智能避障小車課程設計報告書

1、.wd.wd.wd.光機電一體化課程設計 題目： 智能超聲波避障小車 院別： 機電學院 專業(yè)： 機械電子工程師范 姓名： 路小娃學號：2013095444026同組人員： 謝嘉玲 歐嘉興指導教師： 楊 永日 期： 2016年6月16日 智能超聲波避障小車摘要本設計主要有三個模塊包括信號檢測模塊、主控模塊、電機驅動模塊。信號檢測模塊采用超聲波測距模塊，用以對有無障進展檢測。主控電路采用宏晶公司的8051核心的STC89C52單片機為控制芯片。電機驅動模塊采用意法半導體的L298N專用電機驅動芯片，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STC8

2、9C52單片機，經單片機處理過后對L298N發(fā)出指令進展相應的調整。我們設計的小車已經實現(xiàn) 基本的避障功能。關鍵詞：智能避障小車，STC89C52單片機，L298N驅動芯片，信號檢測模塊，避障目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc3072 摘要 PAGEREF _Toc3072 2 HYPERLINK l _Toc32077 目錄 PAGEREF _Toc32077 3 HYPERLINK l _Toc27417 1課程設計內容 PAGEREF _Toc27417 4 HYPERLINK l _Toc10061 1.1工程研究的背景及意義 PAGEREF _Toc10

3、061 4 HYPERLINK l _Toc16858 1.2應用場合和功能： PAGEREF _Toc16858 4 HYPERLINK l _Toc9443 1.3工程主要研究內容 PAGEREF _Toc9443 4 HYPERLINK l _Toc17189 2總體方案論述 PAGEREF _Toc17189 6 HYPERLINK l _Toc13306 2.1總體方案 PAGEREF _Toc13306 6 HYPERLINK l _Toc22942 2.2總體功能及性能指標 PAGEREF _Toc22942 6 HYPERLINK l _Toc12156 2.2.1總體功能 P

4、AGEREF _Toc12156 6 HYPERLINK l _Toc3061 2.2.2總體電路原理圖 PAGEREF _Toc3061 6 HYPERLINK l _Toc1281 2.3系統(tǒng)方案的比較與確定 PAGEREF _Toc1281 7 HYPERLINK l _Toc13410 2.3.1系統(tǒng)方案的比較 PAGEREF _Toc13410 7 HYPERLINK l _Toc17631 2.3.2系統(tǒng)方案確實定 PAGEREF _Toc17631 7 HYPERLINK l _Toc11516 2.4最終實物圖 PAGEREF _Toc11516 8 HYPERLINK l _

5、Toc1945 3硬件電路的設計 PAGEREF _Toc1945 9 HYPERLINK l _Toc24535 3.1硬件系統(tǒng)的 基本構造 PAGEREF _Toc24535 9 HYPERLINK l _Toc31756 3.1.1障礙物測距系統(tǒng)： PAGEREF _Toc31756 9 HYPERLINK l _Toc24849 3.1.2驅動模塊： PAGEREF _Toc24849 10 HYPERLINK l _Toc19404 3.1.3電源模塊： PAGEREF _Toc19404 12 HYPERLINK l _Toc10796 4.程序 PAGEREF _Toc10796

6、 13 HYPERLINK l _Toc12167 4.1 程序流程圖 PAGEREF _Toc12167 13 HYPERLINK l _Toc2417 5系統(tǒng)軟硬件調試 PAGEREF _Toc2417 14 HYPERLINK l _Toc7023 5.1 硬件調試 PAGEREF _Toc7023 14 HYPERLINK l _Toc11567 5.2軟件調試 PAGEREF _Toc11567 14 HYPERLINK l _Toc27636 5.3 調試中遇到的問題 PAGEREF _Toc27636 14 HYPERLINK l _Toc12808 結 論 PAGEREF _T

7、oc12808 14 HYPERLINK l _Toc32087 參考文獻 PAGEREF _Toc32087 15 HYPERLINK l _Toc5302 附錄 PAGEREF _Toc5302 16 HYPERLINK l _Toc11492 附錄一 相關程序 PAGEREF _Toc11492 16 HYPERLINK l _Toc10988 附錄二 使用元器件一覽表 PAGEREF _Toc10988 23 HYPERLINK l _Toc30922 附錄三 心得 PAGEREF _Toc30922 241課程設計內容1.1工程研究的背景及意義智能作為現(xiàn)代社會的新產物，是以后的開展方

8、向，他可以按照預先設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，便可以完成預期所要到達的或是更高的目標。本設計主要表達多功能小車的智能模式，設計中的理論方案、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計與普及有一定的參考意義。同時小車可以作為玩具的開展對象，為中國玩具市場技術含量的缺乏進展一定的 彌補，實現(xiàn)經濟收益，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，測量精度也能到達實用的要求，在未來汽車智能化進程中必將得到廣泛應用。我國作為一個世界大國，在高科技領域也必須占據

