基于單片機(jī)的自動(dòng)避障小車設(shè)計(jì)課設(shè)

1、自控原理課程設(shè)計(jì)說明書基于單片機(jī)的自動(dòng)避障小車設(shè)計(jì)院系 航空航天工程學(xué)部（院） 專業(yè) 班號(hào) 學(xué)號(hào) 姓名 指導(dǎo)教師 沈陽航空航天大學(xué)2016 年 7 月沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 摘 要摘摘 要要本論文介紹了利用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)避障的設(shè)計(jì)，能在有障礙物的情況下判斷并能夠提前自動(dòng)躲避。自動(dòng)避障是基于自動(dòng)避障小車的機(jī)器人系統(tǒng)。課程設(shè)計(jì)中采用反射式超聲波傳感器采集外界信號(hào)，超聲波傳感器采集信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的外部中斷 0（INT0）引腳，再由單片機(jī)判斷是否有信號(hào)輸入，計(jì)算距離，從而控制電機(jī)，躲避障礙物。系統(tǒng)控制核心采用 STC89C52 單片機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用 L298N，利用直流電機(jī)的差

2、速行進(jìn)來控制避障小車的轉(zhuǎn)向，超聲波傳感器采用 HC-SR04 型。該技術(shù)可以應(yīng)用于兒童智能玩具開發(fā)、隧道或管道檢測(cè)，無人駕駛機(jī)動(dòng)車、無人工廠、倉庫、服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域，而且該技術(shù)較易實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單，可以大大方便人們的日常生活并產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)收益。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 超聲波模塊 自動(dòng)避障 單片機(jī) STC89C52 沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 目錄目目 錄錄第第 1 1 章章 引言引言l 1.l 研究背景1 1.2 本設(shè)計(jì)任務(wù)和主要內(nèi)容1第第 2 2 章章 總體方案總體方案2 2.1 總體方案概述2 2.2 設(shè)計(jì)思路2 2.3 總體電路原理圖3第第 3 3 章章 各模塊功能介紹各模塊功能介紹43.1 障礙

3、物測(cè)距系統(tǒng)43.2 驅(qū)動(dòng)模塊53.3 電源模塊63.4 主控模塊7第第 4 4 章章 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)94.1 程序設(shè)計(jì)流程圖94.2 關(guān)鍵子程序設(shè)計(jì)10 4.2.1 PWM 產(chǎn)生原理及程序設(shè)計(jì)10 4.2.2 超聲波接收與發(fā)送程序設(shè)計(jì)13 4.2.3 距離計(jì)算程序設(shè)計(jì)13第第 5 章章 設(shè)計(jì)安裝與調(diào)試設(shè)計(jì)安裝與調(diào)試15 5.l 小車的設(shè)計(jì)與安裝155.2 小車調(diào)試155.3 調(diào)試中遇到的問題16第第 6 章章 總總結(jié)結(jié)19參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 20沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 目錄附錄附錄 21沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 1 章 引言1第第 1 1 章章 引引 言言本課程設(shè)計(jì)是以 ST

4、C89C52 單片機(jī)為控制核心，該單片機(jī)具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)且應(yīng)用廣泛。超聲波傳感器檢測(cè)小車與障礙物之間的距離，單片機(jī)對(duì)障礙物位置信息進(jìn)行判斷，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的規(guī)則及障礙物當(dāng)前位置信息輸出 PWM 波控制電機(jī)轉(zhuǎn)彎、調(diào)速完成避障。外加路面障礙物感測(cè)模塊HC-SR04超聲波傳感器完成對(duì)前方路面情況的實(shí)時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)小車到障礙物的距離并把所采集的信息傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)前方路面情況做出恰當(dāng)?shù)奶幚?，進(jìn)而控制小車的行駛。 1.1 研究背景研究背景 自主式移動(dòng)機(jī)器是人們對(duì)機(jī)器人智能化程度要求不斷提高的必然產(chǎn)物。它需要電子信息、計(jì)算機(jī)、智能控制等很多知識(shí)的支持。隨著近幾年年來現(xiàn)代通信技術(shù)和信息處理

