畢業(yè)設(shè)計(jì)論文基于單片機(jī)的避障小車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系別專業(yè)班級學(xué)號姓名指導(dǎo)教師摘要避障智能小車，即輪式避障機(jī)器人，是移動機(jī)器人的一種?；谒妮喴苿有≤嚍榭蚣?，以具有16KB系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH的8位AVR微控制器為核心，開發(fā)研制了一套智能小車所用的避障系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由控制模塊、檢測模塊、供電模塊和運(yùn)動模塊組成。本文使用了超聲波傳感器對智能小車周圍的環(huán)境進(jìn)行探測，在超聲波測距中，采用循環(huán)發(fā)射的方式，有效避免了回波信號干擾，采用1個發(fā)射器發(fā)射、2個鄰近的接收器接收的方法，為避障小車提供同一方向上的多個距離信息，并且給出了距離信息的多種表示方法。并且利用AVR單片機(jī)技術(shù)對超聲波傳感器所探得的障礙物信息進(jìn)行處理，如距離、角度等，最終通過一種新穎的控制算法來完成障礙物的識別，通過PWM調(diào)速來控制L298N的電機(jī)驅(qū)動從而實(shí)現(xiàn)了智能小車的自主避障。最后經(jīng)過編碼、調(diào)試及反復(fù)驗(yàn)證最終得出結(jié)論，即完成了基于單片機(jī)的避障小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞避障，ATMEGA16單片機(jī)，超聲波傳感器，L298N電機(jī)驅(qū)動DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFSMARTCAROBSTACLEAVOIDANCEBASEDONSINGLECHIPMICROCOMPUTERAUTHORCHENYANDONGTUTORWEIYONGTAOABSTRACTSMARTCAROBSTACLEAVOIDANCE,WHICHISCALLEDWHEELEDROBOTOBSTACLEAVOIDANCE,ISONEKINDOFMOBILEROBOTBASEDONTHEFRAMEWORKOFAFOURWHEELMOBILEROBOT,ANDTHECOREOF8BITAVRMICROCONTROLLERWITHPROGRAMMABLEFLASHIN16KBSYSTEM,THETHESISHASDEVELOPEDAMODULEOFOBSTACLEAVOIDANCEWHICHISUSEDINTHESMARTCARTHEMODULEMAINLYCONSISTSOFTHECONTROLPART,DETECTIONPART,POWERPARTANDMOTORPARTTHETHESISMAKESUSEOFULTRASONICSENSORSTODETECTTHEENVIRONMENTAROUNDTHESMARTCARINTHEULTRASONICRANGING,ITHASEFFECTIVELYPREVENTEDTHEECHOSIGNALINTERFERENCEBYTHEWAYOFCYCLICLAUNCHANDWITHALAUNCHERANDTWONEIGHBORINGRECEIVERS,ITISPROVIDEDWITHMUCHINFORMATIONABOUTDISTANCEINTHESAMEDIRECTIONTHEMETHODALSOGIVESMOREWAYSTOREPRESENTTHEDISTANCETHETHESISALSOUSESAVRSINGLECHIPMICROCOMPUTERTOPROCESSTHEOBSTACLEINFORMATIONDISCOVEREDBYULTRASONICSENSORS,SUCHASDISTANCEANDANGLETHENTHETHESISCOMPLETESTHEOBSTACLEPATTERNRECOGNITIONTHROUGHANEWCONTROLALGORITHM,ANDACHIEVEDAUTONOMOUSOBSTACLEAVOIDANCEWITHPWMCONTROLLINGL298NMOTORDRIVERFINALLY,THETHESISMAKESTHECONCLUSIONTHATITACCOMPLISHESTHEDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFTHEOBSTACLEAVOIDANCECARBASEDONSINGLECHIPMICROCOMPUTERISACHIEVEDTHROUGHCODING,DEBUGGINGANDREPEATEDLYVERIFICATIONKEYWORDSOBSTACLEAVOIDANCE，ATMEGA16SINGLECHIPMICROCOMPUTER，ULTRASONICSENSORS，L298NMOTORDRIVER目錄1緒論111引言112選題背景113研究意義與目的214避障小車研究現(xiàn)狀3141國內(nèi)避障小車研究現(xiàn)狀3142國外避障小車研究現(xiàn)狀315論文研究的預(yù)期目標(biāo)、主要內(nèi)容4151論文研究預(yù)期目標(biāo)4152論文的主要內(nèi)容416避障小車的關(guān)鍵技術(shù)5161避障技術(shù)5162識別技術(shù)6163驅(qū)動和結(jié)構(gòu)技術(shù)6164傳感器技術(shù)72總體方案設(shè)計(jì)921引言922系統(tǒng)總體控制方案的確定9221系統(tǒng)任務(wù)描述9222控制系統(tǒng)要求9223控制對象與環(huán)境探測10224微機(jī)的作用1023系統(tǒng)總體方案論證10231參數(shù)輸入方案10232直流電機(jī)方案11233電機(jī)驅(qū)動與調(diào)速方案11234障礙檢測方案12235供電方案13236核心MCU方案13237車模及轉(zhuǎn)向方案143避障小車硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)1531引言1532供電模塊設(shè)計(jì)15321供電模塊設(shè)計(jì)總體思路15322電源設(shè)計(jì)16323保護(hù)部分電路16324濾波部分電路1633控制器模塊設(shè)計(jì)17331控制器模塊整體電路圖17332ATMEGA3216主要性能17333功能特性描述19334時鐘電路設(shè)計(jì)20335復(fù)位電路設(shè)計(jì)20336供電電路設(shè)計(jì)2034通信電路模塊設(shè)計(jì)2135傳感器模塊設(shè)計(jì)2136電機(jī)驅(qū)動與調(diào)速模塊設(shè)計(jì)26361電機(jī)驅(qū)動芯片選擇26362電機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì)27363PWM調(diào)速274避障小車軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)2941引言2942避障小車軟件總體設(shè)計(jì)思想2943副控制單片機(jī)STC12LE5410的軟件設(shè)計(jì)29431設(shè)置與傳輸30432超聲波接收32433距離計(jì)算與數(shù)據(jù)存儲33434副單片機(jī)的SPI通信中斷服務(wù)3444主單片機(jī)ATMEGA32L避障設(shè)計(jì)36441避障算法設(shè)計(jì)36442運(yùn)動控制設(shè)計(jì)3745SPI通信設(shè)計(jì)39451SPI通信基本原理39452SPI通信時序395避障小車的調(diào)試4151SPI通信的調(diào)試及常見錯誤4152避障小車運(yùn)行時遇到的問題4453超聲波檢測模塊的調(diào)試與測量44結(jié)論46致謝47參考文獻(xiàn)48附錄A50附錄B69附錄C701緒論11引言機(jī)器人學(xué)科是一門迅速發(fā)展的綜合性前沿學(xué)科。