智能避障小車設(shè)計(jì)

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1、江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告 項(xiàng)目：超聲波避障小車的設(shè)計(jì)與制作 專 業(yè) 應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè) 學(xué)生姓名 班 級(jí) 10應(yīng)用電子( )班 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 完成日期 摘 要 智能小車是一種能夠通過(guò)編程手段完成特定任務(wù)的小型化機(jī)器人，它具有制作成本低廉，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，程序調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。由于具有很強(qiáng)的趣味性，智能小車深受廣大機(jī)器人愛(ài)好者以及高校學(xué)生的喜愛(ài)。 本論文介紹的是具有自動(dòng)避障功能的智能小車的設(shè)計(jì)與制作（以下簡(jiǎn)稱智能小車），論文對(duì)

2、智能小車的方案選擇，設(shè)計(jì)思路，以及軟硬件的功能和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析和論述。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)收測(cè)試，該智能小車的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，系統(tǒng)反映快速、靈活，設(shè)計(jì)方案正確、可行，各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定、可靠。 Abstract Smart cars can be programmed to perform a specific task means the miniaturization of robot, it has to make cost is low, circuit simple structure

3、, convenient program test. Because of it has strong interest, intelligent robot car favored by the majority of the university students enthusiasts and love. This paper introduces the is a automatic obstacle avoidance function of intelligent car design and production (hereinafter referred to as t

4、he smart car), the thesis to the intelligence of the car scheme selection, design idea, and the implementation of hardware and software function and working principle of a detailed analysis and discusses. After practice acceptance test, this intelligent car circuit structure is simple, convenient de

5、bug, fast, flexible system reflect, correct and feasible design scheme, each index is steady and reliable. 第一章 緒論 1.1項(xiàng)目研究背景及意義： 智能作為現(xiàn)代社會(huì)的新產(chǎn)物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)定的 模式在一個(gè)特定的環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，無(wú)需人為管理，便可以完成預(yù)期所要達(dá) 到的或是更高的目標(biāo)。本設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)多功能小車的智能模式，設(shè)計(jì)中的理論 方案、分析方法及特色與創(chuàng)

6、新點(diǎn)等可以為自動(dòng)運(yùn)輸機(jī)器人、采礦勘探機(jī)器人、 家用自動(dòng)清潔機(jī)器人等自動(dòng)半自動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與普及有一定的參考意義。同 時(shí)小車可以作為玩具的發(fā)展對(duì)象，為中國(guó)玩具市場(chǎng)技術(shù)含量的缺乏進(jìn)行一定的 彌補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益，形成商業(yè)價(jià)值。 超聲波作為智能車避障的一種重要手段，以其避障實(shí)現(xiàn)方便，計(jì)算簡(jiǎn)單， 易于做到實(shí)時(shí)控制，測(cè)量精度也能達(dá)到實(shí)用的要求，在未來(lái)汽車智能化進(jìn)程中 必將得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)作為一個(gè)世界大國(guó)，在高科技領(lǐng)域也必須占據(jù)一席之 地，未來(lái)汽車的智能化是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展必然的，在這種情況下研究超聲波在智 能車避障上的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義，這將對(duì)我國(guó)未來(lái)智能汽車的研究在世界高科 技領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位具有重要作用。

7、 本智能小車系統(tǒng)最誘人的前景就是可用于未來(lái)的智能汽車上了，當(dāng)駕駛員 因疏忽或打瞌睡時(shí)這樣的智能汽車的設(shè)計(jì)就能體現(xiàn)出它的作用。如果汽車偏離 車道或距障礙物小于安全距離時(shí)，汽車就會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒駕駛員注意，如果 駕駛員沒(méi)有及時(shí)作出反應(yīng)，汽車就會(huì)自動(dòng)減速或?？坑诼愤?。 這樣的小車還可以用于月球探測(cè)等的無(wú)人探月車，幫助我們傳達(dá)月球上更 多的信息，讓我們更加的了解月球，為將來(lái)登月做好充分準(zhǔn)備。 這樣的小車在科學(xué)考察探測(cè)車上也有廣闊的應(yīng)用前景，在科學(xué)考察中，有 很多危險(xiǎn)且人們無(wú)法涉足的地方，這時(shí)，智能科學(xué)考察車就能夠派上用場(chǎng)，在 它上面裝上攝像機(jī)，代替人們進(jìn)行許多無(wú)法進(jìn)行的工作。 1.2項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容

