光機電一體化課程設(shè)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）姓名：路小娃學號：26同組人員：嘉玲歐指導(dǎo)教師：永日期：2016年6月16日智能超聲波避障小車摘要本設(shè)計主要有三個模塊包括信號檢測模塊、主控模塊、電機驅(qū)動模塊。信號檢測模塊采用超聲波測距模塊，用以對有無障進行檢測。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(qū)動模塊采用意法半導(dǎo)體的L298N專用電機驅(qū)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STC89C52單片機，經(jīng)單片機處理過后對L298N發(fā)出指令進行相應(yīng)的調(diào)整。我們設(shè)計的小車已經(jīng)實現(xiàn)基本的避障功能。關(guān)鍵詞：智能避障小車,STC89C52單片機，L298N驅(qū)動芯片，信號檢測模塊，避障目錄TOC\o"1-5"\h\z摘要2目錄3\o"CurrentDocument"1課程設(shè)計容4\o"CurrentDocument"1.1項目研究的背景及意義.4\o"CurrentDocument"1.2應(yīng)用場合和功能：4\o"CurrentDocument"1.3項目主要研究容4\o"CurrentDocument"2總體方案論述6\o"CurrentDocument"2.1總體方案6\o"CurrentDocument"2.2總體功能及性能指標6\o"CurrentDocument"2.2.1總體功能6\o"CurrentDocument"2.2.2總體電路原理圖6\o"CurrentDocument"2.3系統(tǒng)方案的比較與確定72.3.1系統(tǒng)方案的比較72.3.2系統(tǒng)方案的確定72.4最終實物圖8\o"CurrentDocument"3硬件電路的設(shè)計9\o"CurrentDocument"3.1硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu).9\o"CurrentDocument"3.1.1障礙物測距系統(tǒng)：9\o"CurrentDocument"3.1.2驅(qū)動模塊：10\o"CurrentDocument"3.1.3電源模塊：.24?程序.1.3\o"CurrentDocument"4.1程序流程圖.13\o"CurrentDocument"5系統(tǒng)軟硬件調(diào)試1.4\o"CurrentDocument"5.1硬件調(diào)試14\o"CurrentDocument"5.2軟件調(diào)試14\o"CurrentDocument"5.3調(diào)試中遇到的問題14結(jié)論1.4參考文獻1.5附錄】.6\o"CurrentDocument"附錄一相關(guān)程序16\o"CurrentDocument"附錄二使用元器件一覽表23\o"CurrentDocument"附錄三心得241課程設(shè)計容1.1項目研究的背景及意義智能作為現(xiàn)代社會的新產(chǎn)物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)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(yù)期所要達到的或是更高的目標。本設(shè)計主要體現(xiàn)多功能小車的智能模式，設(shè)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(shè)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(shù)含量的缺乏進行一定的彌補，實現(xiàn)經(jīng)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(yīng)用。我國作為一個世界大國，在高科技領(lǐng)域也必須占據(jù)一席之地，未來汽車的智能化是汽車產(chǎn)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(yīng)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(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)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(shè)計就能體現(xiàn)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(yīng)，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(yīng)用前景，在科學考察中，有很多危險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，代替人們進行許多無法進行的工作。1.2應(yīng)用場合和功能：應(yīng)用場合：智能小車是一種能夠通過編程手段完成特定任務(wù)的小型化機器人，它具有制作成本低廉，電路結(jié)構(gòu)簡單，程序調(diào)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。同時在玩具的應(yīng)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(zhuǎn)彎以避開障礙物。在避開障礙物后，小車會沿直線前進。1.3項目主要研究容本設(shè)計題目為智能避障小車設(shè)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(qū)動電機工作，小車正常前進，當小于30cm時，舵機會接受到單片機的信號，小車采取相應(yīng)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(jīng)過多次發(fā)射之后再回到超聲波檢測端口會產(chǎn)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總體方案論述2.1總體方案計劃小車使用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危險距離時，小車會沿直線前進，當小車與障礙物的距離小于危險距離時，小車轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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)方案的比較方案一⑴設(shè)計超聲波模塊測距，STC12C5A60S2單片機作為主控模塊；（2）設(shè)定報警閾值（設(shè)定30CM，可用鍵盤調(diào)整閾值），小車通過舵機工作來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎避障；（3）利用STC12C5A60S2的P1口AD轉(zhuǎn)換功能，超聲波模塊測量距離。方案二⑴紅外測距器的系統(tǒng)設(shè)計，STC12C5A60S2單片機作為主控模塊；（2）用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示，紅外驅(qū)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(zhuǎn)化器所需的40KHz方波信號ISD1820語音播放距離，并用LED數(shù)字顯示顯示其距離值。2.3.2系統(tǒng)方案的確定我們小組考慮到，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)點是便宜，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(jīng)過相互比較，從經(jīng)濟和我們所學的知識考慮。所以我們最終選擇方案

