超聲波避障技術(shù)設(shè)計

1、 南 京 理 工 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)作 者:薛玉潔準(zhǔn)考證號： 014911251036 教學(xué)點:南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院專 業(yè):電子工程題 目:超聲波在小車避障技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計副教授倪瑛指導(dǎo)者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) 戴娟副教授評閱者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) 2013 年 5 月畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要 智能小車是一種能夠通過編程手段完成特定任務(wù)的小型化機器人，它具有制作成本低廉，電路結(jié)構(gòu)簡單，程序調(diào)試方便等優(yōu)點。由于具有很強的趣味性，智能小車深受廣大機器人愛好者以及高校學(xué)生的喜愛。本論文介紹的是具有自動避障功能的智能小車的設(shè)計與制作（以下簡稱智能小車），論文對智能小

2、車的方案選擇，設(shè)計思路，以及軟硬件的功能和工作原理進行了詳細的分析和論述。經(jīng)實踐驗收測試，該智能小車的電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，系統(tǒng)反映快速、靈活，設(shè)計方案正確、可行，各項指標(biāo)穩(wěn)定、可靠。關(guān)鍵字：智能小車 避障 設(shè)計方案畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要title ultrasonic car obstacle avoidance technology designabstractsmart cars can be programmed to perform a specific task means the miniaturization of robot, it has to make cost

3、 is low, circuit simple structure, 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 produc

4、tion (hereinafter referred to as the 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

5、structure is simple, convenient debug, fast, flexible system reflect, correct and feasible design scheme, each index is steady and reliable. keywords: intelligent obstacle avoidance car design目 次1 引言11.1 研究背景與意義12 超聲波的避障技術(shù)42.1 小車的避障技術(shù)42.2 超聲波的傳播特性52.3 超聲波測距技術(shù)52.4 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)62.5 超聲波的衰減63 超聲波避障系統(tǒng)硬件

6、設(shè)計83.1 方案概述83.2 方案設(shè)計83.3 元器件介紹93.4 超聲波發(fā)射系統(tǒng)電路163.5 超聲波接收系統(tǒng)電路163.6 相關(guān)軟件、電路模塊和器件清單。174 超聲波避障系統(tǒng)的軟件設(shè)計194.1 直流電機控制軟件設(shè)計194.2 超聲波測距模塊軟件設(shè)計194.3 超聲波避障技術(shù)軟件設(shè)計214.4 軟件與硬件的整合軟件與硬件的整合225 超聲波避障系統(tǒng)調(diào)試235.1 調(diào)試過程235.2 問題分析265.3 誤差分析26致 謝29參 考 文 獻301 引言1.1 研究背景與意義 隨著機器人技術(shù)的發(fā)展,自主移動機器人以其活性和智能性等特點,在人們的生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用來越廣泛。自主移動機器人通過

7、各種傳感器系統(tǒng)感知外界環(huán)境和自身狀態(tài), 在復(fù)雜的已知或者未知環(huán)境中自主移動并完成相應(yīng)的任務(wù)。而在多種探測手段中, 超聲波傳感器系統(tǒng)由于具有成本低, 安裝方便, 不易受電磁、光線、被測對象顏色、煙霧等影響，時間信息直觀等特點, 對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力, 因此在移動機器人領(lǐng)域有著廣泛用。本設(shè)計主要體現(xiàn)多功能小車的智能避障模式，設(shè)計中的理論方案、分析方法及特色與創(chuàng)新點等可以為自動運輸機器人、采礦勘探機器人、家用自動清潔機器人等自動半自動機器人的設(shè)計與普及有一定的參考意義。同時小車可以作為玩具的發(fā)展對象，為中國玩具市場技術(shù)含量的缺乏進行一定的彌補

8、，實現(xiàn)經(jīng)濟收益，形成商業(yè)價值。智能小車系統(tǒng)最誘人的前景就是可用于未來的智能汽車上了，當(dāng)駕駛員因疏忽或打瞌睡時這樣的智能汽車的設(shè)計就能體現(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，汽車就會發(fā)出警報，提醒駕駛員注意，如果駕駛員沒有及時作出反應(yīng)，汽車就會自動減速或?？坑诼愤?。 超聲波測距與避障系統(tǒng)包括硬件及軟件兩個部分。硬件開發(fā)基stc89s52微控制器，集成了傳感器電路、信號處理電路、微控制器外圍電路及電源電路等；軟件設(shè)計主要包括測距算法設(shè)計和避障算法設(shè)計。其中，避障算法由單傳感器避障策略、多傳感器精確避障策略以及多傳感器模糊避障策略組成。超聲波測距與避障系統(tǒng)的試驗包括四個部分：測距系