它涉及到機(jī)械工程學(xué)、運(yùn)動學(xué)、數(shù)學(xué)、電氣工程學(xué)、計(jì)算機(jī)、電子工程學(xué)、自動控制工程學(xué)、人工智能、傳感器、機(jī)器視覺、模式識別與導(dǎo)航、仿生學(xué)和多種智能模擬技術(shù)，受到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視。一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家如美國、德國、日本的大學(xué)和研究所的有關(guān)專業(yè)都在講授和研究機(jī)器人及其應(yīng)用，我國也把機(jī)器人學(xué)科列入國家“863”高技術(shù)計(jì)劃中。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，遍及工業(yè)、國防、農(nóng)業(yè)、宇宙空間、海洋開發(fā)、搶險救災(zāi)、醫(yī)療康復(fù)、家庭服務(wù)、原子能電站的維護(hù)等領(lǐng)域1。12選題背景機(jī)器人技術(shù)是在新技術(shù)革命中迅速發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，它在眾多的科技領(lǐng)域與生產(chǎn)部門中得到了廣泛的應(yīng)用，并顯示出強(qiáng)大的生命力。它是集精密機(jī)械、光學(xué)、電子學(xué)、檢測、自動控制、計(jì)算機(jī)和人工智能等技術(shù)于一體，形成的一門綜合性的新技術(shù)學(xué)科。機(jī)器人的發(fā)展有很長的歷史，早在三國時代，諸葛亮造的“木牛流馬”就是古代機(jī)器人的一種雛形。機(jī)器人ROBOT一詞來源于1920年捷克作家卡雷爾查培克所編寫的戲劇中的人造勞動者，在那里機(jī)器人被描寫成像奴隸那樣進(jìn)行勞動的機(jī)器。后來作為一種虛構(gòu)的機(jī)械出現(xiàn)在許多作品中，代替人們?nèi)ネ瓿赡承┕ぷ鳌?0世紀(jì)60年代出現(xiàn)了作為可實(shí)用機(jī)械的機(jī)器人。為了把這種機(jī)器人同虛構(gòu)的機(jī)器人及玩具機(jī)器人加以區(qū)別，稱其為工業(yè)機(jī)器人2。目前所說的機(jī)器人大多指工業(yè)機(jī)器人。1962年，第一臺工業(yè)機(jī)器人UNIMATE在美國通用汽車公司投入使用，標(biāo)志著第一代機(jī)器人的誕生。第一代機(jī)器人，主要指只能以“示教再現(xiàn)”方式工作的機(jī)器人。示教內(nèi)容為機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的空間軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序等。第二代機(jī)器人具有一定的感覺裝置，能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息，通過計(jì)算機(jī)處理、分析，機(jī)器人作出一定的推理，對動作進(jìn)行反饋控制，表現(xiàn)出低級的智能。第三代機(jī)器人是指具有高度適應(yīng)性的自治機(jī)器人，它具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維，判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中獨(dú)立行動。工業(yè)機(jī)器人自誕生以來已走過了50年歷程，20世紀(jì)60年代初期到20世紀(jì)70年代初期機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展較為緩慢，20世紀(jì)70年代中期逐漸投入實(shí)用，到20世紀(jì)80年代中期機(jī)器人制造業(yè)已成為發(fā)展最快和最好的經(jīng)濟(jì)部門之一，20世紀(jì)90年代機(jī)器人已活躍在世界工業(yè)的各個領(lǐng)域。我國對機(jī)器人技術(shù)的研究從70年代末期起步以來，經(jīng)過“六五”、“七五”、“八五”期間的發(fā)展，在機(jī)器人理論、樣機(jī)設(shè)計(jì)、研制及機(jī)器人應(yīng)用工程等方面取得了一大批成果。許多研制項(xiàng)目被列入“863計(jì)劃”和“火炬計(jì)劃”。國家“七五”重點(diǎn)工程的“機(jī)器人示范工程”已由中科院沈陽自動化所完成，并逐步成為我國機(jī)器人研究、開發(fā)、人才培訓(xùn)、機(jī)器人性能測試和國內(nèi)外機(jī)器人交流的基地，他們已經(jīng)研制出各種型號的水下機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人通用控制器、移動式機(jī)器人等。80年代在國家高技術(shù)計(jì)劃中安排了智能機(jī)器人的研究開發(fā)，包括水下無纜機(jī)器人、高功能裝配機(jī)器人和各類特種機(jī)器人的應(yīng)用研究。90年代中期，國家已選擇以焊接機(jī)器人的工程應(yīng)用為重點(diǎn)進(jìn)行開發(fā)研究。另外我國的高等院校也在機(jī)器人領(lǐng)域開展了廣泛的研究，如長沙的國防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、燕山大學(xué)等在步行機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人、自由度機(jī)器人及并聯(lián)機(jī)器人等前沿領(lǐng)域取得了可喜的成績，正在逐步縮短在機(jī)器人技術(shù)方面與世界先進(jìn)水平的差距。但從總體水平上看，我國機(jī)器人技術(shù)比起發(fā)達(dá)國家還有一定的差距35。13研究意義與目的機(jī)器人涉及到機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)等多個學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成。因此上述學(xué)科的發(fā)展都不斷的帶動機(jī)器人學(xué)的發(fā)展或者被機(jī)器人的研究所帶動。這些學(xué)科涉及世界每一角落，在經(jīng)濟(jì)和科學(xué)發(fā)展中都占有舉足輕重的地位，越來越多的國家參與到機(jī)器人的研究中。避障智能小車，即輪式避障機(jī)器人，是移動機(jī)器人的一種。避障智能小車同遙控小車不同，后者需要操作員來控制其轉(zhuǎn)向、啟停和進(jìn)退，比較先進(jìn)的遙控車還能控制其速度。常見的模型小車，都屬于這類遙控車；避障智能小車，則可以通過計(jì)算機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)其對行駛方向、啟停以及速度的控制，無需人工于預(yù)，操作員可以通過修改避障智能小車的計(jì)算機(jī)程序來改變它的行駛方式。避障智能小車是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。關(guān)于避障智能小車的研究，始于上個世紀(jì)60年代末期，它們己在許多工業(yè)部門獲得廣泛應(yīng)用，它們可以比人類工作得更好并目成本低廉。移動機(jī)器人的避障運(yùn)動一直是一個重要課題，而且隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，由于機(jī)器人所處環(huán)境往往是不可預(yù)測的，機(jī)器人所要完成的任務(wù)也越來越復(fù)雜，機(jī)器人感知環(huán)境的手段是不完備的，傳感器給出的數(shù)據(jù)是不完全的、不連續(xù)的、不可靠的，如何確保機(jī)器人正確識別和躲避周圍環(huán)境存在的障礙物，提高其實(shí)時性和準(zhǔn)確性，就成為一個焦點(diǎn)問題和難點(diǎn)問題。