内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
第一章 绪论
1.1课题研究背景和意义
随着21世纪的到来科学技术的发展步入了一个高速发展的阶段，智能化也普及了各个领域。汽车作为21世纪最为热门的交通工具，其在全球的使用率达到一个较高的水平，为了满足人们的需求，汽车在产量、种类上的剧增以及行驶速度的大大提升，然而由此带来了很多问题，比如说交通拥堵、交通事故、环境污染以及能源浪费[1]。据有关专家统计，到21世纪初，汽车排放的尾气占了大气污染的30～60%。随着机动车的增加，尾气污染有愈演愈烈之势，由局部性转变成连续性和累积性，而各国市民则成为汽车尾气污染的直接受害者，为此解决汽车污染已迫在眉睫。除此之外随着汽车速度的提高，发生交通意外的几率也大大的提高了。2014年1月至10月，全国共发生道路交通事故426378起，造成87218人死亡、391752人受伤，直接财产损失20.2亿元。交通事故严重影响人们的家庭幸福，引发相关的社会问题，我国每年交通事故致死率一直位居世界首位，各级政府都相当重视交通安全问题。智能汽车的出现很好的解决了上述的两个问题，为此世界各国都在致力于智能汽车的研究，至今为止科学家们在智能车的研究上已经取得了很大的成果。疲劳驾驶容易引发交通事故，从而对人身安全和财产损失造成不必要的威胁，为此科学家们设计出了自动驾驶汽车。通过在手动驾驶的汽车上安装智能控制器也能使汽车达到自动行驶的效果，从而极大缓解了汽车驾驶员长时间踩踏油门所带来的疲劳，降低了因疲劳驾驶而引发交通事故的概率。基于这样的背景本次课题设计了一台可以自动避障，自动减速的智能小车，小车采用STC15单片机来模拟智能汽车的智能控制器，可以说智能避障小车是未来智能汽车发展的一个雏形。未来的智能汽车也可以通过传感器对前方的障碍物，汽车，行人等进行检测。当靠近障碍物时汽车自动减速，当汽车跟障碍物的距离超过安全距离时进行紧急刹车。智能汽车的功能和研究意义远不止这些，人们只有通过不断的探索和研究才能更好地发掘和利用智能汽车的价值。
1.2智能汽车的发展概述
智能汽车是一种正在研制的，集成了智能控制器，执行器和多种传感器的高科技新型汽车。智能汽车的发展根据国际的标准可以分为两个阶段，第一个阶段是辅助驾驶阶段，第二个阶段是无人驾驶阶段[2]。
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辅助驾驶阶段经过多年的发展现在已经基本成熟，辅助驾驶是指驾驶员通过汽车上安装的辅助驾驶设备来控制汽车，常见的辅助驾驶系统有车道保持辅助系统、自动泊车辅助系统、刹车辅助系统、倒车辅助系统和行车辅助系统[2]。其中较为常见的就是倒车辅助系统(Parking Assist System)，倒车辅助系统，通常是用显示器以图片的形式告知驾驶员汽车和障碍物的相对位置，消除驾驶员观察不到的视野盲区，从而为驾驶者倒车泊车提供方便，消除安全隐患。除了倒车辅助系统之外GPS定位系统是最广为人知的行车辅助驾驶系统，GPS又称为全球定位系统（Global Positioning System GPS），是美国从20世纪70年代开始研制，于1994年全面建成，具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统[3]。自动驾驶系统的运用主要体现在无人驾驶汽车上，近年来关于无人汽车的研究屡见不鲜，目前在社会也已经出现了几款无人驾驶汽车，主要包括美国卡耐基梅隆大学的NavLab-5[4]Boss[5] 智能车、谷歌公司的Google Driverless Car、意大利帕尔马大学的The ARGO vehicle[6、7]联邦国防军大学的VaMP智能驾驶系统[8]等。图1.1是谷歌研制的无人驾驶汽车。
图1.1 谷歌无人驾驶汽车
1.3 课题研究技术要求与主要内容
课题的技术要求：本次课题最终要求小车能在无人操作的条件下实现自动避障，避障基于超声波测距的原理实现的，当超声波检测到小车与障碍物的距离大于40cm时，小车按照原先设定的速度正常行驶；当超声波检测到小车与障碍物的距离小于40cm大于20cm时单片机进行PWM调速控制使得小车减速；当超声波检测到小车和障碍物的距离小于20cm时，单片机控制蜂鸣器发声和发光二极管发声同时控制小车进行减速并转弯。因为本次设计的小车时两轮驱动的小车，也没有安装舵机，所以小车的转弯通过控
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制两个车轮间的转速差实现。