5、技術(shù)的快速發(fā)展，使得自主式移動(dòng)機(jī)器人不再局限于實(shí)驗(yàn)室和軍事應(yīng)用領(lǐng)域，它己經(jīng)越來越普及到人們的日常生活和工作環(huán)境中.在環(huán)境未知的情況下，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航定位和路徑規(guī)劃是目前研發(fā)移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)基本并且重要的問題，是移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境中鎖定目標(biāo)完成任務(wù)的前提條件。機(jī)器人在行走和探索的過程中，為避免造成機(jī)器人本體的損壞以及設(shè)備的損壞，使機(jī)器人無論在什么環(huán)境下都能夠正常工作，避障行為是必不可少的。現(xiàn)實(shí)作業(yè)環(huán)境要求機(jī)器人的定位與避障技術(shù)能夠適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境，完成更精確任務(wù)。在未知環(huán)境中，傳統(tǒng)的機(jī)器人避障技術(shù)往往適應(yīng)能力差，實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性不高，無法達(dá)到預(yù)期效果。采用超聲波測(cè)距技術(shù)，有效地解決了機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)

6、境中的實(shí)時(shí)避障問題并且提高了定位的準(zhǔn)確性，為自主移動(dòng)機(jī)器人的研究與應(yīng)用提供了一種有效的技術(shù)手段。美國斯坦福國際研究所的 Nils Nilssen 和 Charles Rosen 等人，在 1969 年至1972 年研制了移動(dòng)式機(jī)器人 Shakey。該機(jī)器人安裝了攝像機(jī)、測(cè)距傳感器、力學(xué)傳感器等器件，具有自主移動(dòng)和路徑規(guī)劃的功能。由于多傳感器的復(fù)雜程度較高，且當(dāng)時(shí)處理器的速度低，使機(jī)器人的環(huán)境探測(cè)與路徑規(guī)劃的連線性很差。沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 1 章 引言21970 年前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)的自主駕駛的月球車駛?cè)朐虑?，?biāo)志著移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)入航天領(lǐng)域的應(yīng)用。在上世紀(jì) 90 年代，電子信息技術(shù)突飛猛進(jìn)

7、，使移動(dòng)機(jī)器人的感知能力以及決策能力相應(yīng)的得到了質(zhì)的提高。從而使移動(dòng)機(jī)器人開始由實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)充到人們的各個(gè)生活工作領(lǐng)域，向?qū)嵱没裼没l(fā)展。在 1994 年 4 月，美國宇航局資助研制了“丹蒂 II”移動(dòng)機(jī)器人?？茖W(xué)家為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程探險(xiǎn)任務(wù)，研制了一種八足行走方式?？蒲腥藛T使機(jī)器人的衛(wèi)星通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)連接，然后他們通過網(wǎng)絡(luò)控制和監(jiān)視該機(jī)器人的行動(dòng)。機(jī)器人“索杰納”在 1997 年成功登上火星。索杰納是在火星上真正從事科學(xué)考察工作的第一臺(tái)機(jī)器人車輛，它是一輛自主式的機(jī)器人車輛，同時(shí)又可從地面對(duì)它進(jìn)行遙控。索杰納能夠敏捷迅速的在火星表面躲避障礙物和按計(jì)劃移動(dòng)。研發(fā)實(shí)力領(lǐng)先全球的美國宇航局目前正在

8、開發(fā)月球采礦機(jī)器人“RASSOR,該機(jī)器人可以通過機(jī)械手臂在月球上行走，攀爬以及鉆井挖掘。美國宇航局的設(shè)計(jì)初衷是通過機(jī)器人挖掘月球表面的水和冰的成分來轉(zhuǎn)化為火箭使用燃料或宇航員呼吸的空氣，但目前看來機(jī)器人有能力采集更多月球上的土壤或礦物質(zhì)。按照計(jì)劃，該機(jī)器人 2014 年就將正式開展測(cè)試。2008 年的美國大片機(jī)器人總動(dòng)員講述的機(jī)器人太空作業(yè)后將物質(zhì)運(yùn)回地球這樣的場(chǎng)景，也許在幾年內(nèi)就會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等科技發(fā)展，科技進(jìn)步改變著人們的生活方式。移動(dòng)機(jī)器人的使用場(chǎng)合越來越多。移動(dòng)機(jī)器人不再只局限于特殊行業(yè)，開始走向家庭、娛樂場(chǎng)所、醫(yī)院、車間等人們的日常生活工作環(huán)境。2002 年美