安全避障具體的實(shí)現(xiàn)方法有很多種，主要有超聲避障、視覺避障、紅外傳感器、激光避障、接近覺傳感器、微波雷達(dá)等避障方法。另外，避障智能小車自動行駛功能的研究將有助于智能車輛的研究。智能車輛駕駛?cè)蝿?wù)的自動完成將給人類社會的進(jìn)步帶來巨大的影響，例如能切實(shí)提高道路網(wǎng)絡(luò)的利用率、降低車輛的燃油消耗量，尤其是在改進(jìn)道路交通安全等方面提供了新的解決途徑。14避障小車研究現(xiàn)狀141國內(nèi)避障小車研究現(xiàn)狀（1）清華大學(xué)智能移動機(jī)器人于1994年通過鑒定。（2）中國科學(xué)院沈陽自動化研究所的AGV和防暴機(jī)器人。（3）哈工大機(jī)器人技術(shù)有限公司開發(fā)研制成功了我國第一臺智能型服務(wù)機(jī)器人。采用了先進(jìn)的傳感系統(tǒng)（CCD攝像機(jī)、超聲波、紅外等），智能水平很高，機(jī)器人帶有的視覺系統(tǒng)、語音系統(tǒng)和運(yùn)動系統(tǒng)使其言行舉止更像人。（4）2003年1月，中科院自動化所成功研制開發(fā)了集多種傳感器、視覺、語音識別與會話功能于一體的智能移動機(jī)器人。基本結(jié)構(gòu)由傳感器、控制器和運(yùn)動機(jī)構(gòu)構(gòu)成10。142國外避障小車研究現(xiàn)狀（1）室外幾種典型應(yīng)用的移動機(jī)器人由美國NASA資助研制的“丹蒂II”八足行走機(jī)器人，是一個能提供對高移動性機(jī)器人運(yùn)動的了解和遠(yuǎn)程機(jī)器人探險的行走機(jī)器人。美國NASA研制的火星探測機(jī)器人索杰那于1997年登上火星，這一事件向全世界進(jìn)行了報(bào)道。德國研制了一種輪椅機(jī)器人，并在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境和1998年漢諾威工業(yè)商品博覽會的展覽大廳環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)地現(xiàn)場表演。（2）高完整性機(jī)器人。意指機(jī)器人在工作時一定是正確的，并不一定要連續(xù)工作。（3）遙控移動機(jī)器人。（4）環(huán)境與機(jī)器人集成。像人需要道路、交通信號燈等一樣，機(jī)器人為了在一個動態(tài)變化的環(huán)境中行動，也同樣需要基礎(chǔ)設(shè)施。（5）生態(tài)機(jī)器人學(xué)（生物機(jī)器人學(xué)）。（6）多機(jī)器人系統(tǒng)。主要是獲取機(jī)器人團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)和控制技術(shù)，并將其應(yīng)用于戰(zhàn)略重要情況68。15論文研究的預(yù)期目標(biāo)、主要內(nèi)容151論文研究預(yù)期目標(biāo)研究開發(fā)出一套基于超聲波傳感器的輪式移動機(jī)器人避障模塊，要實(shí)現(xiàn)的主要目標(biāo)有（1）多傳感器組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)的調(diào)理電路。（2）傳感器信息的單片機(jī)采集，信息來源有超聲波傳感器及測試電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的編碼器。（3）避障算法的研究，主要是選用合理算法，對多傳感器給出的信息進(jìn)行融合，以作出決策，控制機(jī)器人的行為。（4）實(shí)現(xiàn)對小功率直流電動機(jī)的閉環(huán)控制。152論文的主要內(nèi)容（1）傳感器網(wǎng)絡(luò)。將使用多個超聲波傳感器，使之形成一個多傳感器系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)，技術(shù)關(guān)鍵在于如何確定各個傳感器的安放位置才能準(zhǔn)確地探測周圍環(huán)境，因?yàn)槌暡▊鞲衅髦g也存在相互干擾，而且有探測盲區(qū)存在。另外，還要設(shè)計(jì)一套調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)多個傳感器與微處理器的接口，因?yàn)槲⑻幚砥鞯腎O口資源有限。（2）傳感器信息處理。關(guān)鍵技術(shù)在于如何使用傳感器的輸出信息來表示周圍環(huán)境情況，亦即讓機(jī)器人知道周圍的環(huán)境情況。在了解了周圍環(huán)境后，基于事先預(yù)定的策略控制電機(jī)運(yùn)行，完成相應(yīng)的行為。這里，事先預(yù)定的策略也是非常重要的。（3）電機(jī)控制。如何有效地、安全地控制主驅(qū)動電機(jī)，使之完成給定避障行為，這其中包括電機(jī)的驅(qū)動電路選型、運(yùn)動情況檢測、安全運(yùn)行保護(hù)。（4）抗干擾研究。這主要包括硬件和軟件兩個方面，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，要兼顧硬件抗干擾和軟件抗干擾的難易、性價比，合理分配。（5）實(shí)驗(yàn)平臺的搭建。需要一輪式小車，且需要與單片機(jī)相關(guān)的開發(fā)工具，例如仿真器、編程環(huán)境等。另外，需要開發(fā)一套單片機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)板，需要配備基本IO接口芯片，外接計(jì)數(shù)器芯片，顯示組件，以完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。16避障小車的關(guān)鍵技術(shù)161避障技術(shù)小車避障從可移動機(jī)器人的出現(xiàn)就開始研究，但一開始他并不作為一門單列的技術(shù)進(jìn)行研究，人們通常在路徑規(guī)劃中實(shí)現(xiàn)。路徑規(guī)劃用于指導(dǎo)機(jī)器人的行為以達(dá)到它的長遠(yuǎn)目標(biāo)。路徑規(guī)劃就是根據(jù)某些最優(yōu)化的準(zhǔn)則，在機(jī)器人的工作空間內(nèi)找到一條從起始位姿到目標(biāo)位姿的能避開障礙的最優(yōu)路徑，該路徑具有最短的距離或最少的行走時間等低成本的特點(diǎn)。近年來，機(jī)器人工作在未知環(huán)境下的情況越來越多，傳統(tǒng)的基于感知建模規(guī)劃動作的方法不易建立準(zhǔn)確的環(huán)境地圖模型，而且很難適應(yīng)動態(tài)的未知環(huán)境的路徑規(guī)劃。因此人們提出了基于行為的移動機(jī)器人路徑規(guī)劃方法，又叫做反應(yīng)式的控制方法。反映結(jié)構(gòu)是一種從感知到動作的直接映射，機(jī)器人能夠?qū)ν饨绛h(huán)境變化作出快速響應(yīng)?；趧幼鲗幼鞣譃槿舾苫拘袨椋瑥?fù)雜的行為刻有幾個簡單行為按次序構(gòu)成。簡單說，就是把以前的導(dǎo)航問題分解成相對獨(dú)立的導(dǎo)航單元，如避障、跟蹤、目標(biāo)制導(dǎo)等。于是避障技術(shù)從此越來越多的被單獨(dú)研究。因?yàn)榉绞降牟煌?，避障技術(shù)通常從兩個方面來實(shí)現(xiàn)。一種就是障礙物已知，環(huán)境也已知，我們采取傳統(tǒng)的全局路徑規(guī)劃，又稱靜態(tài)或離線路經(jīng)規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃的方法主要有拓?fù)浞?、可視圖法和柵格法。