超聲波在小車避障技術的應用設計-畢業(yè)設計說明書(論文)

南京理工大學畢業(yè)設計說明書(論文)作者:教學點:南京工業(yè)職業(yè)技術學院專業(yè):電子工程題目:超聲波在小車避障技術的應用設計2013年5月

畢業(yè)設計說明書（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的小型化機器人，它具有制作成本低廉，電路結構簡單，程序調試方便等優(yōu)點。由于具有很強的趣味性，智能小車深受廣大機器人愛好者以及高校學生的喜愛。本論文介紹的是具有自動避障功能的智能小車的設計與制作（以下簡稱智能小車），論文對智能小車的方案選擇，設計思路，以及軟硬件的功能和工作原理進行了詳細的分析和論述。經實踐驗收測試，該智能小車的電路結構簡單，調試方便，系統(tǒng)反映快速、靈活，設計方案正確、可行，各項指標穩(wěn)定、可靠。關鍵字：智能小車避障設計方案畢業(yè)設計說明書（論文）外文摘要TitleUltrasoniccarobstacleavoidancetechnologydesignAbstractSmartcarscanbeprogrammedtoperformaspecifictaskmeanstheminiaturizationofrobot,ithastomakecostislow,circuitsimplestructure,convenientprogramtest.Becauseofithasstronginterest,intelligentrobotcarfavoredbythemajorityoftheuniversitystudents'enthusiastsandlove.Thispaperintroducestheisaautomaticobstacleavoidancefunctionofintelligentcardesignandproduction(hereinafterreferredtoasthesmartcar),thethesistotheintelligenceofthecarschemeselection,designidea,andtheimplementationofhardwareandsoftwarefunctionandworkingprincipleofadetailedanalysisanddiscusses.Afterpracticeacceptancetest,thisintelligentcarcircuitstructureissimple,convenientdebug,fast,flexiblesystemreflect,correctandfeasibledesignscheme,eachindexissteadyandreliable.Keywords:intelligentobstacleavoidancecardesign

目次TOC\o"1-3"\h\u320621引言 192621.1研究背景與意義 1155192超聲波的避障技術 4167092.1小車的避障技術 4237402.2超聲波的傳播特性 5217522.3超聲波測距技術 5249372.4基于單片機的超聲波測距系統(tǒng) 6112012.5超聲波的衰減 6324473超聲波避障系統(tǒng)硬件設計 8200063.1方案概述 87133.2方案設計 8310173.3元器件介紹 9313553.4超聲波發(fā)射系統(tǒng)電路 1639663.5超聲波接收系統(tǒng)電路 16298293.6相關軟件、電路模塊和器件清單。 17105934超聲波避障系統(tǒng)的軟件設計 1980984.1直流電機控制軟件設計 1997024.2超聲波測距模塊軟件設計 19160504.3超聲波避障技術軟件設計 21117654.4軟件與硬件的整合軟件與硬件的整合 22263975超聲波避障系統(tǒng)調試 2342875.1調試過程 2358155.2問題分析 26137295.3誤差分析 2623072致謝 2928125參考文獻 301引言1.1研究背景與意義隨著機器人技術的發(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、生活中的應用來越廣泛。自主移動機器人通過各種傳感器系統(tǒng)感知外界環(huán)境和自身狀態(tài),在復雜的已知或者未知環(huán)境中自主移動并完成相應的任務。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)境下有一定的適應能力,因此在移動機器人領域有著廣泛用。本設計主要體現多功能小車的智能避障模式，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發(fā)展對象，為中國玩具市場技術含量的缺乏進行一定的彌補，實現經濟收益，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，當駕駛員因疏忽或打瞌睡時這樣的智能汽車的設計就能體現出它的作用。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，汽車就會自動減速或停靠于路邊。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；軟件設計主要包括測距算法設計和避障算法設計。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。試驗結果表明，系統(tǒng)的測距范圍為40cm-500cm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，電路結構簡單，程序調試方便，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生的喜愛。全國大學生電子設計競賽每年都設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國內外研究狀況機器人作為人類科技發(fā)展的新型勞動生產工具，在減輕勞動負荷、優(yōu)化產業(yè)模式、提高生產率，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。歐美國家認為，機器人應該是“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”；日本學者認為“機器人就是任何髙級的自動機械”。