自动走迷宫小车系统的硬件设计毕业论文(编辑修改稿)

自动走迷宫小车系统的硬件设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

到 汽车产业中，汽车在道路中行 驶，自动选取最优路径，可大大减少 对能源的浪费，并可以减少交通事故的发生， 但是必须有智能交通系统与之匹配 ， 智能交通技术(ITS)，是指将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术、计算机处理技术等应用于交通运输行业从而形成的一种信息化、智能化、社会化的新型运输系统，它使交通基础设施能发挥最大效能。 智能交通系统具有以下两个特点：一是着眼于交通信息的广泛应用与服务，二是着眼于提高既有交通设施的运行效率。 有组数据 我们看看： 随着社会对汽车节能、环保、安全要求的日益严格以及人们对乘坐舒适性、驾驶便捷性要求的日益提 升，电子化、信息化、网络化和智能化成为汽车产品先进性的重要体现。 当前世界汽车工业约 70%的技术创新来源于电子技术的应用。 这更体现了小车研究的重要性。 本文主要研究工作 为本课题是一个多学科的综合产物，主要包括电源，传感器，步进电机，控制核心电路，机身 5个部分。 传感器就是 小车 的眼睛，用来获取各方面的信息，送到 LM3S615（ 微控制器 ）中处理，然后驱动步进电机，由步进电机执行相应的动作，包括加减速，转弯，停止。 它能够探索并记忆给定的迷宫，经过处理后得出并沿着一条最佳路径到达目的地。 我所做的工作是 完成该新型高速 智能车电控系统设计、安装及调试，具体包括主驱动系统、制动系统、转向系统等的电路设计，实现车辆驱动系统的调速、车辆自动转向和紧急制动停车等计算机控制电路。 其次是对车上安装的传感器进行信号采集，并进行必要的信号前处理 以及整车的硬件组装调试 等。 所研究的工作主要包括： 系统的需求分析：对现有的系统进行研究，确定系统的方案。 分布式系统的设计实现：分析了分布式系统的设计方法，根据系统的容西安工业大北方信息工程学院毕业设计（ 论文） 4 量选择合适的控制器，并在此基础上确定系统采用的分布式模型，完成系统的总体设计。 系统的硬件设计：选择系统所需要的硬件， 完成硬件之间的连接，端口的分配等。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 5 2 自动走迷宫小车整体设计方案 自动走迷宫小车 及迷宫 简介 迷宫底板的尺寸为 ，上面共有 88 个标准迷宫单元格。 如图 图 迷宫 自动走迷宫小车 是使用嵌入式微控制器、传感器和机电运动部件构成的一种智能行走装置。 它可以在 “ 迷宫 ” 中自动记忆和选择路径，寻找出口，最终达到所设定的目的地。 小车 可谓是一种具有人工智能的小型机器人，当 小车 放入起点，按下启动键之后，它就必须自 行决定搜寻法则并且在迷宫中前进、转弯、记忆迷宫墙壁资料、计算最短路径、搜寻终点等功能。 小车 需具备有下列三件基本能力： （ 1） 拥有稳定且快速的行走能力； （ 2） 能正确判断能力； （ 3） 记忆路径的能力。 小车具有以下特点： （ 1） 体积小，宽度只有迷宫格的一半； （ 2） 五组可测距的红外线传感器，灵敏度方便现场调节； （ 3） 电机为步进电机，控制容易； （ 4） 电池为 2200mAh， 的可充电锂电池； （ 5） 支持电池的电压监测，避免电量不足带来的麻烦； （ 6） 一个按键，完全满足了实际需要； （ 7） 预留了 6 个 GPIO 口，一个串口，一个 SPI 接口。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 6 系统整体 框图 图 如上图 为系统整体框图， 把小车放在迷宫中任意位置或者起点 时 ，在车头的红外线发收器发出信号，并由接收器收到， 把收到的信号 发送给微控制器LM3S615， 微控制器 由信号的强弱判断车子的位置是否摆正 ， 前方 是否有障碍 ，处理过后微控制器给步进电机 驱动芯片 发出指令，步进电机 驱动芯片 驱动 步进电机 移动 小车的位置， 当车子移动后 ， 红外 传感器 发收信号， 传 送给微控制器， 微控制器再判断，再 给步进电机驱动芯片信号，驱动步进电机运动，这样形成一个循环，使小车自动在迷宫中行走。 