超聲波避障技術(shù)設(shè)計(jì)

1、 南 京 理 工 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文)作 者:薛玉潔準(zhǔn)考證號(hào)： 014911251036 教學(xué)點(diǎn):南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院專(zhuān) 業(yè):電子工程題 目:超聲波在小車(chē)避障技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)副教授倪瑛指導(dǎo)者： (姓 名) (專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù)) 戴娟副教授評(píng)閱者： (姓 名) (專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù)) 2013 年 5 月畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）中文摘要 智能小車(chē)是一種能夠通過(guò)編程手段完成特定任務(wù)的小型化機(jī)器人，它具有制作成本低廉，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，程序調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。由于具有很強(qiáng)的趣味性，智能小車(chē)深受廣大機(jī)器人愛(ài)好者以及高校學(xué)生的喜愛(ài)。本論文介紹的是具有自動(dòng)避障功能的智能小車(chē)的設(shè)計(jì)與制作（以下簡(jiǎn)稱(chēng)智能小車(chē)），論文對(duì)智能小

2、車(chē)的方案選擇，設(shè)計(jì)思路，以及軟硬件的功能和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析和論述。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)收測(cè)試，該智能小車(chē)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，系統(tǒng)反映快速、靈活，設(shè)計(jì)方案正確、可行，各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定、可靠。關(guān)鍵字：智能小車(chē) 避障 設(shè)計(jì)方案畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）外文摘要title ultrasonic car obstacle avoidance technology designabstractsmart cars can be programmed to perform a specific task means the miniaturization of robot, it has to make cost

3、 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 produc

4、tion (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

5、structure is simple, convenient debug, fast, flexible system reflect, correct and feasible design scheme, each index is steady and reliable. keywords: intelligent obstacle avoidance car design目 次1 引言11.1 研究背景與意義12 超聲波的避障技術(shù)42.1 小車(chē)的避障技術(shù)42.2 超聲波的傳播特性52.3 超聲波測(cè)距技術(shù)52.4 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)62.5 超聲波的衰減63 超聲波避障系統(tǒng)硬件

6、設(shè)計(jì)83.1 方案概述83.2 方案設(shè)計(jì)83.3 元器件介紹93.4 超聲波發(fā)射系統(tǒng)電路163.5 超聲波接收系統(tǒng)電路163.6 相關(guān)軟件、電路模塊和器件清單。174 超聲波避障系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)194.1 直流電機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)194.2 超聲波測(cè)距模塊軟件設(shè)計(jì)194.3 超聲波避障技術(shù)軟件設(shè)計(jì)214.4 軟件與硬件的整合軟件與硬件的整合225 超聲波避障系統(tǒng)調(diào)試235.1 調(diào)試過(guò)程235.2 問(wèn)題分析265.3 誤差分析26致 謝29參 考 文 獻(xiàn)301 引言1.1 研究背景與意義 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,自主移動(dòng)機(jī)器人以其活性和智能性等特點(diǎn),在人們的生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用來(lái)越廣泛。自主移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)

7、各種傳感器系統(tǒng)感知外界環(huán)境和自身狀態(tài), 在復(fù)雜的已知或者未知環(huán)境中自主移動(dòng)并完成相應(yīng)的任務(wù)。而在多種探測(cè)手段中, 超聲波傳感器系統(tǒng)由于具有成本低, 安裝方便, 不易受電磁、光線(xiàn)、被測(cè)對(duì)象顏色、煙霧等影響，時(shí)間信息直觀(guān)等特點(diǎn), 對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力, 因此在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域有著廣泛用。本設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)多功能小車(chē)的智能避障模式，設(shè)計(jì)中的理論方案、分析方法及特色與創(chuàng)新點(diǎn)等可以為自動(dòng)運(yùn)輸機(jī)器人、采礦勘探機(jī)器人、家用自動(dòng)清潔機(jī)器人等自動(dòng)半自動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與普及有一定的參考意義。同時(shí)小車(chē)可以作為玩具的發(fā)展對(duì)象，為中國(guó)玩具市場(chǎng)技術(shù)含量的缺乏進(jìn)行一定的彌補(bǔ)