我果科學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漸趨一致，聯合國標準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)行不同的任務而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！备爬ㄕf來，機器人是靠自身動力和控制能力來實現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、自適應能力，在無需人干預、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任務。障礙物檢測是智能移動機器人、智能汽車對周邊環(huán)境感知技術研究領域中的重要方面。隨著技術的發(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，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、基礎設施建設和資金分配等因素限制，在智能機器人技術領域與世界發(fā)達國家存在相當大差距，只有為數不多研究機構在該領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的障礙物檢測系統(tǒng)等。20世紀60年代以來，弧焊點焊氣焊、機械設備加工、噴涂刻畫、設計裝配、檢測等各種類型，各種用途的機器人相繼出現，并迅速在工業(yè)生產中實現流水線批量生產，這大大提高了各種產品的標準型和質量。然而，隨著機器人的不斷完善發(fā)展，人們發(fā)現，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，不能處理復雜的應激變化。因此，20世紀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、自規(guī)劃能力，適合于在復雜的非結構化，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計目標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設定任務。在自主移動式智能機器人的相關技術研究中，導航技術的應用是其研究的核心，也是移動機器人實現智能化及完全自主調節(jié)、控制的關鍵技術。導航研究的網標就是：在沒有人的干預下使機器人有目的地移動并完成特定任務，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動系統(tǒng)。1.3本課題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40cm，PWM信號自增，驅動電機加速，小車加速前進，當小于30cm時，PWM信號自減，驅動電機減速，小車減速前進，并且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，在經過多次發(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達到對障礙物的較準確定位。2超聲波的避障技術2.1小車的避障技術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、軍事、工業(yè)、農業(yè)上有很多的應用。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。2.1.2超聲波避障技術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化器，就是把反射回來的聲波轉化成其他的信號。2.1.3模糊避障算法設計機器人運動的環(huán)境非常復雜，而且一般情況下是未知的，因此很難建立精確的數學模型來預測障礙物的位置。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兩種運動方式。根據一定控制策略，建立輸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：模糊控制器的輸入參數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值作為左邊的輸入，左邊的數值用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值作為右邊的輸入，右邊的數值用Right表示。距離信號的模糊語言集合如下：{近，中，遠}設定其相應的語言變量，并記作：ND(neardistance)=近MD(middledistance)=中LD(longdistance)=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，質點震動頻率的關系I=1/2ρCA^2ω^2，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：在兩種不同媒質的分界面上，會出現類似于光線一樣的透射、反射和折射現象，普通聲波也有此性質。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1MHz—15MHz范圍內,超聲波在人體軟組織中的吸收系數與超聲頻率成正比,如血液的吸收系數隨著超聲頻率的增高而增大。骨質的吸收因數最大,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)出一個超聲波信號，當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：當要求測距誤差小于1mm時，假設已知超聲波速度C=344m/s(20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差s△t<(0.001/344)≈0.000002907s即2.907μ在超聲波的傳播速度是準確的前提下，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晶體作時鐘基準的89C52單片機定時器能方便的計數到1μs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。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生頻率為40kHz的方波，經過發(fā)射驅動電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩發(fā)射超聲波。