2.4最終實物圖3硬件電路的設(shè)計3.1硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)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(qū)動模塊和顯示模塊。其主要組成構(gòu)圖如下：超聲波單片機STC12C5A60S2控制控制舵機3.1.1障礙物測距系統(tǒng)：超聲波單片機STC12C5A60S2控制控制舵機方案一：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。缺點：測量圍小，對天氣變化敏感。不能直接測量距離，算法復(fù)雜，處理速度慢。方案二：紅外測距優(yōu)點：便宜，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始計時，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(chǎn)生一個回應(yīng)信號并通過ECHO腳反饋給單片機，此時單片機就立即停止計時。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(jù)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。lOuSMTTL殿信號循邪發(fā)出8個財飩脈沖模塊內(nèi)部UUfflU一發(fā)出信號輸出回響回晌電平箭出信號與檢測距蔑成上部（I圖3.1:超聲波測距原理3.1.2驅(qū)動模塊：方案一：采用ULN2003驅(qū)動，它是由7組達林頓晶體管陣列和相應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)以及鉗位二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,具有同時驅(qū)動7組負載的能力，一般用于高速大功率驅(qū)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(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機轉(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；H橋電路保證了可以簡單地實現(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。而且它有更強的驅(qū)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。下圖為L298部圖：

圖3.3:L298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橋的電流反饋腳，不用時可以接地2、31Y1、1Y2輸出端，與對應(yīng)輸入端（IN1、IN2）同邏輯4VS驅(qū)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、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，與對應(yīng)輸入端（IN3、IN4）同邏輯表3-3-1封裝引腳及功能

驅(qū)動電機的運行，1/O端口狀態(tài)與電機制動對照表，如下。IN1IN2IN3IN4EN1EN2轉(zhuǎn)速101011正轉(zhuǎn)010111反轉(zhuǎn)111111停止000011停止XXXX00停止表3-3-2I/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(jīng)LM2940轉(zhuǎn)換成5v的獨立的穩(wěn)壓電源。綜合電源模塊的缺優(yōu)點，和電路的實際需求，我們采用了兩個變壓電源模塊，一塊給小車的電機驅(qū)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)電力不足的情況。4.程序4.1程序流程圖本設(shè)計系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序、定時子程序、電機驅(qū)動子程序、中斷子程序、顯示子程序、算法子程序構(gòu)成。主程序流程圖如圖2所示。其中：避障中斷服務(wù)子程序完成對超聲波探測器產(chǎn)生的外部中斷進行處理，如果超出預(yù)定的危險距離就左轉(zhuǎn)進行避障。在定時中斷服務(wù)子程序，完成定時與里程的計算。主程序流程圖如圖13所示。開始PWM初始化定時器初始化定時計數(shù)器初始化AV定時器時間到發(fā)送一個觸發(fā)信號收到回波信號，.1計算障礙物距離IM小于40cmPwm軟件自增―驅(qū)動電機加速Pwm軟件自減驅(qū)動電機減速圖13程序流程圖5系統(tǒng)軟硬件調(diào)試5.1硬件調(diào)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，但總體來說不影響結(jié)果。在本次設(shè)計中，主控模塊是非常重要的部分，它不僅是本次設(shè)計的核心，在本次硬件調(diào)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：檢查電源是否通電；編程使P1為低電平，檢查到P1輸出為低；檢查P0口未接上拉電阻。5.2軟件調(diào)試硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的圍為20cm?150cm，測距儀最大誤差不超過0.5cm。系統(tǒng)調(diào)試完后對各個距離進行多次測量，與預(yù)定值進行比較，對測量誤差進行多次實驗分析，不斷調(diào)節(jié)器件和修改程序使其達到實際使用的測量要求。5.3調(diào)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(dǎo)致顯示不穩(wěn)定有閃爍。接線過程中用插針接線容易導(dǎo)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(zhì)的傳播過程中會有很大的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。一般情況下能測150cm，但是空氣介質(zhì)發(fā)生改變，如塵埃過多，導(dǎo)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(jié)果。結(jié)論對所設(shè)計的電路進行測量、校準發(fā)現(xiàn)其測量圍在20cm—150cm的平面物體做了多次測量發(fā)現(xiàn)，其最大誤差為0.5cm，且重復(fù)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(jù)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。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。不能夠?qū)崿F(xiàn)不同溫度下的測距功能。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]毋茂盛，《單片機原理與開發(fā)》，高等教育⑵計時鳴，《機電一體化控制技術(shù)與系統(tǒng)》，電子科技大學曙光，《c語言程序設(shè)計》，人民郵電偉，《單片機C語言程序設(shè)計實訓(xùn)一基于8051+Proteus仿真》電子工業(yè)