8、，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益，形成商業(yè)價(jià)值。智能小車(chē)系統(tǒng)最誘人的前景就是可用于未來(lái)的智能汽車(chē)上了，當(dāng)駕駛員因疏忽或打瞌睡時(shí)這樣的智能汽車(chē)的設(shè)計(jì)就能體現(xiàn)出它的作用。如果汽車(chē)偏離車(chē)道或距障礙物小于安全距離時(shí)，汽車(chē)就會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒駕駛員注意，如果駕駛員沒(méi)有及時(shí)作出反應(yīng)，汽車(chē)就會(huì)自動(dòng)減速或停靠于路邊。 超聲波測(cè)距與避障系統(tǒng)包括硬件及軟件兩個(gè)部分。硬件開(kāi)發(fā)基stc89s52微控制器，集成了傳感器電路、信號(hào)處理電路、微控制器外圍電路及電源電路等；軟件設(shè)計(jì)主要包括測(cè)距算法設(shè)計(jì)和避障算法設(shè)計(jì)。其中，避障算法由單傳感器避障策略、多傳感器精確避障策略以及多傳感器模糊避障策略組成。超聲波測(cè)距與避障系統(tǒng)的試驗(yàn)包括四個(gè)部分：測(cè)距系

9、統(tǒng)性能試驗(yàn)、位姿檢測(cè)試驗(yàn)、安全避障試驗(yàn)以及聲納環(huán)布局試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的測(cè)距范圍為40cm-500cm，測(cè)距精度可實(shí)現(xiàn)測(cè)距范圍的2以?xún)?nèi)。單路測(cè)距系統(tǒng)的角度掃描范圍為22?？梢酝瓿烧５臏y(cè)距功能；障礙物材質(zhì)及表面形狀試驗(yàn)的結(jié)論，可為其他超聲波障礙物檢測(cè)和移動(dòng)車(chē)輛安全避障策略設(shè)計(jì)提供參考；自主研發(fā)的超聲波測(cè)距與避障系統(tǒng)，通過(guò)進(jìn)一步的產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究，可應(yīng)用于農(nóng)用車(chē)輛安全避障系統(tǒng)中。智能小車(chē)可以理解為機(jī)器人的一種特例，它是一種能夠通過(guò)編程手段完成特定任務(wù)的小型化機(jī)器人。與普遍意義上的機(jī)器人相比，智能小車(chē)制作成本低廉，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，程序調(diào)試方便，具有很強(qiáng)的趣味性，為此其深受廣大機(jī)器人愛(ài)好者以及高校學(xué)

10、生的喜愛(ài)。全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽每年都設(shè)有智能小車(chē)類(lèi)的題目，由此可見(jiàn)國(guó)家對(duì)高校機(jī)器人研究工作的重視程度。1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況 機(jī)器人作為人類(lèi)科技發(fā)展的新型勞動(dòng)生產(chǎn)工具，在減輕勞動(dòng)負(fù)荷、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)模式、提高生產(chǎn)率，避免作業(yè)工人從事危險(xiǎn)、惡劣、繁重的工作等方面，顯示出極大的優(yōu)越性。不過(guò)，就機(jī)器人而言，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的定義，而且自機(jī)器人問(wèn)世以來(lái)，人們就很難對(duì)機(jī)器人下一個(gè)確切的定義。歐美國(guó)家認(rèn)為，機(jī)器人應(yīng)該是“由計(jì)算機(jī)控制的通過(guò)編程具有可以變更的多功能的自動(dòng)機(jī)械”；日本學(xué)者認(rèn)為“機(jī)器人就是任何髙級(jí)的自動(dòng)機(jī)械”。我果科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物

11、相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力、和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器?！蹦壳皣?guó)際上對(duì)機(jī)器人的概念已經(jīng)漸趨一致，聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)于1979年給機(jī)器人下的定義；“一種可編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專(zhuān)門(mén)系統(tǒng)?！备爬ㄕf(shuō)來(lái)，機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。 智能移動(dòng)機(jī)器人具有高度的自規(guī)劃、自組織、自適應(yīng)能力，在無(wú)需人干預(yù)、無(wú)需對(duì)環(huán)境做任何規(guī)定和改變的條件下，能夠有目的地移動(dòng)和完成相應(yīng)任務(wù)。 障礙物檢測(cè)是智能移動(dòng)機(jī)器人、智能汽車(chē)對(duì)周邊環(huán)境感知技術(shù)研究領(lǐng)域中的重要方面。隨著