9、一席之地，未來汽車的智能化是汽車產業(yè)開展必然的，在這種情況下研究超聲波在智能車避障上的應用具有深遠意義，這將對我國未來智能汽車的研究在世界高科技領域占據領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計就能表達出它的作用。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響，汽車就會自動減速或?？坑诼愤?。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。 這樣的小車在科學考察探測車上也有廣闊的應用

10、前景，在科學考察中，有 很多不安全且人們無法涉足的地方，這時，智能科學考察車就能夠派上用場，在 它上面裝上攝像機，代替人們進展許多無法進展的工作。1.2應用場合和功能： 應用場合：智能小車是一種能夠通過編程手段完成特定任務的小型化機器人，它具有制作成本低廉，電路構造簡單，程序調試方便等優(yōu)點。由于具有很強的趣味性，智能小車深受廣闊機器人愛好者以及高校學生的喜愛。同時在玩具的應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，小車轉彎

11、以避開障礙物。在避開障礙物后，小車會沿直線前進。1.3工程主要研究內容本設計題目為智能避障小車設計，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，驅動電機工作，小車正常前進，當小于30cm時，舵時機承受到單片機的信號，小車采取相應的避障措施。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，在經過屢次發(fā)射之后再回到超聲波檢測端口會產生較嚴重的路程差，從而影響對距離的檢測進而影響對障礙物的較準確定位。通過軟件內部校準優(yōu)化消除外部物理條件造成的誤差從而到達對障礙物的較準確定位。2總體方

12、案論述2.1總體方案方案小車使用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不安全距離時，小車會沿直線前進，當小車與障礙物的距離小于不安全距離時，小車轉彎以避開障礙物。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設計超聲波模塊測

13、距，STC12C5A60S2單片機作為主控模塊；2設定報警閾值設定30CM，可用鍵盤調整閾值)，小車通過舵機工作來實現(xiàn)轉彎避障；3利用STC12C5A60S2的P1口AD轉換功能，超聲波模塊測量距離。2.方案二1紅外測距器的系統(tǒng)設計，STC12C5A60S2單片機作為主控模塊；2用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數字顯示，紅外驅動信號用單片機的定時器完成；3單片機使用P1.0端口輸出超聲波轉化器所需的40KHz方波信號ISD1820語音播放距離，并用LED數字顯示顯示其距離值。2.3.2系統(tǒng)方案確實定我們小組考慮到，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)點是廉

14、價，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。三者經過相互比較，從經濟和我們所學的知識考慮。所以我們最終選擇方案一。2.4最終實物圖3硬件電路的設計3.1硬件系統(tǒng)的 基本構造該智能車系統(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，電機驅動模塊和顯示模塊。其主要組成構圖如下：數據數據數據數據超聲波單片機STC12C5A60S2單片機STC12C5A60S2控制數據舵機控制數據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

15、點：測量范圍小，對天氣變化敏感。不能直接測量距離，算法復雜，處理速度慢。方案二：紅外測距 優(yōu)點：廉價，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場計時，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生一個回

16、應信號并通過ECHO腳反響給單片機，此時單片機就立即停頓計時。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驅動模塊：方案一：采用ULN2003驅動，它是由7組達林頓晶體管陣列和相應的電阻網絡以及鉗位二極管網絡構成,具有同時驅動7組負載的能力，一般用于高速大功率驅動電路。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的開關狀態(tài)，準確調整電機轉速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，

17、那么效率非常高；H橋電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉速和方向的控制，電子開關的速度很快，穩(wěn)定性也很高。而且它有更強的驅動能力。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。以以下圖為L298內部圖：圖3.3：L298內部原理圖L298各引腳功能，如下表。引腳功能1、15SEN1、SEN2分別為兩個H橋的電流反響腳，不用時可以接地2、31Y1、1Y2輸出端，與對應輸入端IN1、IN2同邏輯4VS驅動電壓，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、11

18、EN1、EN2使能端，低電平制止輸出8GND地9VSS邏輯電源，4.57V10、12IN3、IN4輸入端，TTL電平兼容13、142Y1、2Y2輸出端，與對應輸入端IN3、IN4同邏輯表3-3-1 封裝引腳及功能驅動電機的運行，I/O端口狀態(tài)與電機制動對照表，如下。IN1IN2IN3IN4EN1EN2轉速101011正轉010111反轉111111停頓000011停頓XXXX00停頓表3-3-2 I/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LM2940轉換成5v的獨立的穩(wěn)壓電源。綜合電源模塊的

19、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)電力缺乏的情況。4.程序4.1 程序流程圖本設計系統(tǒng)軟件采用模塊化構造，由主程序定時子程序、電機驅動子程序中斷子程序、顯示子程序算法子程序構成。主程序流程圖如圖2所示。其中：避障中斷服務子程序完成對超聲波探測器產生的外部中斷進展處理，如果超出預定的不安全距離就左轉進展避障。在定時中斷服務子程序，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)軟硬件調試5.1 硬件調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