9、統(tǒng)性能試驗、位姿檢測試驗、安全避障試驗以及聲納環(huán)布局試驗。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的測距范圍為40cm-500cm，測距精度可實現(xiàn)測距范圍的2以內(nèi)。單路測距系統(tǒng)的角度掃描范圍為22?？梢酝瓿烧５臏y距功能；障礙物材質(zhì)及表面形狀試驗的結(jié)論，可為其他超聲波障礙物檢測和移動車輛安全避障策略設(shè)計提供參考；自主研發(fā)的超聲波測距與避障系統(tǒng)，通過進一步的產(chǎn)品設(shè)計研究，可應(yīng)用于農(nóng)用車輛安全避障系統(tǒng)中。智能小車可以理解為機器人的一種特例，它是一種能夠通過編程手段完成特定任務(wù)的小型化機器人。與普遍意義上的機器人相比，智能小車制作成本低廉，電路結(jié)構(gòu)簡單，程序調(diào)試方便，具有很強的趣味性，為此其深受廣大機器人愛好者以及高校學(xué)

10、生的喜愛。全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽每年都設(shè)有智能小車類的題目，由此可見國家對高校機器人研究工作的重視程度。1.2 國內(nèi)外研究狀況 機器人作為人類科技發(fā)展的新型勞動生產(chǎn)工具，在減輕勞動負荷、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)模式、提高生產(chǎn)率，避免作業(yè)工人從事危險、惡劣、繁重的工作等方面，顯示出極大的優(yōu)越性。不過，就機器人而言，目前還沒有統(tǒng)一的定義，而且自機器人問世以來，人們就很難對機器人下一個確切的定義。歐美國家認(rèn)為，機器人應(yīng)該是“由計算機控制的通過編程具有可以變更的多功能的自動機械”；日本學(xué)者認(rèn)為“機器人就是任何髙級的自動機械”。我果科學(xué)家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物

11、相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力、和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器?！蹦壳皣H上對機器人的概念已經(jīng)漸趨一致，聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機器人協(xié)會于1979年給機器人下的定義；“一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)。”概括說來，機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。 智能移動機器人具有高度的自規(guī)劃、自組織、自適應(yīng)能力，在無需人干預(yù)、無需對環(huán)境做任何規(guī)定和改變的條件下，能夠有目的地移動和完成相應(yīng)任務(wù)。 障礙物檢測是智能移動機器人、智能汽車對周邊環(huán)境感知技術(shù)研究領(lǐng)域中的重要方面。隨著

12、技術(shù)的發(fā)展以及利益的趨向，美國、日本、德國以及意大利等世界發(fā)達國家的很多研究機構(gòu)，陸續(xù)在該研究方向作了一定程度的探索和研究，并取得了很多有價值的研究成果。在我國，由于理論技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和資金分配等因素限制，在智能機器人技術(shù)領(lǐng)域與世界發(fā)達國家存在相當(dāng)大差距，只有為數(shù)不多研究機構(gòu)在該領(lǐng)域做出了一些的成果。本文按使用傳感器的類型不同分為：基于超聲波的障礙物檢測系統(tǒng)、基于紅外線的障礙物檢測系統(tǒng)、基于激光的障礙物檢測系統(tǒng)及基于多傳感器融合技術(shù)的障礙物檢測系統(tǒng)等。20世紀(jì)60年代以來，弧焊點焊氣焊、機械設(shè)備加工、噴涂刻畫、設(shè)計裝配、檢測等各種類型，各種用途的機器人相繼出現(xiàn)，并迅速在工業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)流水線

13、批量生產(chǎn)，這大大提高了各種產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)型和質(zhì)量。然而，隨著機器人的不斷完善發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，這些同定于某一崗位工作的機器人并不能完全滿足各方面的需要，不能處理復(fù)雜的應(yīng)激變化。因此，20世紀(jì)80年代后期，許多國家有組織有計劃的開展了移動機器人技術(shù)的硏究。所謂的移動機器人，就是一種具有高度自組織、自適應(yīng)、自規(guī)劃能力，適合于在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化，具有高精確度或繁重、危險工作環(huán)境中作業(yè)的機器人。自主式移動機器人的設(shè)計目標(biāo)是在沒有人的參與控制且無需對環(huán)境作任何規(guī)定和改變的條件下，有目的的移動并完成相應(yīng)設(shè)定任務(wù)。在自主移動式智能機器人的相關(guān)技術(shù)研究中，導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用是其研究的核心，也是移動機器人實現(xiàn)智能化及完全自