12、技術(shù)的發(fā)展以及利益的趨向，美國(guó)、日本、德國(guó)以及意大利等世界發(fā)達(dá)國(guó)家的很多研究機(jī)構(gòu)，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(jià)值的研究成果。在我國(guó)，由于理論技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和資金分配等因素限制，在智能機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域與世界發(fā)達(dá)國(guó)家存在相當(dāng)大差距，只有為數(shù)不多研究機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域做出了一些的成果。本文按使用傳感器的類(lèi)型不同分為：基于超聲波的障礙物檢測(cè)系統(tǒng)、基于紅外線(xiàn)的障礙物檢測(cè)系統(tǒng)、基于激光的障礙物檢測(cè)系統(tǒng)及基于多傳感器融合技術(shù)的障礙物檢測(cè)系統(tǒng)等。20世紀(jì)60年代以來(lái)，弧焊點(diǎn)焊氣焊、機(jī)械設(shè)備加工、噴涂刻畫(huà)、設(shè)計(jì)裝配、檢測(cè)等各種類(lèi)型，各種用途的機(jī)器人相繼出現(xiàn)，并迅速在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)流水線(xiàn)

13、批量生產(chǎn)，這大大提高了各種產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)型和質(zhì)量。然而，隨著機(jī)器人的不斷完善發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，這些同定于某一崗位工作的機(jī)器人并不能完全滿(mǎn)足各方面的需要，不能處理復(fù)雜的應(yīng)激變化。因此，20世紀(jì)80年代后期，許多國(guó)家有組織有計(jì)劃的開(kāi)展了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的硏究。所謂的移動(dòng)機(jī)器人，就是一種具有高度自組織、自適應(yīng)、自規(guī)劃能力，適合于在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化，具有高精確度或繁重、危險(xiǎn)工作環(huán)境中作業(yè)的機(jī)器人。自主式移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在沒(méi)有人的參與控制且無(wú)需對(duì)環(huán)境作任何規(guī)定和改變的條件下，有目的的移動(dòng)并完成相應(yīng)設(shè)定任務(wù)。在自主移動(dòng)式智能機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)研究中，導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用是其研究的核心，也是移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化及完全自

14、主調(diào)節(jié)、控制的關(guān)鍵技術(shù)。導(dǎo)航研究的網(wǎng)標(biāo)就是：在沒(méi)有人的干預(yù)下使機(jī)器人有目的地移動(dòng)并完成特定任務(wù)，進(jìn)行特定操作。機(jī)器人通過(guò)裝配的信息獲取手段，獲得外部環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)自我定位，判定自身狀態(tài)，規(guī)劃并執(zhí)行下一步的動(dòng)作。因此單從系統(tǒng)硬件層次上講，移動(dòng)機(jī)器人必須具有豐富的傳感器、功能強(qiáng)大的控制計(jì)算機(jī)以及靈活和精確的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。1.3 本課題研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)題目為智能避障小車(chē)設(shè)計(jì)，主要研究小車(chē)的避障功能，小車(chē)遇到障礙物時(shí)，當(dāng)距離障礙物大于40cm，pwm信號(hào)自增，驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速，小車(chē)加速前進(jìn)，當(dāng)小于30cm時(shí)，pwm信號(hào)自減，驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速，小車(chē)減速前進(jìn)，并且小車(chē)采取相應(yīng)的避障措施。這里探測(cè)裝置必不可少，因?yàn)槌暡?/p>

15、在距離檢測(cè)方面的較準(zhǔn)確定位。所以采用超聲波傳感器作為探測(cè)裝置，由于超聲波遇到障礙物時(shí)發(fā)生像光一樣的反射和散射，在經(jīng)過(guò)多次發(fā)射之后再回到超聲波檢測(cè)端口會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的路程差，從而影響對(duì)距離的檢測(cè)進(jìn)而影響對(duì)障礙物的較準(zhǔn)確定位。通過(guò)軟件內(nèi)部校準(zhǔn)優(yōu)化消除外部物理?xiàng)l件造成的誤差從而達(dá)到對(duì)障礙物的較準(zhǔn)確定位。2 超聲波的避障技術(shù)2.1 小車(chē)的避障技術(shù)2.1.1 超聲波介紹 超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測(cè)距、測(cè)速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽(tīng)覺(jué)上限而得名。2

