超聲波智能避障小車設計

1引言智能作為現代社會的新產物，是以后的發(fā)展方向，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達到的或是更高的目標。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。超聲波作為智能車避障的一種重要手段，以其避障實現方便，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用。我國作為一個世界大國，在高科技領域也必須占據一席之地，未來汽車的智能化是汽車產業(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?？坑诼愤?。隨著計算機、微電子、信總處理及智能控制的快速發(fā)展，機器人技術也在逐步深入和細化。隨著機器人性能不斷地完善，移動機器人的應用范圍大為擴展，不僅在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療、服務等行業(yè)中得到廣泛的應用，而且在城市安全、國防和空間探測領域等有害與危險場合得到很好的應用。因此，移動機器人技術已經得到世界各國的普遍關注。移動機器人的研究不僅可以推動科學技術的向前發(fā)展，同時其應用必將帶來巨大的經濟效益和社會效益。1．1課題背景及意義智能移動機器人，是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。它集中了傳感器技術、信息處理、電子工程、計算機工程、自動化控制工程以及人工智能等多學科的研究成果，代表機電一體化的最高成就，是目前科學技術發(fā)展最活躍的領域之一。隨著電子技術的不斷發(fā)展人們發(fā)明了各式各樣的具有感知，決策，行動和交互能力的機器人，自第一臺工業(yè)機器人誕生以來，機器人的發(fā)展已經遍及機械、電子、冶金、交通、宇航、國防等多個領域。近年來機器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式，隨著它在人類生活領域中的應用不斷擴大，將會給人們的生產生活帶來了巨大的影響。在國外機器人的發(fā)展有如下趨勢。一方面機器人在制造業(yè)應用的范圍越來越廣闊，其標準化、模塊化、網絡化和智能化的程度越來越高，功能也越來越強，并向著技術和裝備成套化的方向發(fā)展；另一方面，機器人向著非制造業(yè)應用以及微小型方向發(fā)展，如表演型機器人，服務機型器人，機器人玩具等。國外研究機構正試圖將機器人應用于人類活動的各個領域。在我國機器人主要應用于工業(yè)制造領域，我國工業(yè)機器人現在的總裝機量約為120000臺，其中國產機器人占有量約為1/3，即40000多臺。與世界機器人總裝機臺數7500萬臺相比，中國總裝機量僅占萬分之十六。對中國這樣一個擁有13億人口的大國來說，僅在機器人數量上就和發(fā)達國家有著很明顯的差距。因此大力發(fā)展我國的機器人事業(yè)刻不容緩[1]。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。本題目設計的是具有自動避障功能的智能小車，其設計思想與一些日常生活迫切需要的機器人（如測距機器人，搜索機器人，管道探傷機器人）類似。由于采用了超聲波傳感器，它不受光照強弱和能見度的影響，能耗低，靈敏度高，即使在較復雜的環(huán)境內也可以工作。智能小車系統(tǒng)的設計采用了模塊化的設計方法，電路結構簡單，調試方便，有很大的擴展空間，稍加改動便可應用于實際生產生活中，也可作為高校學生以及廣大機器人愛好者學習研究使用。1．2國內外研究現狀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。”目前國際上對機器人的概念已經漸趨一致，聯(lián)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[2]。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本課題研究的主要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20CM以較快速度前進，當小于20CM時慢速前進，當小于10CM時小車應采取避障功能。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。障礙物檢測是智能機器人、智能車輛對周邊環(huán)境感知技術研究領域中的重要組成部分，以單片機為核心的結構簡單、精度較高、測距較長、可靠性較高的障礙物檢測報警系統(tǒng)對智能移動機器人的研究有很重要的社會意義。2總體設計方案及分析根據題目的要求，確定如下方案：將報廢的玩具電動車經過改造的基礎上，加裝傳感器等探測設備，實現對電動小車前方障礙物的探測，以及小車的的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數據傳送至單片機進行分析處理，然后由單片機根據所檢測的各種數據實現對電動小車的智能控制。