8、： 本設(shè)計(jì)題目為智能避障小車設(shè)計(jì)，主要研究小車的避障功能，小車遇到障礙物時(shí)，當(dāng)距離障礙物大于40cm，PWM信號(hào)自增，驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速，小車加速前進(jìn)，當(dāng)小于30cm時(shí)，PWM信號(hào)自減，驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速，小車減速前進(jìn)，并且小車采取相應(yīng)的避障措施。這里探測(cè)裝置必不可少，因?yàn)槌暡ㄔ诰嚯x檢測(cè)方面的較準(zhǔn)確定位。所以采用超聲波傳感器作為探測(cè)裝置，由于超聲波遇到障礙物時(shí)發(fā)生像光一樣的反射和散射，在經(jīng)過(guò)多次發(fā)射之后再回到超聲波檢測(cè)端口會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的路程差，從而影響對(duì)距離的檢測(cè)進(jìn)而影響對(duì)障礙物的較準(zhǔn)確定位。通過(guò)軟件內(nèi)部校準(zhǔn)優(yōu)化消除外部物理?xiàng)l件造成的誤差從而達(dá)到對(duì)障礙物的較準(zhǔn)確定位。 1.3直流電機(jī)的發(fā)展： 直流

9、電動(dòng)機(jī)在冶金、礦山、化工、交通、機(jī)械、紡織、航空等領(lǐng)域中已經(jīng)得 到廣泛的應(yīng)用。而以往直流電動(dòng)機(jī)的控制只是簡(jiǎn)單的控制，很難進(jìn)行調(diào)速，不能 實(shí)現(xiàn)智能化。如今，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制已經(jīng)離不開(kāi)單片機(jī)的支持，單片機(jī)應(yīng) 用技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，使人類社會(huì)步入了自動(dòng)化時(shí)代， 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)與其他學(xué)科領(lǐng)域交叉融合，促進(jìn)了學(xué)科發(fā)展和專業(yè)更新，引發(fā)了 新興交叉學(xué)科與技術(shù)的不斷涌現(xiàn)?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，改變了世界，也改 變了人類的生活。由于單片機(jī)的體積小、重量輕、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、控制 靈活、應(yīng)用方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，單片機(jī)的應(yīng)用也更 加廣泛特別是在各種領(lǐng)域的控制、自

10、動(dòng)化等方面。 在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具有較 高的能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求調(diào)整轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能 如何對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。 因此， 調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。 直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟動(dòng)制動(dòng)性能良好，且能在寬范圍內(nèi)平滑 調(diào)速等特點(diǎn)而在電力、冶金、機(jī)械制造等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類：勵(lì)磁控制閥與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法控制磁 通，其控制功率雖然小但低俗時(shí)受到磁場(chǎng)飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和轉(zhuǎn) 向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵(lì)磁線圈電感較大動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差

11、。所以常用的控 制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。 傳統(tǒng)的改變端電壓的方法是通過(guò)調(diào)節(jié)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但這種調(diào)壓方法效率 低。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，創(chuàng)造了許多新的電樞電壓控制方法。其中脈寬調(diào) 制（Pulse Width Modulation,PWM）是常用的一種調(diào)速方法。其基本原理是用改 變電機(jī)電樞電壓的接通和斷開(kāi)的時(shí)間比（即占空比）來(lái)控制馬達(dá)的速度，在脈寬 調(diào)速系統(tǒng)中當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，其速度增加，電機(jī)斷電時(shí)其速度降低。只要按照一定 的規(guī)律改變通斷電的時(shí)間，就可使電機(jī)的速度保持在一穩(wěn)定值上。 1.4單片機(jī)以及微處理器控制系統(tǒng)的發(fā)展： 單片微型計(jì)算機(jī)的誕生是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)新的里程碑

