制技術(shù)，單片機技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，逐步成為現(xiàn)代智能化不可缺少的部分。智能小車可通過編程來實現(xiàn)對智能小車的方向，速度還有啟動與停止的控制，根部就不需要人類的干預(yù)，是一個把感知環(huán)境，決策的規(guī)劃，自己行駛等這些功能放到一起的綜合系統(tǒng)。從這點就可以感受到，我國經(jīng)濟實力的飛速發(fā)展將會給智能小車的研究提供一個更加寬廣的未來。所以，對于智能小車的研究，不但能夠使我們對課本中的知識更加的穩(wěn)固，更是可以讓我們將理論與實際更好的結(jié)合起來，使我們的知識更加的堅固。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國外智能車輛的研究歷史較長，始于上世紀50年代。它的發(fā)展歷程大體可以分成三個階段:第一階段20世紀50年代是智能車輛研究的初始階段。1954年美國BarrettElectronics公司研究開發(fā)了世界上第一-臺自主引導(dǎo)車系統(tǒng)AGVS(AutomatedGuidedVehicleSystem)。第二階段從80年代中后期開始，世界主要發(fā)達國家對智能車輛開展了卓有成效的研究。在歐洲，普羅米修斯項目開始在這個領(lǐng)域的探索。在美洲，美國成立了國家自動高速公路系統(tǒng)聯(lián)盟(NAHSC)。在亞洲，日本成立了高速公路先進巡航/輔助駕駛研究會。第三階段從90年代開始，智能車輛進入了深入、系統(tǒng)、大規(guī)模研究階段。相比于國外，我國開展智能車輛技術(shù)方面的研究起步較晚，開始于20世紀80年代。而且大多數(shù)研究處在于針對某個單項技術(shù)研究的階段。雖然我國在智能車輛技術(shù)方面的研究總體上落后于發(fā)達國家，并且存在一定得技術(shù)差距，但是我們也取得了一系列的成果，主要有:(1)中國第一汽車集團公司和國防科技大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院與2003年研制成功我國第一輛自主駕駛轎車。(2)南京理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)、國防科技大學(xué)、清華大學(xué)等多所院校聯(lián)合研制了7B.8軍用室外自主車，該車裝有彩色攝像機、激光雷達、陀螺慣導(dǎo)定位等傳感器。1.3本文研究主要內(nèi)容本文是由四個章節(jié)構(gòu)成，第一章是緒論，最主要敘述了圖像循跡小車所在領(lǐng)域的應(yīng)用以及發(fā)展歷程。第二章我們總體的說明了一下本小車的設(shè)計內(nèi)容以及方案。第三章是主要需要的硬件以及硬件的介紹。第四章是軟件部分的設(shè)計。1.4本章小結(jié)本章主要是對為什么要做這個實驗，以及做這個實驗的意義，還有國內(nèi)外研究人員對該實驗做出的成就進行簡單說明。并對我們自己要寫的論文有一個整體的思路。二、總體方案設(shè)計面對當(dāng)前科技的不斷進步和知識的不斷更新,應(yīng)當(dāng)在設(shè)計的時候選擇適當(dāng)?shù)膬x器，選用各種儀器都會有好處也會伴隨著缺點，所以本設(shè)計需要按照現(xiàn)實情況來選用各種儀器，這樣才能夠讓電路系統(tǒng)合理的工作和運行，以達到實驗?zāi)康摹?.1整體的框架上紅外檢測上紅外檢測左紅外檢測右左紅外檢測右紅外檢測單片機停止右輪前進右輪后退左輪前進左輪后退驅(qū)動電機后紅外檢測停止右輪前進右輪后退左輪前進左輪后退驅(qū)動電機后紅外檢測圖2.1整體程序框架圖圖2.1是整體程序的構(gòu)架圖，紅外線檢測到地面的情況有4種，有可能是左面出現(xiàn)白色，有可能是前面出現(xiàn)白色，也有可能是后面出現(xiàn)白色，還有可能是右邊出現(xiàn)白色。當(dāng)出現(xiàn)白色以后，紅外線的反射光線就會反饋給紅外線探頭,然后把信號傳給單片機AT89C52,單片機做了簡單處理以后直接發(fā)送給驅(qū)動電機，驅(qū)動電機再控制小車，然后實現(xiàn)小車運動。