作品设计报告
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序号：编码：燕山大学第五届DIY达人赛作品申报书作品名称：多功能智能小车所属学院：电气工程学院申报者姓名：×××××(集体名称)：时钟树共青团燕山大学委员会2017年4月说明1、申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。
2、申请书请用A4纸单面印制，申请书左侧装订。
3、表内项目填写时请以4号楷体_GB填写，务必保证上交材料格式工整，不符合要求一律发回修改。
４、参赛作品及有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本），请以12号打印在A4纸上，附于“参赛作品打印处”。
行距：固定值26，页边距：左右2.5cm，上下2.5cm。
５、作品申报书须按要求以学院为单位统一报送。
报送地址：东大活108无协实验室、西区电气C楼432实验室。
时间：4月15、16日６、申请书序号、编码由无协工作人员统一写。
７、其他参赛事宜向交流群无协工作人员咨询。
联系人：薛亚絮联系电话：A1．申报者情况（个人项目）A2申报者情况（集体项目）作品设计报告目录1.作品简介 (3)2.设计要求 (3)3.主要模块说明 (3)3.1电源供电模块 (3)3.2电机驱动模块 (4)3.3红外线发射及接收模块 (5)3.4超声波发射及接收模块 (6)3.5红外遥控模块 (7)3.6液晶屏显示模块 (8)3.7温度检测模块 (8)3.8无线通信模块 (9)3.9重力感应模块 (10)4.主要功能明 (10)4.1循迹功能 (10)4.1.1循迹功能详细说明..................................................................................... (10)4.1.2系统构成 (10)4.1.3循迹原理 (11)4.1.4软件设计 (11)4.2避障功能 (11)4.2.1避障功能详细说明 (11)4.2.2系统构成 (11)4.2.3避障原理 (12)4.2.4软件设计 (12)4.3红外遥控功能 (13)4.3.1红外遥控功能详细说明 (13)4.3.2系统构成 (13)4.3.3红外遥控原理 (13)4.3.4软件设计 (13)4.4超声波测距功能 (15)4.4.1超声波测距功能详细说明 (1)54.4.2系统构成 (15)4.4.3测距原理 (15)4.4.4软件设计 (15)4.5重力感应遥控功能 (16)4.5.1重力感应遥控功能详细说明 (16)4.5.2系统构成 (16)4.5.3重力感应遥控原理 (17)4.5.4软件设计 (17)5.所遇困难及解决过程 (18)6.反思及总结 (18)1.作品简介在智能控制技术高速发展的今天，人类生活的各方各面都逐渐走向了智能化。
智能控制技术是一门跨学科的综合性技术，当代研究十分活跃，应用的领域也日益广泛。
智能作为现代社会的新产物，是以后极为重要的发展方向，它可以按照预先设定的模块在一个特定的环境里自动地运行，无需人为的管理，便可以完成预期的目标。
如今，对于许多不宜有人直接承担的任务，均可交给智能机器人完成。
不同的智能机器人可以适应不同的环境，可不受温度、湿度等许多环境因素的影响，并高效地完成一些危险任务，智能小车正是其中的一个体现。
本设计是以STC89C52单片机为控制核心组建的可实现循迹、避障、红外遥控、超声波测距、重力感应遥控的多功能智能小车。
小车由几大模块构成，其分别为电源供电模块、电机驱动模块、红外线发射及接收模块、超声波发射及接收模块、红外遥控模块、液晶屏显示模块、温度检测模块、无线通信模块、重力感应模块。
电机驱动模块用于小车的前进、后退、转向控制；红外线发射及接收模块用于检测小车相对于地面黑线的位置及检测小车前方是否有障碍；超声波发射及接受模块用于获取小车及前方物体的距离；红外遥控模块向小车发送红外信号以对小车进行控制；液晶屏显示模块用于显示小车检测到的各项数据；温度检测模块用于检测环境温度；无线通信模块用于无线遥控功能的信号传输；重力感应模块用于感应姿态。
2.设计要求○1小车能沿着地面黑线顺利行驶完全程。
○2小车在遇到前方障碍时能自动以转向或后退的方式进行躲避。
○3能够通过红外信号远程控制小车的前进、后退、转向、加速、减速。
○4能够利用超声波精确测量小车及前方障碍物的距离。
○5能够根据手中MPU6050的倾斜姿态遥控小车的运动。
3.主要模块说明3.1电源供电模块供电电池总电压为7.2V,利用LM7805稳压芯片得到5V电压。
7.2V电压用于电机驱动模块，5V电压用于单片机及其他模块。
电源供电系统电路图3.2电机驱动模块选择L293D电机驱动芯片来驱动直流电机。
芯片内部为H桥电路原理。
EN1和EN2为使能端，高电平使能，通过控制高电平的占空比，可对电机进行PWM调速。
芯片使能后，对IN1置高电平，IN2置低电平，OUT1及OUT2便分别输出高低电平，将OUT1及OUT2接在直流电机两端，即可驱动电机旋转。
将IN1及IN2电平反转，则相应电机反向转动。
IN3及IN4同理。
L293D芯片内部逻辑电机驱动模块电路图3.3红外线发射及接收模块轨迹探测通过红外对管实现。
发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，绿色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号），由单片机检测到后即可进行相应操作。
可通过电位器旋钮调节检测距离。