课题研究的主要内容：本次设计以超声波避障为研究对象，以自动避障为核心控制功能。要研究内容包括：以STC15为控制核心的智能系统的平台搭建、各个模块的选型、多传感器的组合应用、PWM控制电机驱动的相应动作、测速及调速系统的选择与搭建、测距系统的选择与搭建、报警与显示系统的选择与搭建等。
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第二章 总体方案设计
设计一个完整的电子系统其实并不简单，首先要化整为零，就是从局部做起，先了解并掌握各部分的硬件和软件。接着就是化零为整，把各部分的硬件和软件联系到一起得出整体的电子系统[9]。在划分系统的各个子模块前，需要掌握每个模块的间的联系，这样在进行模块组合的时候就相对的方便了。在子模块没有掌握的情况下，不能将模块轻易的组合在一起，这样对整个系统来说是有害而无益的。
据此，可以把该智能小车分成两个部分，第一部分是硬件模块部分，其中硬件模块包括：测距模块、光电编码器模块、报警模块、显示模块、电源模块等。软件模块包括：超声测距波模块、光电码盘测速模块、PWM调速、蜂鸣器模块、液晶显示模块。针对上述的各个软件模块和硬件模块，本章将逐一对其选型方案进行论述。通过分析每个方案的可行性，可靠性，以及经济性从而可出最终的最优方案。
2.1总体方案设计
本次课题的核心就是现实超声波避障功能，为此超声波传感器发挥着重要的作用。通过运用相关知识把单片机和超声波模块连接起来就成了这次课题的出发点[10]。只有找准了这个基本的出发点才能更好地的构思超声波小车的总体设计方案，下面是小车的总体设计方案。
在本次课题中选择用STC15系列单片机作为核心控制器，关于单片机的选型下文会做详细的论述。系统的动力由L298N驱动5V直流电机提供，传感器用的是HC-SR04超声波模块，20线的光电编码器作为速度测量系统。声报警选用常用的蜂鸣器即可，至于光报警则只需要一个普通的发光二级管，显示部分则选用的是LCD液晶显示。在搭建好各个模块和调试好各部分程序之后小车应该能按照以下的流程去运行：首先按下电源开关小车的电机运转，此时的小车是不调速的，它的初始速度由程序中给定[11]。此外在小车的LCD显示器上会显示当前的速度和超声波检测到的距离。在小车运动的过程中小车与障碍物的距离会实时更新，关于超声波采集和显示的周期都是由定时器中断函数去控制的，这个在下文的程序部分也会做详细的介绍，当小车检测到与障碍物的距离小于40cm这个给定值的时候小车的速度会自动的降低，这个由PWM调速程序控完成。当小车与障碍物的距离小于20cm这个给定值的时候，单片机执行中断函数，中断小车正常的直行改为转弯，同时小车的蜂鸣器发声，二极管发光。当小车转弯后超声波检测的距离
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大于给定的40cm时，单片机退出报警中断执行主函数的程序，此时小车将正常行驶。总体方案框图如图2.1所示。
超声波测距单片机STC89C52光电测速L293D驱动电机LCD1602显示蜂鸣器报警 图2.1 系统的总体方案框图
2.1.1具体设计思路
本设计采用两驱车模，实质上小车有三个车轮，第三个车轮为活动轮，活动轮不参与小车驱动只作从动和支撑作用。以单片机STC15为控制芯片，借用超声波模块进行测距，光电码盘模块进行速度测量，蜂鸣器进行报警预告，PWM软件控制系统进行调速，LCD1602进行显示。
具体实现过程：硬件方面小车的主板最终选用的是洞洞板焊接，当然小车的PCB板也有绘制，只是最终选型选择的是洞洞板，洞洞板的连线是根据小车的原理图连接的[12]。主板包括几个部分：第一部分就是供电部分，因为要驱动两个5V的电机，需要一个供电路，同时加入稳压电路以保证电压的稳定。第二部分是小车的驱动电路，驱动电路是自行绘制并焊接的电路板。第三部分超声波电路和测速电路，因为用的是现成的模块，所以焊接电路的时候只需要用排针把单片机的IO口引出来即可。第四部分是显示电路，这部分的电路在LCD模块中会详细的介绍。软件方面也就是程序部分，软件的思路也分为两个部分：第一部分就是小车的主程序，主程序的中包含了定时器程序、超声波采集程序、显示程序。第二部分就是中断程序：中断程序中含有调速程序，报警程序，这样的设计思路方便了程序的编写。总的来说在写程序的时候只需要考虑两个方面，第一方面就是小车在正常情况下能按照给定的速度运行和实现显示。第二方面就是小车在触发中断后立即执行中断程序，中断程序中包含小车调速程序和报警程序。中断是一个较为复杂的程序，中断程序要涉及到中断标志和中断优先级问题[13]。
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