数码管共有 8个，第 1到 5数码管分别指示 U1到 U5五个传感器的状态，第6个数码管空闲，第 8个数码管显示电池的电压。 键盘 复位电路 步进电机驱动芯片 步进电机 电源 LM3S615 微控制器 JTAG 红外传感器 数码管显示 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 7 3 自动走迷宫小车硬件电路 设计及功能 小车机械结构设计 普通 汽车一般由发动机、底盘、车身和电气设备四个基本部分组成。 我设计的小车也是如此，发动机就是小车的动力装置，底盘就是小车的电路附着板，车身就是小车的整体框架，电气设备就是小车的电路部分。 有所不同的是普通的小车是由人控制的，这样才能安全行驶，但是我做的这个小车是需要自动行走的，所以需要再添加探测模块。 看看迷宫的尺寸： 迷宫底板的尺寸为 ，上面共有 88 个标准迷宫单元格。 再看看小车的大小： 宽度只有迷宫格的一半。 也就是说小车的宽度大概就是 8cm～ 9cm。 从迷宫图片和数据上看到，迷宫是一个正方形，而且整个迷宫又被分成了 64 个大小相同的正方形，根据小车所要达到的性能指标，小车在行驶的中必然会进行 90176。 或 180176。 的转弯，所以小车的长度应不宜过长，小车的其中一个要求是： 拥有稳定且快速的行走能力 ，要快速那么电机就应具备足够的动力，动力越大意味着小车 的电机也就越大，设计中这是几个个矛盾的问题。 第一：迷宫尺寸的限制，小车不能过长； 第二：小车的电机不能过小，要提供足够的动力； 第三：保证用做简单的机械结构完成设计。 折中的办法就是减少小车轱辘数量，一般的汽车有四个轱辘，我这个小车使用两个轱辘，采用两个电机分别对两个轱辘进行控制，这样不但简化了车子的机械结构，而且动力问题也就迎刃而解。 再加上前面说的检测单元。 结构如 图 ： 图 小车结构图 检测单元 电机 车身 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 8 动力装置除了电机外还应包括给电机和整个系统供电的电源。 小车在迷宫中行走我要时时掌握小车的具 体状态，还应设计显示单元。 当小车在迷宫中行走的时候观察者是鸟瞰整个过程，这就需要把显示单元放在最上面，电源部分放在显示和底盘中间，于是设计出以下的结构图 ： 图 小车结构图 微控制器 微控制器简介 本次毕业设计所用的微处理器是 Stellaris 系列的 LM3S615，它拥有 ARM 微控制器所具有的众多优点。 如拥有广泛使用的开发工具，片上系统（ SoC）的底层结构 IP 的应用，以及众多的用户群体。 LM3S615微 控制器还采用了 ARM 可兼容 Thumb174。 的 Thumb2 指令集来降低内存的需求量，进而降低成本。 LM3S615管脚图： Stellaris 系列的 LM3S615共有 48个管脚。 图 显示单元 电源 底板电路部分 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 9 微控制器 LM3S615 特 性 LM3S615 微控制器包含以下的特性： （ a） 32 位 RISC 性能 RISC（ reduced instruction set puter，精简指令集计算机）是一种执行较少类型计算机指令的微处理器。 RISC 微处理器不仅精简了 指令系统 ，采用超标量和超流水线结构；它们的指令数目只有几十条，却大大增强了并行处理能力。 － 采用为小型嵌入式应用方案而优化的 32 位 ARM174。 CortexTM M3 v7M 结构 － 可兼容 Thumb174。 