拓?fù)浞ǖ幕舅枷胧墙稻S法，即將高維幾何空間中求路徑的問題轉(zhuǎn)化為低維拓?fù)淇臻g中辨別連通性問題。優(yōu)點(diǎn)是大大縮小搜索空間，缺點(diǎn)是建立拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的過程相當(dāng)復(fù)雜?？梢晥D法將小車視為一點(diǎn)，將小車、目標(biāo)點(diǎn)和多變形障礙物的各頂點(diǎn)進(jìn)行組合連接。優(yōu)點(diǎn)是能夠求得最短路徑，但因?yàn)闄C(jī)器人尺寸大小忽略，過障礙時離障礙太近甚至接觸，并且搜索時間長。柵格法將機(jī)器人的工作環(huán)境分解成一系列的具有二值信息的網(wǎng)格單元，工作空間中障礙物的位置和大小一致，并且在小車運(yùn)動過程中，障礙物的位置和大小不發(fā)生變化。該方法精確度、容量、速度都取決于柵格粒度的大小。避障技術(shù)在應(yīng)用是通常會面對以下四種類型1已知環(huán)境下的靜態(tài)障礙物，其環(huán)境中障礙物的形狀、大小和位置對規(guī)劃系統(tǒng)都是精確已知的，其障礙物是靜止不動的。2已知環(huán)境下的動態(tài)障礙物，其環(huán)境中障礙物的形狀、大小對規(guī)劃系統(tǒng)都是精確已知的，但其位置是動態(tài)的。3未知環(huán)境下的靜態(tài)障礙物，對機(jī)器人系統(tǒng)而言，環(huán)境事先是未知的或部分未知的，其障礙物的形狀和大小是未知的，但其障礙物是靜止不動的。4未知環(huán)境下的動態(tài)障礙物，對機(jī)器人系統(tǒng)而言，環(huán)境事先是未知的或部分未知的，其障礙物的形狀和大小是未知的，同時其位置是動態(tài)的。162識別技術(shù)識別技術(shù)是從智能機(jī)器人研究開始出現(xiàn)的，自1961年美國UNIMATION公司研制出世界上第一臺往復(fù)式工業(yè)機(jī)器人以來，機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段第一代示教/再現(xiàn)TEACHING/PLAYBACK機(jī)器人，主要是指按事先示教的位置和姿態(tài)進(jìn)行重復(fù)動作的機(jī)械。第二代傳感控制SENSORYCONTROLLED機(jī)器人，指具有如視覺和觸覺等外部感覺功能的機(jī)器人。這種機(jī)器人由于具有外部的感覺功能，因此可以根據(jù)外界的情況來修改自身的動作，從而完成較為復(fù)雜的作業(yè)。第三代智能INTELIGENT機(jī)器人。除了具有外部感覺的功能外，還具有規(guī)劃和決策的功能，從而可以適應(yīng)周圍環(huán)境的變化而自主地進(jìn)行工作。自主式移動機(jī)器人的智能體現(xiàn)為具有感知SENSING、決策DECISIONMAKING和行為ACTING等基本功能。而這一系列基本功能的組合我通常稱之為識別，它是一切智能化表現(xiàn)的基礎(chǔ)。感知就是獲取關(guān)于其環(huán)境的知識，這是通過各類傳感器來測量實(shí)現(xiàn)的。機(jī)器人中的傳感器除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，還應(yīng)用了視覺、聲覺、光學(xué)、力覺、觸覺等傳感器。然后在收集各種傳感器的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，做出判斷、決策并做出相應(yīng)的行為。其中精確度最高，效果最好的是基于視覺傳感器數(shù)據(jù)的識別，但其設(shè)計(jì)算法復(fù)雜，反應(yīng)時間不快，在競賽機(jī)器人這個高速、多變、靈活的環(huán)境下效果并不明顯，所以我們通常采用聲覺、光覺配合其他傳感器共同實(shí)現(xiàn)。163驅(qū)動和結(jié)構(gòu)技術(shù)避障小車的驅(qū)動及結(jié)構(gòu)技術(shù)是機(jī)動性和靈活性的最基本保障，在良好的驅(qū)動和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，控制、算法的改進(jìn)才有意義。目前小車的驅(qū)動控制多采用液壓驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)動兩種動力源。液壓驅(qū)動功率大重量輕，力和力矩的輸出都很好，運(yùn)行平穩(wěn)，響應(yīng)快，對無級調(diào)速過載保護(hù)都有非常出色的表現(xiàn)。但其體積大，配套設(shè)施多且容易出現(xiàn)污染并不適合比賽的環(huán)境。電機(jī)由于其控制方便，易于實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)驅(qū)動，噪音小等優(yōu)點(diǎn)已日益在競賽機(jī)器人中成為主流。從能源供給角度移動機(jī)器人驅(qū)動形式主要分為拖纜運(yùn)行和電池供電驅(qū)動兩種，電池驅(qū)動控制具有更大的能動空間，但受到電池、驅(qū)動器質(zhì)量的限制，所以目前大多數(shù)研究人員在研制移動機(jī)器人的過程中多采用拖纜運(yùn)行形式。因考慮到需要附帶執(zhí)行機(jī)構(gòu)，移動機(jī)器人一般設(shè)計(jì)功率較大，然而目前市場上，高功率伺服電機(jī)的控制與驅(qū)動產(chǎn)品體積質(zhì)量均較大，且價格昂貴，這大大限制了移動機(jī)器人的負(fù)載空間。小車運(yùn)動方法的選擇是移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的最重要方面。機(jī)器人在地面上移動的方式通常有三種車輪式、履帶式和步行式。步行移動方式模仿人類或動物的行走機(jī)理，用腿腳走路，對環(huán)境適應(yīng)性好，智能程度也相對較高。正因如此，步行移動方式在機(jī)構(gòu)和控制上是最復(fù)雜的，技術(shù)上也還不成熟，不適于在要求靈活和可靠性高的比賽中。履帶式實(shí)際是一種自己為自己鋪路的輪式車輛。它是將環(huán)狀循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，使車輪不直接與地面接觸。履帶式的優(yōu)點(diǎn)是著地面積比車輪式大，所以著地壓強(qiáng)?。涣硗馀c路面黏著力強(qiáng)，能吸收較小的凸凹不平，適于松軟不平的地面。車輪式移動是最常見的一種地面行進(jìn)方式。車輪式移動的優(yōu)點(diǎn)是能高速穩(wěn)定的移動，能量利用效率高，機(jī)構(gòu)和控制簡單，而且技術(shù)比較成熟。它的缺點(diǎn)是對路面要求較高，適于平整硬質(zhì)路面。目前，輪式機(jī)器人由于控制簡單，運(yùn)動穩(wěn)定和能源利用率高等特點(diǎn)，得到了普遍的應(yīng)用發(fā)展。164傳感器技術(shù)人是通過視覺、嗅覺、聽覺及觸覺等感官來感知外界的信息，感知的信息輸入大腦進(jìn)行分析判斷（即人的思維）和處理，再指揮人做出相應(yīng)的動作，這是人類認(rèn)識世界和改造世界具有的最基本的本能。同樣，利用電子儀器特別是用計(jì)算機(jī)控制的自動化裝置來代替人的勞動，那么計(jì)算機(jī)類似于人的大腦，而僅有大腦而沒有感知外界信息的“五官”顯然是不足夠的，中央處理系統(tǒng)也還需要它們的“五官”即傳感器。傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一。信息技術(shù)包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)等，計(jì)算機(jī)相當(dāng)于人的大腦，通信相當(dāng)于人的神經(jīng)，而傳感器就相當(dāng)于人的感觀。