12、。近年來(lái)，隨著 技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，以及市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品功能和性能的要求不斷提高，直流電動(dòng)機(jī)的 應(yīng)用更加廣泛，尤其是在智能機(jī)器人中的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速性能、 過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)顯得十分重要，為了能夠適應(yīng)發(fā)展的要求，單閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī) 的調(diào)速控制系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展。而作為單片嵌入式系統(tǒng)的核心—單片機(jī)，正 朝著多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價(jià)格、大存儲(chǔ)容量和強(qiáng) I/O 功能等方 向發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)檔次的不斷提高，功能的不斷完善，單片機(jī)已越來(lái)越廣泛地 應(yīng)用在各種領(lǐng)域的控制、自動(dòng)化、智能化等方面，特別是在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控 制系統(tǒng)中。這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)：體積小，功能全，抗干擾能力強(qiáng)，可 靠

13、性高，結(jié)構(gòu)合理，指令豐富，控制功能強(qiáng)，造價(jià)低等。所以選用單片機(jī)作為控 制系統(tǒng)的核心以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可行性。 早期直流傳動(dòng)的控制系統(tǒng)采用模擬分離器件構(gòu)成， 由于模擬器件有其固有的 缺點(diǎn)，如存在溫漂、零漂電壓，構(gòu)成系統(tǒng)的器件較多，使得模擬直流傳動(dòng)系統(tǒng)的 控制精度及可靠性較低。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，微處理器已經(jīng)廣泛使用于 直流傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制。由于微處理器以數(shù)字信號(hào)工作，控制手段 靈活方便，抗干擾能力強(qiáng)。所以，全數(shù)字直流調(diào)速控制精度、可靠性和穩(wěn)定性比 模擬直流調(diào)速系統(tǒng)大大提高。所以，直流傳動(dòng)控制采用微處理器實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化， 使直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。 微處理器誕生于上個(gè)

14、世紀(jì)七十年代， 隨著集成電路大規(guī)模及超大規(guī)模集成電 路制造工藝的迅速發(fā)展，微處理器的性價(jià)比越來(lái)越高。此外，由于電力電子技術(shù) 的發(fā)展，制作工藝的提升，使得大功率電子器件的性能迅速提高。為微處理器普 遍用于控制電機(jī)提供了可能，利用微處理器控制電機(jī)完成各種新穎的、高性能的 控制策略，使電機(jī)的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機(jī)的性能更符合工業(yè)生 產(chǎn)使用要求，還促進(jìn)了電機(jī)生產(chǎn)商研發(fā)出各種如步進(jìn)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、開(kāi)關(guān) 磁阻電動(dòng)機(jī)等便于控制且實(shí)用的新型電機(jī)，使電機(jī)的發(fā)展出現(xiàn)了新的變化。 對(duì)于簡(jiǎn)單的微處理器控制電機(jī)，只需利用用微處理器控制繼電器、電子開(kāi)關(guān) 元器件，使電路開(kāi)通或關(guān)斷就可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制?，F(xiàn)在帶

15、微處理器的可編程控 制器，已經(jīng)在各種的機(jī)床設(shè)備和各種的生產(chǎn)流水線中普遍得到應(yīng)用，通過(guò)對(duì)可編 程控制器進(jìn)行編程就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的規(guī)律化控制。 對(duì)于復(fù)雜的微處理器控制電 機(jī),則要利用微處理器控制電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等，使電機(jī)按 給定的指令準(zhǔn)確工作。通過(guò)微處理器控制，可使電機(jī)的性能有很大的提高。目前 相比直流電機(jī)和交流電機(jī)他們各有所長(zhǎng)，如直流電機(jī)調(diào)速性能好，但帶有機(jī)械換 向器， 有機(jī)械磨損及換向火花等問(wèn)題； 交流電機(jī)， 不論是異步電機(jī)還是同步電機(jī)， 結(jié)構(gòu)都比直流電機(jī)簡(jiǎn)單， 工作也比直流電機(jī)可靠， 但在頻率恒定的電網(wǎng)上運(yùn)行時(shí)， 它們的速度不能方便而經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié) 。高性能的微處理器如 DSP

