電動智能小車畢業(yè)論文

1、 學(xué)校代碼： 11059 學(xué) 號：Hefei University畢業(yè)設(shè)計（論文）BACHELOR DISSERTATION論文題目： 電動智能小車 學(xué)科專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 作者姓名： 鄒宗耀 導(dǎo)師姓名： 汪 珺 完成時間： 2015.06.03 電動智能小車摘要在當今社會，電子產(chǎn)品的新趨勢和電子行業(yè)的主要走向都是智能化。智能化漸漸地走入我們的生活，在給我們的生活增添了許多樂趣的同時也帶來了許多方便，越來越受到人們的青睞。而現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、科學(xué)勘測、智能家居等方面的智能化電子產(chǎn)品是不需要認為管理的，也就是它們按照之前設(shè)定好的模式在一個環(huán)境里自動運行。本次畢業(yè)設(shè)計做的是一種基

2、于89C51單片機的電動智能小車模型，就很好的體現(xiàn)了這一點。主要涉及到小車的PWM調(diào)速、智能循跡與超聲波測距躲避障礙的功能。通過紅外光電傳感器來收集路面信息來自動控制電機的轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)小車行駛路徑的改變以及障礙物的躲避，而且當小車上的超聲波傳感器檢測到障礙物的時候，蜂鳴器報警裝置就會立刻發(fā)出嘀嘀嘀刺耳的響聲。通過超聲波發(fā)射電路與接收電路的配合再利用數(shù)碼管來顯示超聲波信號發(fā)射點與障礙物之間的距離，從而實現(xiàn)小車超聲波測距的功能。關(guān)鍵詞：智能小車；51單片機；尋跡；避障Smart Electric Ear DesignABSTRACTIn todays society, new trends and

3、 main trends of electronic products in the electronics industry are intelligent. Intelligent gradually into our lives, in our lives adds a lot of fun, it also brings a lot of convenience, more and more people of all ages. And now widely used in environmental monitoring, scientific investigation, sma

4、rt home and other aspects of intelligent electronic products is not required that the administration, that is, before they run automatically according to set a good model in an environment. The complete set is an 89C51 microcontroller to do the electric smart car model based on good indication of th

5、is. Mainly related to the carriage of PWM control, intelligent tracking and Ultrasonic Ranging obstacle avoidance function. By infrared sensors to collect road information to automatically control rotation of the motor in order to achieve change and obstacle avoidance car travel route, and when the

6、small car ultrasonic sensor detects an obstacle, the buzzer alarm will be sent immediately Didi tick sound harsh. With the ultrasonic transmitter circuit and reception circuit reuse digital ultrasonic signal to show the distance between emission points and obstacles in order to achieve the car Ultra

7、sonic Ranging function. Keywords：intelligent car；51 MCU；tracing；avoidance目 錄前 言1第一章 緒論21.1 課題研究的背景和意義21.2 課題研究內(nèi)容2第二章 總體方案設(shè)計32.1 主控系統(tǒng)32.2 小車驅(qū)動系統(tǒng)32.3 系統(tǒng)框圖32.4 系統(tǒng)原理圖4第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計63.1 單片機硬件結(jié)構(gòu)63.1.1 單片機的選擇63.1.2 單片機引腳功能73.1.3 結(jié)構(gòu)特點83.1.4 最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計93.1.5 時鐘電路103.1.6 復(fù)位電路113.2 直流調(diào)速系統(tǒng)113.3 L298N芯片直流電機驅(qū)動模塊133.4

8、超聲波測距避障模塊143.4.1 超聲波發(fā)射電路設(shè)計153.4.2 超聲波接收電路設(shè)計153.5 紅外尋跡模塊163.6 蜂鳴器報警驅(qū)動電路173.7 數(shù)碼管顯示電路173.8 系統(tǒng)整體電路18第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計194.1 Proteus仿真軟件194.2 Keil for C51204.3 軟件程序214.3.1 主程序設(shè)計框圖224.3.2 驅(qū)動程序框圖224.3.3 循跡程序框圖234.3.4 避障程序框圖23參考文獻24致 謝25附 件26前 言 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動化技術(shù)和智能化技術(shù)越來越普遍，許多高科技也廣泛用于機器人和智能玩具小車的制造領(lǐng)域，使得智能多功能機器人的樣式也

9、越來越多。智能小車是一個集成體，包含許多種高新技術(shù)，涉及到許多科學(xué)知識和當今最前沿的高新技術(shù)，比如：傳感和智能控制等，目的是來實現(xiàn)對環(huán)境變量的感應(yīng)和智能運行等操作。廣泛應(yīng)用于軍事和科研，為保障道路及交通的安全提供了新途徑。隨著工業(yè)電子自動化技術(shù)的發(fā)展，智能機器人已被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)，像焊接、醫(yī)療、挖掘、噴涂等各大領(lǐng)域。人類的一些繁重勞動逐漸被工業(yè)機器人所代替，從而大幅度的提高了生產(chǎn)效率，另一方面也減輕了人類的勞動強度。電動智能小車就是模擬robot的運作來實現(xiàn)自身的各種功能。第一章 緒論1.1 課題研究的背景和意義隨著世界各國汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們越來越關(guān)注對汽車的研究。省內(nèi)以及全國電子設(shè)計大賽