從廣義上講，傳感器就是能感受外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)化成可用信號的裝置；從狹義上講，傳感器就是將外界信息轉(zhuǎn)化成電信號的裝置。對于機(jī)器人技術(shù)而言，傳感器技術(shù)的重要性相當(dāng)明顯。因?yàn)楦鞣N各樣的傳感器與人的感觀一一對應(yīng)，它能夠把自然界的各種物理量和化學(xué)量等精確地變換為電信號，再經(jīng)過電子電路或計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，從而對這些量進(jìn)行檢測或控制。舉例來說，相當(dāng)于人眼（視覺）的光敏傳感器，如半導(dǎo)體傳感器、CCD傳感器、光敏晶體管、光電倍增管等；相當(dāng)于人耳（聽覺）的是力敏傳感器，如電容式話筒、陶瓷傳感器、電動式話筒等；相當(dāng)于人皮膚（觸覺）的是力敏傳感器和溫敏傳感器，力敏傳感器有應(yīng)變儀、半導(dǎo)體傳感器等，溫敏傳感器有熱敏電阻、半導(dǎo)體傳感器、熱電阻等；相當(dāng)于人鼻子（嗅覺）的是氣敏傳感器，如半導(dǎo)體傳感器、燃燒式傳感器；相當(dāng)于人舌頭（味覺）的是味覺傳感器，如離子傳感器。這些傳感器都能作為機(jī)器人獲得外部信息的有效工具，從而使機(jī)器人具有感知環(huán)境、對象狀態(tài)的能力，使之具備智能化的特征1114。2總體方案設(shè)計(jì)21引言實(shí)驗(yàn)的機(jī)械載體是四輪小車，車體中部安裝2個主驅(qū)動直流電機(jī)，前端和后端安裝萬向輪。避障小車是一個機(jī)電一體化系統(tǒng)，選用微機(jī)作為控制器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是選用微機(jī)、設(shè)計(jì)接口、選用控制形式和動作控制方式的問題。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟為確定系統(tǒng)總體控制方案；選用微型計(jì)算機(jī)；系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)；確定控制算法；軟件設(shè)計(jì)等。22系統(tǒng)總體控制方案的確定本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由四個模塊組成，分別是供電模塊、檢測模塊、控制模塊、運(yùn)動模塊。對于總體方案的圖解如圖21所示避障小車供電模塊檢測模塊控制模塊運(yùn)動模塊圖21總體方案圖解221系統(tǒng)任務(wù)描述題目要求基于單片機(jī)及傳感器，完成自主式避障小車的設(shè)計(jì)。單片機(jī)作為系統(tǒng)檢測和控制的核心，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人小車的控制。傳感器檢測障礙物，使機(jī)器人能穿越障礙物到達(dá)目的地。222控制系統(tǒng)要求該控制系統(tǒng)要滿足以下幾點(diǎn)要求（1）能對車體四周的環(huán)境進(jìn)行探測以獲得障礙物的存在情況。（2）實(shí)時性要求。（3）交互功能。主要是設(shè)定小車正常行進(jìn)、轉(zhuǎn)彎時驅(qū)動電機(jī)的速度；初始化系統(tǒng)時的一些參數(shù)設(shè)定；顯示驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行速度；功能調(diào)用時，顯示參數(shù)設(shè)定情況。（4）故障檢測及報(bào)警功能。能實(shí)時檢測到控制系統(tǒng)的一些故障，并通過指示燈和蜂鳴器來報(bào)警。（5）驅(qū)動電機(jī)穩(wěn)速運(yùn)行要求。（6）控制系統(tǒng)工作可靠、耐用，抗干擾能力強(qiáng)。223控制對象與環(huán)境探測該系統(tǒng)的控制對象是車體中部的2個主驅(qū)動直流電機(jī)，要求驅(qū)動電機(jī)穩(wěn)速運(yùn)行，采用閉環(huán)控制，速度反饋可以采用數(shù)字式或模擬式，待實(shí)驗(yàn)后決定。電機(jī)驅(qū)動方式應(yīng)能高效率地使用電源，而且能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)要求對車體四周環(huán)境進(jìn)行探測，顯然，單一傳感器是不能滿足要求的。考慮到傳感器價位和技術(shù)水平的實(shí)際情況，用多個超聲波傳感器組成傳感器網(wǎng)絡(luò)對周圍環(huán)境進(jìn)行探測是較好的選擇。利用超聲波探測距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)可以及早發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處存在的障礙物，依據(jù)一定的算法，對傳感器給出的不確定信息融合，可以得出較為真實(shí)的環(huán)境狀況，從而有利于小車作出正確的判斷。224微機(jī)的作用在該系統(tǒng)中，微機(jī)要完成的任務(wù)有實(shí)時采集傳感器網(wǎng)絡(luò)的輸出信息；依據(jù)采集到信息，按照一定的算法對環(huán)境進(jìn)行估計(jì)，指導(dǎo)避障行為；實(shí)時控制驅(qū)動電機(jī)，使其穩(wěn)速運(yùn)轉(zhuǎn)；微機(jī)還要完成一些交互功能，如報(bào)警顯示、功能調(diào)用等?；谏鲜鋈蝿?wù)，可以看出微機(jī)必須具備的功能有二一是數(shù)據(jù)處理、計(jì)算功能，且速度要快；二是中斷功能。23系統(tǒng)總體方案論證231參數(shù)輸入方案增加輸入和顯示模塊的目的是能在脫離上位機(jī)的情況下，仍能進(jìn)行較復(fù)雜的小車控制系統(tǒng)的控制策略、控制參數(shù)的改變。把輸入的內(nèi)容存到RAM單元中，根據(jù)相應(yīng)RAM單元的不同內(nèi)容可以調(diào)用不同的子函數(shù)；調(diào)用同一子函數(shù)時根據(jù)RAM內(nèi)不同的內(nèi)容采用不同的入口參數(shù)。這樣便于小車的調(diào)試和性能的提高。方案一鍵盤輸入44或33。4X4按鍵掃描檢測原理，即判斷鍵盤中有無鍵按下，將全部行線置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與四根行線相交叉的4個按鍵之中。若所有的列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。判斷閉合鍵所在的位置在確認(rèn)有鍵按下后，即可進(jìn)入確定具體閉合鍵的過程。其方法是一次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其他線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測各列線的電平狀態(tài)。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的案件就是閉合的按鍵。方案二撥碼開關(guān)。特性接點(diǎn)容量，切換25MA，24VDC，接通時100MA，50VDC；接觸電阻，初始值50M24VDC/100MA，絕緣電阻100M，500VDC。通過綜合分析以上各個方案的優(yōu)缺點(diǎn)及考慮性價比等客觀因素，本文選擇了方案二，即使用了撥碼開關(guān)。232直流電機(jī)方案方案一步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電動機(jī)的一個顯著的特點(diǎn)就是具有快速啟動和停止能力，并且易于測量電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度或圈數(shù)。