智能避障小車課程設(shè)計

武漢大學(xué)珞珈學(xué)院本科畢業(yè)論文廣東技術(shù)師范學(xué)院2光機電一體化課程設(shè)計題目：智能超聲波避障小車院別：機電學(xué)院專業(yè)：機械電子工程（師范）姓名：路小娃學(xué)號：2013095444026同組人員：謝嘉玲歐嘉興指導(dǎo)教師：楊永日期：2016年6月16日

智能超聲波避障小車摘要本設(shè)計主要有三個模塊包括信號檢測模塊、主控模塊、電機驅(qū)動模塊。信號檢測模塊采用超聲波測距模塊，用以對有無障進行檢測。主控電路采用宏晶公司的8051核心的STC89C52單片機為控制芯片。電機驅(qū)動模塊采用意法半導(dǎo)體的L298N專用電機驅(qū)動芯片，單片控制與傳統(tǒng)分立元件電路相比，使整個系統(tǒng)有很好的穩(wěn)定性。信號檢測模塊將采集到的路況信號傳入STC89C52單片機，經(jīng)單片機處理過后對L298N發(fā)出指令進行相應(yīng)的調(diào)整。我們設(shè)計的小車已經(jīng)實現(xiàn)基本的避障功能。關(guān)鍵詞：智能避障小車，STC89C52單片機，L298N驅(qū)動芯片，信號檢測模塊，避障目錄TOC\o"1-3"\h\u3072摘要 232077目錄 3274171課程設(shè)計內(nèi)容 4100611.1項目研究的背景及意義 4168581.2應(yīng)用場合和功能： 494431.3項目主要研究內(nèi)容 4171892總體方案論述 6133062.1總體方案 6229422.2總體功能及性能指標 6121562.2.1總體功能 630612.2.2總體電路原理圖 612812.3系統(tǒng)方案的比較與確定 7134102.3.1系統(tǒng)方案的比較 7176312.3.2系統(tǒng)方案的確定 7115162.4最終實物圖 819453硬件電路的設(shè)計 9245353.1硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 9317563.1.1障礙物測距系統(tǒng)： 9248493.1.2驅(qū)動模塊： 10194043.1.3電源模塊： 12107964.程序 13121674.1程序流程圖 1324175系統(tǒng)軟硬件調(diào)試 1470235.1硬件調(diào)試 14115675.2軟件調(diào)試 14276365.3調(diào)試中遇到的問題 1412808結(jié)論 1432087參考文獻 155302附錄 1611492附錄一相關(guān)程序 1610988附錄二使用元器件一覽表 2330922附錄三心得 24

1課程設(shè)計內(nèi)容1.1項目研究的背景及意義智能作為現(xiàn)代社會的新產(chǎn)物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個特定的環(huán)境里自動的運作，無需人為管理，便可以完成預(yù)期所要達到的或是更高的目標。本設(shè)計主要體現(xiàn)多功能小車的智能模式，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，實現(xiàn)經(jīng)濟收益，形成商業(yè)價值。超聲波作為智能車避障的一種重要手段，以其避障實現(xiàn)方便，計算簡單，易于做到實時控制，測量精度也能達到實用的要求，在未來汽車智能化進程中必將得到廣泛應(yīng)用。我國作為一個世界大國，在高科技領(lǐng)域也必須占據(jù)一席之地，未來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)用具有深遠意義，這將對我國未來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。本智能小車系統(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停靠于路邊。這樣的小車還可以用于月球探測等的無人探月車，幫助我們傳達月球上更多的信息，讓我們更加的了解月球，為將來登月做好充分準備。這樣的小車在科學(xué)考察探測車上也有廣闊的應(yīng)用前景，在科學(xué)考察中，有很多危險且人們無法涉足的地方，這時，智能科學(xué)考察車就能夠派上用場，在它上面裝上攝像機，代替人們進行許多無法進行的工作。1.2應(yīng)用場合和功能：應(yīng)用場合：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。同時在玩具的應(yīng)用上深受小朋友的青睞。功能：本小車使用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片，它通過超聲波測距來獲取小車距離障礙物的距離，當小車與障礙物的距離大于30cm時，小車會沿直線前進，當小車與障礙物的距離小于30cm時，小車轉(zhuǎn)彎以避開障礙物。在避開障礙物后，小車會沿直線前進。1.3項目主要研究內(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，當距離障礙物大于30cm，驅(qū)動電機工作，小車正常前進，當小于30cm時，舵機會接受到單片機的信號，小車采取相應(yīng)的避障措施。這里探測裝置必不可少，因為超聲波在距離檢測方面的較準確定位。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確定位。通過軟件內(nèi)部校準優(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確定位。