10、基本每次都會有關(guān)于智能小車的設(shè)計，而且全國大部分高等院校也非常重視對該課題的探索與研究。由此可見，對該課題的研究意義是多么的重大，我們這次畢業(yè)設(shè)計就是在這樣的背景下提出來的，這是一個結(jié)合科研項目而確定的設(shè)計類課題。根據(jù)指導(dǎo)老師的要求，利用proteus仿真軟件以及keil編程軟件來仿真電動智能小車的自動尋跡、避障以及測距等功能。這種設(shè)計能實時精確的控制電動智能小車的運行狀態(tài)，而且操作靈活，精確度高，在較大程度上符合了系統(tǒng)的各項設(shè)計指標。本次設(shè)計采用AT89C51單片機作為整體控制的核心，通過超聲波傳感器來監(jiān)測前進道路上的障礙，以便實現(xiàn)電動智能小車的智能躲避障礙的功能。AT89C51是一款8位單

11、片機，它為許多嵌入式控制體系提供了靈活性，并且受到了廣大使用者的一致好評。1.2 課題研究內(nèi)容（1）學(xué)習(xí)掌握單片機程序的匯編以及各引腳接線功能的具體應(yīng)用；（2）根據(jù)設(shè)計要求選取恰當?shù)膫鞲衅?，并編寫控制系統(tǒng)的程序；（3）對程序不斷地進行調(diào)試，制定最終的方案，分析并畫出電路原理圖；（4）通過分析硬件電路，運用仿真軟件進行模擬仿真。此次畢設(shè)過程中我們重點探討的難題是：選取合適的傳感器，硬件電路的構(gòu)思和分析以及系統(tǒng)程序的匯編和調(diào)試。 第二章 總體方案設(shè)計本次畢設(shè)用的是直流減速電機，控制電機驅(qū)動部分用的是電機專用的驅(qū)動芯片L298N,用AT89C51單片機作為系統(tǒng)控制的核心，通過超聲波傳感器和反射式紅外

12、光電傳感器分別實現(xiàn)小車的測距以及自動循跡功能。2.1 主控系統(tǒng)方案1：運用各種各樣的數(shù)字型模擬電路來完成智能小車的控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)小車的智能循跡、避障、以及它的智能調(diào)速和聲光報警等功能。但這種電路的設(shè)計比較復(fù)雜，操作不方便，難以處理小車的各種信號，不利于實現(xiàn)小車的智能化控制。方案2：小車的主控系統(tǒng)用AT89C51單片機。這種利用軟件來控制系統(tǒng)以解決紛繁復(fù)雜的硬件電路設(shè)計，能較大程度的簡化硬件系統(tǒng)，有利于小車各部分功能的完美實現(xiàn)。經(jīng)過詳細的比較，我們最終選用方案2作為小車的主控系統(tǒng)。該方案操作簡單，完全符合此次畢設(shè)的各項需求。2.2 小車驅(qū)動系統(tǒng)方案1： 采用我們自己搭建的三極管電路作為電動智能

13、小車的直流電機驅(qū)動模塊。三極管電路構(gòu)建起來是非常簡單的，而且操作也十分的方便。方案2：小車直流電動機的動力元件采用專用芯片。這個模塊自帶較大的帶載驅(qū)動能力，驅(qū)動端子的供電值Vs在535V之間，而且本身也自帶了3V,5V的輸出端口。因為在小車的實際設(shè)計過程中，我們要對小車的各個模塊提供不同的電壓值，因此選用方案2。電機驅(qū)動模塊的電路為“H橋式驅(qū)動電路”（如圖1）。2.3 系統(tǒng)框圖本次畢設(shè)選取89C51單片機對電動智能小車進行智能化的操作，在小車駛過預(yù)先設(shè)定好的黑線開始點時，通過單片機控制小車上的光電傳感器和超聲波傳感器來實現(xiàn)其循跡、測距避障功能。在小車行駛過程中，通過PWM調(diào)速系統(tǒng)提高小車的系統(tǒng)