2.2總體方案設(shè)計思想此次設(shè)計是利用4個紅外線探頭去檢測已經(jīng)事先設(shè)定好的黑線白底跑道，讓檢測到的地面信息發(fā)送給單片機，單片機再給電機驅(qū)動命令，讓電機驅(qū)動執(zhí)行任務(wù)。2.3本章小結(jié)本章主要是對智能小車的設(shè)計做一個總方案，接下來的設(shè)計我們就可以根據(jù)這個總設(shè)計來對其中小的設(shè)計擴展，使智能小車達到我們想要的要求。三、硬件設(shè)計3.1控制模塊此次智能小車的設(shè)計是以AT89C52單片機為控制模塊。此單片機有很小的體積、功耗也很低、性能優(yōu)異、有很強的抗干擾能力且價格便宜等特點，采用DIP40的封裝形式。同時在智能小車的底板上安有相應(yīng)的單片機芯片插座，方便在燒寫程序時插拔芯片。3.1.1控制器的選擇方案一：采用MSP430單片機MSP430是德州儀器(TI)的其中一種很普通的RISC多角度分析器械。作為多種混合信息的處理和數(shù)字智能處理化技術(shù)的代表，TI創(chuàng)造的MSP430，能夠在系統(tǒng)運行的時候，既能在低功率下運行，又能同時接連到模擬信號，傳感器以及數(shù)字組件。MSP430的特點:處理能力強，運算速度快，超低功耗，片內(nèi)資源豐富，有良好的開發(fā)環(huán)境，然而，MSP430管腳的驅(qū)動是非常弱的，但是它的電源和處理器在運作時的低功耗對于輸入來說就幾乎沒有影響。MSP430使用的主頻和其它的相比是低的，解決速度是很慢的，這次設(shè)計中，系統(tǒng)對于驅(qū)動控制和管腳輸出是有很高的要求的，那么MSP430單片機顯然是不合適的。方案二：采用AT89C52單片機[4]AT89C52是一個CMOS8位的微型控制處理器,它有很低的功率消耗而且性能達標，F(xiàn)lash存儲器的存儲空間是8K，它也是系統(tǒng)可編程的。AT89C52是由Atmel公司創(chuàng)造的，它采用了高級壓縮謎底和抗內(nèi)性倆種存儲器技術(shù)，而且AT89C52和80C51的生產(chǎn)條令和芯片引腳是相同的。Flash存儲器在單片機上面的時候，我們能夠把程序直接編程到這個系統(tǒng)里面，這個方法一般的編程器都可以使用。AT89C52在單獨的芯片處理上，包含有很好的8位CPU和能夠在系統(tǒng)本身里面編程的Flash，這樣讓AT89C52變成了可以提升靈敏度和高效率的應(yīng)用系統(tǒng)的獨特方法。方案選擇：綜上所述:在上面的方案對比中，選用第二方案的控制器，讓AT89C52來做為控制器。這個處理器成本很低，方便購買，實際操作也很簡單，所以本次設(shè)計用AT89C52來做控制器。3.1.2AT89C52單片機AT89C52是具有小電壓和高性能CMOS8位單片機，它含有8kbytes的能夠反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，它是用ATMEL公司的創(chuàng)新保存技術(shù)，可以兼容標準MCS-51指令系統(tǒng),單片機內(nèi)設(shè)通用8位處理器和Flash存儲單元，多樣性的AT89C52單片機能夠用于多種繁雜系統(tǒng)的控制環(huán)境，并且能夠在線編程和按照常規(guī)方法進行編程。圖3.1AT89C52單片機引腳圖3.2紅外線路面圖像識別模塊紅外線路面圖像識別模塊又分為紅外發(fā)射和接收探頭來探測路況和尋跡模塊倆部分構(gòu)成。1.紅外發(fā)射和接收探頭來探測路線此次設(shè)計用到了倆種探頭,分別是紅外線感應(yīng)發(fā)射探頭和紅外線感應(yīng)接收信號探頭，倆種探頭一起來感應(yīng)地面的環(huán)境。紅外線發(fā)射管的作用是發(fā)射紅外線信息，當(dāng)通過地面以后信息反射回紅外線接收探頭這里，從而進行分析動作。光線對于道路上面的黑線和白色的反光情況是不同的，因為反射光不同從而來判斷地面道路的情形。