9、國 iRobot 公司正式開啟家用機(jī)器人市場(chǎng)，推出經(jīng)濟(jì)實(shí)用的 iRobot 機(jī)器人吸塵器。吸塵器能夠自主在室內(nèi)移動(dòng)躲避家居障礙。因此，不論是在高尖端行業(yè)還是日常民用產(chǎn)業(yè)，對(duì)智能自主式移動(dòng)機(jī)器人的研究己成為了國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。1.2 本設(shè)計(jì)任務(wù)和主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)任務(wù)和主要內(nèi)容 本設(shè)計(jì)是對(duì)以單片機(jī) STC89C52 為核心的系統(tǒng)根據(jù)超聲波感測(cè)模塊傳輸?shù)那胺铰访嫘畔⒖刂菩≤囆旭傋呦虻能?、硬件設(shè)計(jì)開發(fā)。系統(tǒng)要能夠做到準(zhǔn)確及時(shí)監(jiān)測(cè)前方路面信息并傳輸給主控模塊，做到根據(jù)前方路面信息及時(shí)調(diào)整小車的走向，實(shí)現(xiàn)及時(shí)避開障礙物的功能。 沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 1 章 引言3主要內(nèi)容是： 感測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

10、路面情況并及時(shí)傳輸給單片機(jī)； 單片機(jī)核心模塊根據(jù)感測(cè)模塊給予的信息控制小車四電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)； 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)四電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向與行走。 沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 2 章 總體方案4第第 2 2 章章 總體方案總體方案2.1 總體方案概述總體方案概述 本小車使用 STC89C52 單片機(jī)作為主控芯片，它通過超聲波測(cè)距來獲取小車距離障礙物的距離，當(dāng)接收到回波信號(hào)時(shí)計(jì)算小車與障礙物的距離，若距離大于80cm 時(shí)，小車會(huì)沿直線前進(jìn)，若計(jì)算得小車與障礙物的距離小于 80cm，則小車轉(zhuǎn)彎以避開障礙物，在避開障礙物后，使小車會(huì)沿直線前進(jìn)。原理框圖如圖 2.1所示。圖 2.1 原理框圖2.2 設(shè)計(jì)思路

11、設(shè)計(jì)思路本次設(shè)計(jì)中將小車主要分為三部分，分別為主控電路、控制電路、感測(cè)電路和電源電路。其中主控電路即直流電機(jī) PWM 控制模塊主要由 STC89C52 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、減速以及轉(zhuǎn)彎，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STC89C52 單片機(jī)產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號(hào)并輸入到 L298N 驅(qū)動(dòng)芯片來控制直流電機(jī)工作的?？刂齐娐分饕?STC89C52 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)部分主要由直流電機(jī)和 L298N 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。感測(cè)電路主要由超聲波探測(cè)傳感器構(gòu)成。電源電路由一塊 7

12、.4V 鋰離子電池與LM1117-5 芯片組成的穩(wěn)壓電路構(gòu)成，最終輸出為 5V 穩(wěn)定電壓。2.3 總體電路原理圖總體電路原理圖本原理圖 2.2 中分為四個(gè)模塊分別為穩(wěn)壓源模塊、超聲波模塊、主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊，其中超聲波模塊是自行設(shè)定的虛擬超聲波元件，只起到形象示意作用。沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 2 章 總體方案5VI1VO3GND2U17805XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.0/T21P

13、1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U2AT89C52C1104C2104C3220uF/16VC447uF/16VD1DIODEIN15IN27ENA6OUT12OUT23ENB11OUT313OUT414IN310IN412SENSA1SEN

14、SB15GND8VS4VCC9U3L298VCCVccGNDTXRX超聲波模塊圖 2.2 電路原理圖沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 3 章 各模塊功能介紹6第第 3 3 章章 各模塊功能介紹各模塊功能介紹3.1 障礙物測(cè)距系統(tǒng)障礙物測(cè)距系統(tǒng)方案 1：使用超聲波探測(cè)器 超聲波探測(cè)器探測(cè)距離遠(yuǎn)，測(cè)距方便，價(jià)格合理，程序?qū)崿F(xiàn)較容易。 方案 2：使用光電對(duì)管探測(cè)光電對(duì)管價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，但探測(cè)距離太近（一般不超過 3cm），使得小車必須制動(dòng)迅速。而我們由于采用普通直流電機(jī)作為原動(dòng)力，制動(dòng)距離至少需要 10cm。因此不采取這一方案。探測(cè)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(biāo)發(fā)射超聲波