超聲波經反射物反射回來后，由傳感器接收端接收，再經接收電路放大、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。當收到超聲波的反射波時，在接收電路輸出端產生一個負跳變，在單片機的外部中斷源輸入口產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離，結果輸出給LCD顯示。利用單片機準確計時，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)都采用這種設計方法。2.5超聲波的衰減超聲波在介質中傳播時，隨著距離的增加，能量逐漸減小的現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，從而使單位面積內超聲波的能量隨著傳播距離的增加而減小，導致聲壓和聲強的減小。b)散射衰減：當聲波在傳播過程中，遇到不同聲阻抗的介質組成的界面時，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、折射及波型轉換（統(tǒng)稱散射），導致聲波能量的損耗。c)粘滯衰減：聲波在介質中傳播時，由于介質的粘滯性而造成質點之間的內壁摩擦，從而使一部分聲能變?yōu)闊崮堋Ｍ瑫r，由于介質的熱傳導，介質的疏、密部分之間進行的熱交換，也導致聲能的損耗，這就是介質的吸收現象。由介質吸收引起的衰減叫做粘滯衰減。3超聲波避障系統(tǒng)硬件設計3.1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。單片機控制模塊單片機控制模塊

超聲波測距模塊

驅動模塊

顯示模塊

超聲波避障系統(tǒng)圖3.1超聲波避障系統(tǒng)硬件設計方框圖3.2方案設計超聲波測距部分是機器人避障的核心部分。本設計采用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數碼管，斷碼用74LS244，位碼用8550驅動。單片機通過P2.0引腳經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INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經返回。計數器所計的數據就是超聲波所經歷的時間，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成，內部包含有計算機的功能部件CPU(CentralProcessingUnit，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的軟件及外部設備相結合，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3.3.1STC89C52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-FlashProgramableErasableReadOnlyMemory）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制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。主要特性如下：a）增強型8051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：5.5V～3.3V（5V單片機）/3.8V～2.0V（3V單片機）。c)工作頻率范圍：0～40MHz，相當于普通8051的0～80MHz，實際工作頻率可達48MHz。d)用戶應用程序空間為8K字節(jié)。e)片上集成512字節(jié)RAM。f)通用I/O口（32個）復位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向口/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，PowerDown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多個UART。m)工作溫度范圍：-40～+85℃（工業(yè)級）/0～75n)PDIP封裝。STC89C52RC單片機的工作模式掉電模式：典型功耗<0.1μA,可由外部中斷喚醒，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4Ma～7mA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)：片內振蕩電路的輸入端XTAL2(Pin20)：片內振蕩電路的輸出端c)控制引腳（4根）。RST/VPP(Pin9)：復位引腳，引腳上出現2個機器周期的高電平將使單片機復位。ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號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（Pin39～Pin32）：8位雙向I/O口線，名稱為P0.0～P0.7P1口（Pin1～Pin8）：8位準雙向I/O口線，名稱為P1.0～P1.7P2口（Pin21～Pin28）：8位準雙向I/O口線，名稱為P2.0～P2.7P3口（Pin10～Pin17）：8位準雙向I/O口線，名稱為P3.0～P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。在使用時，如果溫度變化不大，可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。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介紹如表3.1所示。表3.1模塊參數介紹表電氣參數US-100超聲波測距模塊工作電壓DC2.4V5.5V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。（當為電平觸發(fā)方式時）圖3.5單片機接口原理3.3.3驅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的開關狀態(tài)，精確調整電機轉速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，則效率非常高；H橋電路保證了可以簡單地實現轉速和方向的控制，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3.2L298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，與對應輸入端（IN1、IN2）同邏輯4驅動電壓，最小值需比輸入的低電平電壓高2.5V5、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，4.5~7V10、12輸入端，TTL電平兼容13、14輸出端，與對應輸入端（IN3、IN4）同邏輯該芯片的一些參數如下：1)邏輯部分輸入電壓：6～7V。