14、主調(diào)節(jié)、控制的關(guān)鍵技術(shù)。導(dǎo)航研究的網(wǎng)標(biāo)就是：在沒有人的干預(yù)下使機器人有目的地移動并完成特定任務(wù)，進行特定操作。機器人通過裝配的信息獲取手段，獲得外部環(huán)境信息，實現(xiàn)自我定位，判定自身狀態(tài)，規(guī)劃并執(zhí)行下一步的動作。因此單從系統(tǒng)硬件層次上講，移動機器人必須具有豐富的傳感器、功能強大的控制計算機以及靈活和精確的驅(qū)動系統(tǒng)。1.3 本課題研究內(nèi)容本設(shè)計題目為智能避障小車設(shè)計，主要研究小車的避障功能，小車遇到障礙物時，當(dāng)距離障礙物大于40cm，pwm信號自增，驅(qū)動電機加速，小車加速前進，當(dāng)小于30cm時，pwm信號自減，驅(qū)動電機減速，小車減速前進，并且小車采取相應(yīng)的避障措施。這里探測裝置必不可少，因為超聲波

15、在距離檢測方面的較準(zhǔn)確定位。所以采用超聲波傳感器作為探測裝置，由于超聲波遇到障礙物時發(fā)生像光一樣的反射和散射，在經(jīng)過多次發(fā)射之后再回到超聲波檢測端口會產(chǎn)生較嚴(yán)重的路程差，從而影響對距離的檢測進而影響對障礙物的較準(zhǔn)確定位。通過軟件內(nèi)部校準(zhǔn)優(yōu)化消除外部物理條件造成的誤差從而達到對障礙物的較準(zhǔn)確定位。2 超聲波的避障技術(shù)2.1 小車的避障技術(shù)2.1.1 超聲波介紹 超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。2

16、.1.2 超聲波避障技術(shù)就是利用超聲波來檢測機器人的前方是否有障礙物，機器人的前方你要放一個超聲波發(fā)生器、一個超聲波接收器，當(dāng)超聲波發(fā)生器發(fā)出去的聲波遇到障礙物時，這些聲波就會被反射回來，這時就利用超聲波接收器接受被反射回來的聲波，然后再在機器人身上面按裝一個聲波轉(zhuǎn)化器，就是把反射回來的聲波轉(zhuǎn)化成其他的信號。2.1.3 模糊避障算法設(shè)計機器人運動的環(huán)境非常復(fù)雜，而且一般情況下是未知的，因此很難建立精確的數(shù)學(xué)模型來預(yù)測障礙物的位置。采用模糊控制算法非常適合移動機器人的避障，模糊控制器的輸入是超聲傳感器的距離信號，輸出是機器人的動作，規(guī)定機器人只能有前進或旋轉(zhuǎn)兩種運動方式。根據(jù)一定控制策略，建立輸

17、入輸出的模糊語言集合和模糊控制規(guī)則。輸入輸出的模糊語言：模糊控制器的輸入?yún)?shù)是機器人六個超聲傳感器檢測到的距離信號。把六個超聲傳感器的輸入信號分為左右兩組，每組三個，即機器人左邊三個超聲傳感器為左組，機器人右邊三個超聲傳感器為右組。每次讀入左組三個超聲傳感器測得的距離信號，選取其中最小的一個數(shù)值作為左邊的輸入，左邊的數(shù)值用left表示。同樣，每次讀入右組三個超聲傳感器測得的距離信號，選取其中最小的一個數(shù)值作為右邊的輸入，右邊的數(shù)值用right表示。距離信號的模糊語言集合如下： 近，中，遠設(shè)定其相應(yīng)的語言變量，并記作： nd(near distance)= 近md(middle distance

18、)= 中 ld(long distance)= 遠2.2 超聲波的傳播特性 超聲波的傳播特性有以下幾點： a)超聲波的束射性：由于超聲波頻率很高，所以方向性就相對要強，方向性即柬射性。當(dāng)超聲波發(fā)生體壓電晶體的直徑尺寸遠大于超聲波波長時，則晶體所產(chǎn)生的超聲波就類似于光的特性，也就是方向性好。 b）能量大：聲強與振幅，質(zhì)點震動頻率的關(guān)系i=1/2ca22，相同振幅條件下，能量與頻率的平方正比。由于頻率很高，所以具有很大的能量。 c）透射、反射和折射：在兩種不同媒質(zhì)的分界面上，會出現(xiàn)類似于光線一樣的透射、反射和折射現(xiàn)象，普通聲波也有此性質(zhì)。 d）超聲波在人體組織中的衰減：超聲波在人體組織中傳播時，其