16、 (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR 即數(shù)字信號(hào)處理器)的出現(xiàn)， 為采用新的控制理論和控制 策略提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，使電機(jī)傳動(dòng)的自動(dòng)化程度大為提高。在先進(jìn)的數(shù)控 機(jī)床等數(shù)控位置伺服系統(tǒng)，已經(jīng)采用了如 DSP 等的高速微處理器，其執(zhí)行速度可達(dá)數(shù)百萬(wàn)兆以上每秒，且具有適合的矩陣運(yùn)算。 1.5設(shè)計(jì)思路： 直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)的主要功能包括：實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的加速、減速，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。主體電路：即直流電機(jī) PWM 控制模塊。這部分電路主要由 AT89S52 單片機(jī) 的 I/O 端口、定時(shí)計(jì)數(shù)器、外部中斷擴(kuò)展等控制直流電機(jī)的加速、減速以及電

17、機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。 其間是通過(guò) AT89S52 單片機(jī)產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號(hào)并輸入到 L298 驅(qū)動(dòng)芯片來(lái) 控制直流電機(jī)工作的。該直流電機(jī) PWM 控制系統(tǒng)由以下電路模塊組成：設(shè)計(jì)控制部分： 主要由 AT89S52 單片機(jī)的外部中斷擴(kuò)展電路組成。直流電機(jī)PWM控制實(shí)現(xiàn)部分主要由一些二極管、電機(jī)和 L298 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。設(shè)計(jì)顯示部分：LED 數(shù)碼顯示部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波測(cè)的距離的實(shí)時(shí)顯示。 第二章 總體設(shè)計(jì)方案 2.1、 本小車使用AT89S52單片機(jī)作為主控芯片，它通過(guò)超聲波測(cè)距來(lái)獲取小車距離障礙物的距離，并且用LED顯示出來(lái)

18、，當(dāng)小車與障礙物的距離大于40cm時(shí)，小車會(huì)沿直線前進(jìn)，當(dāng)小車與障礙物的距離小于30cm時(shí)，小車轉(zhuǎn)彎以避開(kāi)障礙物，并且此時(shí)蜂鳴器報(bào)警。在避開(kāi)障礙物后，小車會(huì)沿直線前進(jìn)。簡(jiǎn)要框圖如圖2-1。 圖 2-1 2.2、 總體電路原理圖 第三章 硬件設(shè)計(jì) 一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含有兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定時(shí)/記數(shù)器﹑中斷系統(tǒng)等能量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒O(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)配置，既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤顯示器﹑打印機(jī)﹑A/D﹑D/A

19、轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計(jì)合適的接口電路。 （一）80C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu) 80C51單片機(jī)是把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個(gè)尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、并行I/O口、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。它們都是通過(guò)片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對(duì)各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。 1 微處理器 該單片機(jī)中有一個(gè)8位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運(yùn)算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還

20、可以進(jìn)行位變量的處理。 2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片內(nèi)為128個(gè)字節(jié)，片外最多可外擴(kuò)至64k字節(jié)，用來(lái)存儲(chǔ)程序在運(yùn)行期間的工作變量、運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 3 程序存儲(chǔ)器 由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲(chǔ)器的容量不夠，則需用擴(kuò)展片外的只讀存儲(chǔ)器，片外最多可外擴(kuò)至64k字節(jié)。 4 中斷系統(tǒng) 具有5個(gè)中斷源，2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。 5 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器， 具有四種工作方式。 6 串行口 1個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式?？捎脕?lái)進(jìn)行串行通訊，擴(kuò)展并行I/O口，甚至與多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系

21、統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。 7 P1口、P2口、P3口、P4口 為4個(gè)并行8位I/O口。 8 特殊功能寄存器 共有21個(gè)，用于對(duì)片內(nèi)的個(gè)功能的部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。實(shí)際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)具有特殊功能的RAM區(qū)。 由上可見(jiàn)，80C51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強(qiáng)等特點(diǎn)。 （二）最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 80C51是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機(jī)，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單﹑可靠。用80C51單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可，如圖3.1 80C51單片機(jī)最小系統(tǒng)所示。由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用