2總體方案論述2.1總體方案計劃小車使用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片，它通過超聲波測距來獲取小車距離障礙物的距離，當小車與障礙物的距離大于危險距離時，小車會沿直線前進，當小車與障礙物的距離小于危險距離時，小車轉(zhuǎn)彎以避開障礙物。在避開障礙物后，小車會沿直線前進。2.2總體功能及性能指標2.2.1總體功能1.通過測距傳感器來獲取小車距離障礙物的距離。2.當小車與障礙物的距離大于30cm時，小車會沿直線前進，當小車與障礙物的距離小于30cm時，小車轉(zhuǎn)彎以避開障礙物。2.2.2總體電路原理圖圖二總體電路原理圖2.3系統(tǒng)方案的比較與確定2.3.1系統(tǒng)方案的比較1.方案一（1）設(shè)計超聲波模塊測距，STC12C5A60S2單片機作為主控模塊；（2）設(shè)定報警閾值（設(shè)定30CM，可用鍵盤調(diào)整閾值)，小車通過舵機工作來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎避障；（3）利用STC12C5A60S2的P1口AD轉(zhuǎn)換功能，超聲波模塊測量距離。2.方案二（1）紅外測距器的系統(tǒng)設(shè)計，STC12C5A60S2單片機作為主控模塊；（2）用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示，紅外驅(qū)動信號用單片機的定時器完成；（3）單片機使用P1.0端口輸出超聲波轉(zhuǎn)化器所需的40KHz方波信號ISD1820語音播放距離，并用LED數(shù)字顯示顯示其距離值。2.3.2系統(tǒng)方案的確定我們小組考慮到，超聲波測距方向性好，耐臟污，可以在較差環(huán)境下使用，價格中等，檢測距離遠。紅外測距的優(yōu)點是便宜，易制，安全，缺點是精度低、抗干擾能力差、方向性差、測試距離近。激光測距精度高，但是成本較高，制作難度高，對人體安全有影響，且受外界環(huán)境影響較大。三者經(jīng)過相互比較，從經(jīng)濟和我們所學(xué)的知識考慮。所以我們最終選擇方案一。2.4最終實物圖

3硬件電路的設(shè)計3.1硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)該智能車系統(tǒng)可分為四個主要模塊：單片機主控核心模塊，傳感器避障模塊，電機驅(qū)動模塊和顯示模塊。其主要組成構(gòu)圖如下：數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)超聲波單片機STC12C5A60S2單片機STC12C5A60S2控制數(shù)據(jù)超聲波單片機STC12C5A60S2單片機STC12C5A60S2控制數(shù)據(jù)舵機舵機控制控制數(shù)據(jù)3.1.1障礙物測距系統(tǒng)：方案一：超聲波視覺優(yōu)點：價格合理，夜間不受影響。易于多目標測量和分類，分辨率好。缺點：測量范圍小，對天氣變化敏感。不能直接測量距離，算法復(fù)雜，處理速度慢。方案二：紅外測距優(yōu)點：便宜，易制，安全，速度快。缺點：精度低，距離近，方向性差，容易受光干擾探測障礙的最簡單的方法是使用超聲波傳感器，它是利用向目標發(fā)射超聲波脈沖，計算其往返時間來判定距離的。算法簡單，價格合理。所以我們選擇超聲波傳感器。超聲波測距原理：首先利用單片機輸出一個40kHz的觸發(fā)信號，把觸發(fā)信號通過TRIG管腳輸入到超聲波測距模塊，再由超聲波測距模塊的發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時單片機通過軟件開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物返回，超聲波測距模塊的接收器收到反射波后通過產(chǎn)生一個回應(yīng)信號并通過ECHO腳反饋給單片機，此時單片機就立即停止計時。時序圖如圖1所示。由于超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離，即：S=VT/2，通過單片機來算出距離。圖3.1：超聲波測距原理3.1.2驅(qū)動模塊：方案一：采用ULN2003驅(qū)動，它是由7組達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,具有同時驅(qū)動7組負載的能力，一般用于高速大功率驅(qū)動電路。所以我們不采用這個方案。方案二：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，當出現(xiàn)電機卡死時，可以保護電路和電機等。L298N有過電流保護功能，當出現(xiàn)電機卡死時，可以保護電路和電機等。所以我們選擇L298N。下圖為L298內(nèi)部圖：圖3.3：L298內(nèi)部原理圖L298各引腳功能，如下表。引腳功能1、15SEN1、SEN2分別為兩個H橋的電流反饋腳，不用時可以接地2、31Y1、1Y2輸出端，與對應(yīng)輸入端（IN1、IN2）同邏輯4VS驅(qū)動電壓，最小值需比輸入的低電平電壓高2.5V5、7IN1、IN2輸入端，TTL電平兼容6、11EN1、EN2使能端，低電平禁止輸出8GND地9VSS邏輯電源，4.5~7V10、12IN3、IN4輸入端，TTL電平兼容13、142Y1、2Y2輸出端，與對應(yīng)輸入端（IN3、IN4）同邏輯表3-3-1封裝引腳及功能驅(qū)動電機的運行，I/O端口狀態(tài)與電機制動對照表，如下。IN1IN2IN3IN4EN1EN2轉(zhuǎn)速101011正轉(zhuǎn)010111反轉(zhuǎn)111111停止000011停止XXXX00停止表3-3-2I/O端口狀態(tài)與電機制動對照表3.1.3電源模塊：我們選擇采用8.4v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:電源需要經(jīng)LM2940轉(zhuǎn)換成5v的獨立的穩(wěn)壓電源。綜合電源模塊的缺優(yōu)點，和電路的實際需求，我們采用了兩個變壓電源模塊，一塊給小車的電機驅(qū)動供電，一塊給小車的芯片供電，這樣彌補了單個獨立電源供電出現(xiàn)電力不足的情況。