19、強度捋隨傳播距離的增加而逐漸衰減。這是人體組織對超聲波的吸收、反射和散射等原因造成的，而其中吸收是最主要的。超聲波在人體組織中幾乎有80%被膠原蛋白所吸收。實驗證明：在頻率為1mhz15mhz范圍內(nèi),超聲波在人體軟組織中的吸收系數(shù)與超聲頻率成正比,如血液的吸收系數(shù)隨著超聲頻率的增高而增大。骨質(zhì)的吸收因數(shù)最大,衰減也最大,超聲很難通過骨骼進行傳播。2.3 超聲波測距技術(shù) 超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時間檢測法。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限，聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本論文硬件設(shè)計采用超聲波往返時間檢測法，其原理為：超聲波發(fā)生器t1在某一時刻發(fā)出一個超聲

20、波信號，當(dāng)這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器t2所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離計算公式為：s=c·t/2。其中d為被測物與測距器的距離，s為聲波的來回的路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時間。2.3.1 超聲波測距誤差分析 根據(jù)超聲波測距公式l=c×t，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的時間誤差： 當(dāng)要求測距誤差小于1mm時，假設(shè)已知超聲波速度c=344m/s (20室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差st<(0.001/344) 0.00

21、0002907s 即2.907s。在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12mhz晶體作時鐘基準(zhǔn)的89c52單片機定時器能方便的計數(shù)到1s的精度，因此系統(tǒng)采用89c52定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內(nèi)。2.4 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)，是利用單片機編程產(chǎn)生頻率為40khz 的方波，經(jīng)過發(fā)射驅(qū)動電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩發(fā)射超聲波。超聲波經(jīng)反射物反射回來后，由傳感器接收端接收，再經(jīng)接收電路放大、整形，控制單片機中斷口。其系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。圖2.1 基于單片機的超聲波測

22、距系統(tǒng)框圖這種以單片機為核心的超聲波測距系統(tǒng)通過單片機記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當(dāng)收到超聲波的反射波時，在接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在單片機的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離，結(jié)果輸出給lcd 顯示。利用單片機準(zhǔn)確計時，測距精度高，而且單片機控制方便，計算簡單。許多超聲波測距系統(tǒng)都采用這種設(shè)計方法。2.5 超聲波的衰減 超聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著距離的增加，能量逐漸減小的現(xiàn)象叫做超聲波的衰減。 超聲波衰減的原因主要有三個： a)擴散衰減：超聲波在傳播中，由于聲束的擴散，使能量逐漸分散，從而使單位面積內(nèi)超

23、聲波的能量隨著傳播距離的增加而減小，導(dǎo)致聲壓和聲強的減小。 b)散射衰減：當(dāng)聲波在傳播過程中，遇到不同聲阻抗的介質(zhì)組成的界面時，將發(fā)生散亂反射（即散射），從而損耗聲波能量，這種衰減叫散射衰減。散射主要在粗大晶粒（與波長相比）的界面上產(chǎn)生。由于晶粒排列不規(guī)則，聲波在斜傾的界面上發(fā)生反射、折射及波型轉(zhuǎn)換（統(tǒng)稱散射），導(dǎo)致聲波能量的損耗。 c)粘滯衰減：聲波在介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)的粘滯性而造成質(zhì)點之間的內(nèi)壁摩擦，從而使一部分聲能變?yōu)闊崮堋Ｍ瑫r，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的疏、密部分之間進行的熱交換，也導(dǎo)致聲能的損耗，這就是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象。由介質(zhì)吸收引起的衰減叫做粘滯衰減。3 超聲波避障系統(tǒng)硬件設(shè)計3.

24、1 方案概述 本小車使用stc89c52單片機作為主控芯片，它通過超聲波測距來獲取小車距與障礙物的距離小于30cm時，小車轉(zhuǎn)彎以避開障礙物，并且此時蜂鳴器報警在避開障礙物后，小車會沿直線前進。系統(tǒng)方框圖如3.1所示。 單片機控制模塊超聲波測距模塊 驅(qū)動模塊顯示模塊 超聲波避障系統(tǒng)圖3.1 超聲波避障系統(tǒng)硬件設(shè)計方框圖3.2 方案設(shè)計超聲波測距部分是機器人避障的核心部分。本設(shè)計采用stc89c52單片機，晶振：12mhz，單片機用p2.0口輸出超聲波換能器所需的40k方波信號，利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號，顯示電路采用簡單的4位共陽led數(shù)碼管，斷碼用74ls244，位碼用85