20、，但總體來說不影響結果。在本次設計中，主控模塊是非常重要的局部，它不僅是本次設計的核心，在本次硬件調試中也遇到了問題，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軟件調試 硬件電路制作完成并調試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根據所設計的電路參數和程序，測距儀能測的范圍為20cm150cm，測距儀最大誤差不超過0.5cm。系統(tǒng)調試完后對各個距離進展屢次測量，與預定值進展比較，對測量誤差進展屢次實驗分析，不斷調節(jié)器件和修改程序使其到達實際使用的測量要求。5.3

21、調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，導致顯示不穩(wěn)定有閃爍。接線過程中用插針接線容易導致接線松動，沒接到或者接觸不良。環(huán)境問題:超聲波在空氣介質的傳播過程中會有很大的衰減，其衰減遵循指數規(guī)律。一般情況下能測150cm，但是空氣介質發(fā)生改變，如塵埃過多，導致紅外線強度降低，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果。結 論對所設計的電路進展測量、校準發(fā)現(xiàn)其測量范圍在20cm150cm內的平面物體做了屢次測量發(fā)現(xiàn)，其最大誤差為0.5cm，且重復性好。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

22、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.不能夠實現(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 HYPERLINK :/ baidu /link?url=L5kpTSxawwBrUMW3RdfEVJ40cQ8uwG0L8pbvSxvHYA2zvKdq7

23、S9c-MXuE0ZKC5jbpmUQ0Kfj4b5XBpGNtx1WvK t s:/ baidu /_blank 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與系統(tǒng)?，西安電子科技大學出版社3 張曙光，?c語言程序設計?，人民郵電出版社4 彭偉，?單片機C語言程序設計實訓基于8051+Proteus仿真?電子工業(yè)出版社附錄附錄一 相關程序#include #include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int /*Declare SFR associated with the

24、 PCA */sfr CCON = 0 xD8; /PCA control registersbit CCF0 = CCON0; /PCA module-0 interrupt flagsbit CCF1 = CCON1; /PCA module-1 interrupt flagsbit CR = CCON6; /PCA timer run control bitsbit CF = CCON7; /PCA timer overflow flagsfr CMOD = 0 xD9; /PCA mode registersfr CL = 0 xE9; /PCA base timer LOWsfr C

25、H = 0 xF9; /PCA base timer HIGHsfr CCAPM0 = 0 xDA; /PCA module-0 mode registersfr CCAP0L = 0 xEA; /PCA module-0 capture register LOWsfr CCAP0H = 0 xFA; /PCA module-0 capture register HIGHsfr CCAPM1 = 0 xDB; /PCA module-1 mode registersfr CCAP1L = 0 xEB; /PCA module-1 capture register LOWsfr CCAP1H =

26、 0 xFB; /PCA module-1 capture register HIGHsfr PCAPWM0 = 0 xf2;sfr PCAPWM1 = 0 xf3;sbit RX=P10; sbit TX=P11; sbit pwm =P27 ; sbit INPUT1=P20; /p13 sbit INPUT2=P21; sbit INPUT3=P22; /p14 sbit INPUT4=P23; sbit ENA=P24; sbit ENB=P25; unsigned char jd=0,count=0,joflag=0; /角度標識unsigned int time=0;unsigne

27、d int timer=0;float S=0; bit flag =0;/*/ void Conut(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=%fn,S); /*/ void Delay1ms()/11.0592MHzunsigned char i, j;_nop_();i = 11;j = 190;dowhile (-j); while (-i);void delayms(unsigned in

28、t xms)int xnum=0;for(;xnum=255)left_speed=255;if(right_speed=255)right_speed=255;CCAP0H = CCAP0L = (255-left_speed);CCAP1H = CCAP1L = (255-right_speed);void dianji() INPUT1=1;INPUT2=0;INPUT3=1;INPUT4=0;ENA=1;ENB=1; void stop()INPUT1=1;INPUT2=0;INPUT3=1;INPUT4=0;ENA=0;ENB=0;/void duoji()/TH0 = 0 xff;

29、 /重新賦值/TL0 = 0 x19;/ if(countjd) /判斷0.5ms次數是否小于角度標識/ pwm=1; /確實小于，PWM輸出高電平/ else/ pwm=0; /大于那么輸出低電平/ count=(count+1); /0.5ms次數加1/ count=count%80; /次數始終保持為40 即保持周期為20ms/void jiaodu(unsigned char num)unsigned int jdcount=0;for(;jdcount400;jdcount+)if(jdcount=num)pwm=1;else pwm=0;delayus5x(10);void che

30、ck()if(S40) /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);/*/void main(void) unsigned char iii=0; TMOD=0 x21; /設T0為方式1，GATE=1；SCON=0 x50;TH1=0 xFD;TL1=0 xFD;TH0=0;TL0=0; TR0=1; ET0=1; /允許T0中斷TR1=1; /開啟定時器TI=1;EA=1; /開啟總中斷dianji();PWM_INIT();moto(130,130);for(;) StartModule(); /set csb while(!RX);/當RX為零時等待 TR0=1; /開啟計數 while(RX);/當RX為1計數并等待 TR0=0;/關閉