這種方案能實現對電動車的運動狀態(tài)進行實時有效控制，并且控制可靠、靈活，精確度高，可滿足對系統(tǒng)的各項基本要求。2.1系統(tǒng)控制模塊設計方案論證方案一：采用STC12C5410單片機控制系統(tǒng)。STC12C5410單片機帶有PWM脈寬調制輸出端口，可直接用來控制電機轉速，且其運行速度是8051單片機的8~12倍；但其I/O口少，即使是32管腳的芯片也只有27個，不夠用時需要擴展I/O口，比較麻煩。方案二：采用STC89C52單片機控制系統(tǒng)。主要是通用I/O口多，一般不需要擴展，而且控制指令簡單。由于對8051系列單片機應用比較熟悉，且系統(tǒng)需要用到的I/O口較多，而控制電機轉速的PWM信號用1個定時器即可模擬。所以此次設計選擇采用STC89C52單片機來控制。2.2超聲波壁障設計方案論證方案一：采用多方向超聲波測距分析來實現壁障。分別在小車的左、中、右三方向放置超聲波探頭，通過對三個方向超聲波的測距數據分析對比確定障礙物位置，再通過調節(jié)小車左右電機轉速差控制小車行駛方向實現壁障。方案二：通過步進電機帶動一對超聲波探頭旋轉進行各方向測距，將各方向測得數據通過單片機對比分析可得到障礙物方向，然后也是通過調節(jié)小車左右電機轉速差控制小車行駛方向實現壁障。方案一需要3對的超聲波探頭，為了防止信號相互干擾各個超聲波發(fā)送信號要相互間隔，顯得繁雜，而且當障礙物與左右側的超聲波探頭大于一定角度時將不能接收到超聲波信號，方案二通過180度掃描可以很好地檢測到各個方向的障礙物，障礙物判斷更可靠，避障效果更好。因此選用方案二設計。2.3顯示模塊設計方案論證方案一：采用七段LED數碼管顯示相關數據。數碼管顯示具有高亮、可視距離遠、壽命長的優(yōu)點，一位數碼管能顯示一位數據。方案二：采用LCD1602液晶顯示。液晶顯示具有耗能少、可同時顯示數據多、控制指令簡單、PCB布線簡單等優(yōu)點。通過對比兩種顯示方案的優(yōu)缺點，本次設計決定采用方案一。2.4直流調速系統(tǒng)設計方案論證方案一：串電阻調速系統(tǒng)。方案二：靜止可控整流器。簡稱V-M系統(tǒng)。方案三：脈寬調速系統(tǒng)。旋轉變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機拖動直流電動機實現變流，由發(fā)電機給需要調速的直流電動機供電，調節(jié)發(fā)電機的勵磁電流即可改變其輸出電壓，從而調節(jié)電動機的轉速。改變勵磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動機的轉向都隨著改變，所以G-M系統(tǒng)的可逆運行是很容易實現的。該系統(tǒng)需要旋轉變流機組，至少包含兩臺與調速電動機容量相當的旋轉電機，還要一臺勵磁發(fā)電機，技術落后，因此擱置不用。V-M系統(tǒng)是當今直流調速系統(tǒng)的主要形式。它可以是單相、三相或更多相數，半波、全波、半控、全控等類型，可實現平滑調速。V-M系統(tǒng)的缺點是晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難[3]。它的另一個缺點是運行條件要求高，維護運行麻煩。最后，當系統(tǒng)處于低速運行時，產生較大的諧波電流危害附近的設備。采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開關狀態(tài)。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[4]。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：（1）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。（2）脈寬調制(PWM)是利用數字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術，尤其是在對電機的轉速控制方面，可大大節(jié)省能量。PWM具有很強的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經濟等特點。模擬控制電路有以下缺陷:模擬電路容易隨時間漂移，會產生一些不必要的熱損耗，以及對噪聲敏感等。而在用了PWM技術后，避免了以上的缺陷，實現了用數字方式來控制模擬信號，可以大幅度降低成本和功耗。