25、50驅(qū)動。單片機通過p2.0引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測int0引腳，當(dāng)int0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。本設(shè)計包括超聲波接收電路、超聲波發(fā)送電路、距離顯示電路組成。原理方框圖如圖3.2所示。圖3.2 超聲波測距器系統(tǒng)框圖單片微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器(microcontroller)。單片微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是一種非?；钴S且頗具生命力的機種。通常，單片機由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計算機的功能部件cpu

26、(central processing unit，中央處理器)、存儲器和i/o 接口電路等。因此，單片機只需要與適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。原理圖如3.3所示。圖3.3 原理圖3.3 元器件介紹3.3.1 stc89c52主控芯片stc89c52是一種帶8k字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲器（fperom-flash programable erasable read only memory ）的低電壓，高性能comos8的微處理器，俗稱單片機。該器件采用atmel密度非易失存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。主要特性如下： a）增強型 80

27、51 單片機，6 時鐘/機器周期和 12 時鐘/機器周期可以任 意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051。 b)工作電壓：5.5v3.3v（5v 單片機）/3.8v2.0v（3v 單片機）。 c)工作頻率范圍：040mhz，相當(dāng)于普通 8051 的 080mhz，實際工 作頻率可達 48mhz。 d)用戶應(yīng)用程序空間為 8k 字節(jié)。 e)片上集成 512 字節(jié) ram。 f)通用 i/o 口 （32 個） 復(fù)位后為：p1/p2/p3/p4 是準(zhǔn)雙向口/弱上拉， p0 口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 i/o 口用時，需加上拉電阻。 g)isp（在系統(tǒng)可編程）/iap（在應(yīng)

28、用可編程無需專用編程器），無需專用仿真器，可通過串口（rxd/p3.0,txd/p3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。 h)具有 eeprom 功能。 i)具有看門狗功能。 j)共3個16 位定時器/計數(shù)器。即定時器 t0、t1、t2。 k)外部中斷4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，power down 模式可 由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒。 l)通用異步串行口（uart），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 uart。 m)工作溫度范圍：-40+85（工業(yè)級）/075（商業(yè)級）。 n)pdip 封裝。 stc89c52rc 單片機的工作模式掉電模式：典型功耗<0.1a,可由外部中斷

29、喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原 程序。 空閑模式：典型功耗 2ma 典型功耗。 正常工作模式：典型功耗 4ma7ma 典型功耗。掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于水表、氣表等電池供電系統(tǒng)及便攜設(shè)備。stc89c52具體介紹如下： a) 主電源引腳（2根）。 vcc(pin40)：電源輸入，接5v電源 gnd(pin20)：接地線 b) 外接晶振引腳（2根）。 xtal1(pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端 xtal2(pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端 c) 控制引腳（4根）。 rst/vpp(pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。 ale/prog(pin30)：地

30、址鎖存允許信號 psen(pin29)：外部存儲器讀選通信號 ea/vpp(pin31)：程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令， 如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令。 d)可編程輸入/輸出引腳（32根）。 stc89c52單片機有4組8位的可編程i/o口，分別位p0、p1、p2、p3口，每個口有8位（8根引腳），共32根。 po口（pin39pin32）：8位雙向i/o口線，名稱為p0.0p0.7 p1口（pin1pin8）：8位準(zhǔn)雙向i/o口線，名稱為p1.0p1.7 p2口（pin21pin28）：8位準(zhǔn)雙向i/o口線，名稱為p2.0p2.7 p3口（pin10pin1

31、7）：8位準(zhǔn)雙向i/o口線，名稱為p3.0p3.73.3.2 超聲波測距模塊超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差t,然后求出距離s=ct/2，式中的c為超聲波波速。由于超聲波也是一種聲波其聲速c與溫度有關(guān)。在使用時，如果溫度變化不大，可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的機理。超聲波測距模塊原理圖如圖3.4所示。 圖3.4 超聲波測距模塊電路原理圖測距模塊參數(shù)介紹如表3.1所示。表3.1 模塊參數(shù)介紹表 電氣參數(shù) us-100超聲