16、.1.2 超聲波避障技術(shù)就是利用超聲波來(lái)檢測(cè)機(jī)器人的前方是否有障礙物，機(jī)器人的前方你要放一個(gè)超聲波發(fā)生器、一個(gè)超聲波接收器，當(dāng)超聲波發(fā)生器發(fā)出去的聲波遇到障礙物時(shí)，這些聲波就會(huì)被反射回來(lái)，這時(shí)就利用超聲波接收器接受被反射回來(lái)的聲波，然后再在機(jī)器人身上面按裝一個(gè)聲波轉(zhuǎn)化器，就是把反射回來(lái)的聲波轉(zhuǎn)化成其他的信號(hào)。2.1.3 模糊避障算法設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的環(huán)境非常復(fù)雜，而且一般情況下是未知的，因此很難建立精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)障礙物的位置。采用模糊控制算法非常適合移動(dòng)機(jī)器人的避障，模糊控制器的輸入是超聲傳感器的距離信號(hào)，輸出是機(jī)器人的動(dòng)作，規(guī)定機(jī)器人只能有前進(jìn)或旋轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動(dòng)方式。根據(jù)一定控制策略，建立輸

17、入輸出的模糊語(yǔ)言集合和模糊控制規(guī)則。輸入輸出的模糊語(yǔ)言：模糊控制器的輸入?yún)?shù)是機(jī)器人六個(gè)超聲傳感器檢測(cè)到的距離信號(hào)。把六個(gè)超聲傳感器的輸入信號(hào)分為左右兩組，每組三個(gè)，即機(jī)器人左邊三個(gè)超聲傳感器為左組，機(jī)器人右邊三個(gè)超聲傳感器為右組。每次讀入左組三個(gè)超聲傳感器測(cè)得的距離信號(hào)，選取其中最小的一個(gè)數(shù)值作為左邊的輸入，左邊的數(shù)值用left表示。同樣，每次讀入右組三個(gè)超聲傳感器測(cè)得的距離信號(hào)，選取其中最小的一個(gè)數(shù)值作為右邊的輸入，右邊的數(shù)值用right表示。距離信號(hào)的模糊語(yǔ)言集合如下： 近，中，遠(yuǎn)設(shè)定其相應(yīng)的語(yǔ)言變量，并記作： nd(near distance)= 近md(middle distance

18、)= 中 ld(long distance)= 遠(yuǎn)2.2 超聲波的傳播特性 超聲波的傳播特性有以下幾點(diǎn)： a)超聲波的束射性：由于超聲波頻率很高，所以方向性就相對(duì)要強(qiáng)，方向性即柬射性。當(dāng)超聲波發(fā)生體壓電晶體的直徑尺寸遠(yuǎn)大于超聲波波長(zhǎng)時(shí)，則晶體所產(chǎn)生的超聲波就類(lèi)似于光的特性，也就是方向性好。 b）能量大：聲強(qiáng)與振幅，質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)頻率的關(guān)系i=1/2ca22，相同振幅條件下，能量與頻率的平方正比。由于頻率很高，所以具有很大的能量。 c）透射、反射和折射：在兩種不同媒質(zhì)的分界面上，會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似于光線(xiàn)一樣的透射、反射和折射現(xiàn)象，普通聲波也有此性質(zhì)。 d）超聲波在人體組織中的衰減：超聲波在人體組織中傳播時(shí)，其

19、強(qiáng)度捋隨傳播距離的增加而逐漸衰減。這是人體組織對(duì)超聲波的吸收、反射和散射等原因造成的，而其中吸收是最主要的。超聲波在人體組織中幾乎有80%被膠原蛋白所吸收。實(shí)驗(yàn)證明：在頻率為1mhz15mhz范圍內(nèi),超聲波在人體軟組織中的吸收系數(shù)與超聲頻率成正比,如血液的吸收系數(shù)隨著超聲頻率的增高而增大。骨質(zhì)的吸收因數(shù)最大,衰減也最大,超聲很難通過(guò)骨骼進(jìn)行傳播。2.3 超聲波測(cè)距技術(shù) 超聲波測(cè)距的方法有多種，如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和往返時(shí)間檢測(cè)法。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限，聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響。本論文硬件設(shè)計(jì)采用超聲波往返時(shí)間檢測(cè)法，其原理為：超聲波發(fā)生器t1在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲

20、波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就被超聲波接收器t2所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離計(jì)算公式為：s=c·t/2。其中d為被測(cè)物與測(cè)距器的距離，s為聲波的來(lái)回的路程，c為聲速，t為聲波來(lái)回所用的時(shí)間。2.3.1 超聲波測(cè)距誤差分析 根據(jù)超聲波測(cè)距公式l=c×t，可知測(cè)距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的時(shí)間誤差： 當(dāng)要求測(cè)距誤差小于1mm時(shí)，假設(shè)已知超聲波速度c=344m/s (20室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測(cè)距誤差st<(0.001/344) 0.00