的 Thumb2 专用指令集处理器内核，可提高代码密度 － 50MHz 操作 － 硬件除法和单周期乘法 － 集成了嵌套向量中断控制器以提供明确的中断处理 － 29 个中断，带 8 个优先级 － 内存保护单元 (MPU)提供一个特权模式用于受 保护的操作系统功能 － 非对齐式的数据访问，使数据可以有效地压缩到内存中 － 极细微的位处理操作 (bitbanding)可最大限度地使用内存，并且提供创新的外设控制 （ b）内部存储器 － 32KB 单周期 Flash 用户管理的 Flash 块保护，以 2KB 块大小为基础 用户管理的 Flash 数据编程 用户定义和管理的 Flash 保护块 － 8KB 单周期 SRAM （ c) 通用定时器 － 3 个定时器，每个都可配置为一个 32 位定时器或两个 16 位定时器，或用来启动一个 ADC 事件 － 32 位定时器模式： 可编程的单次触发 (oneshot)定时器 可编程的周期定时器 使用外部 时钟作为输入时的实时时钟 在周期和单次触发模式下进行调试期间，当控制器使 CPU 的暂停 (Halt)标志有效时的暂停操作 (stalling)可由用户来控制使能 ADC 事件触发器 － 16 位定时器模式 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 10 带有 8 位预分频器的通用定时器功能 可编程的单次触发定时器 可编程的周期定时器 在调试期间，当控制器使 CPU 的暂停 (Halt)标志有效时的暂停操作(stalling)可由用户来控制 使能 ADC 事件触发器 － 16 位输入捕获模式 输入边沿计数捕获 输入边沿时间捕获 － 16 位 PWM 模式 简单 PWM 模式， PWM 信号的输出反相可由软件编程 （ d）可遵循 ARM FiRM 规范的看门狗定时器 － 带有可编程装载寄存器的 32 位向下计数器 － 带有使能的独立看门狗时钟 － 带有中断屏蔽的可编程中断产生逻辑 － 提供锁定寄存器保护，以防止软件跑飞 (runaway)的情况 － 带有使能 /禁能的复位产生逻辑 － 在调试期间，当控制器使 CPU 的暂停 (Halt)标志有效时的暂停操(stalling)可由用户来控制使能 （ e) 同步串行接口 (SSI) － 主机或从机操作 － 可编程的时钟位速率和预分频 － 独立的发送和接收 FIFO， 16 位宽、 8 单元深 － Freescale SPI、 MICROWIRE 或 Texas 工具同步串行接口的可编程接口操作 － 从 4 到 16 位的可编程数据帧大小 － 用于诊断 /调试测试的内部回送测试模式 （ f) UART － 2 个完全可编程的 16C550类型 UART － 独立的 16 8 发送 (Tx)和 16 12 接收 (Rx) FIFO，减少 CPU 中断服务装载 － 带小数分频器的可编程波特率发生器 － 可编程的 FIFO 长度，包含 1 字节深度的操作提供常用的双缓冲接口 － FIFO 触发点为 1/8, 1/4, 1/2, 3/4 和 7/8 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 11 － 用于起始、停止和奇偶的标准异步通信位 － 错误 起始 位检测 － linebreak 的产生和检测 （ g) ADC － 单输入和差分输入配置 － 当用作单端输入时有 2 路 10 位通道（输入） － 采样速率： 500,000 次 /秒 － 灵活、可配置的模数转换 － 4 个可编程采样转 换序列的入口长度为 1 到 8，同时带有相应的转换结果 FIFO － 每个序列由软件或内部事件（定时器，模拟比较器， PWM 或 GPIO）触发 （ h) 模拟比较器 － 3 个独立集成的模拟比较器 － 可配置输出来：驱动输出管脚、产生中断或启动一个 ADC 采样序列 － 将外部管脚输入与外部管脚输入相比或与内部可编程的电压参考相比 （ i) I2C － 在标准模式中，主机和从机接收和发送操作的传输速度高达 100Kbps；在高速模式中，传输速度高达 400Kbps － 中断产生 － 主机具有仲裁和时钟同步，多主机支持，以及 7 位寻址模式 （ j) PWM － 3 个 PWM 发生器模块 (每个 PWM 发生器模块产生两个 PWM 信号 )，每个模块具有一个 16 位计数器、两个比较器、一个 PWM 发生器和一个死区(deadband)发生器 － 一个 16 位计数器 在 Down 或 Up/Down 模式中运行 16 位装载值控制的输出频率 可同步进行装载值的更新 在到达零和装载值时产生输出信号 － 两个比较器 同步进行比较器值的更新 匹配时产生输出信号 － PWM 发生器 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 12 根据计数器和比较器输出信号执行的操作来构造。