32、波測距模塊 工作電壓 dc 2.4v 5.5v 靜態(tài)電流 2ma 工作溫度 -20+70度 輸出方式 電平或uart(跳線帽選擇） 探測距離 2cm 450cm 超聲波測距模塊與單片機的接口原理如圖3.5所示。（當(dāng)為電平觸發(fā)方式時）圖3.5 單片機接口原理3.3.3 驅(qū)動模塊 采用由雙極性管組成的h橋電路（l298n）。用單片機控制晶體管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機轉(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單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也很高。而且它有更強的驅(qū)動能力。l298n有過電流保護功能，當(dāng)出現(xiàn)電機卡死時，可以保

33、護電路和電機等。l298n有過電流保護功能，當(dāng)出現(xiàn)電機卡死時，可以保護電路和電機等。所以我們選擇l298n。l298各引腳功能，如表3.2所示。表3.2 l298各引腳功能 引腳 功能 1、15 分別為兩個h橋的電流反饋腳，不用時可以接地 2、3 輸出端，與對應(yīng)輸入端（in1、in2）同邏輯 4 驅(qū)動電壓，最小值需比輸入的低電平電壓高2.5v 5、7 輸入端，ttl電平兼容 6、11 使能端，低電平禁止輸出 8 地 9 邏輯電源，4.57v 10、12 輸入端，ttl電平兼容 13、14 輸出端，與對應(yīng)輸入端（in3、in4）同邏輯 該芯片的一些參數(shù)如下：1) 邏輯部分輸入電壓：67v。2)

34、驅(qū)動部分輸入電壓vs：4.846v。3) 邏輯部分工作電流iss：36ma。4) 驅(qū)動部分工作電流io：2a。5) 最大耗散功率：25w（t=75）。6) 控制信號輸入電平：高電平：2.3vvinvss，低電平：-0.3vvin1.5v。7) 工作溫度：-25130。8) 驅(qū)動形式：雙路大功率h橋驅(qū)動。我正在用l298n驅(qū)動我的小車的兩個直流減速電機，其實它很好用，1和15和8引腳直接接地，4管腳vs接2.5到46的電壓，它是用來驅(qū)動電機的，9引腳是用來接4.5到7v的電壓的，它是用來驅(qū)動l298n芯片的，l298n需要從外部接兩個電壓，一個是給電機的，另一個給l298n芯片的，6和11引腳是

35、它的使能端，一個使能端控制一個電機，至于那個控制那個你自己焊接，你可以把它理解為總開關(guān)，只有當(dāng)它們都是高電平的時候兩個電機才有可能工作，12是298的信號輸入端和單片機的io口相連，14是輸出端，輸入5和7控制輸出2和3 輸入的10、12控制輸出的14。3.3.4 舵機 一般來講，舵機主要由以下幾個部分組成，舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計5k、直流電機、控制電路板等。電源線和地線用于提供舵機內(nèi)部的直流電機和控制線路所需的能源電壓通常介于46v，一般取5v。 舵機的控制信號是周期為20ms的脈寬調(diào)制（pwm）信號，其脈沖的寬度從0.5ms-2.5ms，相對對應(yīng)舵盤的位置是0180度，呈連續(xù)線性

36、變化。也就是說，給它提供一特定寬度的脈沖信號，它的輸出軸就會轉(zhuǎn)動到一個與之相對應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會將輸出角度轉(zhuǎn)動到新的對應(yīng)的位置上。舵機有一個內(nèi)置的基準(zhǔn)電路，其不斷產(chǎn)生周期的20ms，寬度1.5ms的基準(zhǔn)信號；另有一個比較器，將外加信號與基準(zhǔn)信號進行比較，判斷出轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動角度大小，進而產(chǎn)生電機的轉(zhuǎn)動信號。由此可見，舵機是一種精度很高的位置伺服的驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動最大角度不能超過180度，適用于那些需要角度不斷變化并可以停滯的驅(qū)動當(dāng)中。如圖3.6所示。 圖3.6 舵機輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號脈沖寬度的關(guān)系 舵機的控制信號為pwm信號，利用占空比的變

37、化改變舵機角度。舵機的速度決定于其接受道德信號脈寬的變化速度。控制線的輸入是一個寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號，方波脈沖信號的周期為20ms(即頻率為50hz)。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時，舵機轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生變化，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。占空比：就是輸出的pwm中，高電平保持的時間與該pwm的時鐘周期的時間之比如，一個pwm的頻率是1000hz，那么它的時鐘周期就是1ms，就是1000us，如果高電平出現(xiàn)的時間是200us，那么低電平的時間肯定是800us，那么占空比就是200：1000，也就是說pwm的占空比就是1：5。3.3.5 顯示模塊顯示模塊的方案有很多，列舉以下四個：方案一：選用l