21、0002907s 即2.907s。在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測(cè)量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測(cè)距誤差小于1mm的誤差。使用的12mhz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的89c52單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到1s的精度，因此系統(tǒng)采用89c52定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1mm的測(cè)量范圍內(nèi)。2.4 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，是利用單片機(jī)編程產(chǎn)生頻率為40khz 的方波，經(jīng)過(guò)發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩發(fā)射超聲波。超聲波經(jīng)反射物反射回來(lái)后，由傳感器接收端接收，再經(jīng)接收電路放大、整形，控制單片機(jī)中斷口。其系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。圖2.1 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)

22、距系統(tǒng)框圖這種以單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波的反射波時(shí)，在接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離，結(jié)果輸出給lcd 顯示。利用單片機(jī)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，測(cè)距精度高，而且單片機(jī)控制方便，計(jì)算簡(jiǎn)單。許多超聲波測(cè)距系統(tǒng)都采用這種設(shè)計(jì)方法。2.5 超聲波的衰減 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離的增加，能量逐漸減小的現(xiàn)象叫做超聲波的衰減。 超聲波衰減的原因主要有三個(gè)： a)擴(kuò)散衰減：超聲波在傳播中，由于聲束的擴(kuò)散，使能量逐漸分散，從而使單位面積內(nèi)超

23、聲波的能量隨著傳播距離的增加而減小，導(dǎo)致聲壓和聲強(qiáng)的減小。 b)散射衰減：當(dāng)聲波在傳播過(guò)程中，遇到不同聲阻抗的介質(zhì)組成的界面時(shí)，將發(fā)生散亂反射（即散射），從而損耗聲波能量，這種衰減叫散射衰減。散射主要在粗大晶粒（與波長(zhǎng)相比）的界面上產(chǎn)生。由于晶粒排列不規(guī)則，聲波在斜傾的界面上發(fā)生反射、折射及波型轉(zhuǎn)換（統(tǒng)稱(chēng)散射），導(dǎo)致聲波能量的損耗。 c)粘滯衰減：聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的粘滯性而造成質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)壁摩擦，從而使一部分聲能變?yōu)闊崮堋Ｍ瑫r(shí)，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的疏、密部分之間進(jìn)行的熱交換，也導(dǎo)致聲能的損耗，這就是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象。由介質(zhì)吸收引起的衰減叫做粘滯衰減。3 超聲波避障系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.

24、1 方案概述 本小車(chē)使用stc89c52單片機(jī)作為主控芯片，它通過(guò)超聲波測(cè)距來(lái)獲取小車(chē)距與障礙物的距離小于30cm時(shí)，小車(chē)轉(zhuǎn)彎以避開(kāi)障礙物，并且此時(shí)蜂鳴器報(bào)警在避開(kāi)障礙物后，小車(chē)會(huì)沿直線(xiàn)前進(jìn)。系統(tǒng)方框圖如3.1所示。 單片機(jī)控制模塊超聲波測(cè)距模塊 驅(qū)動(dòng)模塊顯示模塊 超聲波避障系統(tǒng)圖3.1 超聲波避障系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方框圖3.2 方案設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距部分是機(jī)器人避障的核心部分。本設(shè)計(jì)采用stc89c52單片機(jī)，晶振：12mhz，單片機(jī)用p2.0口輸出超聲波換能器所需的40k方波信號(hào)，利用外中斷0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)，顯示電路采用簡(jiǎn)單的4位共陽(yáng)led數(shù)碼管，斷碼用74ls244，位碼用85

25、50驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)通過(guò)p2.0引腳經(jīng)反相器來(lái)控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測(cè)int0引腳，當(dāng)int0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。本設(shè)計(jì)包括超聲波接收電路、超聲波發(fā)送電路、距離顯示電路組成。原理方框圖如圖3.2所示。圖3.2 超聲波測(cè)距器系統(tǒng)框圖單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱(chēng)為微控制器(microcontroller)。單片微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是一種非常活躍且頗具生命力的機(jī)種。通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的功能部件cpu

26、(central processing unit，中央處理器)、存儲(chǔ)器和i/o 接口電路等。因此，單片機(jī)只需要與適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。原理圖如3.3所示。圖3.3 原理圖3.3 元器件介紹3.3.1 stc89c52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(chǔ)器（fperom-flash programable erasable read only memory ）的低電壓，高性能comos8的微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。該器件采用atmel密度非易失存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。主要特性如下： a）增強(qiáng)型 80

