畢業(yè)論文--智能超聲波避障小車的設計與制作.doc

畢業(yè)論文-智能超聲波避障小車的設計與制作 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(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(jīng)實踐驗收測試該智能小車的電路結(jié)構(gòu)簡單調(diào)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AbstractSmart cars can be programmed to perform a specific task means the miniaturization of robot it has to make cost is low circuit simple structure convenient program test Because of it has strong interest intelligent robot car favored by the majority of the university students enthusiasts and love This paper introduces the is a automatic obstacle avoidance function of intelligent car design and production hereinafter referred to as the smart car the thesis to the intelligence of the car scheme selection design idea and the implementation of hardware and software function and working principle of a detailed analysis and discusses After practice acceptance test this intelligent car circuit structure is simple convenient debug fast flexible system reflect correct and feasible design scheme each index is steady and reliable 目 錄摘 要IAbstractII目 錄III第一章 緒論111項目研究背景及意義112項目主要研究內(nèi)容113設計思路114應用場合和功能2第二章 總體方案321總體方案概述322 總體電路原理圖3第三章 各模塊功能介紹431障礙物測距系統(tǒng)432顯示模塊533驅(qū)動模塊1034電源模塊12第四章 軟件設計1341 程序設計流程圖1342 關鍵程序設計14第五章 系統(tǒng)調(diào)試1751 調(diào)試的思路1752 各模塊的調(diào)試1753 調(diào)試心得19第六章 結(jié)論與展望2061 結(jié)論2062 展望20致 謝21參考資料22附錄231元器件清單232樣機實物照片243電路原理圖25相關程序26第一章 緒論 11項目研究背景及意義 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(xiàn)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(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 必將得到廣泛應用我國作為一個世界大國在高科技領域也必須占據(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(jù)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(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汽車就會自動減速或停靠于路邊 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12項目主要研究內(nèi)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40cmPWM信號自增驅(qū)動電機加速小車加速前進當小于30cm時PWM信號自減驅(qū)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(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內(nèi)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13設計思路直流電機PWM控制系統(tǒng)的主要功能包括實現(xiàn)對直流電機的加速減速并且可以調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速能夠很方便的實現(xiàn)電機的智能控制主體電路即直流電機 PWM 控制模塊這部分電路主要由 AT89S52 單片機 的 IO 端口定時計數(shù)器外部中斷擴展等控制直流電機的加速減速以及轉(zhuǎn)彎并且可以調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速能夠很方便的實現(xiàn)電機的智能控制 其間是通過 AT89S52 單片機產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號并輸入到 L298 