红外线发射及接收模块电路图3.4超声波发射及接收模块超声波是一种频率比较高的声音,指向性强。
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间。
根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。
由此可见，超声波测距原理及雷达原理是一样的。
测距的公式表示为：L=C×T。
式中L 为测量的距离长度；C 为超声波在空气中的传播速度；T 为发射到接收时间数值的一半。
已知超声波速度C=344m/s (20℃室温)。
超声波模块时序图由以上时序图可知，我们只需要提供一个10us以上的脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz的周期电平并检测回波。
一旦检测到有回波信号，便输出回响信号。
回响信号的脉冲宽度及所测的距离成正比。
由此通过发射信号到收到回响信号的时间间隔即可以计算出距离。
距离=高电平时间*声速/2。
相应于单片机的操作，我们需要用一个控制口发一个10us以上的高电平,然后在接收口等待高电平输出。
一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此值就为此次测距的时间,然后便可算出距离。
如此不断地周期检测,就可以达到移动时测量距离的目的了。
超声波发射及接收模块电路图3.5红外遥控模块在可视范围内遥控设备最廉价的方式是通过红外线。
目前几乎所有的视频和音频设备都可以通过这种方式遥控。
由于该技术应用广泛，相应的应用器件都十分廉价，因此红外遥控是我们日常设备控制的理想方式。
在我们的生活中，红外光的发光源实在是太多了，为了保证我们的红外遥控传送的信息准确无误的发射到接收器上，我们在发射信号前需要对信号进行调制。
调制是我们使需要的信号区别于噪音的方法。
通过调制我们可以使红外光以特定的频率闪烁，红外接收器会适配这个频率，其它的噪音信号都将被忽略。
信号发射及接收原理图上图左边，调制信号通过驱动放大由红外LED发射；上图右边，信号通过接收器检测输出。
红外信号接收器电路图3.6液晶屏显示模块本设计使用LCD1602液晶屏显示各项需显示的数据。
液晶屏显示模块电路图3.7温度检测模块温度的检测使用DS18B20单总线数字温度计。
DS18B20数字温度计提供9位温度读数，指示器件的温度。
信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此中央处理器到DS18B20仅需要连接一条线。
温度检测模块电路图3.8无线通信模块无线通信功能通过NRF24L01实现。
NRF24L01是NORDIC 公司最近生产的一款无线通信芯片，采用FSK调制，内部集成NORDIC 自己的Enhanced Short Burst协议。
可以实现点对点或是1对6的无线通信。
无线通信速度可以达到2M（bps）。
NORDIC 公司提供通信模块的GERBER 文件，可以直接加工生产。
我们只需要为单片机系统预留5 个GPIO，1个中断输入引脚，就可以很容易实现无线通信的功能，非常适合用来为MCU系统构建无线通信功能。
NRF24L01单端50Ω射频输出原理图3.9重力感应模块重力感应模块使用MPU-6050。
MPU-6050是全球首例9轴运动处理传感器。
它集成了3轴陀螺仪，3轴加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP（Digital Motion Processor），可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。
扩展之后就可以通过其I2C接口输出一个9 轴的信号。
MPU-6050也可以通过其I2C 接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。
MPU-6050 对陀螺仪和加速度计分别用了三个16 位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。
为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度计可测范围为±2，±4，±8，±16g。
我们可以用单片机读出MPU6050的加速度传感器和角速度传感器的原始数据。
不过这些原始数据对我们用处不大，我们更期望得到的是姿态数据，也就是欧拉角：航向角（yaw）、横滚角（roll）和俯仰角（pitch）。
要得到欧拉角数据，就得利用我们的原始数据，进行姿态融合解算，不过这个比较复杂。
而MPU6050自带了数字运动处理器，即DMP，并且，InvenSense提供了一个MPU6050的嵌入式运动驱动库，结合MPU6050的DMP，可以将我们的原始数据，直接转换成四元数输出，而得到四元数之后，就可以很方便的计算出欧拉角，从而得到yaw、roll和pitch。
使用内置的DMP，大大简化了四轴的代码设计，且MCU不用进行姿态解算过程，大大降低了MCU的负担，从而有更多的时间去处理其他事件，提高系统实时性。
4.主要功能说明4.1循迹功能4.1.1循迹功能详细说明小车能稳定地沿着地面黑线前进。
当小车相对黑线偏左时，会自动进行小幅度的右转，当小车相对黑线偏右时，会自动进行小幅度的左转，以纠正小车的运动轨迹。
4.1.2系统构成循迹功能的整个电路系统分为检测、控制、驱动三个模块。
首先利用红外对管对路面信号进行检测，经过比较器处理之后，送给软件控制模块进行实时控制，输出相应的信号给驱动芯片驱动电机转动，从而控制整个小车的运动。