27、51 單片機(jī)，6 時(shí)鐘/機(jī)器周期和 12 時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任 意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051。 b)工作電壓：5.5v3.3v（5v 單片機(jī)）/3.8v2.0v（3v 單片機(jī)）。 c)工作頻率范圍：040mhz，相當(dāng)于普通 8051 的 080mhz，實(shí)際工 作頻率可達(dá) 48mhz。 d)用戶(hù)應(yīng)用程序空間為 8k 字節(jié)。 e)片上集成 512 字節(jié) ram。 f)通用 i/o 口 （32 個(gè)） 復(fù)位后為：p1/p2/p3/p4 是準(zhǔn)雙向口/弱上拉， p0 口是漏極開(kāi)路輸出，作為總線(xiàn)擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為 i/o 口用時(shí)，需加上拉電阻。 g)isp（在系統(tǒng)可編程）/iap（在應(yīng)

28、用可編程無(wú)需專(zhuān)用編程器），無(wú)需專(zhuān)用仿真器，可通過(guò)串口（rxd/p3.0,txd/p3.1）直接下載用戶(hù)程序，數(shù)秒即可完成一片。 h)具有 eeprom 功能。 i)具有看門(mén)狗功能。 j)共3個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。即定時(shí)器 t0、t1、t2。 k)外部中斷4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，power down 模式可 由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒。 l)通用異步串行口（uart），還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè) uart。 m)工作溫度范圍：-40+85（工業(yè)級(jí)）/075（商業(yè)級(jí)）。 n)pdip 封裝。 stc89c52rc 單片機(jī)的工作模式掉電模式：典型功耗<0.1a,可由外部中斷

29、喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原 程序。 空閑模式：典型功耗 2ma 典型功耗。 正常工作模式：典型功耗 4ma7ma 典型功耗。掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于水表、氣表等電池供電系統(tǒng)及便攜設(shè)備。stc89c52具體介紹如下： a) 主電源引腳（2根）。 vcc(pin40)：電源輸入，接5v電源 gnd(pin20)：接地線(xiàn) b) 外接晶振引腳（2根）。 xtal1(pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端 xtal2(pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端 c) 控制引腳（4根）。 rst/vpp(pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ale/prog(pin30)：地

30、址鎖存允許信號(hào) psen(pin29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào) ea/vpp(pin31)：程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令， 如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令。 d)可編程輸入/輸出引腳（32根）。 stc89c52單片機(jī)有4組8位的可編程i/o口，分別位p0、p1、p2、p3口，每個(gè)口有8位（8根引腳），共32根。 po口（pin39pin32）：8位雙向i/o口線(xiàn)，名稱(chēng)為p0.0p0.7 p1口（pin1pin8）：8位準(zhǔn)雙向i/o口線(xiàn)，名稱(chēng)為p1.0p1.7 p2口（pin21pin28）：8位準(zhǔn)雙向i/o口線(xiàn)，名稱(chēng)為p2.0p2.7 p3口（pin10pin1

31、7）：8位準(zhǔn)雙向i/o口線(xiàn)，名稱(chēng)為p3.0p3.73.3.2 超聲波測(cè)距模塊超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t,然后求出距離s=ct/2，式中的c為超聲波波速。由于超聲波也是一種聲波其聲速c與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕ＵＢ曀俅_定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距儀的機(jī)理。超聲波測(cè)距模塊原理圖如圖3.4所示。 圖3.4 超聲波測(cè)距模塊電路原理圖測(cè)距模塊參數(shù)介紹如表3.1所示。表3.1 模塊參數(shù)介紹表 電氣參數(shù) us-100超聲

32、波測(cè)距模塊 工作電壓 dc 2.4v 5.5v 靜態(tài)電流 2ma 工作溫度 -20+70度 輸出方式 電平或uart(跳線(xiàn)帽選擇） 探測(cè)距離 2cm 450cm 超聲波測(cè)距模塊與單片機(jī)的接口原理如圖3.5所示。（當(dāng)為電平觸發(fā)方式時(shí)）圖3.5 單片機(jī)接口原理3.3.3 驅(qū)動(dòng)模塊 采用由雙極性管組成的h橋電路（l298n）。用單片機(jī)控制晶體管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機(jī)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(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子開(kāi)關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也很高。而且它有更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。l298n有過(guò)電流保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)電機(jī)卡死時(shí)，可以保