4.程序4.1程序流程圖本設(shè)計系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序﹑定時子程序、電機驅(qū)動子程序﹑中斷子程序、顯示子程序﹑算法子程序構(gòu)成。主程序流程圖如圖2所示。其中：避障中斷服務(wù)子程序完成對超聲波探測器產(chǎn)生的外部中斷進行處理，如果超出預(yù)定的危險距離就左轉(zhuǎn)進行避障。在定時中斷服務(wù)子程序，完成定時與里程的計算。主程序流程圖如圖13所示。圖13程序流程圖5系統(tǒng)軟硬件調(diào)試5.1硬件調(diào)試超聲波距儀的制作為了使信號穩(wěn)定，最好給輸入電源加上一個濾波電路，會增加誤差，但總體來說不影響結(jié)果。在本次設(shè)計中，主控模塊是非常重要的部分，它不僅是本次設(shè)計的核心，在本次硬件調(diào)試中也遇到了問題，接上電源的時候，顯示屏不亮，沒有任何顯示，于是我做了如下的工作：(1)檢查電源是否通電；(2)編程使P1為低電平，檢查到P1輸出為低；(3)檢查P0口未接上拉電阻。5.2軟件調(diào)試硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為20cm～150cm，測距儀最大誤差不超過0.5cm。系統(tǒng)調(diào)試完后對各個距離進行多次測量，與預(yù)定值進行比較，對測量誤差進行多次實驗分析，不斷調(diào)節(jié)器件和修改程序使其達到實際使用的測量要求。5.3調(diào)試中遇到的問題在焊接過程中一些地方出現(xiàn)虛焊等接觸不良的問題，導(dǎo)致顯示不穩(wěn)定有閃爍。接線過程中用插針接線容易導(dǎo)致接線松動，沒接到或者接觸不良。環(huán)境問題:超聲波在空氣介質(zhì)的傳播過程中會有很大的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。一般情況下能測150cm，但是空氣介質(zhì)發(fā)生改變，如塵埃過多，導(dǎo)致紅外線強度降低，測量發(fā)生誤差，且測量距離變小。周圍有其他輻射源，并且強度很大時會影響測量結(jié)果。結(jié)論對所設(shè)計的電路進行測量、校準發(fā)現(xiàn)其測量范圍在20cm—150cm內(nèi)的平面物體做了多次測量發(fā)現(xiàn)，其最大誤差為0.5cm，且重復(fù)性好。該測距儀穩(wěn)定性比較高、靈敏度比較高。但是在檢測過程中會有一些不便的地方：1.測量時在超聲波測距儀和目標物體之間周沒有其它可阻擋的物體，由于是根據(jù)反射能量法，且發(fā)射功率有限，反射回來的聲波能量容易過低而無法采集，測距儀無法測量150cm外的物體。2.必須在干凈清新的空氣環(huán)境下測量，空氣中一旦塵埃過多，會最終影響計算距離的值。3.不能夠?qū)崿F(xiàn)不同溫度下的測距功能。4.因為超聲波是將空氣作為媒介所以受電磁干擾比較大。由上述的分析知，如果能夠干凈清新的空氣環(huán)境,穩(wěn)定的溫度下，無其它電磁干擾，阻擋的物體，能夠獲得較高的測量精度。參考文獻[1]毋茂盛，《單片機原理與開發(fā)》，高等教育出版社[2]計時鳴，《機電一體化控制技術(shù)與系統(tǒng)》，西安電子科技大學(xué)出版社[3]張曙光，《c語言程序設(shè)計》，人民郵電出版社[4]彭偉，《單片機C語言程序設(shè)計實訓(xùn)—基于8051+Proteus仿真》電子工業(yè)出版社