本次設(shè)計在這個模塊中用了簡單又容易操作的方法一紅外線探測法。圖3.2為紅外線識別模塊的原理圖[8]。圖3.2紅外線識別模塊的原理圖通電以后紅外線發(fā)射探頭V1、V6、V3打開，向地面發(fā)射紅外線信號，在通過白色地面道路時，紅外線信號射到白色地面道路上，反射光比較強，此時紅外線接收探頭V2、V5、V4可以收到到紅外線反射信號，能夠讓這幾個探頭導(dǎo)通，把電平信號發(fā)到P3.5、P3.6、P3.7從而使得單片機動作[9]。3.3紅外線檢測信號以及單片機的接收控制紅外線發(fā)射探頭通過對圖像的掃描處理得到有效的信息直接發(fā)送到單片機上，當(dāng)檢測到黑線的時候，輸出低電平。當(dāng)前方紅外探測頭探測到地面黑線時，則單片機給電機驅(qū)動發(fā)送操作指令，會操作小車向前走。如果右邊紅外探測頭探測到地面黑線時，則小車跑偏了，單片機給電機驅(qū)動發(fā)送操作指令，會操作小車右轉(zhuǎn)彎。如果左邊紅外探測頭探測到地面黑線，則小車也跑偏了，單片機給電機驅(qū)動發(fā)送操作指令，會操作小車左轉(zhuǎn)彎。如果前方和右邊紅外探測頭探測到地面黑線，則小車又跑偏了，單片機給電機驅(qū)動發(fā)送操作指令，操作小車右轉(zhuǎn)彎。如果前方和左邊紅外探測頭探測到地面黑線，則小車還是跑偏了，單片機給電機驅(qū)動發(fā)送操作指令，操作小車左轉(zhuǎn)彎。3.4電機驅(qū)動模塊3.4.1電機驅(qū)動芯片的選擇方案一：采用L298NL298N為雙H橋直流電機專用驅(qū)動芯片(DualFull-BridgeDriver)，驅(qū)動部分端子供電范圍VS為+5V~+35V，驅(qū)動部分的最高電流為IO為2A，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動電路,這個器件是由二相和四相電機都可以用的專用器件，能夠使2個二相一起運作，也能夠使1個四相電機運作，且輸出電壓可以直接透過電源來調(diào)節(jié);這個芯片也可以通過單片機的I0口，讓I0口提供模擬時序信息，并且在小車的設(shè)計過程中I0口的使用也很少[5]。方案二：采用LG9110LG9110是能夠讓電機運動而且起到控制電機的作用的器件，它能夠在放大功率的過程中用到，并且能夠把分立電路也放到IC上，這樣的話能夠能夠減低制作成本，還能讓整個機器的功能都小部分提高[6]。這個LG9110的輸入有2個，分別是TTL/CMOS電平，用它的好處是能夠加強抗外部干擾的功能輸出的端口有2個,能夠直接放在驅(qū)動的倆種轉(zhuǎn)上面,具有較大的電流驅(qū)動能力，所有的道路都可以過750-800mA大小的不間斷電路，通過的最大的電流可達1.5-2.0A;同時而且這個芯片是有很低的輸出飽和壓降本身的設(shè)計中，里面的鉗位二極管能夠放出帶有感性負載的反方向沖擊電流。LG9110被廣泛應(yīng)用于玩具汽車電機驅(qū)動，步進電機驅(qū)動和開關(guān)功率管等電路上[7]。方案三：用分立原件建立電機驅(qū)動電路這個原件本身的價位是很廉價的,這樣就使得在生產(chǎn)工業(yè)中可以大量的使用它。然而分立原件H橋電路在運作的時候達不到標準的穩(wěn)定性能值，很容易發(fā)生硬件的損壞，所以本次設(shè)計不采用這個方案。方案選擇：綜上所述:在上面的方案對比中，此次設(shè)計的系統(tǒng)我們選用2方案，讓LG9110作為本系統(tǒng)的驅(qū)動電路。LG9110驅(qū)動能力比較強，造價很低，實際操作也很簡單，所以本次系統(tǒng)控制器使用這個方案。本設(shè)計的單片機可以通過電機驅(qū)動電路控制小車運行方法如表2.1。表2.1動作列表P1.3P1.2P1.2P1.20101前進1010后退1101左轉(zhuǎn)彎0111右轉(zhuǎn)彎3.4.2電機驅(qū)動此次設(shè)計用了L298N電機，用它來帶動小車的倆個電動機。兩個電動機一個為5V，一個為12V.直流電機主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子是電機的靜止部分，它最重要的作用是制造出磁場。