33、護(hù)電路和電機(jī)等。l298n有過(guò)電流保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)電機(jī)卡死時(shí)，可以保護(hù)電路和電機(jī)等。所以我們選擇l298n。l298各引腳功能，如表3.2所示。表3.2 l298各引腳功能 引腳 功能 1、15 分別為兩個(gè)h橋的電流反饋腳，不用時(shí)可以接地 2、3 輸出端，與對(duì)應(yīng)輸入端（in1、in2）同邏輯 4 驅(qū)動(dòng)電壓，最小值需比輸入的低電平電壓高2.5v 5、7 輸入端，ttl電平兼容 6、11 使能端，低電平禁止輸出 8 地 9 邏輯電源，4.57v 10、12 輸入端，ttl電平兼容 13、14 輸出端，與對(duì)應(yīng)輸入端（in3、in4）同邏輯 該芯片的一些參數(shù)如下：1) 邏輯部分輸入電壓：67v。2)

34、驅(qū)動(dòng)部分輸入電壓vs：4.846v。3) 邏輯部分工作電流iss：36ma。4) 驅(qū)動(dòng)部分工作電流io：2a。5) 最大耗散功率：25w（t=75）。6) 控制信號(hào)輸入電平：高電平：2.3vvinvss，低電平：-0.3vvin1.5v。7) 工作溫度：-25130。8) 驅(qū)動(dòng)形式：雙路大功率h橋驅(qū)動(dòng)。我正在用l298n驅(qū)動(dòng)我的小車(chē)的兩個(gè)直流減速電機(jī)，其實(shí)它很好用，1和15和8引腳直接接地，4管腳vs接2.5到46的電壓，它是用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的，9引腳是用來(lái)接4.5到7v的電壓的，它是用來(lái)驅(qū)動(dòng)l298n芯片的，l298n需要從外部接兩個(gè)電壓，一個(gè)是給電機(jī)的，另一個(gè)給l298n芯片的，6和11引腳是

35、它的使能端，一個(gè)使能端控制一個(gè)電機(jī)，至于那個(gè)控制那個(gè)你自己焊接，你可以把它理解為總開(kāi)關(guān)，只有當(dāng)它們都是高電平的時(shí)候兩個(gè)電機(jī)才有可能工作，12是298的信號(hào)輸入端和單片機(jī)的io口相連，14是輸出端，輸入5和7控制輸出2和3 輸入的10、12控制輸出的14。3.3.4 舵機(jī) 一般來(lái)講，舵機(jī)主要由以下幾個(gè)部分組成，舵盤(pán)、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)5k、直流電機(jī)、控制電路板等。電源線(xiàn)和地線(xiàn)用于提供舵機(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)和控制線(xiàn)路所需的能源電壓通常介于46v，一般取5v。 舵機(jī)的控制信號(hào)是周期為20ms的脈寬調(diào)制（pwm）信號(hào)，其脈沖的寬度從0.5ms-2.5ms，相對(duì)對(duì)應(yīng)舵盤(pán)的位置是0180度，呈連續(xù)線(xiàn)性

36、變化。也就是說(shuō)，給它提供一特定寬度的脈沖信號(hào)，它的輸出軸就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的角度上，無(wú)論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)將輸出角度轉(zhuǎn)動(dòng)到新的對(duì)應(yīng)的位置上。舵機(jī)有一個(gè)內(nèi)置的基準(zhǔn)電路，其不斷產(chǎn)生周期的20ms，寬度1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)；另有一個(gè)比較器，將外加信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，判斷出轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)角度大小，進(jìn)而產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)。由此可見(jiàn)，舵機(jī)是一種精度很高的位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)動(dòng)最大角度不能超過(guò)180度，適用于那些需要角度不斷變化并可以停滯的驅(qū)動(dòng)當(dāng)中。如圖3.6所示。 圖3.6 舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號(hào)脈沖寬度的關(guān)系 舵機(jī)的控制信號(hào)為pwm信號(hào)，利用占空比的變

37、化改變舵機(jī)角度。舵機(jī)的速度決定于其接受道德信號(hào)脈寬的變化速度。控制線(xiàn)的輸入是一個(gè)寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號(hào)，方波脈沖信號(hào)的周期為20ms(即頻率為50hz)。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)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(shí)間與該pwm的時(shí)鐘周期的時(shí)間之比如，一個(gè)pwm的頻率是1000hz，那么它的時(shí)鐘周期就是1ms，就是1000us，如果高電平出現(xiàn)的時(shí)間是200us，那么低電平的時(shí)間肯定是800us，那么占空比就是200：1000，也就是說(shuō)pwm的占空比就是1：5。3.3.5 顯示模塊顯示模塊的方案有很多，列舉以下四個(gè)：方案一：選用l