驅(qū)動芯片來 控制直流電機工作的該直流電機 PWM 控制系統(tǒng)由以下電路模塊組成設計控制部分 主要由 AT89S52 單片機的外部中斷擴展電路組成直流電機PWM控制實現(xiàn)部分主要由電機和 L298 直流電機驅(qū)動模塊組成設計顯示部分LCD 數(shù)碼顯示部分實現(xiàn)對超聲波測的距離的實時顯示14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用上深受小朋友的青睞功能本小車使用AT89S52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并且用LED顯示出來當小車與障礙物的距離大于40cm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)彎以避開障礙物并且此時蜂鳴器報警在避開障礙物后小車會沿直線前進第二章 總體方案21總體方案概述 本小車使用AT89S52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并且用LCD顯示出來當小車與障礙物的距離大于40cm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)彎以避開障礙物并且此時蜂鳴器報警在避開障礙物后小車會沿直線前進簡要框圖如圖2-1圖 21簡要框圖22 總體電路原理圖第三章 各模塊功能介紹31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激光雷達MMW雷達 優(yōu)點夜間不受影響不受燈光天氣影響缺點對水灰塵燈光敏感價格貴 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340ms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 VT2通過單片機來算出距離圖31超聲波測距原理32顯示模塊方案一用LCD顯示優(yōu)點輻射小顯示內(nèi)容多 低耗能散熱小顯示的畫面穩(wěn)定不閃爍缺點不適合做圖圖像還原不好有可視范圍限制 方案二用LED顯示優(yōu)點亮度高成本低缺點不能顯示漢字顯示內(nèi)容較少對于本課題的要求我們選擇LCD實現(xiàn)功能顯示內(nèi)容多低功耗顯示畫面穩(wěn)定不閃爍硬件電路設計簡單字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母數(shù)字符號等點陣式LCD目前常用161162202和402行等的模塊下面以長沙太陽人電子有限公司的1602字符型液晶顯示器為例介紹其用法一般1602字符型液晶顯示器實物如圖圖 com1602字符型液晶顯示器1602LCD主要技術參數(shù)顯示容量162個字符芯片工作電壓4555V工作電流20mA 50V 模塊最佳工作電壓50V字符尺寸295435 WH mm引腳功能說明1602LCD采用標準的14腳無背光或16腳帶背光接口各引腳接口說明如表所示編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)命令選擇12D5數(shù)據(jù)5RW讀寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負極表-2-1引腳接口說明表第1腳VSS為地電源第2腳VDD接5V正電源第3腳VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端接正電源時對比度最弱接地時對比度最高對比度過高時會產(chǎn)生鬼影使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度第4腳RS為寄存器選擇高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器低電平時選擇指令寄存器第5腳RW為讀寫信號線高電平時進行讀操作低電平時進行寫操作當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)第6腳E端為使能端當E端由高電平跳變成低電平時液晶模塊執(zhí)行命令第714腳D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線第15腳背光源正極第16腳背光源負極1602LCD的指令說明及時序1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令如表-2-2所示序號指令RSRWD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標返回0000000013置輸入模式00000001IDS4顯示開關控制0000001DCB5光標或字符移位000001SCRL6置功能00001DLNF7置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標志或地址01BF計數(shù)器地址10寫數(shù)到CGRAM或DDRAM10要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容表-2-2控制命令表1602液晶模塊的讀寫操作屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的說明1為高電平0為低電平指令1清顯示指令碼01H光標復位到地址00H位置指令2光標復位光標返回到地址00H指令3光標和顯示模式設置 ID光標移動方向高電平右移低電平左移 S屏幕上所有文字是否左移或者右移高電平表示有效低電平則無效指令4顯示開關控制 D控制整體顯示的開與關高電平表示開顯示低電平表示關顯示 C控制光標的開與關高電平表示有光標低電平表示無光標 