根據以上綜合比較，以及本設計中受控電機的容量和直流電機調速的發(fā)展方向，本設計采用了H型單極型可逆PWM變換器進行調速。脈寬調速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調制式變換器，簡稱PWM變換器[5]。脈寬調速也可通過單片機控制繼電器的閉合來實現，但是驅動能力有限。為順利實現電動小汽車的前行與倒車，本設計采用了可逆PWM變換器?？赡鍼WM變換器主電路的結構式有H型、T型等類型。我們在設計中采用了常用的雙極式H型變換器，它是由4個三極電力晶體管和4個續(xù)流二極管組成的橋式電路。3元器件介紹從實際出發(fā)，詳細分析移動機器人需求，完成預定目標所需的相關設計，實施方案。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-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能COMOS8的微處理器，俗稱單片機[6]。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。MAX232STC89C52圖3-1單片機總控制電路STC89C52具體介紹如下：①主電源引腳（2根）VCC(Pin40)：電源輸入，接＋5V電源GND(Pin20)：接地線②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③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。④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～P3.7STC89C52主要功能：使用高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在線系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數據指針，三個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。3．2L293D電機驅動芯片對于電機驅動，需要考慮如下幾個問題：電機是單向還是雙向轉動？需不需要調速？對于單向的電機驅動，只要用一個大功率三極管或場效應管或繼電器直接帶動電機即可，當電機需要雙向轉動時，可以使用由4個功率元件組成的H橋電路或者使用一個雙刀雙擲的繼電器。如果不需要調速，只要使用繼電器即可；但如果需要調速，可以使用三極管，場效應管等開關元件實現PWM調速。L293D采用16引腳DIP封裝，其內部集成了雙極型H-橋電路，所有的開量都做成n型。這種雙極型脈沖調寬方式具有很多優(yōu)點，如電流連續(xù)；電機可以四角限運行；并且停止時有輕微的振動電流，起到“動力潤滑”的作用，消除電機正反向轉動時的靜摩擦死區(qū)；低速平穩(wěn)性好等。L293D通過內部電路邏輯生成使能脈沖信號。H-橋電路的輸入信號可以用來控制馬達轉動的方向，使能信號可以用于調整脈寬（PWM）[7]。另外，L293D驅動芯片將2個H-橋電路集成到1片芯片上，這就意味著用1片芯片可以同時控制2個電機。每1個電機需要3個控制信號EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信號，IN1、IN2為電機轉動方向控制信號，IN1、IN2分別為1，0時，電機正轉，反之，電機反轉。選用一路PWM連接EN12引腳，通過調整PWM的占空比可以調整電機的轉速[8]。選擇一路I/O口，經反向器74HC14分別接IN1和IN2引腳，控制電機的正反轉。圖3-2L293D方框圖3．3超聲波傳感器超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波[9]。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結構，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。超聲波測距原理：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。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(s)，即：s=340t/2這就是所謂的時間差測距法。超聲波傳感器結構如圖3-3所示。圖3-3超聲波傳感器結構超聲波在本設計中的原理分析：由于自己用分立元器件焊接比較麻煩，所以本設計采用現成的HC-SPO4超聲波模塊，HC-SPO40-4.5mGPIO[10]。超聲波探測模塊HC-SPO4的使用方法為：IO口觸發(fā)，給Trig口至少10us的高電平，啟動測量；模塊自動發(fā)送8個40Khz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過IO口Echo輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，測試距離=（高電平時間*340）/2，單位為m。程序中測試功能主要由兩個函數完成，即measure()負責計算一次測量小車障礙物的距離，然后shouldTurn()確定前方有障礙物采取避障措施，根據車體大小及系統(tǒng)的反應，經過測試，取20cm的反應距離效果較為明顯[11]。