14、動靜態(tài)性能。小車部分主要由外部電源、電動機驅(qū)動模塊、超聲波模塊、89C51單片機最小系統(tǒng)、顯示電路、紅外躲避障礙模塊以及蜂鳴器報警系統(tǒng)組成。圖2為智能小車的系統(tǒng)框圖。圖1 橋式驅(qū)動電路 顯示電路紅外循跡模塊 蜂鳴器89C51單片機最小系統(tǒng)電機驅(qū)動模塊 超聲波模塊 外部電源圖2 小車系統(tǒng)框圖2.4 系統(tǒng)原理圖采用AT89C51單片機對簡易的電動智能小車進行智能控制。開始的時候由手動對小車進行啟動，并復(fù)位，當小車經(jīng)過預(yù)先設(shè)定好的開始點黑線時，由超聲波傳感器和光電傳感器進行路線勘察，通過單片機主控系統(tǒng)來控制小車利用8段管顯示電路記數(shù)并實現(xiàn)小車的躲避障礙和控制速度等功能；通過超聲波以及紅外傳感器對道路

15、進行檢測以完成小車的自動循跡避障操作。在小車前進的過程中，使用PWM調(diào)速技術(shù)，來使系統(tǒng)的整體動靜態(tài)性能有所提高。系統(tǒng)原理圖如圖3。圖3 系統(tǒng)原理圖第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 單片機硬件結(jié)構(gòu)3.1.1 單片機的選擇衡量一個設(shè)計能否完成設(shè)計任務(wù)的關(guān)鍵就在于是否能正確得選擇系統(tǒng)的核心部件，然而在本次設(shè)計中系統(tǒng)的控制核心就是單片機，所以我們能否正確的選取單片機就顯得十分關(guān)鍵?，F(xiàn)在單片機的種類繁多，而且它們都有各自的功能特點，所以選擇一個合適的單片機可以最大程度的簡化操作以完成設(shè)計任務(wù)。我們在選取單片機的時候要全方面考慮以下幾個問題：（1）單片機最基本的性能參數(shù)；（2）某些特定的增強功能；（3）存儲介質(zhì)

16、；（4）對工作溫度范圍的要求；（5）銷售渠道以及價格；（6）芯片資料是否完整；（7）抗干擾能力怎樣。51單片機的指令系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)與標準的52單片機是可以相互替換的。所以本次畢設(shè)的控制核心單片機選用AT89C51。它是由ATMEL生產(chǎn)的CMOS8位單片機，具有控制能力強、抗干擾能力強、高性能、低功耗等特點。該芯片上包括CPU、存儲器、4個具有數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ艿妮斎胼敵隹?、可編程定時器/計數(shù)器、串行通口等，通過內(nèi)部總線把各個部分連在一起。TXD、RXD為串行口的輸入/輸出端。圖4為單片機引腳圖。圖4 單片機引腳功能3.1.2 單片機引腳功能（1） 主電源引腳GND和VccGND ：電源接地端Vcc

17、 ：電源正端，+4+5.5V。 （2）時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2片內(nèi)振蕩放大器的輸入端是XTAL1端口，輸出端是XTAL2端口。在單片機內(nèi)部只要有脈沖信號時序電路就能工作，其中時鐘產(chǎn)生電路有內(nèi)部振蕩和外部振蕩兩種方式。接上電容和晶振就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式，外部振蕩方式就是在XTAL2上加上一個外部時鐘信號。（3）復(fù)位RST復(fù)位輸入端。復(fù)位就是將單片機內(nèi)部的各個寄存器的值重新回到初始狀態(tài)的操作，如果要復(fù)位，那么該引腳就應(yīng)輸入2個機器周期的高電平。 （4）控制信號引腳ALE、PSEN、EAALE ：地址鎖存控制信號。該引腳有兩種功能，即對片外存儲器進行訪問時，ALE將低位字節(jié)地址所存起來；在

18、固化片內(nèi)存儲器的程序時，該引腳的作用是編程脈沖的輸入，只有低電平時才有效。PSEN ：片外ROM選通控制信號端，只有在低電平時才有效，由于現(xiàn)在基本不用片外程序存儲器，所以此引腳基本不用了。EA ：內(nèi)外程序存儲器選擇端，由于現(xiàn)在都采用片內(nèi)存程序儲器，所以此引腳接到Vcc端就行了。（5）輸入輸出引腳（P0、P1、P2、P3端口引腳）P0 ：P0口是一個三態(tài)的雙向8位并行口，既能當作通用I/O口用也可以當作地址/數(shù)據(jù)線的復(fù)用口。P1 ：該引腳一般都是當作輸入輸出端使用，且內(nèi)部自帶有上拉電阻。P2 ：P2作為特殊功能寄存器，是一個準雙向的8位并行口，不僅可以作為通用的I/O口使用，還有一個作用就是可以