如果負(fù)荷不超過步進(jìn)電機(jī)所能提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能夠立即使步進(jìn)電機(jī)啟動或反轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)換靈敏度比較高。正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制靈活，運(yùn)用于智能小車上，能很方便的測量出小車進(jìn)行的距離。其轉(zhuǎn)速最高能超過1000R/MIN。價格較為昂貴。方案二直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)，即齒輪減速電機(jī),是在普通直流電機(jī)的基礎(chǔ)上,加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱的作用是，提供較低的轉(zhuǎn)速,較大的力矩。齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩。選用減速電機(jī)可省去設(shè)計(jì)復(fù)雜減速機(jī)構(gòu)的麻煩，且輸出力矩大，速度反饋相對易于設(shè)計(jì)。其轉(zhuǎn)速一般在15100R/MIN。方案三普通直流電機(jī)，一般轉(zhuǎn)速較高,力矩較小，具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便。調(diào)整范圍廣；過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無極快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)。能滿足各種特殊運(yùn)行要求。在上述電機(jī)當(dāng)中，該類電機(jī)具有最高的轉(zhuǎn)速上限。方案四伺服電動機(jī)，又稱執(zhí)行電動機(jī)。其功能是將電信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度。在訊號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；訊號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當(dāng)訊號消失，轉(zhuǎn)子能即時自行停轉(zhuǎn)。通過綜合分析以上各個方案的優(yōu)缺點(diǎn)及考慮性價比等客觀因素，本文選擇方案三，即普通直流電機(jī)。233電機(jī)驅(qū)動與調(diào)速方案方案一采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)控電位器調(diào)整電動機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)整速度目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能是有極調(diào)速，而數(shù)控電阻的元器件價格比較昂貴，且可能存在干擾。此外，一般電動機(jī)的電阻比較小但電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實(shí)現(xiàn)起來比較困難。方案二基于PWM脈寬調(diào)速的思想，采用PWM整流的方法改變直流電機(jī)的端電壓。采用功率器件或集成芯片構(gòu)成PWM變換器，具有開關(guān)頻率高，脈動電流小，開關(guān)狀態(tài)功耗小的優(yōu)點(diǎn)。可采用L293D、L298、LMD18200等PWM調(diào)速集成芯片方案三繼電器輸出?；赑WM脈寬調(diào)速的思想，通過單片機(jī)控制繼電器（含固態(tài)繼電器）的開合來實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)速，通過控制繼電器開關(guān)的切換速度實(shí)現(xiàn)對小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個電路的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時間長，壽命較短；電機(jī)端電壓不易準(zhǔn)確控制。（主觸點(diǎn)24V固態(tài)繼電器）17通過綜合分析以上各個方案的優(yōu)缺點(diǎn)及考慮性價比等客觀因素，本文選擇方案二，即PWM調(diào)速。234障礙檢測方案方案一脈沖調(diào)制的反射式紅外線發(fā)射接受器。若接收到反射回來的紅外線，則通知單片機(jī)前方有障礙物。由于采用該有交流分量的調(diào)制信號，則可大幅度減少外界干擾；另外紅外線接受官的最大工作電流取決于平均電流。如果采用占空比小的調(diào)制信號，再品均電流不變的情況下，順勢電流很大（50100MA），則大大提高了信噪比。并且其反應(yīng)靈敏，外圍電路也很簡單。它的優(yōu)點(diǎn)是消除了外界光線的干擾提高了靈敏度，但是難以憑低成本完成小車到障礙物的距離的測量。方案二采用超聲波傳感器。如果傳感器接收到反射的超聲波，則通知單片機(jī)前方有障礙物，根據(jù)單片機(jī)發(fā)出超聲波和接收到返回的超聲波的時間差，可以計(jì)算出小車距離障礙物的距離；這是超聲波傳感相比紅外傳感的優(yōu)勢。但是，超聲波受環(huán)境影響較大，電路復(fù)雜，而且地面對超聲波的反射，會影響系統(tǒng)對障礙物的判斷。方案三CCD。CCD圖像傳感器可直接將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其顯著特點(diǎn)是1、體積小重量輕；2、功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動，性能穩(wěn)定，壽命長；3、靈敏度高，噪聲低，動態(tài)范圍大；4、響應(yīng)速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像；5、應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產(chǎn)成本低。因此，許多采用光學(xué)方法測量外徑的儀器，把CCD器件作為光電接收器16。通過綜合分析以上各個方案的優(yōu)缺點(diǎn)及考慮性價比等客觀因素，本文選擇方案二，即采用超聲波傳感器。235供電方案驅(qū)動部分與控制部分的供電方案一采用兩個電源供電，將電動機(jī)驅(qū)動電源與電片機(jī)以及其周邊電路電源完全隔離，利用光電耦合器傳輸信號。這樣可以使電動機(jī)驅(qū)動所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是，多一組電池，增加了小車的重量，即小車的慣性變大，降低了靈敏度。而且，設(shè)計(jì)顯得累贅、不夠簡潔。方案二采用單一電源供電。電源直接給電動機(jī)供電，因電動機(jī)起動瞬間電流較大，會造成電源電壓波動，因而控制與檢測部分電路通過集成穩(wěn)壓塊供電，將電壓穩(wěn)定在一定數(shù)值范圍內(nèi)，以免有波動電壓造成電路的損毀。通過綜合分析以上各個方案的優(yōu)缺點(diǎn)及考慮性價比等客觀因素，即采用單一電源結(jié)合穩(wěn)壓芯片和濾波電路。236核心MCU方案方案一STC89S58。RAM容量只有256B，且運(yùn)算速度較慢，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能。方案二凌陽16位單片機(jī)（SPCE061A精簡板）。針對大學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)的一款帶語音功能的單片機(jī)。有豐富的參考資料；利用凌陽自帶的軟件模擬即可實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試，無需額外成本。