另外，HC-SPO4超聲波探測模塊探測的間隔周期推薦值是64ms（圖3-4），但經過試驗，發(fā)現在我們的小系統(tǒng)中取800ms較為適宜，使主程序有足夠的時間來驅動小車前進，而不至于出現前進不流暢的現象。圖3-4超聲波檢測原理3.4數碼管顯示器數碼管是一種半導體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。LED數碼管實際上是由七個發(fā)光管組成8字形構成的，加上小數點就是8個。這些段分別由字母a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。當數碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的字樣了。如：顯示一個“2”字，那么應當是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。LED數碼管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。[12]小尺寸數碼管的顯示筆畫常用一個發(fā)光二極管組成，而大尺寸的數碼管由二個或多個發(fā)光二極管組成，一般情況下，單個發(fā)光二極管的管壓降為1.8V左右，電流不超過30mA。發(fā)光二極管的陽極連接到一起連接到電源正極的稱為共陽數碼管，發(fā)光二極管的陰極連接到一起連接到電源負極的稱為共陰數碼管。常用LED數碼管顯示的數字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。本電路采用四位一體共陽數碼管，利用動態(tài)掃描方式來完成顯示功能。CPU送來的數據信號直接送入數碼管的段號碼，進行數字顯示，兩個三極管是對數碼管的位號選操作，當Q4導通時就是選擇數碼管的個位，當Q3導通時，就是選擇數碼管的十位，通過單片機的控制，首先顯示個位數,然后關掉.之后然后顯示十位數，再關掉,一直循環(huán)下去，那么我們將會看到連續(xù)的數字顯示,輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮時間是極為短暫的（約1ms），由于人的視覺暫留現象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上四位顯示器并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示而不會有閃爍感[13]。圖3-5數碼管顯示原理圖3.5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。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。4系統(tǒng)的硬件電路根據設計題目要求，系統(tǒng)可以初步劃分為單片機部分，顯示電路部分，報警電路部分，抗干擾電路部分，控制電路部分，電源電路部分和傳感器部分。其各部分之間的關系如圖所示，其中采用了89C52型單片機組成基本硬件電路，再配合其它元器件搭建起系統(tǒng)硬件電路。整體框圖如圖4-1所示。圖4-1控制系統(tǒng)整體框圖4.1超聲波發(fā)送接收電路4.1.1超聲波發(fā)射電路的設計超聲波換能器兩端的震蕩脈沖是由單片機P1.0口產生的40kHz方波提供的。為了增加超聲波的探測距離，就需要增加超聲波換能器的功率。為此設計中采用了CD4069六非門反相器來增強超聲波的發(fā)射功率，由于非門實質上是放大倍數很大的反相放大器，如果給非門加上合適的負反饋電阻，就能夠使它從飽和區(qū)進入線性放大區(qū)，圖4-2所示為本設計中非門放大原理的示意圖。單片機P1.0口產生的40KHz方波信號一路經反向器反相后傳送到超聲波換能器的其中一個電極中，另一路經兩級反相器反向后送入超聲波換能器的另一個電極。將方波信號加到超聲波換能器兩端的這種推挽形式可以提高超聲波的發(fā)射強度。采用兩個反向器并聯(lián)的輸出端可以提高驅動能力。圖4-2超聲波發(fā)射電路非門發(fā)射原理示意圖其電路原理圖如圖4-3所示。上拉電阻R23,R24一方面可以提高反相器的高電平驅動能力，另一方面可以增強超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由震蕩的時間。Q7的作用是提高單片機I/O口的輸出電壓，目的也是提高超聲波發(fā)射的功率。圖4-3超聲波發(fā)射電路原理圖4.1.2超聲波接收電路的設計集成芯片CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用電視機遙控器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38KHz與本設計中超聲波頻率40KHz較為接近，所以利用它來制作超聲波檢測接收電路。實驗證明CX20106A接收超聲波具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。