22、作一些小型的控制單元。其應(yīng)用特點(diǎn)： (1) 有可供用戶使用的大量I/O口線。 (2) 內(nèi)部存儲(chǔ)器容量有限。 (3) 應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)具有特殊性。 圖3.1 80C51單片機(jī)最小系統(tǒng) 3.1、障礙物測(cè)距系統(tǒng)： 方案一：超聲波視覺(jué) 優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格合理，夜間不受影響。易于多目標(biāo)測(cè)量和分類，分辨率好。缺點(diǎn)：測(cè)量范圍小，對(duì)天氣變化敏感。不能直接測(cè)量距離，算法復(fù)雜，處理速度慢。 方案二：激光雷達(dá)MMW雷達(dá) 優(yōu)點(diǎn)：夜間不受影響,不受燈光、天氣影響。缺點(diǎn)：對(duì)水、灰塵、燈光敏感、價(jià)格貴。 探測(cè)障礙的最簡(jiǎn)單的方法是使用超聲波傳感器，它是利用向目標(biāo)發(fā)射超聲波脈沖，計(jì)算其往返時(shí)間來(lái)判定

23、距離的。算法簡(jiǎn)單，價(jià)格合理。所以我們選擇超聲波傳感器。 超聲波測(cè)距原理： 首先利用單片機(jī)輸出一個(gè)40kHz的觸發(fā)信號(hào)，把觸發(fā)信號(hào)通過(guò)TRIG管腳輸入到超聲波測(cè)距模塊，再由超聲波測(cè)距模塊的發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)單片機(jī)通過(guò)軟件開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物返回，超聲波測(cè)距模塊的接收器收到反射波后通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)回應(yīng)信號(hào)并通過(guò)ECHO腳反饋給單片機(jī)，此時(shí)單片機(jī)就立即停止計(jì)時(shí)。時(shí)序圖如圖1所示。由于超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離，即：S=VT/2，通過(guò)單片機(jī)來(lái)算出距離。 圖3.1：超聲波測(cè)距原理

24、 （2）超聲波障礙檢測(cè) 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，其頻率超過(guò)20KHz，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。它有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過(guò)程中有衰減。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器，結(jié)合不同的電路，可以制成超聲波儀器及裝置，在通訊、醫(yī)療及家電中獲得廣泛應(yīng)用。 作為超聲波傳感器的材料，主要為壓電晶體。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，故它分為發(fā)送器和接收器。超聲波傳感器有透射型、反射型兩種類型，常用于防盜報(bào)警器、接近開(kāi)關(guān)、測(cè)距及材料探傷、測(cè)厚

25、等。 本設(shè)計(jì)采用T/R-40-12小型超聲波傳感器作為探測(cè)前方障礙物體的檢測(cè)元件，其中心頻率為40Hz，由80C51發(fā)出的40KHz脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)送器發(fā)出40KHz的脈沖超聲波，如電動(dòng)車前方遇到有障礙物時(shí)，此超聲波信號(hào)被障礙物反射回來(lái)，由接收器接收，經(jīng)LM318兩級(jí)放大，再經(jīng)帶有鎖相環(huán)的音頻解碼芯片LM567解碼，當(dāng)LM567的輸入信號(hào)大于25mV時(shí)，輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖剑?0C51單片機(jī)處理。超聲波檢測(cè)如圖3.2超聲波檢測(cè)電路所示。 圖 3.2 超聲波檢測(cè)電路 3.2、顯示模塊： 方案一：用LCD顯示。 優(yōu)點(diǎn)：輻射小、顯示內(nèi)容多 、低耗能、散熱小、顯示的畫