然而這款單片機(jī)用于控制方面有致命的弱點(diǎn)不能進(jìn)行中斷嵌套；沒有位尋址功能；沒有外擴(kuò)的三總線結(jié)構(gòu)。方案三RISC的8位AVR單片機(jī)。選用AVR單片機(jī)在性價比上有明顯優(yōu)勢。依靠其快速的運(yùn)算能力豐富的片內(nèi)資源，能勝任小車的控制任務(wù)。然而，選用該單片機(jī)在開發(fā)軟件方面可能會受到限制，并且難以實(shí)現(xiàn)低成本的在線調(diào)試；此外，其參考資料不如其他方案豐富。方案四飛思卡爾16位單片機(jī)。豐富的參考資料，優(yōu)秀的性能與豐富的片內(nèi)資源。但是學(xué)習(xí)起來較為復(fù)雜，而且價格也相對昂貴。方案五雙STC89S52雙口RAM。采用兩片51系列單片機(jī)配合工作；雙口RAM用于擴(kuò)展單片機(jī)的RAM容量，并且可供兩單片機(jī)通訊。15,1819通過綜合分析以上各個方案的優(yōu)缺點(diǎn)及考慮性價比等客觀因素，本文選擇方案三，即采用RISC的8位AVR單片機(jī)。237車模及轉(zhuǎn)向方案根據(jù)小車轉(zhuǎn)向方式的不同，有以下兩種方案。方案一舵機(jī)轉(zhuǎn)向車模。該方案具有轉(zhuǎn)向精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，但是缺乏靈活性，不便于大角度的轉(zhuǎn)向。方案二雙輪差速轉(zhuǎn)向車模。通過分別對左右兩側(cè)的電機(jī)進(jìn)行電壓控制，使左右兩側(cè)車輪產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。該方案轉(zhuǎn)向具有高度的靈活性，能實(shí)現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)向，甚至能使車模原地打轉(zhuǎn)。通過綜合分析以上各個方案的優(yōu)缺點(diǎn)及考慮性價比等客觀因素，本文選擇方案二，即雙輪差速轉(zhuǎn)向車模。綜上分析可得，本設(shè)計(jì)應(yīng)用8位的AVR單片機(jī)作為主控制器，采用單一電源結(jié)合穩(wěn)壓芯片和濾波電路進(jìn)行供電，采用超聲波傳感器進(jìn)行障礙檢測，采用帶有普通直流電動機(jī)的雙輪差速轉(zhuǎn)向車模，采用L298N進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動和PWM調(diào)速以及撥碼開關(guān)進(jìn)行參數(shù)輸入為主體的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。3避障小車硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)31引言本章將對系統(tǒng)硬件情況進(jìn)行詳細(xì)介紹，著重介紹傳感器的布局、傳感器應(yīng)用電路、電源供電電路設(shè)計(jì)、微處理器基本電路設(shè)計(jì)、通信電路設(shè)計(jì)、電機(jī)閉環(huán)控制電路。硬件系統(tǒng)主要由主單片機(jī)ATMEGA32、副單片機(jī)STC12LE5410、超聲波收發(fā)電路、電機(jī)驅(qū)動模塊及供電模塊組成。為了更清晰的表示硬件總體設(shè)計(jì)，做了硬件總體框圖如圖31所示。主控單片機(jī)ATMEGA32副控單片機(jī)STC12LE5410超聲波發(fā)送、接收電路電機(jī)驅(qū)動模塊（H橋電路，功率放大）左輪電機(jī)右輪電機(jī)SPI傳輸PWM波40KHZ方波供電模塊圖31硬件總體框圖32供電模塊設(shè)計(jì)321供電模塊設(shè)計(jì)總體思路本設(shè)計(jì)總體供電由6節(jié)15V堿性電池共9V整體供電，本設(shè)計(jì)四個模塊所需電壓不同，運(yùn)動模塊需要5V以上電壓進(jìn)行驅(qū)動，檢測模塊需要5V進(jìn)行供電，控制模塊則需要33V進(jìn)行供電，由于檢測模塊所應(yīng)用的傳感器整體會產(chǎn)生33V電壓，故控制部分電壓可由檢測部分供給，則只需要將9V電壓降至5V即可，由于電機(jī)驅(qū)動和檢測模塊都需5V供電，故產(chǎn)生兩路5V低壓電源。電路原理圖如圖32所示22。322電源設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主要將9V電壓通過LM7805將其降到5V，其中加入了IN4148的保護(hù)還有一些電容來進(jìn)行整流和濾波。圖32供電模塊總體電路圖323保護(hù)部分電路二極管的工作原理一般二極管按材料分有硅二極管與鍺二極管兩種，它具有單向?qū)щ娦?。二極管由P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體構(gòu)成，在P型、N型半導(dǎo)體之間接觸面形成一個PN結(jié)，通過PN結(jié)對不同方向電壓的不同導(dǎo)電性來達(dá)到導(dǎo)通與截止的作用。當(dāng)通以正向電壓時，電流流過通以反向電壓時，二極管截止，電流不能通過。324濾波部分電路通過整流后，電源的脈動成分較大。濾波電路的作用就是在降低整流后輸出電壓中的脈動成分的同時，盡量保持其中的直流成分。一般典型而有效的濾波電路就是使用電容濾波、電感濾波，利用電抗元件在電路中有儲能的作用，濾去電源中的脈動成分，從而得到比較平滑的電源波形。若將電容與電感合理的安排在電路中，則可以有效的降低交流成分，保持直流成分。電容的參數(shù)及特性如下標(biāo)稱容量與允許偏差一般電容的允許偏差有5、10、20。額定電壓額定電壓是指在規(guī)定溫度范圍內(nèi)，可以連續(xù)加在電容器上的最大直流電壓或交流電壓的有效值電容溫度系數(shù)有正溫度系數(shù)的電容，亦有負(fù)溫度系數(shù)的電容。在使用中，希望溫度系數(shù)越小越好。漏電流是指在正常工作時，電容兩端的泄漏電流。使用中，希望漏電流越小越好。頻率特性大容量的電解電容的高頻特性不好。大電解電容的等效電路為一電容與電感串聯(lián)。在頻率較高時，它的感抗較大，這樣大的電解電容的阻抗在高頻時，是隨著頻率的增大而增大的。電解電容的選取在所使用的小功率線性低壓穩(wěn)壓電源電路中，大部分使用的為電容濾波，通過其放電特性來實(shí)現(xiàn)。放電的時間常數(shù)為RC，越大，放電過程越慢，則輸出電壓越穩(wěn)定，濾波效果越好，所以一般而言，采用電解電容或瓷片電容。電容的容值依照所帶的負(fù)載電流的大小而定經(jīng)驗(yàn)公式一般要求（35）T/2把RC，RUR/IR，T1/F，代入公式5，并取F50HZ，得出C（003005）IR/UR33控制器模塊設(shè)計(jì)331控制器模塊整體電路圖本設(shè)計(jì)控制器主要采用了ATMEGA3216為主控制芯片，圍繞此芯片設(shè)計(jì)了時鐘電路、復(fù)位電路和供電電路，控制器模塊整體電路圖如圖33所示。