38、cd1602顯示屏lcd1602液晶顯示,由單片機驅(qū)動。它主要用來顯示大量數(shù)據(jù)、文字、圖形，能夠顯示的位數(shù)多，顯示得清晰多樣、美觀。如圖3.7所示。圖3.7 lcd1602液晶顯示屏 方案二：選用點陣顯示點陣顯示是由八行八列的發(fā)光二極管集成在一塊電路上組成，主要用來顯示漢字，同時也能顯示數(shù)字和少量圖象,但它的焊接較麻煩,價格高，鑒于所設(shè)計的題目要求它不切實際。所以排除此方案。方案三：選用led數(shù)碼管靜態(tài)顯示led數(shù)碼管靜態(tài)顯示其電路容易理解且驅(qū)動的程序簡單，多片七段譯碼器驅(qū)動顯示，這不僅增加了成本，還需要占用單片機多個i/o口，也給電路的焊接帶來一定的困難，因此不選用這種方案作為顯示模塊。方案

39、四：采用led數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示led數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示價格低廉，不僅減少了對i/o口的浪費，而且能夠同時驅(qū)動多個數(shù)碼管。其驅(qū)動程序容易編寫和理解。當(dāng)顯示內(nèi)容不太多，可以排除。經(jīng)過四種方案的比較以及本系統(tǒng)實際，由于該系統(tǒng)需要顯示兩個內(nèi)容，上述的lcd液晶顯示比較妥善，我們選擇性價比相對高的lcd1602液晶。3.3.6 電源模塊 我們選擇采用5v的獨立的穩(wěn)壓電源。優(yōu)點:穩(wěn)定可靠，且有各種成熟電路可供選用；缺點:各模塊都采用獨立電源，會使系統(tǒng)復(fù)雜，且可能影響電路電平。綜合電源模塊的缺優(yōu)點，和電路的實際需求，我們采用了兩塊獨立穩(wěn)壓電源，一塊給小車的電機驅(qū)動供電，一塊給小車的芯片供電，這樣彌補了單個

40、獨立電源供電出現(xiàn)電力不足的情況。3.4 超聲波發(fā)射系統(tǒng)電路超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器t1能向外界發(fā)出40 khz左右的方波脈沖信號。40khz左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法:采用硬件如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機p1.0端口輸出40khz左右的方波脈沖信號，由于單片機端口輸出功率不夠， 40khz方波脈沖信號分成兩路，送給一個由74hc04 組成的推挽式電路進行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠，滿足測量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器t以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分的電路，如圖3.8所示。圖中輸出端上拉電阻r7，r9，一方面可以提

41、高反向器74hc04 輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。如圖3.8所示。圖3.8 超聲波發(fā)射系統(tǒng)電路3.5 超聲波接收系統(tǒng)電路上述t1發(fā)射的在空氣中傳播，遇到障礙物就會返回，超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到超聲波接收換能器t2進行轉(zhuǎn)換變成電信號，并對此電信號進行放大、濾波、整形等處理后，這里用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片cx20106，得到一個負脈沖送給單片機的r( int0)引腳，以產(chǎn)生一個中斷。接收部分的電路，如圖3.8所示?？梢钥吹?，集成芯片cx20106 在接收部分電路中起了很大的作用。cx20106是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收

42、的專用芯片，其具有功能強、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點，由于紅外遙控常用的載波頻率38 khz與測距的超聲波頻率40 khz比較接近，而且cx20106內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率f0 可由其5腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為3060 khz。故本次設(shè)計用它來做接收電路。cx20106內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。工作過程如下: 接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進行頻率選擇，濾除干擾信號，再經(jīng)整形，送給輸出端7腳。當(dāng)接收到與cx20106濾波器中心頻率相符的回波信號時，其輸出端7腳就輸

43、出低電平，而輸出端7腳直接接到xtc89c52的int0引腳上，以觸發(fā)中斷。若頻率有一些誤差，可調(diào)節(jié)芯片引腳5的外接電阻r11，將濾波器的中心頻率設(shè)置在40 khz，就可達到理想的效果。如圖3.9所示。圖3.9 超聲波接收系統(tǒng)原理圖3.6 相關(guān)軟件、電路模塊和器件清單。相關(guān)軟件、電路模塊和器件清單，見表3.3所示。表3.3 相關(guān)軟件、電路模塊和器件清單 序號 名稱 數(shù)量 備注123456789 10pc機單片機控制模塊超聲波測距模塊電源下載軟件（stc_isp_v483）下載線（usb轉(zhuǎn)串口） 舵機 驅(qū)動模塊 usb轉(zhuǎn)串口驅(qū)動小車 1 1 stc89c52rc 1 1套 5v/7.2v 1 1