如圖4-4所示為CX20106A內部結構及電路連接圖。圖4-4CX20106A內部結構圖使用CX20106A集成電路對接收探頭受到的信號進行放大、濾波。其總放大增益80db。以下是CX20106A的引腳注釋∶1腳：超聲信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ。2腳：該腳與地之間連接RC串聯(lián)網絡，它們是負反饋串聯(lián)網絡的一個組成部分，改變它們的數值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R1或減小C1,將使負反饋量增大，放大倍數下降，反之則放大倍數增大。但C1的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，典型參數R1=4.7Ω，C1=1μF[14]。3腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，經試驗測試取3.3μF為宜。5腳：該腳與電源間接入一個電阻，用以設置帶通濾波器的中心頻率F0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200kΩ時，F0≈42kHz，若取R=220kΩ，則中心頻率F0≈38kHz。6腳：該腳與地之間接一個積分電容，標準值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時則產生下降。4，8腳：電源正極，4.5～5V。4.2電機驅動電路的設計由于單片機I/O口驅動能力弱，不能直接連接直流電機，故需要驅動芯片進行驅動。該設計采用的是基于L293D的電路連接方式，L293D內部包含4通道邏輯驅動電路。其是一種四相和二相電機的專用驅動器，即內含兩個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46V、2A以下的電機[15]。其電路如圖4-5所示。圖4-5電機驅動電路連接圖1腳和15腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號。本電路未用到采樣所以將其接地。L293D可以驅動2個直流電機，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接1個電動機。5腳、7腳、10腳、12腳接輸入控制信號，控制電機的正反轉，ENA，ENB為電機控制使能端，控制電機的停轉。本電路中分別與單片機89C52的P1.0、P1.1相連，L293D的邏輯功能如表4-1所示。表4-1L293D邏輯功能表ENA(B)IN1(IN3)IN2(IN4)電機運行情況HHL正轉HLH反轉HHH快速停止HLL快速停止L任意任意停止由于電機在正常工作時對電源的干擾很大，所以在電機的驅動信號輸入端并聯(lián)電容C34，用以濾除噪聲干擾。4.3顯示電路的設計數碼管有一位、雙位、四位等幾種，而不管將幾位數碼管連在一起，數碼管的顯示原理都是一樣的，都是靠點亮內部的發(fā)光二極管來發(fā)光的，數碼管的內部結構如圖4-6所示，從圖4-6（a）可看出，一位數碼管的引腳是10個，顯示一個8字要7個小段，另外還有一個小數點，所以內部共有8個小的發(fā)光二極管，最后還有一個公共端，生產商為了封裝統(tǒng)一，單位數碼管都封裝10個引腳，而他們的公共端分為共陽極和共陰極，如圖4-6（b）所示。（a)(b) 圖4-6數碼管顯示原理圖本小車用的開發(fā)板是4位共陽極數碼管，所謂“共陽”就是指其內部的8個發(fā)光二極管的陽極全部連在一起，而他們的陰極是獨立的[16]，通常在設計電路時一般把陽極接VCC，當我們給數碼管的任一個陰極加低電平時，對應的那個發(fā)光二極管就點亮了。當使用多位一體數碼管時，它內部的公共端是獨立的，而負責顯示什么數字的段線全部都是連在一起的，獨立的公共端可以控制多位數碼管中哪一位點亮，通常我們把公共端叫做“位選線”，連在一起的段線叫做“段選線”[17]。本設計所用開發(fā)板的數碼管共陰端與P0口連接，共陽端經過一個反相器與P2口相連，其硬件連接圖如圖4-7所示。圖4-7數碼管連接圖4.4聲光警示電路的設計（a)閃光報警電路(b)蜂鳴器報警電路圖4-8聲光警示電路原理圖由于單片機I/O口不能直接驅動高亮LED，所以要通過一個驅動電路來驅動，其電路如圖4-8所示，Q10為驅動三極管，R24為限流電阻通過單片機的P3.1口控制Q10的通斷，當P3.1被置低電平時三極管導通，發(fā)光管D4、D8點亮；當為高電平時是三極管截至，發(fā)光管熄滅[18]。同樣原理可以控制蜂鳴器發(fā)聲。4.5電源模塊設計智能小車的供電設施是一塊鎳氫充電電池，它有低成本，循環(huán)壽命長，無污染，安全性能好，溫度使用范圍廣等特點。它的容量為2A，最高輸出電壓7.4V,有很強的續(xù)航能力。