B控制光標是否閃爍高電平閃爍低電平不閃爍指令5光標或顯示移位 SC高電平時移動顯示的文字低電平時移動光標指令6功能設置命令 DL高電平時為4位總線低電平時為8位總線 N低電平時為單行顯示高電平時雙行顯示 F 低電平時顯示5x7的點陣字符高電平時顯示5x10的點陣字符指令7字符發(fā)生器RAM地址設置指令8DDRAM地址設置指令9讀忙信號和光標地址 BF為忙標志位高電平表示忙此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)如果為低電平表示不忙指令10寫數(shù)據(jù)指令11讀數(shù)據(jù)與HD44780相兼容的芯片時序表如下讀狀態(tài)輸入RS LRW HE H輸出D0D7 狀態(tài)字寫指令輸入RS LRW LD0D7 指令碼E 高脈沖輸出無讀數(shù)據(jù)輸入RS HRW HE H輸出D0D7 數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)輸入RS HRW LD0D7 數(shù)據(jù)E 高脈沖輸出無表-2-3基本操作時序表讀寫操作時序如圖和所示圖 com 讀操作時序圖 com 寫操作時序33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的電阻網(wǎng)絡以及鉗位二極管網(wǎng)絡構(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內(nèi)部圖圖33L298內(nèi)部原理圖L298各引腳功能如下表引腳功能115SEN1SEN2分別為兩個H橋的電流反饋腳不用時可以接地231Y11Y2輸出端與對應輸入端IN1IN2同邏輯4VS驅(qū)動電壓最小值需比輸入的低電平電壓高25V57IN1IN2輸入端TTL電平兼容611EN1EN2使能端低電平禁止輸出8GND地9VSS邏輯電源457V1012IN3IN4輸入端TTL電平兼容13142Y12Y2輸出端與對應輸入端IN3IN4同邏輯表3-3-1 封裝引腳及功能驅(qū)動電機的運行IO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3-3-2 IO端口狀態(tài)與電機制動對照表34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(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)電力不足的情況第四章 軟件設計41 程序設計流程圖本設計系統(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41所示圖 41主程序流程圖42 關鍵程序設計PWM產(chǎn)生程序設計void Timer2 void interrupt 5 TF2 0 RCAP2H 0x0feRCAP2L 0x33 click if click 100 click 0 if click ZK1 PWM1 1 else PWM1 0 if click ZK2 PWM2 1 else PWM2 0 2超聲波的發(fā)射與接受程序設計void zd3 interrupt 3 TH1 0x0f8TL1 0x30timerif timer 200 timer 0TX 1 _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ TX 0 31602的初始化程序的設計void ini_lcd1602 write_lcd1602 0x380 delay 1 write_lcd1602 0x0c0 delay 1 write_lcd1602 0x060 delay 1 write_lcd1602 0x010 delay 1 41602的寫程序的設計void write_lcd1602 uchar cmduchar i lcd_mang rs irw 0e 0_nop_ _nop_ e 1 _nop_ _nop_ P0 cmd _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ e 0 51602的判忙程序的設計void lcd_mang rs 0 rw 1 e 1 _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ while P00x80 e 0 第五章 系統(tǒng)調(diào)試51 調(diào)試的思路本設計的智能避障小車一共分為四大模塊分別是L298驅(qū)動模塊超聲波測距模塊LCD顯示模塊以及蜂鳴器報警模塊調(diào)試的時候我們可以把四大模塊分別調(diào)試最后再把所有模塊組合起來再進行最后的整機調(diào)試這樣一個調(diào)試的思路52 各模塊的調(diào)試com LCD的調(diào)試首先根據(jù)電路圖將顯示模塊焊好再用萬用表檢查電路是否出現(xiàn)短路一切都正常的情況下將LCD測試程序燒到芯片中觀察LCD的顯示是否正確com一開始可能什么都不顯示這個時候我們只需調(diào)整LCD 3腳的變阻器阻值即可圖 comLCD測試圖com 超聲波的調(diào)試超聲波模塊一共有四個腳一個是VCC一個是GND還有兩個分別是超聲波的發(fā)射和接收引腳連接電路時候只需引出四根插線分別連接到89S52的對應引腳燒制好測試程序測試結(jié)com本設計四根插線分別連接到VCCGND還有發(fā)射和接收引腳分別為com圖 com超聲波測試圖com 蜂鳴器報警調(diào)試蜂鳴器的連接很簡單只需用一個PNP管來做驅(qū)動當?shù)碗娖降絹頃r蜂鳴器發(fā)出聲音當高電平到來時沒有聲音本設計中蜂鳴器連接到P34口comcom蜂鳴器報警電路53 