26、面穩(wěn)定不閃爍。缺點(diǎn)：不適合做圖，圖像還原不好、有可視范圍限制 。 方案二：用LED顯示。 優(yōu)點(diǎn)：亮度高、成本低，缺點(diǎn)：不能顯示漢字，顯示內(nèi)容較少。 對(duì)于本課題的要求，我們選擇LED就可以實(shí)現(xiàn)功能了，程序簡(jiǎn)單，成 本低。 數(shù)碼管顯示原理： 數(shù)碼管有一位、雙位、四位等幾種。而不管將幾位數(shù)碼管連在一起，數(shù)碼管和顯示原理都是一樣的，都是靠點(diǎn)亮內(nèi)部的發(fā)光二極管來(lái)發(fā)光。數(shù)碼管的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖所示：從（a）可看出，一位數(shù)碼管的引腳數(shù)是10個(gè)，顯示一個(gè)8字需要7個(gè)小段，另外還有一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，所以其內(nèi)部一共有8個(gè)小的發(fā)光二極管，最后還有一個(gè)公共端，生產(chǎn)商為了封裝統(tǒng)一，單位數(shù)碼管都封裝10個(gè)引

27、腳。而它們的公共端又分為共陽(yáng)極和共陰極。上頁(yè)圖的（b）和（c）分別為共陽(yáng)極和共陰極數(shù)碼管的原理圖。 本小車的數(shù)碼管采用的是3位共陰極數(shù)碼管。所謂“共陰”就是指其內(nèi)部的8個(gè)發(fā)光二極管的陰極全部接在一起，而它們的；陽(yáng)極是獨(dú)立的，通常在設(shè)計(jì)電路時(shí)一般把陰極接地，當(dāng)我們給數(shù)碼管的任一個(gè)陰極加高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的那個(gè)發(fā)光二極管就點(diǎn)亮了。 當(dāng)使用多位一體數(shù)碼管時(shí)，它們內(nèi)部的公共端是獨(dú)立的，而負(fù)責(zé)顯示什么數(shù)字的段線全部都是連在一起的，獨(dú)立的公共端可以控制多位數(shù)碼管中哪一位點(diǎn)亮。通常我們把公共端叫做“位選線”，連在一起的段線叫做“段選線”。 圖3.2：數(shù)碼管內(nèi)部原理 3.3、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)模塊；

28、 3.4、驅(qū)動(dòng)模塊： 方案一：采用ULN2003驅(qū)動(dòng)，它是由7組達(dá)林頓晶體管陣列和相應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)以及鉗位二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,具有同時(shí)驅(qū)動(dòng)7組負(fù)載的能力，一般用于高速大功率驅(qū)動(dòng)電路。所以我們不采用這個(gè)方案。 方案二：采用由雙極性管組成的H橋電路（L298N）。用單片機(jī)控制晶體管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，則效率非常高；H橋電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子開(kāi)關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也很高。而且它有更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。L298N有過(guò)電流保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)電機(jī)卡死時(shí)，可以保護(hù)電路和電機(jī)等。 L298N有過(guò)電流保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)電機(jī)卡死

29、時(shí)，可以保護(hù)電路和電機(jī) 等。所以我們選擇L298N。 圖3.3：L298內(nèi)部原理圖 4個(gè)電力晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組。VT1和VT4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)電路中Ub1=Ub4；VT2和VT3同時(shí)動(dòng)作，其驅(qū)動(dòng)電壓Ub2=Ub3= -Ub1。 雙極式PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)如下： （1）電流一定連續(xù)； （2）可使電動(dòng)機(jī)在四象限中運(yùn)行； （3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)； （4）低速時(shí)，每個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通； （5）低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍可達(dá)20000左右。 1、脈寬調(diào)制原理： 脈寬調(diào)制器本身是一個(gè)由運(yùn)算放大器和幾個(gè)輸入信號(hào)組成