電機啟動時產生的電壓波動會嚴重影響單片機的正常工作，為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，系統(tǒng)采用兩組電源供電如圖4-9，4-10所示∶圖4-99V供電電路圖4-105V供電電路第二組電源通過三端穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓后給單片機和其它電路供電，另外一組電源經7809穩(wěn)壓后給電機驅動芯片L293D供電，考慮到模塊間的相互干擾問題，兩個電源之間還添加了隔離措施，這樣有效的解決了后向通道會對單片機最小系統(tǒng)以及前向通道產生干擾的問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電源電路連接圖見圖4-9，4-10。電路中的濾波電容C16可以改善輸出的電壓紋波。C18是當負載電流突變時，為改善電源的動態(tài)特性而設定的，其取值約為100～470uF[19]。在結構上，它們是由兩個電容極板的中間加絕緣介質卷繞而成的。因此，對電源中的高頻分量，電解電容均含有電感，而集成穩(wěn)壓器內部帶有負反饋，在高頻下，通過C16、C18的耦合，可能會使穩(wěn)壓器的輸出端產生有害振蕩。C17、C19正是為抑制這種振蕩或消除電網串入的高頻干擾而設置的，通常C17、C19取值為0.1～0.33uF。D1為電源指示燈。由于直流電機在工作時會產生電磁干擾，和噪聲，本電路還添加了由C14、C15、L1組成濾波網絡，目的是濾除電機啟動時所產生的尖峰脈沖。5系統(tǒng)的軟件設計及工作流程5.1測距子程序流程圖圖5-1測距子程序流程圖主程序對系統(tǒng)進行初始化之后，超聲波測距程序設置定時器T0為16位定時器，開中斷允許位EA，清零顯示端口P0和P2。之后調用超聲波發(fā)射子程序，發(fā)送出一個超聲波脈沖，為了避免信號的直接耦合干擾需要將信號發(fā)出后延時0.1ms在開外部中斷接收返回的超聲波信號（這也就是超聲波測距會有一個最小可測距離的原因）。由于系統(tǒng)采用的是12M晶振，計數器每計一個數就是一微秒，當主程序檢測到接收成功標志位后，將計數器T0中的數按公式5-1計算d=(c*t)/2=172*T0/10000（5-1）在室溫下測試聲速為340m/s，超聲波每發(fā)射，接收一次所走距離為被測距離L的2倍如圖5-2所示，L便是被測物體和超聲波傳感器之間的距離，式中T0為計數器T0中的計數值。圖5-2超聲波測距原理示意圖測出距離后結果將以十進制BCD碼方式送往LED顯示，與此同時送入累加器A與安全距離進行比較，若判定前方有障礙物則執(zhí)行避障操作，等待上述過程結束，然后再發(fā)射超聲波脈沖重復測量過程。本設計中智能小車的回轉半徑為40cm，設定的安全距離為20cm，由于程序設計小車每次都向左側避障，所以小車能夠完成避障操作的條件是測試環(huán)境障礙物的間距大于20cm，這樣小車才可以正常工作。5.2舵機帶動探頭旋轉測距避障流程圖圖5-3避障流程圖6系統(tǒng)的安裝與調試6.1安裝步驟6.1.1檢查元件的好壞按電路圖買好元件后首先檢查買回元件的好壞，按各元件的檢測方法分別進行檢測，一定要仔細認真。而且要認真核對原理圖是否一致，在檢查好后才可上件、焊件，防止出現錯誤焊件后不便改正。6.1.2放置、焊接各元件按原理圖的位置放置各元件，在放置過程中要先放置、焊接較低的元件，后焊較高的和要求較高的元件。特別是容易損壞的元件要后焊，在焊集成芯片時連續(xù)焊接時間不要超過10s，注意芯片的安裝方向。6.2電路的調試首先燒入電機控制程序，控制電機正反轉，停止均正常。說明電機及驅動電路無誤。然后加入避障子程序，小車運轉正常時，調節(jié)超聲波模塊靈敏度使達到理想效果。接下來加入顯示距離子程序，看顯示模塊正常與否。在調試程序時，發(fā)現有的指令用的不正確，比如說檢測距離的開關量，應該用“JNC”指令，而最初卻誤用了“JC”指令,導致電路功能不能完全實現，另外軟件程序中的延時有的過長、有的過短。類似的現象還有很多就不一一列舉了。特別是電機PWM控制部分的調試很麻煩，以下是部分單元電路的調試過程。6.2.1超聲波發(fā)射接收電路的調試讓超聲波探頭朝向一面墻，使發(fā)出的超聲波能返回來而被接收器檢測到，從試驗臺引出測試方波信號接入單片機P1.0口，用示波器觀察超聲波CX20106A的7腳的波形，若電路正常工作則接收波形如圖6-1所示。圖6-1超聲波模塊正常工作時的波形圖中1為示波器觀察CX20106A7腳的波形，2為單片機P1.0口輸出波形。確定硬件工作正常后，開始軟件調試。首先將程序燒寫到單片機中，上電觀察數碼管顯示距離是否正確，其次判斷超聲波模塊是否正常工作。在軟件方面影響超生波的主要因素是延時時間，故根據實踐測試情況需適當修改延時長短，有時還須根據設計要求調整超聲波接收，發(fā)射探頭之間的距離一般取2-8cm為宜。6.2.2電機PWM控制的調試過程由于采用的電機供電電壓是5V，而電機額定工作電壓是6V，所以可使電機轉動的PWM值范圍可從5%-65%左右；PWM的頻率變化會帶來電流強度的變化，二者之間成反比關系，頻率越高電流越小，同時力矩也將變小，這與事先的預測基本相同：由于電機的感性阻抗作用，隨著PWM頻率的升高，其感抗的不斷增大，導致電流逐漸減小[20]。