調(diào)試心得通過系統(tǒng)的調(diào)試我們可以學到更多的知識我們也可以發(fā)現(xiàn)仿真和實物調(diào)試不同的地方程序設計的結(jié)果可能往往和實物調(diào)試出的結(jié)果不一樣這就需要我們?nèi)ニ伎既フ遄萌ジ倪M以達到預期效果通過程序和硬件的調(diào)試我們可以更深刻的理解各功能模塊之間的聯(lián)系也可以明白各調(diào)試的步驟在調(diào)試的過程中我也遇到許多問題例如我在宿舍調(diào)試好小車之后帶到班級時候在插上電源試圖讓小車跑起來時候發(fā)現(xiàn)超聲波模塊失去了作用LCD不再顯示數(shù)據(jù)了后來我用電腦USB口供電發(fā)現(xiàn)也不可以檢查了許久才發(fā)現(xiàn)是超聲波模塊上的電源線和地線的兩根插線出現(xiàn)了斷路換線之后LCD正常顯示數(shù)值小車正常行駛整個調(diào)試過程需要硬件和軟件結(jié)合起來調(diào)試要仔細檢查電路認真思考程序硬件部分調(diào)試的步驟檢查原理圖連接是否正確用萬用表檢查是否有虛焊引腳短路現(xiàn)象檢查原理圖與上引腳是否一致680歐的電阻焊成了68千歐這使我深深感受到理論與實際間的差距在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)插上編程器后不能燒制程序通過檢查電路發(fā)現(xiàn)AT89S52芯片的使能端沒有接VCC改好之后重新燒制發(fā)現(xiàn)還是不可以通過再次檢查發(fā)現(xiàn)是共陰管的驅(qū)動芯片74LS245的引腳出現(xiàn)焊接錯誤通過這些調(diào)試提高了我檢查電路的能力以及鞏固了電路圖的知識通過這樣的設計提高了我的動手能力每天在實驗室除了焊接線路板還可以上機編程使我軟件調(diào)試知識也提高了本設計采用的是89S52單片機這主要是因為該單片機的穩(wěn)定性比較好還可以采用其它系列的單片機比如采用陵陽單片機就可以簡化編程但其穩(wěn)定性不是很好62 展望1在本課題的基礎上我們可以在小車的底座下面裝一個吸塵裝置這樣就可以在小車行駛的過程中吸除一些預先放好的小紙屑2設計出兩輛小車一輛小車放在另一輛的前面當前面一輛小車起動時候后面一輛小車也起動前面一輛小車轉(zhuǎn)彎的時候后面一輛也跟著轉(zhuǎn)彎前面一輛小車停止時后面一輛也跟著停止致 謝感謝參考資料1 趙負圖傳感器集成電路手冊第一版化學工業(yè)出版社20045905912李華MCS-51系列單片機實用接口技術第三版北京1997年3張紅潤實用自動控制成都科技大學出版社1990年1月4康華光電子技術基礎北京高等教育出版社1983年10月5潘新民微型計算機控制技術北京人民郵電技術出版社1988年3月6趙依軍單片機微型接口技術北京人民郵電技術出版社1989年3月7李廣弟單片機基礎北京北京航空航天大學出版社20018胡漢才單片機原理及其接口技術北京清華大學出版社19969王毅單片機器件應用手冊北京人民郵電出版社1995附錄1元器件清單序號元件名稱數(shù)量參數(shù)1AT89S52單片機12超聲波模塊 13L298n14智能避障小車底盤15蜂鳴器16LCD液晶屏12樣機實物照片3電路原理圖相關程序include include define uchar unsigned chardefine uint unsigned intunsigned char isbit rs P26 定義引腳sbit rw P25sbit e P27sbit TX P30 觸發(fā)信號引腳sbit FM P34sbit PWM1 P36 pwm信號輸出 sbit PWM2 P37static char click 0 unsigned char ZK1ZK2unsigned int time 0unsigned int timer 0unsigned long Sbit flag 0unsigned char code ASCII19 0123456789-MJU LI static unsigned char DisNum 0 顯示用指針 unsigned long S 0 unsigned char disbuff11 0 void Conut void time TH0256TL0TH0 0TL0 0S time17 100 disbuff0 13disbuff1 14disbuff2 15disbuff3 16disbuff4 17disbuff5 18disbuff6 S1000100disbuff7 10disbuff8 S100010010disbuff9 S100010 10disbuff10 12 void delay_1 void 誤差 0us unsigned char ab for b 215b 0b- for a 45a 0a- void delay uchar a uchar i while a- for i 0i 250i _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ 判忙 void lcd_mang rs 0 rw 1 e 1 _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ while P00x80 e 0 1602的寫void write_lcd1602 uchar cmduchar i 當i為0的時候為向1602寫指令為1寫數(shù)據(jù) lcd_mang rs irw 0e 0_nop_ _nop_ e 1 _nop_ _nop_ P0 cmd _nop_ _nop_ _nop_ _nop_ e 0 1602的初始化void ini_lcd1602 write_lcd1602 0x380 delay 1 write_lcd1602 0x0c0 delay