19、用作高8位地址線使用。P3 ：P3口作為特殊功能寄存器，是一個多功能的準雙向8位并行口，每位除了可以作普通的I/0口使用之外，也有著第二輸出功能。P3口與P1口的結(jié)構(gòu)相比，多了一個緩存器和與非門，從而實現(xiàn)了多功能。 表1 P3口各位的第二功能3.1.3 結(jié)構(gòu)特點8951單片機作為使用最廣泛的單片機是我們首選的單片機，雖然8951型號的單片機已經(jīng)不是現(xiàn)在處于先進位置的單片機，但是從穩(wěn)定性和經(jīng)濟性上來說，我們的首選單片機就是8951單片機。其基本組成下圖所示 圖5 單片機結(jié)構(gòu)框圖1.中央處理器（CPU）被賦予單片機“大腦和心臟”和“核心”美譽的CPU的主要功能是完成運算和控制。CPU其實就是一塊超

20、大規(guī)模的集成電路，擁有很強的運算和控制功能，能嚴格的執(zhí)行指令，按照指令去完成各項操作。與通用微處理器相同的是AT89C51單片機里的8位微處理器也包含了運算器和控制器兩個部分，在進行面向控制的同時，還可以進行數(shù)據(jù)處理和位變量操作。2. 程序存儲器（內(nèi)部ROM）AT89C51單片機里的ROM是只讀存儲器，可以將數(shù)據(jù)永久的保存在單片機里面，所以系統(tǒng)擁有極高的可靠性。 3.數(shù)據(jù)存儲器（內(nèi)部RAM）AT89C51單片機的數(shù)據(jù)存儲器一般存放著一些經(jīng)常會改變的中間運算結(jié)果，標志位，數(shù)據(jù)暫存等信息。但是一旦出現(xiàn)斷電等情況，這些數(shù)據(jù)就會消失，所以必須在使用的時候重新將這些數(shù)據(jù)寫入。4.并行I/O口I/O口是一

21、個通道，一個專門負責單片機與外界聯(lián)系的通道。8051單片機是擁有4個I/O口，4個I/0端口在特性和結(jié)構(gòu)上大部分是相同的，但是又各不相同，其中P0口算得上是一個真正的雙向口，它有3中工作狀態(tài)。5.定時器/計數(shù)器用于實現(xiàn)定時和計數(shù)功能。并且功能是可以改變的，只需要對工作方式，定時時間，量程，啟動方式等的指令改變，只有把指令寫進定時/計數(shù)器的特殊功能寄存器后，才可以實現(xiàn)不同的作用。6.串行口單片機內(nèi)部設(shè)置了UATR串行接口，是一個可編程的端口，不僅僅可以同步移位，異步接收和發(fā)送，還可以設(shè)置各種波特率，多機通信，使用靈活方便。7.中斷系統(tǒng)對中斷請求進行分析處理，AT89C51的中斷系統(tǒng)可以滿足一般控

22、制應(yīng)用的需要。由此可見，AT89C51僅是一塊芯片，但它包括了構(gòu)成計算機的基本部件，因次可以說它是一臺簡單的計算機，又由于其主要作用是控制，所以又稱為“微控制器”。3.1.4 最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計AT89C51是一款片內(nèi)存在RAM型單片機，構(gòu)成該集成芯片的最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠。只要將時鐘電路和復(fù)位電路接在AT89C51單片機上就構(gòu)成了最小應(yīng)用系統(tǒng)（如圖6）。由于最小應(yīng)用系統(tǒng)受到集成度的限制，故只能控制一些小型單元。圖6 單片機最小系統(tǒng)有以下幾個應(yīng)用特點：（1）輸入輸出口的接線端口非常多，用戶可以隨便挑選 。（2）內(nèi)部存儲器的容量有限。（3）具有特殊性的開發(fā)平臺。3.1.5 時鐘電路 在不同時期的

23、不同計算機是有不同方式的時鐘電路接法的，STC89C52單片機的時鐘電路有兩種連接方法（見圖7）。一種連接方法是內(nèi)部時鐘方式，另一種連接是外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘電路是通過兩個引腳兩端直接跨接陶瓷的諧振器或者晶體再利用芯片內(nèi)部的振蕩電路就能夠形成自激振蕩器，發(fā)出的脈沖就能夠直接發(fā)送到時鐘內(nèi)部電路。因為C1和C2值對于脈沖的頻率有略微調(diào)整的作用，為了更好地保證時鐘電路的穩(wěn)定性，電容和諧振器應(yīng)該離單片機越近安裝越好。外部時鐘電路的原理是利用外接的振蕩器接入XTAL1，對于單片機而言，單片機內(nèi)部時鐘信號接受的強弱取決于放大器。圖7 內(nèi)部時鐘和外部時鐘 圖8 時鐘電路 圖9 復(fù)位電路3.1.6 復(fù)位電路