附錄附錄一相關(guān)程序#include<reg52.h>#include<intrins.h>#include<STDIO.H>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint /*DeclareSFRassociatedwiththePCA*/sfrCCON=0xD8;//PCAcontrolregistersbitCCF0=CCON^0;//PCAmodule-0interruptflagsbitCCF1=CCON^1;//PCAmodule-1interruptflagsbitCR=CCON^6;//PCAtimerruncontrolbitsbitCF=CCON^7;//PCAtimeroverflowflagsfrCMOD=0xD9;//PCAmoderegistersfrCL=0xE9;//PCAbasetimerLOWsfrCH=0xF9;//PCAbasetimerHIGHsfrCCAPM0=0xDA;//PCAmodule-0moderegistersfrCCAP0L=0xEA;//PCAmodule-0captureregisterLOWsfrCCAP0H=0xFA;//PCAmodule-0captureregisterHIGHsfrCCAPM1=0xDB;//PCAmodule-1moderegistersfrCCAP1L=0xEB;//PCAmodule-1captureregisterLOWsfrCCAP1H=0xFB;//PCAmodule-1captureregisterHIGHsfrPCAPWM0=0xf2;sfrPCAPWM1=0xf3; sbitRX=P1^0;sbitTX=P1^1;sbitpwm=P2^7;sbitINPUT1=P2^0;//p1^3sbitINPUT2=P2^1;sbitINPUT3=P2^2;//p1^4sbitINPUT4=P2^3;sbitENA=P2^4;sbitENB=P2^5;unsignedcharjd=0,count=0,joflag=0;//角度標識 unsignedinttime=0; unsignedinttimer=0; floatS=0;bitflag=0;/********************************************************/voidConut(void) { time=TH0*256+TL0; TH0=0; TL0=0; S=(time*1.87)/100;//算出來是CM// if(flag==1) //超出測量// {// flag=0;// printf("\n");// }//// printf("S=%f\n",S); }/********************************************************/voidDelay1ms() //@11.0592MHz{ unsignedchari,j; _nop_(); i=11; j=190; do { while(--j); }while(--i);}voiddelayms(unsignedintxms){ intxnum=0; for(;xnum<xms;xnum++) { Delay1ms(); }}voidDelay5us() //@11.0592MHz{ unsignedchari; _nop_(); _nop_(); _nop_(); i=10; while(--i);}voiddelayus5x(unsignedintxus){ while(xus--) { Delay5us(); }}/********************************************************/voidStartModule() //T1中斷用來800MS啟動模塊{ TX=1; //800MS啟動一次模塊 Delay5us(); Delay5us(); Delay5us(); Delay5us(); TX=0;}/****************************/*描述：PWM初始化函數(shù)/*功能：程序開始執(zhí)行部分/*輸入：左右兩個輪子的速度****************************/voidPWM_INIT(){ CCON=0; CL=0; CH=0; CMOD=0X00;//0x02 CCAP0H=CCAP0L=0XFF; CCAPM0=0X42; CCAP1H=CCAP1L=0XFF; CCAPM1=0X42; CR=1; }/****************************/*描述：PWM調(diào)速函數(shù)/*功能：程序開始執(zhí)行部分/*輸入：左右兩個輪子的速度****************************/voidmoto(intleft_speed,intright_speed){ if(left_speed>=255) left_speed=255; if(right_speed>=255) right_speed=255; CCAP0H=CCAP0L=(255-left_speed); CCAP1H=CCAP1L=(255-right_speed);}voiddianji(){INPUT1=1; INPUT2=0; INPUT3=1; INPUT4=0; ENA=1; ENB=1;}voidstop(){ INPUT1=1; INPUT2=0; INPUT3=1; INPUT4=0; ENA=0; ENB=0;}//voidduoji()//{//// TH0=0xff;//重新賦值// TL0=0x19;////if(count<jd)//判斷0.5ms次數(shù)是否小于角度標識//pwm=1;//確實小于，PWM輸出高電平//else//pwm=0;//大于則輸出低電平////count=(count+1);//0.5ms次數(shù)加1//count=count%80; //次數(shù)始終保持為40即保持周期為20ms////}voidjiaodu(unsignedcharnum){ unsignedintjdcount=0; for(;jdcount<400;jdcount++) { if(jdcount<=num) pwm=1; elsepwm=0; delayus5x(10); }}voidcheck(){ if(S<40)//檢測到障礙物 { if(joflag%2) //0 { jiaodu(2); } else { jiaodu(35); } joflag++; joflag%=200; delayms(1200); jiaodu(21); } else jiaodu(21); delayms(100);}/********************************************************/voidmain(void){ unsign