15、脈沖，計(jì)算其往返時(shí)間來判定距離的。算法簡單，價(jià)格合理因此我們選擇方案一。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 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)通過軟件開始計(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產(chǎn)生一個(gè)回應(yīng)信號(hào)并通過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 3.1 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：，通過單片機(jī)來算出距離。2tvS沈陽

16、航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 3 章 各模塊功能介紹7圖 3.1 超聲波測(cè)距原理沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 3 章 各模塊功能介紹83.2 驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)模塊此模塊的主要作用的驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，讓直流電機(jī)有足夠的動(dòng)力。方案 1：使用分立原件搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。使用分立原件搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路造價(jià)低廉，在大規(guī)模生產(chǎn)中使用廣泛。但分立原件 H 橋電路工作性能不夠穩(wěn)定，響應(yīng)太慢且電流太小，較易出現(xiàn)硬件上的故障，故放棄了這一方案。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

17、；H 橋電路保證了可以簡單地實(shí)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(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。L298N 有過電流保護(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。經(jīng)比較之后最終選定為方案二。L298 內(nèi)部圖如圖 3.2 所示。圖 3.2 L298 內(nèi)部原理圖沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 3 章 各模塊功能介紹9L298 各引腳功能，如下表 3.1 所示。表 3.1 封裝引腳及功能引腳功能1、15SEN1、SEN2分別為兩個(gè) H 橋的電流反饋腳，不用時(shí)可以接地2、31Y1、1Y2輸出端，與對(duì)應(yīng)輸入端（IN1、IN2）同邏輯4VS驅(qū)動(dòng)電壓，最小值需比輸入的低電平電壓高 2.5

18、V5、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(duì)應(yīng)輸入端（IN3、IN4）同邏輯驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行，I/O 端口狀態(tài)與電機(jī)制動(dòng)對(duì)照表，如下表 3.2 所示。表 3.2 I/O 端口狀態(tài)與電機(jī)制動(dòng)對(duì)照表IN1IN2IN3IN4EN1EN2轉(zhuǎn)速101011正轉(zhuǎn)010111反轉(zhuǎn)111111停止000011停止XXXX00停止3.3 電源模塊電源模塊方案 1：采用干電池組進(jìn)行供電 采用四節(jié)干電池降壓至 5V 后給單片機(jī)及其他各模塊供電。但由于

19、電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要比較大的電流，所以采用干電池供電使用的周期不能很長，實(shí)用性不太好。故放棄了這一方案。 沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 3 章 各模塊功能介紹10方案 2：采用可充電鋰離子電池供電 采用可充電鋰離子電池(2S)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊供電，其它采用鋰離子電池經(jīng)LM1117-5 穩(wěn)壓后供電。2S 鋰離子電池不僅重量輕，而且供電的時(shí)間長而穩(wěn)定，功率很足，況且該小車負(fù)重能力較好，所以采用此方案完全可行。故采用了此方案。 其原理圖如下圖所示：圖 3.3 穩(wěn)壓模塊原理圖3.4 主控模塊主控模塊單片機(jī)我們選擇了 STC89C52 作為主控芯片，課堂上我們學(xué)習(xí)的是 8051 單片機(jī)，但實(shí)際應(yīng)用中現(xiàn)在我們

20、是不會(huì)再用 8051 單片機(jī)了。學(xué)習(xí) 8051 單片機(jī)是學(xué)習(xí)一種方法，學(xué)習(xí)單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，指令。現(xiàn)在單片機(jī)種類繁多，各有各的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合具體情況恰當(dāng)選擇單片機(jī)型號(hào)也是非常重要的，在此系統(tǒng)中采用STC89C52 為主控模塊芯片，選此芯片的理由是：(1)與 MCS-51 單片機(jī)完全兼容：指令兼容，引腳兼容；(2)超強(qiáng)抗干擾能力：電源、I/O 接口、時(shí)鐘均有抗干擾措施；(3)高可靠性： 寬電壓范圍，不怕電源波動(dòng) 5V 產(chǎn)品 3.4V6V，； 寬溫度范圍：4085；(4)超低功耗： 掉電模式典型功耗：1uA，可由外中斷喚醒； 空閑模式典型功耗：2mA； 正常工作典型功耗: 4 mA7 mA； (5)可