24、在一個單片機系統(tǒng)中，復(fù)位電路起到非常關(guān)鍵的作用，當程序運行不正?；蛲Ｖ惯\行時，就要進行復(fù)位。復(fù)位電路通常分為兩種復(fù)位方式即上電自動復(fù)位（圖10（a）和開關(guān)復(fù)位（如圖10（b）。在上電的那一剎那，由于電容兩端的電壓難以發(fā)生突變，且電容的負極和RES連在一起，此時的電壓全部加載在電阻上，RES引腳的電壓為高電平，芯片復(fù)位。而本次設(shè)計我們采用按鍵復(fù)位（如圖9）。圖10 單片機常見的復(fù)位電路3.2 直流調(diào)速系統(tǒng)方案1：串聯(lián)電阻進行調(diào)速。方案2：V-M系統(tǒng)調(diào)速。方案3：脈寬調(diào)速系統(tǒng)。如果采用方案1進行串聯(lián)電阻調(diào)速，那么該調(diào)速系統(tǒng)除了要一臺勵磁發(fā)電機外，還需要兩臺及以上旋轉(zhuǎn)電機，而且此系統(tǒng)有如下缺點：機組

25、的容量必須與調(diào)速電動機的容量差不多，設(shè)備繁多，體積較大，效率偏低，不便于維護，技術(shù)落后等，因此不采用方案1.雖然現(xiàn)代直流調(diào)速系統(tǒng)還是以V-M調(diào)速系統(tǒng)為主，但是晶閘管的單向?qū)ㄐ砸恢笔撬闹旅匀秉c，給系統(tǒng)的逆向運行造成了很大困難，而且對運行條件要就高，當系統(tǒng)低速運行時會產(chǎn)生較大的諧波電流，對附近正在運行的設(shè)備產(chǎn)生負面效果。所以放棄方案2。然而比起前兩種調(diào)速系統(tǒng)PWM調(diào)速系統(tǒng)就顯得非常適合本次設(shè)計。它主要有以下優(yōu)點：（1）晶閘管只在開關(guān)狀態(tài)下工作，而相位就難以控制它的導(dǎo)電性。（2）利用濾波作用便能成功驅(qū)動PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)以產(chǎn)生直流電流。而且在相同電流的情況下，PWM調(diào)速系統(tǒng)相比于V-M系統(tǒng)產(chǎn)

26、生的電流波形好，所以對電機產(chǎn)生的負面影響較小。（3）動態(tài)抗擾能力好，快速響應(yīng)能力強。（4）由于電子器件只在開關(guān)狀態(tài)下工作，所以主電路損耗較小，且裝置效率高。綜上比較，本次設(shè)計采用PWM系統(tǒng)進行調(diào)速。在小車的自動尋跡和避障的過程中，小車的兩個驅(qū)動輪的運行速度是不一樣的，所以我們要對兩個驅(qū)動輪進行速度控制以實現(xiàn)小車的循跡避障功能，這就要利用這種脈寬調(diào)制技術(shù)即脈寬調(diào)速系統(tǒng)。PWM調(diào)速系統(tǒng)是通過微處理器來對模擬電路中的信號進行數(shù)字化后再輸出，以便達到有效控制電路的目的。并且在單片機系統(tǒng)控制中PWM調(diào)速可以使控制變得更加簡單，從而提高控制效率。PWM調(diào)速技術(shù)一般是通過硬件調(diào)制法（如圖11）和軟件生成法來

27、實現(xiàn)調(diào)速功能的。在硬件調(diào)制法中，所謂的調(diào)制信號實質(zhì)上就是我們所希望得到的波形，我們可以通過改變參數(shù)來生成我們的目標波形。載波信號就是被調(diào)制信號，我們所需要的PWM信號波形可以通過調(diào)節(jié)它的一些參數(shù)（幅頻，相頻等）得到。我們將三角波作為載波信號是因為它的各種參數(shù)的調(diào)制比較方便。而不同的正弦信號可以疊加生成各種復(fù)雜的信號，所以正弦波被我們選為調(diào)制信號。軟件生成法就是通過計算機軟件技術(shù)對PWM波進行調(diào)制，如果我們需要對PWM波形進行變換，這時只要簡單的修改一下軟件程序，就可以實現(xiàn)波形變換。 圖11 PWM硬件調(diào)制法電路硬件調(diào)制法在搭建模擬的動態(tài)電路時比較復(fù)雜，難以對其進行精確的操控。而軟件生成法操作起

28、來就比硬件調(diào)制法簡單多了，我們只需加一個PWM調(diào)制到系統(tǒng)控制程序里就能達到目的了。所以本次設(shè)計我們利用軟件生成法來產(chǎn)生PWM波形。3.3 L298N芯片直流電機驅(qū)動模塊該模塊采用的是直流減速電機，由于直流減速電機擁有較大的轉(zhuǎn)動力矩，而且體積較小，質(zhì)量輕裝備起來比較簡單，使用方便。而電機核心驅(qū)動芯片的選擇又是一個關(guān)鍵，經(jīng)分析得知L298N全橋驅(qū)動芯片擁有很高的電壓、很強的電流等特點，而且它的響應(yīng)頻率較高，一個專用L298N芯片是完全能同時操控兩臺電動機的運轉(zhuǎn)。其引腳圖和輸入輸出圖分別如圖12、表2所示。 表2 L298N輸入輸出關(guān)系ENAIN1IN2電機運行情況 H H L 正轉(zhuǎn) H L H 反