啟動的時候一直動的組成叫做轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子的主要作用是感應(yīng)電動勢產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，是機械能轉(zhuǎn)換為電能或電能轉(zhuǎn)換機械能的樞紐，還有一種說法叫電樞。這個L298N是由ST公司創(chuàng)造的，最多出現(xiàn)的是15腳Multiwatt組裝的L298N，本身有4個通道的控制驅(qū)動電路。能夠驅(qū)動2個直流電機,也能夠驅(qū)動2個2相電機，還能夠獨自驅(qū)動1個四相電機，它的輸出電壓能夠一直上升到50V。輸出電壓的控制可以由電源直接控制，只需要到單片機的I0口給予信息，能夠讓電路不繁雜，用起來很便捷。L298N能夠收到TTL條理電平信號Vss,Vss一般接4.5~7V的電壓。4引腳VS連電壓源，VS能夠連電壓范圍VIH為2.5~46V.L298N的發(fā)送出去的電流是2.5A，能夠驅(qū)動電感上的負載。我們運用標準邏輯電平信號來操做，一般加入單片機管腳，包括了2個使能操控端，當(dāng)它不會感應(yīng)到輸入信號的干擾時，是不讓器件運轉(zhuǎn)的。L298N包含邏輯電源輸入端，可以讓電路部分能夠在低電壓的環(huán)境下運行。圖3.3為L298N引腳結(jié)構(gòu)圖。圖3.3L298N引腳結(jié)構(gòu)圖左電機右電機P1.3P1.2P1.1P1.0LALBRARB00不轉(zhuǎn)00不轉(zhuǎn)01前轉(zhuǎn)01前轉(zhuǎn)10后轉(zhuǎn)10后轉(zhuǎn)11不轉(zhuǎn)11不轉(zhuǎn)2.循跡尋跡就是已經(jīng)設(shè)計好一個背景為白色，其中有一條黑色跑道的線路，讓這個小車用紅外線探頭感應(yīng)不同的地面信息，從而去沿著黑線走。智能小車在沒有外部環(huán)境干擾的情況下向前走的過程中，紅外線探頭會不間斷的發(fā)射光信號，當(dāng)紅外線光射到白色圖紙時，這個光信號就會發(fā)生反射現(xiàn)象，反射后的光信號直接又回到紅外線接收探頭.上;當(dāng)紅外線光射到黑線圖紙時，黑色的特性就會起作用，它會把紅外線光直接吸收，這樣就不會有光信號反射回去，小車也就不會接收到反射信息。此次設(shè)計的黑線道路需要有一定的寬度，要比紅外線發(fā)射探頭的寬度寬。3.6本章小結(jié)本章是對智能小車設(shè)計硬件部分的敘述，是對單片機，紅外檢測信號及電機驅(qū)動所需要的電機進行了簡單的介紹。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)智能小車只靠物品把它連接在一起，還不能使它進行運轉(zhuǎn)，還需要有一個“大腦”來控制它們，使它們完成相應(yīng)結(jié)構(gòu)的功能。本設(shè)計采用C語言編程來實現(xiàn)其行駛的功能。當(dāng)打開電源時，先用單片機使其各個模塊都進行初始化，接著紅外線探頭開始發(fā)射信號，AT89C52會讓外部中斷為0，核心程序通入中斷停止信號，從而實行解碼。當(dāng)解碼成功以后，會有許多信息發(fā)送回核心程序，核心程序根據(jù)信息實行對應(yīng)的運行任務(wù)，每一個模塊的實行任務(wù)都是讓電機驅(qū)動來實現(xiàn)的，所以在圖中最后的程序方向是指向驅(qū)動電機模塊的。4.1小車循跡如果想實現(xiàn)智能小車地面圖像循跡的話，需要知道小車循跡的道理，上面已經(jīng)介紹了,這里不做說明了。其實只需要辨別單片機管腳P3.7/P3.6/P2.0/P2.4還有前進后退的P3.4即可，P3.7管腳是表示前面紅外線探頭發(fā)射回來的信息，P3.6管腳是表示后面紅外線探頭發(fā)射回來的信息，P2.0管腳是表示左面紅外探頭發(fā)射回來的信息，P2.4管腳是表示右面紅外探頭發(fā)射回來的信息。