2)驅動部分輸入電壓Vs：4.8～46V。3)邏輯部分工作電流Iss：≤36mA。4)驅動部分工作電流Io：≤2A。5)最大耗散功率：25W（T=75℃）6)控制信號輸入電平：高電平：2.3V≤Vin≤Vss，低電平：-0.3V≤Vin≤1.5V。7)工作溫度：-25℃～＋1308)驅動形式：雙路大功率H橋驅動。我正在用L298N驅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，它是用來驅動電機的，9引腳是用來接4.5到7V的電壓的，它是用來驅動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，只有當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部的直流電機和控制線路所需的能源．電壓通常介于4～6V，一般取5V。舵機的控制信號是周期為20ms的脈寬調制（PWM）信號，其脈沖的寬度從0.5ms-2.5ms，相對對應舵盤的位置是0－180度，呈連續(xù)線性變化。也就是說，給它提供一特定寬度的脈沖信號，它的輸出軸就會轉動到一個與之相對應的角度上，無論外界轉矩怎樣改變，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動到新的對應的位置上。舵機有一個內置的基準電路，其不斷產生周期的20ms，寬度1.5ms的基準信號；另有一個比較器，將外加信號與基準信號進行比較，判斷出轉動方向和轉動角度大小，進而產生電機的轉動信號。由此可見，舵機是一種精度很高的位置伺服的驅動器，轉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動當中。如圖3.6所示。圖3.6舵機輸出轉角與輸入信號脈沖寬度的關系

舵機的控制信號為PWM信號，利用占空比的變化改變舵機角度。舵機的速度決定于其接受道德信號脈寬的變化速度?？刂凭€的輸入是一個寬度可調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)。當方波的脈沖寬度改變時，舵機轉軸的角度發(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LCD1602顯示屏LCD1602液晶顯示,由單片機驅動。它主要用來顯示大量數據、文字、圖形，能夠顯示的位數多，顯示得清晰多樣、美觀。如圖3.7所示。圖3.7LCD1602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，同時也能顯示數字和少量圖象,但它的焊接較麻煩,價格高，鑒于所設計的題目要求它不切實際。所以排除此方案。方案三：選用LED數碼管靜態(tài)顯示LED數碼管靜態(tài)顯示其電路容易理解且驅動的程序簡單，多片七段譯碼器驅動顯示，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。方案四：采用LED數碼管動態(tài)掃描顯示LED數碼管動態(tài)掃描顯示價格低廉，不僅減少了對I/O口的浪費，而且能夠同時驅動多個數碼管。其驅動程序容易編寫和理解。當顯示內容不太多，可以排除。經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40kHz左右的方波脈沖信號。40kHz左右的方波脈沖信號的產生通常有兩種方法:采用硬件如由555振蕩產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，R9，一方面可以提高反向器74HC04輸出高電平的驅動能力，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，以產生一個中斷。接收部分的電路，如圖3.8所示。可以看到，集成芯片CX20106在接收部分電路中起了很大的作用。CX20106是一款應用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，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38kHz與測距的超聲波頻率40kHz比較接近，而且CX20106內部設置的濾波器中心頻率f0可由其5腳外接電阻調節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為30～60kHz。故本次設計用它來做接收電路。CX20106內部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構成。工作過程如下:接收的回波信號先經過前置放大器和限幅放大器，將信號調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，再經整形，送給輸出端7腳。當接收到與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，可調節(jié)芯片引腳5的外接電阻R11，將濾波器的中心頻率設置在40kHz，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相關軟件、電路模塊和器件清單。相關軟件、電路模塊和器件清單，見表3.3所示。表3.3相關軟件、電路模塊和器件清單序號名稱數量備注12345678910PC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轉串口）舵機驅動模塊USB轉串口驅動小車11STC89C52RC11套5V/7.2V11112雙L298N驅動1Vista&Win71ZK-4WD小車4超聲波避障系統(tǒng)的軟件設計在單片機控制系統(tǒng)中，大體上可分為數據處理、過程控制兩個基本類型。數據處理包括：數據的采集、數字濾波、標度變換等。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。為了完成上述任務，在進行軟件設計時，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”實質上就是所完成一定功能，相對獨立的程序段，這種程序設計方法叫模塊程序設計法。