29、轉(zhuǎn) L X X 停止 HIN1IN2快速停止 圖12 L298N外部引腳 圖13 直流電機驅(qū)動電路 L298N芯片的5、7、10、12四個引腳都接在單片機上，通過對單片機進行編程就可以實現(xiàn)對兩個直流電機進行PWM調(diào)速控制。3.4 超聲波測距避障模塊HC-SR04型超聲波模塊集成電路由CX20106A集成芯片、超聲波發(fā)射探頭、接收探頭以及74LS04芯片放大電路組成，而且?guī)в蟹墙佑|式距離感測功能的HC-SR04超聲波傳感器的檢測精度能高達3mm。通過電平差來對信號進行控制，進而驅(qū)動小車的輪子來實現(xiàn)小車的避障功能。圖14 避障模塊框圖系統(tǒng)只要發(fā)出一個能夠持續(xù)10us及以上的信號脈沖，此模塊的內(nèi)部就

30、會發(fā)出8個40KHZ的方波并同時檢測是否有信號返回，若它檢測到有信號返回系統(tǒng)就會發(fā)射出對應(yīng)的響應(yīng)信號。這樣小車與障礙物之間的距離就能利用發(fā)射與接收信號之間的時間間隔來算出，即距離（X）=高電平的時間（t）*聲波速度/2。為了避免發(fā)射信號影響到接收信號，測量周期應(yīng)控制在60ms以上。圖15 超聲波脈沖響應(yīng)時序我們要提前檢測道路上有沒有障礙物，以便小車快速選擇新的路線來避開障礙物。我們可以利用紅外進行避障，也可以利用超聲波進行避障。其中紅外避障是通過一些硬件將光信號轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，從而來判斷道路上是否有障礙物。紅外躲避障礙的檢測結(jié)果易受周圍其他光線的干擾。超聲波躲避障礙是通過檢測信號發(fā)射與接收時

31、間間隔來完成小車的避障操作。這種測量距離的方法是完全可以通過主被動兩種方法來實現(xiàn)的。由于聲波是以發(fā)散的形式傳播的，所以可以大角度的進行檢測確保不會出現(xiàn)死角。 3.4.1 超聲波發(fā)射電路設(shè)計超聲波探頭與放大器組共同成了放大電路，其中這種探頭的作用是把電信號轉(zhuǎn)化為機械波發(fā)送到外面去，而由單片機產(chǎn)生的方波脈沖需要進行放大之后才能驅(qū)動探頭將超聲波信號發(fā)射出去，故發(fā)射驅(qū)動實質(zhì)上就是一個信號放大的過程，本次設(shè)計就是采用74LS04芯片來實現(xiàn)這種放大信號的功能的，圖16為超聲波發(fā)射電路。圖16 超聲波發(fā)射電路3.4.2 超聲波接收電路設(shè)計因為超聲波信號在傳播的時候是逐漸衰減的，所以在測量過程中，若距離太遠，

32、則接收到的信號就比較弱，所以我們要把收到的回波信號大倍數(shù)的放大。CX20106A這種集成芯片是超聲波接收電路（如圖17）的主要部分，可以對聲波信號進行放大、帶通濾波、整形。由于CX20106A芯片的前置放大器本身就具有自動增益控制的作用，所以當近距離測量時也不會發(fā)生過載現(xiàn)象，而且在進行遠距離測量時，前置放大器也會對比較微弱的聲波信號進行超大幅度的放大。所以本次設(shè)計我們采用具有高靈敏性、強抗擾能力的CX20106A集成芯片。但由于在Proteus仿真軟件中沒有CX20106A這個元器件，而人為創(chuàng)建的新元件系統(tǒng)不能進行仿真，所以在這里用按鍵開關(guān)代替超聲波信號，即體現(xiàn)小車在前進的過程中是否碰到障礙。

33、圖17 超聲波接收電路3.5 紅外尋跡模塊本次畢設(shè)采用紅外檢測的方法來完成電動智能小車的尋跡操作。紅外檢測法是利用紅外線對黑色和白色的吸收效果不同，當紅外線射到白色底板上時，會產(chǎn)生漫反射進而傳到到智能小車的接收管上，若紅外線射到黑線上就會被完全吸收不會產(chǎn)生這種效果，智能小車上就沒辦法接收到信號由于紅外接收管無反射。所以智能小車是利用紅外接收管是否接收到紅外信號來判斷黑白色的，進而來實現(xiàn)小車的尋跡功能。然而紅外傳感器的實際感應(yīng)范圍是有一定限制的，不能超過3cm。圖18 紅外傳感器工作原理在這次畢業(yè)設(shè)計中采用的是ST188反射式紅外光電傳感器，它的檢測方式是非接觸式檢測，而且它檢測的距離比較遠，一