如果左面紅外線探頭出現(xiàn)白色時，會讓P2.0至0,單片機感應(yīng)到P2.0變成0時，就會用到向右拐彎的函數(shù)，從而實現(xiàn)向右拐彎的操作，如果右面紅外線探頭出現(xiàn)白色時，也會讓P2.4至0，這個時候就會用到向左拐彎的函數(shù)，來讓小車自動選擇方向。如果前面探頭出現(xiàn)白色，左右探頭也探測到白色，而后面探頭沒有探測到白色時，會讓P3.7至0，這個時候就會用到前進后退的函數(shù)，按動P3.4，使其由前進變成后退。一般意義上講，電機驅(qū)動是小車的主要組成部分，也是小車收到任務(wù)以后的最后操作，還是所有模塊的集體外在變現(xiàn)。電機驅(qū)動能夠讓電機向前走，向后走，向左拐彎，向右拐彎，這些表現(xiàn)不只是驅(qū)動的表現(xiàn)，而是所有模塊整體對電機驅(qū)動的一個信息展示，那么我們在設(shè)計程序的時候，應(yīng)該先將這幾個向前走，向后走，向左拐彎，向右拐彎獨立的編譯成單獨的函數(shù)塊,這樣可以讓所有的模塊運動只需要選用這幾個函數(shù)塊就能夠解決。圖4.1為程序流程圖:圖4.1程序流程圖4.2調(diào)試4.2.1電機驅(qū)動調(diào)試用一種最高效的辦法來判別電機能不能正常運行,我們用一節(jié)傳統(tǒng)的干電池來當(dāng)電源，把電源的正負極與電機的正負極進行連接，觀察電機能否正常工作。然后啟動智能小車，仔細觀察智能小車向前走和向后走靈不靈敏，向左轉(zhuǎn)和向右轉(zhuǎn)之間的差異大小是多少，如果小車表現(xiàn)出來的情況和自己心中的想法不一致，我們可以通過改變延遲時間來使其達到心中的預(yù)期，通過反復(fù)的調(diào)試和檢查，最終讓智能小車順利完成任務(wù)，達到想要的目的。4.2.2尋黑線的調(diào)試首先檢測小車板前的探頭是否正常運行,把小車放到黑色跑道起點上，自己設(shè)計背景為白色，跑道為黑色的圖紙，仔細觀察智能小車在識別地面圖像自主循跡功能上能不能完成規(guī)定任務(wù),并且觀察智能小車在拐彎的時候能否順利拐彎，如果不能的話就應(yīng)該再次調(diào)節(jié)內(nèi)部延時間，從而達到順利拐彎的目的。4.3本章小結(jié)本章是對智能小車軟件部分的設(shè)計以及對電機驅(qū)動與尋黑線的一個調(diào)試，使其能夠達到我們想要達到的目的。

結(jié)論設(shè)計的智能小車是以AT89C52單片機為核心制造的。圖像循跡智能小車是當(dāng)前社會的主流發(fā)展項目，它囊括了很多學(xué)問，在此次設(shè)計中發(fā)現(xiàn)了許許多多的問題，在這里對智能小車的研究提出幾點小的可進一步提升的方向：(1)小車本身對周圍環(huán)境的信息收集功能，本次設(shè)計的小車對周圍環(huán)境沒有自我判斷意識，也沒有自我適應(yīng)意識，只能按照黑線自動去循跡。(2)可以增設(shè)避障的功能。本次設(shè)計缺乏壁障功能，而且只能識別地面圖像，不能識別小車前后左右的圖像，只能前進后退和左右拐彎功能。(3)跑道必須平整沒有凹凸，否則小車會出現(xiàn)搖頭現(xiàn)象會發(fā)生識別不了圖像的問題。跑道是樹膠黑色膠帶粘貼制作，在太陽下會出現(xiàn)變現(xiàn)導(dǎo)致小車識別不了，所以在黑色跑道的問題上還有待改進。參考文獻[1]歐青立,何刻忠等編著.室外智能循跡小車的發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].循跡小車，2000,22(6):519-526[2]楊鵑.多信息融合技術(shù)在移動循跡小車避障系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué).2007.[3]羅志增,蔣靜坪編著.循跡小車感覺與多信息融合[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003:1-10.[4]宋建國:AVR單片機原理及應(yīng)用[A],北京航空航天大學(xué)出版社，1998.2，P35-P45[5]李華剛，郭壯輝，習(xí)志奇，胡柯，智能監(jiān)控設(shè)