30、的電壓比較器。運(yùn)算放大器工作在開(kāi)換狀態(tài)，稍微有一點(diǎn)輸入信號(hào)就可使其輸出電壓達(dá)到飽和值，當(dāng)輸入電壓極性改變時(shí)，輸出電壓就在正、負(fù)飽和值之間變化，這樣就完成了把連續(xù)電壓變成脈沖電壓的轉(zhuǎn)換作用。加在運(yùn)算放大器反相輸入端上的有三個(gè)輸入信號(hào)。一個(gè)輸入信號(hào)是鋸齒波調(diào)制信號(hào)，另一個(gè)是控制電壓，其極性大小可隨時(shí)改變，與鋸齒波調(diào)制信號(hào)相減，從而在運(yùn)算放大器的輸出端得到周期不變、脈寬可變的調(diào)制輸出電壓。只要改變控制電壓的極性,也就改變了PWM變換器輸出平均電壓的極性,因而改變了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向.改變控制電壓的大小,則調(diào)節(jié)了輸出脈沖電壓的寬度,從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速.只要鋸齒波的線性度足夠好,輸出脈沖的寬度是和控制電壓的

31、大小成正比的. 2、邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)： 在可逆PWM變換器中,跨接在電源兩端的上下兩個(gè)晶體管經(jīng)常交替工作.由于晶體管的關(guān)斷過(guò)程中有一段存儲(chǔ)時(shí)間和電流下降時(shí)間,總稱關(guān)斷時(shí)間,在這段時(shí)間內(nèi)晶體管并未完全關(guān)斷.如果在此期間另一個(gè)晶體管已經(jīng)導(dǎo)通,則將造成上下兩管之通,從而使電源正負(fù)極短路.為避免發(fā)生這種情況,設(shè)置了由RC電路構(gòu)成的延時(shí)環(huán)節(jié). 3 電源的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的電源為車載電源。為保證電源工作可靠，單片機(jī)系統(tǒng)與動(dòng)力伺服系統(tǒng)的電源采用了大功率、大容量的蓄電池；而傳感器的工作電源則采用了小巧輕便的干電池。 3.5、速度自控模塊 此模塊的功能是通過(guò)軟件pwm自行輸入一個(gè)速度后，小車就會(huì)按照輸

32、入的速度進(jìn)行直線前進(jìn)，直到遇到障礙物。 通過(guò)軟件pwm信號(hào)的來(lái)輸入設(shè)定速度，小車就會(huì)按照此速度前進(jìn)，在超聲波測(cè)距測(cè)量障礙物，軟件根據(jù)障礙物的不同距離來(lái)控制pwm信號(hào)，在障礙物大于40cm pwm信號(hào)自減，小于30cm pwm信號(hào)自增，單片機(jī)pwm信號(hào)輸出經(jīng)光電耦合輸出取反，之后控制驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。 Pwm 信號(hào)在軟件中設(shè)置限制，以防止在pwm信號(hào)在自增或自減的情況下出現(xiàn)負(fù)值或大于一百，軟件設(shè)置如下； if (ZK1>=100) ZK1=12; if (ZK1<=0) ZK1=12; if (ZK2>=100) ZK2=12; if (ZK2<=0

33、) ZK2=12; 在pwm信號(hào)超出設(shè)置的數(shù)值，自動(dòng)設(shè)置數(shù)值； 第四章 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明 在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。對(duì)于本系統(tǒng)，軟件更為重要。 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制兩個(gè)基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過(guò)程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然后再輸出，以便控制生產(chǎn)。 為了完成上述任務(wù)，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通常把整個(gè)過(guò)程分成若干個(gè)部分，每一部分叫做一個(gè)模塊。所謂“

34、模塊”，實(shí)質(zhì)上就是所完成一定功能，相對(duì)獨(dú)立的程序段，這種程序設(shè)計(jì)方法叫模塊程序設(shè)計(jì)法。 模塊程序設(shè)計(jì)法的主要優(yōu)點(diǎn)是： 1、 單個(gè)模塊比起一個(gè)完整的程序易編寫及調(diào)試； 2、 模塊可以共存，一個(gè)模塊可以被多個(gè)任務(wù)在不同條件下調(diào)用； 3、 模塊程序允許設(shè)計(jì)者分割任務(wù)和利用已有程序，為設(shè)計(jì)者提供方便。 本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序﹑定時(shí)子程序、避障子程序﹑中斷子程序﹑顯示子程序﹑調(diào)速子程序﹑算法子程序構(gòu)成。 第五章 結(jié)論 歷時(shí)三個(gè)月的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我首先邊查資料，邊在實(shí)驗(yàn)室焊接小車的線路板。在焊接過(guò)程中，我感覺(jué)到即使是一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，要