34、般可以達到413cm。循跡模塊電路見圖20。圖19 循跡模塊框圖圖20 循跡模塊電路3.6 蜂鳴器報警驅(qū)動電路在此次設(shè)計中報警電路的報警方式是聲光報警，報警功能是利用單片機的中斷系統(tǒng)將單片機接收到的信號經(jīng)過一定處理后所得的數(shù)據(jù)信息與當初之前設(shè)定好的的值相互比較，如果超過了這個設(shè)定好的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就會運行報警程序，這時蜂鳴器就會發(fā)出不同的聲音。如圖21。圖21 報警模塊電路3.7 數(shù)碼管顯示電路LED就是發(fā)光二極管的縮寫，每個數(shù)碼管都由8只發(fā)光二極管組成，用小寫字母a、b、c、d、e、f、g、dp對它們分別進行標記，其中dp表示小數(shù)點，每個發(fā)光二極管的其中一根電極都會引到外部的引腳上此引腳就被標記

35、為COM公共端?，F(xiàn)在常用的二極管包括共陽和共陰極兩種型號。如果低電平和二極管的非陽極相連接，那么這個管腳就可以被稱為共陰極，如果想讓二極管發(fā)光，那么就必須要讓高電平那一端和陽極連接在一起。此時如果想讓哪一個管發(fā)光，那么就要讓共陰極和低電平那一端連載一起。很明顯，如果需要哪一個字形能夠被顯示出來，那么就要讓這個字變亮，其實我們可以把代表不完全一樣的電平配合后的數(shù)據(jù)再送到數(shù)碼管里面。LED顯示器的顯示有動靜態(tài)之分，靜態(tài)顯示的性能比較穩(wěn)定，但是工作電路比較復(fù)雜，而動態(tài)顯示是利用人眼來觀察數(shù)碼管的輪流數(shù)據(jù)，這種方式比較實用，而且搭建電路也比較簡單，所以我們在顯示測量所得的距離時采用動態(tài)掃描的方式。顯示

36、電路模塊電路圖如圖22所示。圖22 數(shù)碼管顯示電路 3.8 系統(tǒng)整體電路在前面已經(jīng)分別介紹了各個模塊的特點以及功能，再結(jié)合單片機各個引腳的功能得出系統(tǒng)的整體電路圖，如圖23所示圖23 系統(tǒng)整體電路圖第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計本次畢業(yè)設(shè)計采用的是模塊化的思路，即對各個模塊進行設(shè)計并編寫程序，程序由主程序和中斷程序組成。其中主程序?qū)崿F(xiàn)的操作有單片機功能的初始化，超聲波信號的發(fā)射與接收、測量障礙與智能小車之間的實際距離、數(shù)碼管顯示測得的距離及蜂鳴器的報警。4.1 Proteus仿真軟件在此次設(shè)計中，我們可以先用Proteus軟件選繪制出我所設(shè)計的系統(tǒng)硬件電路圖，Proteus里面可以方便的在元件庫里面選擇

37、出我們所選擇的硬件類型。這樣節(jié)省了我們在設(shè)計初期就去購買實物硬件的人力物力財力。Proteus軟件是一款擁有超強仿真特效，能對單片機及其外圍部件進行完美仿真的工具軟件，在目前的仿真界中最受歡迎。Proteus在國內(nèi)外都被各方面廣泛的應(yīng)用，不僅被眾多單片機學(xué)習(xí)者所喜愛，也深受從事單片機開發(fā)應(yīng)用的相關(guān)研究人員所喜愛。而且它具有很多革命性的優(yōu)點，例如：擁有眾多的元器件庫，還能將眾多的的元器件用電路連接起來，超強的電路仿真等功能。Proteus仿真出來的電路圖非常直觀立體，而且一眼就能看得懂。但是Proteus只是一個軟件，仿真模擬也會忽略一些實際因素，在設(shè)計的實際制作中，需要考慮到這些才能達到軟件效

38、果。Proteus在畫出原理電路圖后，就能寫入事先通過Keil軟件寫好的*.HEX文檔了，這樣就可以看到各部件的工作狀態(tài)和過程?？梢哉f是實物演示在某種程度上的一種很好的效果體現(xiàn)，也形象化的體現(xiàn)了單片機的功能。利用計算機進行仿真模擬已經(jīng)非常普遍，而且也越來越受到許多設(shè)計者的青睞。我們采取計算機多媒體技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)利用Proteus對單片機進行模擬仿真。從某種方面而言提高了學(xué)生們軟件仿真的操作能力和電路的設(shè)計能力。在現(xiàn)代社會，Proteus作為一個巨大的教學(xué)資源，被廣泛應(yīng)用于微控制器系統(tǒng)綜合實驗、單片機與嵌入系統(tǒng)軟件的教學(xué)與試驗、創(chuàng)新試驗與畢業(yè)設(shè)計、模擬電路與數(shù)字電路的教學(xué)以及項目設(shè)計與產(chǎn)品開