模塊設計法的主要優(yōu)點是：單個模塊比起一個完整的程序易編寫及調試。模塊可以共存，一個模塊可以被多個任務在不同條件下調用。c）模塊程序允許設計者分割任務和利用已有程序，為設計者提供方便。本系統(tǒng)軟件采用模塊化結構，由主程序﹑定時子程序、避障子程序﹑中斷子程序顯示子程序﹑調速子程序﹑算法子程序構成。4.1直流電機控制軟件設計當晶閘管被觸發(fā)導通時，電源電壓加到電動機上，當晶閘管關斷時，直流電源與電動機斷開，電動機經二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈沖寬度調制（PulseWidthModulation），簡稱PWM。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導通時間，即通過改變脈沖寬度來進行直流調速。與V-M系統(tǒng)相比，PWM調速系統(tǒng)有下列優(yōu)點：a)由于PWM調速系統(tǒng)的開關頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運行平穩(wěn)，調速范圍較寬，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）同樣由于開關頻率高，若與快速響應的電機相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應性能好，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。#defineECHOP2_4 //超聲波接口定義 #defineTRIGP2_5 //超聲波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，首先將計時數據接收到超聲波回波后，程序進入中斷。進入中斷后，首先將計時數據存入緩存區(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超聲波避障技術軟件設計根據避障規(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，這個值是預定義可編程的臨界距離，那么機器人以某一角度偏轉，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為程序預設值)，電機左右轉向控制驅動，從而繞過障礙物實現避障的效果。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 } 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計過程中，考慮到各個模塊之間的控制復雜性，我們將電機控制，超聲波測距分開調試，當兩個模塊都可以正常工作之后，再將它們結合起來調試，采取了“分而治之”的思想。調試超聲波模塊：在調試超聲波的時候，主要思想是用定時器檢測超聲波會送信號維持高電平的時間，用串口示波器將測得的數據顯示在串口示波器上，根據返回的結果，確定達到轉彎距離以內所需要的時間，然后利用時間控制電機。電機調試：在點擊調試的過程中，我們首先將PWM輸出在示波器上反映出來，確保PWM波的輸出正常，并且能夠根據用戶設定的比較值產生不同形式的輸出，在比較匹配發(fā)生之后，調節(jié)其占空比，實現電機的速度控制，在控制電機轉動的時候，采用直接控制L298N芯片的方式，實現左轉，右轉，后退等功能。5超聲波避障系統(tǒng)調試5.1調試過程a）連接，連接實物圖如連接圖5-1，圖5.2所示。圖5.1實物連接1圖5.2實物連接2b）程序下載在程序下載時要安裝USB串口驅動（Win7的或XP的）串口驅動安裝完成后將小車與電腦通過USB下載線進行連接，然后打開我的電腦中的設備管理器查看端口是否連接成功如圖5.3所示則為成功且串口號為COM4。圖5.3程序下載1）打開電源，如圖5.4所示。圖5.4打開電源圖2）打開桌面的下載軟件選擇單片機型號，找到目標文件，然后選擇正確的串口號。如圖5.5所示。圖5.5軟件下載圖3)下載程序在下載程序時要等到下載軟件的提示欄中出現給MCU上電時再給單片機按上電源上電，如果下載成功則如圖5.6所示。（如果在下載前就給單片機上電可能會出現下載不成功的現象）圖5.6下載程序圖c)運行，如圖5.7所示。圖5.7程序運行圖5.2問題分析問題：小車運行時如果如果障礙物的距離比較近小車后退后會撞到或卡住。原因：障礙物放得太近或小車與程序間的條件限制。解決方法：把障礙物的距離調大點或對小車及程序進行改進。5.3誤差分析由于受環(huán)境溫度、濕度的影響，超聲傳感器的測量值與實際值會有一些偏差，超聲測距系統(tǒng)測量值與超聲測實際值（單位:cm）如表5.1所示。表5.1距系統(tǒng)測量值與實際值（單位:cm）障礙物實際距離（cm）測量距離（cm）4555.56066.97583.1100107.2125131.5150157.3175182.4200206.4從表中的數據可以看出，測量值總是比實際值大出大約7cm，經過分析原因主要有三個方面：第一方面，超聲波傳感器測得的數據受環(huán)境溫度的影響；第二方面，指令運行需占用一定的時間而使得測量的數據偏大；第三方面，為了防止其他信號的干擾，單片機開始計數時，驅動電路發(fā)送16個脈沖串。對于單個回聲的方式，當驅動電路接收到碰到障礙物返回的第四個脈沖時就停止計數，所以最終測得的時間比實際距離所對應的時間多出四個脈沖發(fā)送的時間。為了減小測量值與實際值的偏差，我們采用最小二乘法對表1的數據進行修正。經過擬合，我們得到下面的方程：y=1.0145x-9.3354(其中:y為實際值,x為測量值)修正后本超聲波測距系統(tǒng)測量值與實際值的對應關系如表5.2所示。表5.2修正后聲測距系統(tǒng)測量值與實際值（單位：cm）障礙物實際距離（cm）測量距離（cm）4546.86058.57574.910099.4125124.1150150.2175175.7200200.1從修正后的數據我們可以看出,系統(tǒng)的測量誤差在±2%內,滿足我們的測量要求。結論本智能小車電路在硬件上采用了超聲波來測量小車距前方障礙物的距離，顯示結果快速，準確。由于采用雙電源供電使系統(tǒng)的抗干擾性得到加強；PWM技術的應用解決了電動機驅動效率和電機速度控制的問題；在軟件上，充分利用了STC89C52系統(tǒng)資源，使智能小車完美的實現了障礙檢測、距離測量、警示等功能。