35、想很輕松的焊好，也不是很容易的事情。有時(shí)是“虛焊”的原因，有時(shí)可能是阻值選錯(cuò)。在焊接顯示電路時(shí)，我就錯(cuò)將680歐的電阻焊成了6.8千歐。這使我深深感受到理論與實(shí)際間的差距。在調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)插上編程器后不能燒制程序，通過(guò)檢查電路發(fā)現(xiàn)，AT89S52芯片的使能端沒(méi)有接VCC。改好之后重新燒制，發(fā)現(xiàn)還是不可以，通過(guò)再次檢查，發(fā)現(xiàn)是共陰管的驅(qū)動(dòng)芯片74LS245的引腳出現(xiàn)焊接錯(cuò)誤。通過(guò)這些調(diào)試，提高了我檢查電路的能力，以及鞏固了電路圖的知識(shí)。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，提高了我的動(dòng)手能力。每天在實(shí)驗(yàn)室除了焊接線路板，還可以上機(jī)編程，使我軟件調(diào)試知識(shí)也提高了。本設(shè)計(jì)采用的是89S52單片機(jī)，這主要是因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)的

36、穩(wěn)定性比較好。還可以采用其它系列的單片機(jī)。比如采用陵陽(yáng)單片機(jī)，就可以簡(jiǎn)化編程，但其穩(wěn)定性不是很好。 致 謝 歷時(shí)三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)告一段落。經(jīng)過(guò)自己不斷的搜索努力以及白老師的耐心指導(dǎo)和熱情幫助，本設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完成。在這段時(shí)間里，白老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和熱忱的工作作風(fēng)令我十分欽佩，他的指導(dǎo)使我受益非淺。 通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我深刻地認(rèn)識(shí)到學(xué)好專業(yè)知識(shí)的重要性，也理解了理論聯(lián)系實(shí)際的含義，并且檢驗(yàn)了大學(xué)四年的學(xué)習(xí)成果。雖然在這次設(shè)計(jì)中對(duì)于知識(shí)的運(yùn)用和銜接還不夠熟練。但是我將在以后的工作和學(xué)習(xí)

37、中繼續(xù)努力、不斷完善。這三個(gè)月的設(shè)計(jì)是對(duì)過(guò)去所學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)提高和擴(kuò)充的過(guò)程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。 由于自身水平有限，設(shè)計(jì)中一定存在很多不足之處，敬請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。 參考資料 1 趙負(fù)圖，傳感器集成電路手冊(cè).第一版，化學(xué)工業(yè)出版社，2004,590～591 2李華，MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)，第三版，北京：1997年 3張紅潤(rùn)，實(shí)用自動(dòng)控制，成都：科技大學(xué)出版社。1990

38、年1月 4康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)，北京：高等教育出版社，1983年10月 5潘新民，微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，北京：人民郵電技術(shù)出版社，1988年3月 6趙依軍，單片機(jī)微型接口技術(shù)。北京：人民郵電技術(shù)出版社，1989年3月 7李廣弟，單片機(jī)基礎(chǔ)，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001 8胡漢才，單片機(jī)原理及其接口技術(shù)，北京：清華大學(xué)出版社，1996 9王毅，單片機(jī)器件應(yīng)用手冊(cè)，北京：人民郵電出版社，1995 參考文獻(xiàn)和參考資料要求不小于8條 說(shuō)明： 1、對(duì)于著作類參考文獻(xiàn)依次為:主編名、著作名稱[M]、出版地址、出版社名稱、出版年份、頁(yè)碼（參考上例[1]）。 2、對(duì)于期刊類參考文獻(xiàn)依次為:作者名、文章名、期刊名[J]，年份、卷號(hào)（期號(hào)）、頁(yè)碼（參考上例[2]）。