44、 1 1 2 雙l298n驅(qū)動 1 vista&win7 1 zk-4wd小車4 超聲波避障系統(tǒng)的軟件設(shè)計在單片機控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個基本類型。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。過程控制程序主要是使單片機按一定的方法進行計算，然后再輸出，以便控制生產(chǎn)。為了完成上述任務(wù)，在進行軟件設(shè)計時，通常把整個過程分成若干個部分，每一部分叫做一個模塊。所謂“模塊”實質(zhì)上就是所完成一定功能，相對獨立的程序段，這種程序設(shè)計方法叫模塊程序設(shè)計法。模塊設(shè)計法的主要優(yōu)點是：a） 單個模塊比起一個完整的程序易編寫及調(diào)試。 b） 模塊可以共存，一個模塊可以被多個任務(wù)在不同條

45、件下調(diào)用。c）模塊程序允許設(shè)計者分割任務(wù)和利用已有程序，為設(shè)計者提供方便。 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。4.1 直流電機控制軟件設(shè)計當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時，電源電壓加到電動機上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時，直流電源與電動機斷開，電動機經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation），簡稱pwm。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時間，即通過改變脈沖寬度來進行直流調(diào)速。與v-m系統(tǒng)相比，pwm調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點： a)由于pwm調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直

46、流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達1：10000左右。由于電流波形比v-m系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動機的損耗和發(fā)熱都比較小。 b）同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力強。 c）由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。4.2 超聲波測距模塊軟件設(shè)計 此方案中超聲波測距的觸發(fā)方式為電平觸發(fā)方式，其中舵機與單片機的接口為p2.7，超聲波測距模塊與單片機的接口為p2.4和p2.5。 #define echo p2_4 /超聲波接口定義#define trig p2_5 /超聲波

47、接口定義 程序流程圖如圖4.1所示，(a)為主程序流程圖，(b)為定時中斷子程序流程圖，(c)為外部中斷子程序流程圖。 (a) (b) (c)圖4.1 測距程序流程圖進入主程序后，軟件延時，然后將微處理器的p2.0管腳置高，觸發(fā)傳感器發(fā)送超聲波信號。觸發(fā)信號發(fā)送后，初始化定時器和中斷口，開始計時。初始化結(jié)束后，保持p2.0口為高電平，將p2.0管腳置低，再延時，程序等待回波信號觸發(fā)中斷。延時結(jié)束后，檢測下一路電路，并依次循環(huán)檢測多路。接收到超聲波回波后，程序進入中斷。進入中斷后，首先關(guān)閉定時器，然后判斷是否超出測距的范圍：如超出，退出中斷；如在測距范圍內(nèi)，首先將計時數(shù)據(jù)接收到超聲波回波后，程序

48、進入中斷。進入中斷后，首先將計時數(shù)據(jù)存入緩存區(qū)，并對信號進行軟件濾波，如信號為噪聲信號，則直接退出，如信號為有效信號，計算障礙物的距離。4.3 超聲波避障技術(shù)軟件設(shè)計根據(jù)避障規(guī)則，移動機器人（小車）以某一速度前進，如果某一傳感器檢測到的距離小于某個值，這個值是預(yù)定義可編程的臨界距離，那么機器人以某一角度偏轉(zhuǎn)，從而繞開障礙物繼續(xù)前進。機器人（小車）在行駛過程中如果遇到障礙物，它的超聲波測距系統(tǒng)馬上計算出機器人與障礙物的距離d，若d<dc(避障的臨界距離，其中dc為程序預(yù)設(shè)值)，電機左右轉(zhuǎn)向控制驅(qū)動，從而繞過障礙物實現(xiàn)避障的效果。程序流程圖如圖4.2所示。 圖4.2 避障程序流程圖程序設(shè)計如下：while(1) /*無限循環(huán)*/ if(timer>=1000) /100ms檢測啟動檢測一次 timer=0； startmodule()； /啟動檢測 conut()； /計算距離 if(s<30) /距離小于30cm stoprun()； /小車停止 comm()； /方向函數(shù) else if(s>40) /距離大于，40cm往前走 run()； 4.4 軟件與硬件的整合軟件與硬件的整合在本次設(shè)計過程中，考慮到各個模塊之間的控制復(fù)雜性，我們將電機控制，超聲波測距分開調(diào)試，當(dāng)兩個模塊都可以正常工作之后，再