332ATMEGA3216主要性能131條指令大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期；32個8位通用工作寄存器；全靜態(tài)工作；工作于16MHZ時性能高達(dá)16MIPS；只需兩個時鐘周期的硬件乘法器；16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH擦寫壽命10,000次；具有獨(dú)立鎖定位的可選BOOT代碼區(qū)通過片上BOOT程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程正的同時讀寫操作；圖33控制模塊整體電路圖512字節(jié)的EEPROM擦寫壽命100000次；1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM；可以對鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密JTAG接口與IEEE11491標(biāo)準(zhǔn)兼容；符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能；支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能；通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)對FLASH、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程ATMEGA16/ATMEGA16L外設(shè)特點(diǎn)；兩個具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時器/計(jì)數(shù)器；一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計(jì)數(shù)器；具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時計(jì)數(shù)器RTC；四通道PWM；8路10位ADC；8個單端通道；TQFP封裝的7個差分通道；2個具有可編程增益（1X,10X,或200X）的差分通道；面向字節(jié)的兩線接口；兩個可編程的串行USART；可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口；具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器；片內(nèi)模擬比較器ATMEGA16/ATMEGA16L特殊的處理器特點(diǎn)；上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測；片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的RC振蕩器；片內(nèi)/片外中斷源。6種睡眠模式空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、STANDBY模式以及擴(kuò)展的STANDBY模式ATMEGA16/ATMEGA16LI/O和封裝32個可編程的I/O口40引腳PDIP封裝，44引腳TQFP封裝，與44引腳MLF封裝。工作電壓ATMEGA16L2755VATMEGA164555VATMEGA16/ATMEGA16L速度等級08MHZATMEGA16L016MHZATMEGA16ATMEGA16/ATMEGA16L在1MHZ，3V，25C時的功耗正常模式11MA空閑模式035MA掉電模式通信需求標(biāo)志0通信使能標(biāo)志工作狀態(tài)分支（SWICH）YNCASE停止停止超聲波發(fā)射CASE自動測量1超聲波發(fā)射標(biāo)志待發(fā)射脈沖個數(shù)010待脈沖發(fā)射個數(shù)結(jié)束NNNYYY圖432當(dāng)“工作狀態(tài)”處于“設(shè)置與傳輸”時流程圖432超聲波接收當(dāng)“工作狀態(tài)”處于“超聲波接收”時，需完成的任務(wù)有TL852的增益控制，超聲波余波信號的抑制，反射干擾信號的抑制，回波時間的計(jì)算。流程圖如圖43所示。P10超聲波接收完成標(biāo)志結(jié)束YNY開始計(jì)算回波時間P35通信使能標(biāo)志左右通道切換I通信需求標(biāo)志1發(fā)送完成標(biāo)志1選通引腳SSLAST_TEMPINCLUDEINCLUDEINCLUDE/增補(bǔ)、移植部分/DEFINE_1BIT10GC_UCMEAPERIODCNTIFGC_UCGAPATSINGLEMEA0/該部分只有當(dāng)觸發(fā)AUTO測量時才會執(zhí)行GC_UCGAPATSINGLEMEAIFGC_UCGAPATSINGLEMEA0STARTULTRASONICSEND/啟動超聲波發(fā)射,開始下一次數(shù)據(jù)采集/工作指示處理/GC_UIWORKDISPTIMECNTIFGC_UIWORKDISPTIMECNT0G_BWORKDISPG_BWORKDISPGC_UCWORKDISPNUMCNTIFGC_UCWORKDISPNUMCNT0/恢復(fù)到正常顯示G_UCWORKDISPSTATNORMALGC_UCWORKDISPNUMCNTGA_UCWORKDISPNUMG_UCWORKDISPSTATGC_UIWORKDISPTIMECNTGA_UIWORKDISPTIMEG_UCWORKDISPSTATGC_UIWDTCNT/WDT處理IFGC_UIWDTCNT0GC_UIWDTCNTWDTTIME_CFEED_WATCHDOG/工作狀態(tài)處理/SWITCHG_UCWORKSTATCASEWAIT_START/SPI通信處理/IFSEND_REQUESTSPI_REPLY/出問題了，等一直亮（即DISP恒0）,在此程序停止了SPI_RECV_INITSEND_REQUEST0SEND_ALREADY0/在等待狀態(tài)則檢測工作模式SWITCHG_UCWORKMODECH0CCONCCON/停止PCAG_BSEND_CTRLSEND_INVALID/超聲波輸出驅(qū)動無效BREAK/停止測量模式CASEAUTO_MEASURE/自動測量模式處理IFGC_UCMEAPERIODCNT0GC_UCMEAPERIODCNTG_UCMODEPARA/測量周期計(jì)數(shù)初始化STARTULTRASONICSEND/啟動超聲波發(fā)射BREAKBREAKCASEULTRASONIC_T/核心部分BREAK/超聲波發(fā)射處理在中斷中完成CASEULTRASONIC_R/核心部分IFG_BLRCVBACKFLAGTRUEG_BLRCVBACKFLAGFALSE/判斷是否為發(fā)射余波所致，081228ULMEATIMEUNSIGNEDLONGGA_UCPCA_OVERVALLEFT65536LGA_UISTOPTIMELEFTALL/得到回波時間IFULMEATIMEINHIBIT_TIME/如果時間沒超過屏蔽時間，打開接收，繼續(xù)計(jì)時G_BL852INHIBITEN852OUTG_BULTRASONIC_INLTRUEELSEG_BLFINISHFLAGTRUE/確定不是發(fā)射波所致，才建立收到標(biāo)志，090426IFG_BRRCVBACKFLAGTRUEG_BRRCVBACKFLAGFALSE/判斷是否為發(fā)射余波所致，081228ULMEATIMEUNSIGNEDLONGGA_UCPCA_OVERVALRIGHT65536LGA_UISTOPTIMERIGHTALL/得到回波時間IFULMEATIMEINHIBIT_TIME/如果時間沒超過屏蔽時間，打開接收，繼續(xù)計(jì)時G_BR852INHIBITEN852OUTG_BULTRASONIC_INRTRUEELSEG_BRFINISHFLAGTRUE/確定不是發(fā)射波所致，才建立收到標(biāo)志，090426IFG_BLFINISHFLAG/轉(zhuǎn)換到計(jì)算狀態(tài)IFG_BGAINCTRLG_BGAINCTRLFALSEIFGC_UCGAINCTRL_NO11G_UI852GAINCTRLTIMEALLGA_UIDELTATIMEGC_UCGAINCTRL_NOCCAP1LG_UI852GAINCTRLTIMEB1/加載下一次比較值CCAP1HG_UI852GAINCTRLTIMEB0G_UC852GAINCTRLGC_UCGAINCTRL_NO16GC_UCGAINCTRL_NO/輸出增益控制,暫時左右通道同步，081228IFGC_UCGAINCTRL_NO0G_BCUT_OFFCUT_OFF_VALID/啟動回波抑制ELSEG_BCUT_OFFCUT_OFF_INVALID/釋放回波抑制080913GC_UCGAINCTRL