21、在線編程，節(jié)約投資； 沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 3 章 各模塊功能介紹11(6)強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，無論灌電流還是拉電流，均優(yōu)于 MCS-51 單片機(jī)； (7)高速度，最高晶振達(dá)到 90MHZ; (8)內(nèi)部資源更豐富，與 MCS-51 單片機(jī)相比增加了： T2 定時(shí)/計(jì)數(shù)器； 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 增加了 18 倍； 自帶 A/D 和 PWM； 有 P4 口；其引腳圖如下圖 3.4 所示。圖 3.4 單片機(jī)引腳圖沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 4 章 軟件設(shè)計(jì)12 第第 4 4 章章 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)4.1 程序設(shè)計(jì)流程圖程序設(shè)計(jì)流程圖本設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序定時(shí)計(jì)數(shù)子程

22、序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序中斷子程序、算法子程序構(gòu)成。在主程序中進(jìn)行定時(shí)器的初始化，以及外部中斷判斷，當(dāng)沒有外部中斷輸入時(shí) T0 定時(shí)器計(jì)數(shù)直到有外部中斷輸入時(shí)停止，此時(shí)調(diào)用距離計(jì)算子程序判斷小車與障礙物距離是否小于 80cm，若小于則減小 PWM 占空比使小車轉(zhuǎn)彎，反之則正常行駛。主程序流程圖如圖 4.1 所示。圖 4.1 主程序流程圖沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 4 章 軟件設(shè)計(jì)13U(t)0tTt0U4.2 關(guān)鍵子程序設(shè)計(jì)關(guān)鍵子程序設(shè)計(jì)4.2.1 PWM 產(chǎn)生原理及程序設(shè)計(jì)產(chǎn)生原理及程序設(shè)計(jì)隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展傳統(tǒng)的模擬和數(shù)字電路已被大規(guī)模集成電路所取代，這就使得數(shù)字調(diào)制技術(shù)成為可能。目

23、前，在該領(lǐng)域中大部分應(yīng)用的是數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)。電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣傳動(dòng)發(fā)展的主要方向之一。采用微機(jī)控制后，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，并且結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、操作維護(hù)方便,電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平，靜動(dòng)態(tài)各項(xiàng)指標(biāo)均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動(dòng)的要求。下面主要介紹直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的算法實(shí)現(xiàn)。根據(jù) PWM 控制的基本原理可知，一段時(shí)間內(nèi)加在慣性負(fù)載兩端的 PWM 脈沖與相等時(shí)間內(nèi)沖量相等的直流電加在負(fù)載上的電壓等效，那么如果在短時(shí)間 T 內(nèi)脈沖寬度為,幅值為 U，由圖 4.2 可求得此時(shí)間內(nèi)脈沖的等效直流電壓為0t圖 4.2 PWM 脈沖，若令

24、，即為占空比，則上式可化為： TUtU00Tt0(U 為脈沖幅值)UU0若 PWM 脈沖為如圖 4.3 所示周期性矩形脈沖，那么與此脈沖等效的直流電壓的計(jì)算方法與上述相同，即 （為矩形脈沖占空比） UTUtnTUntU000沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 4 章 軟件設(shè)計(jì)14U(t)0tTt0U2T2t03T3t04t0nT (n+1)t0圖 4.3 周期性 PWM 矩形脈沖要改變等效直流電壓的大小，可以通過改變脈沖幅值 U 和占空比來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中脈沖幅值一般是恒定的，所以通常通過控制占空比的大小實(shí)現(xiàn)等效直流電壓在 0U 之間任意調(diào)節(jié)，從而達(dá)到利用 PWM 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流

25、電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。PWM 產(chǎn)生程序在定時(shí)器 T2 中斷中實(shí)現(xiàn)，每次進(jìn)入中斷時(shí) PWM 脈沖計(jì)數(shù)變量click 自加，然后與設(shè)定的占空比 ZK1、ZK2 進(jìn)行比較，控制單片機(jī)相應(yīng)引腳的輸出電壓，從而控制驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。該超聲波避障小車的 PWM 程序流程圖如圖 4.4 所示。沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 4 章 軟件設(shè)計(jì)15圖 4.4 PWM 產(chǎn)生程序流程圖沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 4 章 軟件設(shè)計(jì)164.2.2 超聲波的發(fā)射與接收程序設(shè)計(jì)超聲波的發(fā)射與接收程序設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射與接收程序在定時(shí)器 T1 中斷中實(shí)現(xiàn)，設(shè)置定時(shí)器初值，每進(jìn)入一次中斷變量 timer 自加一次