39、發(fā)。大量事實證明，在進行實際制造之前先利用Proteus對系統(tǒng)進行虛擬仿真，能很大程度的提高設(shè)計效率。4.2 Keil for C51運行程序的是Keil for C51，它是一款C語言編程系統(tǒng)，在某種程度上直接避免了匯編語言的紛繁復(fù)雜。我畢設(shè)運用的軟件不僅具有高端的調(diào)節(jié)設(shè)備能力，而且還具有很全面的庫函數(shù)，除了界面比以前的更為美觀外，它生成代碼的速度也非常快，而且語句容易通俗易懂。和C語言等一些編制程序軟件相比，它的優(yōu)點還是很顯著的，操作簡單就不說了，還有其他軟件不具備的功能，最重要的一點就是它為我們提供了完美無缺的編譯氛圍。通常情況下為了實現(xiàn)某些操作我們只需把已經(jīng)編好的語句編譯成機器碼以便C

40、51單片機執(zhí)行這些語句。Keil雖然沒有中文版本的網(wǎng)站，但隨著C51開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，大多數(shù)硬件工程師都是用Keil軟件來進行C語言的編譯。Keil C51編譯器自從1988年被引入市場直到現(xiàn)在都是編譯行業(yè)的標準，現(xiàn)在擁有500多種8051的變種，有超過10萬名設(shè)計開發(fā)技術(shù)人員在使用這款軟件。下面主要講一下Keil的簡單編譯步驟：1）建文件夾。我們要現(xiàn)在電腦桌面上建立一個新的文件夾，把我們編譯好的程序放在里面，方便自己下次查找。2）新建工程。在Keil的編譯系統(tǒng)里，我們每次單獨的寫入一段程序系統(tǒng)都被默認為工程。在我們輸入一段程序之前就必須新建立一個新的工程，首先點擊菜單欄“Project”里

41、的“New uVision Project”，此時會彈出一個保存新工程的對話框，我們選擇之前已經(jīng)建立好的文件夾就可以了。3）選擇單片機的類型。Keil編程系統(tǒng)要求我們?yōu)樾陆ǖ腡est工程選擇一個你需要的單片機類型，這次畢設(shè)我們用的是AT89C51單片機，點擊確定就完成了工程項目的建立。如圖24：4）編寫程序。編寫程序就是希望能對這個工程進行下一步操作。此時我們就要新建一個空白的TEXT，也就是我們編寫程序的地方。5）根據(jù)我們設(shè)計的要求，在文本文檔中寫下我們需要的C語言程序，再對它進行編譯調(diào)試看看是否有錯誤，此時會生成一個*.hex文件，如圖25：圖24 選取單片機圖25 生成HEX文件6）當我

42、們用Proteus進行仿真的時候，就能寫入這個*.hex文檔了。4.3 軟件程序在小車的完整設(shè)計過程中，不僅要設(shè)計出許多硬件電路，還要對系統(tǒng)的軟件程序進行分析和編寫。因為要想實現(xiàn)小車的各部分功能，不只是搭建完整的硬件電路這么簡單，我們還要通過軟件程序的編程來控制小車以便實現(xiàn)其各部分的功能，達到我們設(shè)計的最終目的。4.3.1 主程序設(shè)計框圖 圖26 系統(tǒng)程序框圖4.3.2驅(qū)動程序框圖圖27 驅(qū)動程序框圖4.3.3 循跡程序框圖圖28 循跡程序框圖4.3.4 避障程序框圖圖29 避障程序框圖參考文獻1 王允上.學(xué)用單片機制作機器人M.北京：科學(xué)出版社，2011. 2 侯媛彬.凌陽單片機原理及其畢業(yè)

43、設(shè)計精選M.北京：科學(xué)出版社，2006. 3 陳賾，鄒道勝. 電子創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)M.北京：科學(xué)出版社，2008. 4 劉崇翔.基于ARM的智能小車的設(shè)計與研究D.江南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.5 沈紅衛(wèi).基于單片機的智能系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)M.北京：電子工業(yè)出版社，2005.6 張迎新.單片機初級教程M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.7 趙燕.傳感器原理級應(yīng)用M.北京：北京大學(xué)出版社，2010.8 李學(xué)禮.基于proteus的80C51單片機實例教程M.北京：電子工業(yè)出版社 2008.9 趙玉剛，邱東. 傳感器基礎(chǔ)M.北京：北京大學(xué)出版社，2013.10 富軍.單片機開關(guān)電源M.北京：電子工業(yè)出版社，2007.11 高海生，楊文煥.單片機應(yīng)用技術(shù)大全M.成都：西南交通大學(xué)出版社，1996.