附錄附錄一相關(guān)程序#include<reg52.h>#include<intrins.h>#include<STDIO.H>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint/*DeclareSFRassociatedwiththePCA*/sfrCCON=0xD8;sbitCCF0=CCONA0;sbitCCF1=CCONA］；sbitCR=CCONA6;sbitCF=CCONA7;TOC\o"1-5"\h\zsfrCMOD=0xD9;sfrCL=0xE9;sfrCH=0xF9;sfrCCAPM0=0xDA;sfrCCAP0L=0xEA;sfrCCAP0H=0xFA;sfrCCAPM1=0xDB;sfrCCAP1L=0xEB;sfrCCAP1H=0xFB;sfrPCAPWM0=0xf2;sfrPCAPWM1=0xf3;sbitRX=P1A0;sbitTX=P1E;sbitpwm=P2&;sbitINPUT1=P2A0;//p"3sbitINPUT2=P2A1;//PCAcontrolregister//PCAmodule-0interruptflag//PCAmodule-1interruptflag//PCAtimerruncontrolbit//PCAtimeroverflowflag//PCAmoderegister//PCAbasetimerLOW//PCAbasetimerHIGH//PCAmodule-0moderegister//PCAcontrolregister//PCAmodule-0interruptflag//PCAmodule-1interruptflag//PCAtimerruncontrolbit//PCAtimeroverflowflag//PCAmoderegister//PCAbasetimerLOW//PCAbasetimerHIGH//PCAmodule-0moderegister//PCAmodule-0captureregisterLOW//PCAmodule-0captureregisterHIGH//PCAmodule-1moderegister//PCAmodule-1captureregisterLOW//PCAmodule-1captureregisterHIGH//if(flag==1)〃超出測量//(//flag=0;//printf("——\n");//}////printf("S=%f\n”,S);}voidDelay1ms()//11.0592MHz(unsignedchari,j;_nop_();i=11;j=190;do(while(--j);}while(--i);}voiddelayms(unsignedintxms)(intxnum=0;for(:xnum<xms;xnum++)(Delay1ms();}}voidDelay5us()//11.0592MHz(unsignedchari;_nop_();_nop_();_nop_();i=10;while(--i);}voiddelayus5x(unsignedintxus)(while(xus--)(Delay5us();}}voidStartModule()//T1中斷用來800MS啟動模塊(TX=1;//800MS啟動一次模塊Delay5us();Delay5us();Delay5us();Delay5us();TX=0;}/*描述：PWM初始化函數(shù)/*功能：程序開始執(zhí)行部分/*輸入：左右兩個輪子的速度voidPWM_INIT()(CCON=0;CL=0;CH=0;CMOD=0X00;//0x02CCAP0H=CCAP0L=0XFF;CCAPM0=0X42;CCAP1H=CCAP1L=0XFF;CCAPM1=0X42;CR=1;}/*描述：PWM調(diào)速函數(shù)/*功能：程序開始執(zhí)行部分/*輸入：左右兩個輪子的速度voidmoto(intleft_speed,intright_speed)(if(left_speed>=255)left_speed=255;if(right_speed>=255)right_speed=255;CCAP0H=CCAP0L=(255-left_speed);CCAP1H=CCAP1L=(255-right_speed);}voiddianji()(INPUT1=1;INPUT2=0;INPUT3=1;INPUT4=0;

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