26、，當(dāng) timer 大于 200 時(shí)，發(fā)送脈沖使超聲波模塊接收回波。程序框圖如下圖 4.5 所示。圖 4.5 超聲波發(fā)射接收程序流程圖4.2.3 距離計(jì)算程序距離計(jì)算程序超聲波測(cè)距的基本方法是 TOF (time of flight)渡越時(shí)間測(cè)量法。它的基本原理是:脈沖信號(hào)激勵(lì)超聲波發(fā)射器向外發(fā)射超聲波。當(dāng)發(fā)射的超聲波碰到障礙物時(shí)，會(huì)被反射。當(dāng)反射的聲波被超聲波接收器接收到，停止計(jì)時(shí)。根據(jù)發(fā)射與接收的時(shí)間差與超聲波的傳播速度來計(jì)算被測(cè)物體的距離。距離計(jì)算程序是通過調(diào)用計(jì)數(shù)器 T0 中所計(jì)的數(shù)值來進(jìn)行計(jì)算的，距離計(jì)算公式為。程序流程圖如圖 4.7 所示。2tvS沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第

27、4 章 軟件設(shè)計(jì)17圖 4.7 距離計(jì)算程序流程圖沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 5 章 制作安裝與調(diào)試18第第 5 5 章章 制作安裝與調(diào)試制作安裝與調(diào)試5.1 小車的設(shè)計(jì)與安裝小車的設(shè)計(jì)與安裝本設(shè)計(jì)中使用的小車為四個(gè)完全相同的小功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的小車，采用兩邊電機(jī)差速轉(zhuǎn)向并且可以正反轉(zhuǎn)，左邊兩個(gè)電機(jī)和右邊兩個(gè)電機(jī)分別采用同一路PWM 信號(hào)控制，但是該類電機(jī)機(jī)械特性比較鈍，內(nèi)部摩擦力矩較大，所以小車在開始接通電源時(shí)電機(jī)需要等候片刻才能達(dá)到初始速度。供電電源采用 7.4V(2S)鋰離子電池，該電池續(xù)航力比較強(qiáng)。驅(qū)動(dòng)元件采用響應(yīng)速度快、輸出電流較大的L298N 驅(qū)動(dòng)。安裝完成的小車如圖 5.

28、1 所示。圖 5.1 小車安裝完成圖5.2 小車調(diào)試小車調(diào)試小車完成安裝工作后，需要做一系列檢查調(diào)試工作如下:(1)先連接各個(gè)模塊，電池連接穩(wěn)壓模塊，將其穩(wěn)壓輸出的 5V 電壓供給單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及超聲波模塊。尤其注意正負(fù)極的正常連接，防止短接燒壞元器沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 5 章 制作安裝與調(diào)試19件；(2)連接完成后，打開電源開關(guān)，觀察穩(wěn)壓模塊、單片機(jī)等部件的 LED 指示燈是否全亮，如若有不亮的，則要重新檢查供電是否正常；(3)電路連接完畢后，此時(shí)將 L298N 上控制信號(hào)直接連 5V 電壓，觀察四個(gè)電機(jī)是否可以正常轉(zhuǎn)動(dòng)，若有電機(jī)不轉(zhuǎn)或者卡死現(xiàn)象，則要再次檢查電路，并且檢查

29、電機(jī)是否存在接觸不良等問題；(4)全車檢查完成后，軟件調(diào)試時(shí)先用 KEIL 軟件編譯程序檢查程序是否有錯(cuò)誤，然后再將程序燒錄進(jìn)入芯片，觀察小車的運(yùn)行情況。然后再將占空比相等的兩路 PWM 信號(hào)程序燒錄入單片機(jī)，打開電源，觀察小車是否可以直道行駛；(5)確定小車可以直道行駛后，此時(shí)就要進(jìn)入小車的功能調(diào)試。先確定小車的超聲波模塊探測(cè)到障礙物是的最大轉(zhuǎn)彎距離，然后調(diào)節(jié)小車兩路 PWM 信號(hào)的占空比，是小車能夠在給定的距離內(nèi)安全轉(zhuǎn)彎并繞過障礙物。5.3 調(diào)試中遇到的問題調(diào)試中遇到的問題在調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題主要有以下幾個(gè)方面：(1)小車前進(jìn)過程中突然停止，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是由于電機(jī)機(jī)械特性較差所致。 (2)小車