尤其設計中所采用的電機是遙控車電機，額定電流較小，線圈匝數必然較多，感抗較大。PWM的原理，其實就是面積等效原理，在采樣控制理論中有一個重要的結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。所以可用等幅值的不同寬度的脈沖來等效一些想要的波形。結論本智能小車電路在硬件上采用了超聲波傳感器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89C52的系統(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。經測定，小車在無障礙物情況下勻速行駛速度約為16.2m/min，距障礙物安全距離為20cm，前方有障礙物時左轉避障，左右有障礙物時向相反方向避障，若小車前方、左側、右側均有障礙物時，小車倒車20cm，停車后繼續(xù)探測周圍180度環(huán)境。雖然智能小車系統(tǒng)有很多優(yōu)點，但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。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。致謝經過一學期的學習和忙碌，本次畢業(yè)設計已經接近制作的尾聲，作為一個缺乏實踐本科生的畢業(yè)設計，由于缺少設計、動手制作的經驗，難免有許多疏漏，會有很多考慮不周全的地方，如果沒有導師長期的督促指導幫助，以及身邊一起努力工作的同學們的支持，想要完成這個畢業(yè)設計是很難想象的。在這里最要感謝的是我的導師劉東輝教授。劉教授平日里課業(yè)量很大，工作繁重，但在我做畢業(yè)設計的整段時間內，從查閱資料到學習相關專業(yè)知識，到設計草案的修改和確定，期中檢查，后期詳細設計方案及思路，裝配草圖，調試程序，組裝小車等整個過程中都給予了我悉心的指導和幫助。我的設計較為復雜煩瑣，但是劉教授仍然細心地糾正設計中的錯誤和不當之處。除了敬佩劉教授的專業(yè)知識水平外，他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。通過我們師生的共同努力，本設計最終調試成功并順利完成題目所有指標。在此我不光要謝謝我的畢業(yè)設計導師，還要謝謝在設計期間給予我?guī)椭膶嶒炇业睦蠋熀屯瑢W們，感謝他們?yōu)槲覀兲峁嶒炂鞑暮驼{試場地。其次要感謝我的同學對我無私的幫助，特別是在軟件的使用方面，正因為如此我才能順利的完成設計，我要感謝我的母?！颖笨萍即髮W，是母校給我們提供了優(yōu)良的學習環(huán)境；另外，我還要感謝那些曾給我授過課的每一位老師，是你們教會我專業(yè)知識。最后，對在畢業(yè)設計期間給予我?guī)椭乃欣蠋熀屯瑢W表示最誠摯地感謝和最衷心祝福！參考文獻1輝雄.智能電動小車的設計.電子報,2005-05-15，第（11)期:32～342李建法.超聲波測距的電路設計與單片機編程.安陽師范學院學報,2003:47～483徐瑋.51單片機實現進步電機控制.電子制作,2006第(11)期:154戴仙金等.51單片機及其C語言應用程序設計.北京:清華大學出版社，20055柳郭等.單片機開發(fā)應用技能與技巧.北京:中國電力出版社,20086宋永冬.高精度超聲波測距系統(tǒng)設計.現代電子技術.2008,第(15)期:137～1397J.Kowitz.超聲技術及應用.科學技術出版社，1992：15～268譚進懷.超聲波語音測距系統(tǒng)在車輛避障中的應用.微計算機信息.2008,第24卷:122～1249劉鳳然.基于單片機的超聲波測距系統(tǒng).傳感器世界.2001,第(8)期:29～3210張建，李剛.超聲波測距系統(tǒng)的研究與設計.電氣電子教學學報.2005,第(4)期:4～611何希才等.傳感器及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2004:65～8312丁鎮(zhèn)生.傳感器及傳感技術應用.北京:電子工業(yè)出版社,1998:59～7213牛余朋.基于單片機的高精度超聲波測距電路.電子世界.2005.第(5)期:27～2914JohnF.Wakerly,數字設計原理與實踐.林生等譯.北京機械工業(yè)出版社,200315張毅剛，彭喜元.新編MCS-51單片機應用設計.第一版，哈爾濱工業(yè)大學出版社,2003：25～27,411～41716趙負圖.傳感器集成電路手冊.