本文的總結有如下點：1）本設計結構簡單，調試方便，系統(tǒng)反映快速靈活，硬件電路由可拆卸模塊拼接而成，有很大的擴展空間。經驗收測試，該智能小車設計方案正確、可行，各項指標穩(wěn)定。2）在設計當中也存在著一些不足。如超聲波模塊受溫度的影響比較大，由于時間關系沒有添加溫度補償措施，所以在使用中需要注意環(huán)境影響。另外小車避障方式單一，若將超聲波模塊安裝在舵機上使其可以左右上下180度轉動，那么便可以通過比較小車兩側空間的大小來自由選擇避障方向，從而實現更加智能化的避障方式。3）小車經過測試，運行結果良好。硬件上沒有錯誤，主要瓶頸在于探測模塊的靈敏度，因為軟件完全靠探測模塊返回的信號作為依據進行下一步控制的操作，無法確認該信號是否準確，使小車轉彎欠準確與智能。致謝首先感謝我的導師倪瑛老師，在倪瑛老師的耐心指導和幫助下，我才能順利完成畢業(yè)設計。從電路的設計到調試整個過程中，我都從倪瑛老師那里學會了很多專業(yè)方面的知識。通過這次畢業(yè)設計，使我深刻地認識到學好專業(yè)知識的重要性，也理解了理論聯系實際的含義，并且檢驗了大學四年的學習成果。雖然在這次設計中對于知識的運用和銜接還不夠熟練。但是我將在以后的工作和學習中繼續(xù)努力、不斷完善。這三個月的設計是對過去所學知識的系統(tǒng)提高和擴充的過程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎。也感謝在畢業(yè)設計中幫助過我的所有同學和師兄師姐們，感謝你們對我的支持。由于自身水平有限，設計中難免存在很多不足之處，敬請各位老師批評指正。參考文獻[1]陳永甫.紅外探測與控制電路[M].北京：人民郵電出版社，2004.[2]肖景，趙健.紅外線熱釋電與超聲波遙控電路[M].北京：人民郵電出版社，2003.[3]王秀山.單片機基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.[4]戴仙金等.單片機及其C語言應用程序設計[M].北京：清華大學出版社，2005.[5]柳郭等.單片機開發(fā)應用技能與技巧[M].北京：中國電力出版社，2008.[6]胡漢才.單片機原理及接口技術[M].北京：清華大學出版社，2006.[7]何玉彬.傳感器與應用電路設計[M].北京：科學出版社，2009.[8]唐守峰.檢測與轉換技術[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2008.[9]蔡振江.單片機原理及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.[10]孫炳達.自動控制原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.[11]何希才等.傳感器及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004:65-83.[12]丁鎮(zhèn)生.傳感器及傳感技術應用[M].北京電子工業(yè)出版社，1998:59-72.[13]JohnF.Wakerly,數字設計原理與實踐[M].北京機械工業(yè)出版社，2003.[14]彭喜元.新編MCS-51單片機應用設計[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社，2003.[15]趙負圖.傳感器集成電路手冊[M].化學工業(yè)出版社，2004.[16]譚浩強.C程序設計[M].清華大學出版社，2005.[17]萬福君，潘松峰等.單片微機原理系統(tǒng)設計與應用[M].北京：中國科學技術大學出版社，2005.基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設計與研究基于單片機的嵌入式Web服務器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內核設計及其應用研究基于單片機的遠程抄表系統(tǒng)的設計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件構件開發(fā)的技術研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設計和應用基于單片機的光纖光柵解調儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統(tǒng)的研制基于單片機的數字磁通門傳感器基于單片機的旋轉變壓器-數字轉換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調系統(tǒng)的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統(tǒng)設計Pico專用單片機核的可測性設計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現基于單片機的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機的時控和計數系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學生單片機應用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數據采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設備的數控改造基于單片機的溫度智能控制系統(tǒng)的設計與實現基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協(xié)議轉換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術研究基于單片機的膛壁溫度報警系統(tǒng)設計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設計基于單片機船舶電力推進電機監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機網絡的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機的大容量數據存儲技術的應用研究基于單片機的疊圖機研究與教學方法實踐基于單片機嵌入式Web服務器技術的研究及實現基于AT89S52單片機的通用數據采集系統(tǒng)基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究HYPERLINK"/d