30、在遇到前方障礙物時(shí)未能轉(zhuǎn)彎，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是由于程序中所寫的轉(zhuǎn)彎距離裕量太小，轉(zhuǎn)彎時(shí)小車行駛速度過慢導(dǎo)致的，增大裕量及小車轉(zhuǎn)彎速度后小車能夠及時(shí)轉(zhuǎn)彎。(3)小車在轉(zhuǎn)彎過程中電機(jī)卡死，經(jīng)檢查時(shí)由于差速轉(zhuǎn)彎時(shí)兩邊電機(jī)的速度相差過大引起，減小速度差即可。沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 6 章 總結(jié)20總結(jié)總結(jié)歷時(shí)兩周的課程設(shè)計(jì)過程轉(zhuǎn)眼就結(jié)束了，從最初的上網(wǎng)查資料，到在實(shí)驗(yàn)室安裝小車并且設(shè)計(jì)小車的布局，再到修改程序調(diào)試小車。一步步走過來，我也收獲了很多。在安裝小車過程中，我發(fā)現(xiàn)要是小車能夠運(yùn)行得更好且能夠經(jīng)受長時(shí)間的調(diào)試過程，必須使用能夠充電的蓄電池而不是干電池，用到蓄電池就需要穩(wěn)壓模塊。在調(diào)試過程中

31、，發(fā)現(xiàn)單片機(jī)燒錄入程序后電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是因?yàn)轵?qū)動(dòng)芯片 L298N 的使能端未接高電平，接入后小車正常行駛。通過這些調(diào)試，提高了我檢查電路的能力，以及鞏固了電路的知識(shí)。通過這樣的設(shè)計(jì)，提高了我的動(dòng)手能力。每天在實(shí)驗(yàn)室除了安裝元器件，還可以上機(jī)編程，使我軟件調(diào)試知識(shí)也提高了。最后，我要感謝在課設(shè)過程中老師們和同學(xué)們給予我的無私幫助，使我能夠快速順利地完成本次課程設(shè)計(jì)所要求的各項(xiàng)任務(wù)。沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 參考文獻(xiàn)21參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 安巖.自動(dòng)循跡智能小車的設(shè)計(jì). 蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版)，2010，23（1）：72-75.2 高振東等. 直流電機(jī) PWM 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng).

32、 信息空間, 1999. 04.3 李華. MCS-51 系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù). 北京航空航天大學(xué)出版社. 2002.14 李揚(yáng), 張喜驗(yàn). MCS-51 單片機(jī)在直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用. 山東科學(xué), 2006.19（5）, 92-95.5 ST. L298N 數(shù)據(jù)手冊(cè)DB/OL. 2000-7-1/2008-5-9.6 沙占友. 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)M. 北京：電子工業(yè)出版社, 2003：21.7 泰繼榮. 現(xiàn)代直流控制技術(shù)及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993：141-145.8 李杰. 51 系列單片機(jī)輸出 PWM 的兩種方法DB/DL. 2002-2-14/2008-5

33、-9.9 9 孫傳友. 測(cè)控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)M .北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2003：160166，174.10 王兆安. 電力電子技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2006：150152.11 潘松，黃繼業(yè). EDA 技術(shù)實(shí)用教程M. 北京：科學(xué)出版社, 2003：33.沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 參考文獻(xiàn)22附錄附錄1.1.源程序源程序#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intunsigned char i;sbit trig = P10; /觸發(fā)信號(hào)引腳sbit echo = P32;sb

34、it PWM1 = P01; /pwm 信號(hào)輸出 sbit PWM2 = P03;static char click = 0; unsigned char ZK1,ZK2;unsigned int time = 0;unsigned int timer = 0;unsigned long S;bit flag = 0;void Conut(void)time = TH0*256+TL0;TH0 = 0;TL0 = 0;S=(time*1.5)/100; void delay_1(void) /誤差 0us沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 參考文獻(xiàn)23 unsigned char a,b; for(b=215;b0;b-) for(a=45;a0;a-);void Time