第一版，化學工業(yè)出版社，2004:590～5911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ucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitK1=P1^0; //P1.0到P1.4為尋線檢測端sbitK2=P1^1;sbitK3=P1^2;sbitK4=P1^3;sbitK5=P1^4;sbitKIN1=P1^5; //P1.5P1.6是避障檢測端sbitKIN2=P1^6;sbitout1=P2^0; //P2.0到P2.3是電機驅動輸出控制端sbitout2=P2^1;sbitout3=P2^2;sbitout4=P2^3;sbitTrig=P3^6;//產生脈沖引腳sbitEcho=P3^2;//回波引腳sbitbeem=P3^7; //蜂鳴器控制引腳sbitPWM=P1^7;//舵機pwm//uintdistance[4];//測距接收緩沖區(qū)uintdistance1;ucharge,shi,bai,temp,flag,outcomeH,outcomeL,PDATA;//自定義寄存器bitsucceed_flag;//測量成功標志unsignedlongxdatarec_code;unsignedlongxdatatime_us;unsignedcharxdatarec_cnt;unsignedcharxdatakbuf;ucharsdata,flag; //sdata是紅外遙控接收鍵值變量flag是啟動小車或停止小車變量uintj,a;ucharpro;bitrec_b;bitkey_save;bitkeyp;voidchaoshengbo();voidconversion(uinttemp_data);voiddelay_20us();voiddelay_ms(uintx);voiddelay(uintt)//延時程序1{ ucharj;while(t--) {for(j=5;j>0;j--);}}voidbeep() //蜂鳴器提示音{ beem=0; delay(1000); beem=1; delay(1000); beem=0; delay(1000); beem=1; delay(1000); }voidInit() //初始化{flag=0;Trig=0; TMOD=0x11; //T/C1采用16位定時器/計數器 ET1=1; //定時器1開中斷ET0=1; TH0=0x00;TL0=0x00; TH1=0xff;TL1=0xce; TR1=0;TR0 =0; //定時計數器啟動計數 EX0 =1; //外部中斷0關中斷 PT1=1; EA =1; //CPU開中斷}//--------------------------------------------------//-------超聲波測距----------------------------voidchaoshengbo(){ uintdistance_data;EA=0; Trig=1;delay_20us();Trig=0;while(Echo==0); succeed_flag=0; TH0=0;TL0=0; EX0=1;TR0=1; EA=1; delay_ms(7); if(succeed_flag==1) { distance_data=outcomeH;distance_data<<=8; distance_data=distance_data|outcomeL;distance_data=(distance_data/25)*43/100;} a=distance_data; distance1=a;}voiddelay_us(uintx) //演示程序{do{x--;}while(x>1);}voiddelay_ms(uintx){while(x!=0){delay_us(500);x--;}}baidong() //舵機轉動{TR1=1;pro=24; //90°delay_ms(100);pro=10;//小于10°delay_ms(100);pro=36;//大于160°delay_ms(100);pro=24;//90°delay_ms(100);TR1=0;}voidtimer0()interrupt3//定時0.1ms{TH1=0xff;TL1=0xce;j++;if(j<=pro){PWM=1;}else{PWM=0;}if(j==400)//周期20ms{j=0;PWM=~PWM;}}//左轉voidcomeleft(){ out1=0; out2=1; out3=1; out4=0; delay_ms(40);}//右轉voidcomeright(){ out1=1; out2=0; out3=0; out4=1; delay_ms(40);}//前進加速；voidcomeon(){ out2=0; out4=0; out1=1; out3=1;}//后退；voidback(){ out2=1; out4=1; out1=0; out3=0; delay_ms(200);}voidstop() //停止{ out1=0; out2=0; out3=0; out4=0;}//避障voidshunback(){ uintDATA1,DATA2; chaoshengbo(); if(distance1<8) //當超聲波測距距離小于8則 { sto