38、cd1602顯示屏lcd1602液晶顯示,由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)。它主要用來(lái)顯示大量數(shù)據(jù)、文字、圖形，能夠顯示的位數(shù)多，顯示得清晰多樣、美觀(guān)。如圖3.7所示。圖3.7 lcd1602液晶顯示屏 方案二：選用點(diǎn)陣顯示點(diǎn)陣顯示是由八行八列的發(fā)光二極管集成在一塊電路上組成，主要用來(lái)顯示漢字，同時(shí)也能顯示數(shù)字和少量圖象,但它的焊接較麻煩,價(jià)格高，鑒于所設(shè)計(jì)的題目要求它不切實(shí)際。所以排除此方案。方案三：選用led數(shù)碼管靜態(tài)顯示led數(shù)碼管靜態(tài)顯示其電路容易理解且驅(qū)動(dòng)的程序簡(jiǎn)單，多片七段譯碼器驅(qū)動(dòng)顯示，這不僅增加了成本，還需要占用單片機(jī)多個(gè)i/o口，也給電路的焊接帶來(lái)一定的困難，因此不選用這種方案作為顯示模塊。方案

39、四：采用led數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示led數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示價(jià)格低廉，不僅減少了對(duì)i/o口的浪費(fèi)，而且能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)數(shù)碼管。其驅(qū)動(dòng)程序容易編寫(xiě)和理解。當(dāng)顯示內(nèi)容不太多，可以排除。經(jīng)過(guò)四種方案的比較以及本系統(tǒng)實(shí)際，由于該系統(tǒng)需要顯示兩個(gè)內(nèi)容，上述的lcd液晶顯示比較妥善，我們選擇性?xún)r(jià)比相對(duì)高的lcd1602液晶。3.3.6 電源模塊 我們選擇采用5v的獨(dú)立的穩(wěn)壓電源。優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定可靠，且有各種成熟電路可供選用；缺點(diǎn):各模塊都采用獨(dú)立電源，會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜，且可能影響電路電平。綜合電源模塊的缺優(yōu)點(diǎn)，和電路的實(shí)際需求，我們采用了兩塊獨(dú)立穩(wěn)壓電源，一塊給小車(chē)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電，一塊給小車(chē)的芯片供電，這樣彌補(bǔ)了單個(gè)

40、獨(dú)立電源供電出現(xiàn)電力不足的情況。3.4 超聲波發(fā)射系統(tǒng)電路超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器t1能向外界發(fā)出40 khz左右的方波脈沖信號(hào)。40khz左右的方波脈沖信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法:采用硬件如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機(jī)p1.0端口輸出40khz左右的方波脈沖信號(hào)，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠， 40khz方波脈沖信號(hào)分成兩路，送給一個(gè)由74hc04 組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿(mǎn)足測(cè)量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器t以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分的電路，如圖3.8所示。圖中輸出端上拉電阻r7，r9，一方面可以提

41、高反向器74hc04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。如圖3.8所示。圖3.8 超聲波發(fā)射系統(tǒng)電路3.5 超聲波接收系統(tǒng)電路上述t1發(fā)射的在空氣中傳播，遇到障礙物就會(huì)返回，超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到超聲波接收換能器t2進(jìn)行轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)，并對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后，這里用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片cx20106，得到一個(gè)負(fù)脈沖送給單片機(jī)的r( int0)引腳，以產(chǎn)生一個(gè)中斷。接收部分的電路，如圖3.8所示?？梢钥吹剑尚酒琧x20106 在接收部分電路中起了很大的作用。cx20106是一款應(yīng)用廣泛的紅外線(xiàn)檢波接收

42、的專(zhuān)用芯片，其具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)越、外圍接口簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，由于紅外遙控常用的載波頻率38 khz與測(cè)距的超聲波頻率40 khz比較接近，而且cx20106內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率f0 可由其5腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為3060 khz。故本次設(shè)計(jì)用它來(lái)做接收電路。cx20106內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。工作過(guò)程如下: 接收的回波信號(hào)先經(jīng)過(guò)前置放大器和限幅放大器，將信號(hào)調(diào)整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進(jìn)行頻率選擇，濾除干擾信號(hào)，再經(jīng)整形，送給輸出端7腳。當(dāng)接收到與cx20106濾波器中心頻率相符的回波信號(hào)時(shí)，其輸出端7腳就輸

43、出低電平，而輸出端7腳直接接到xtc89c52的int0引腳上，以觸發(fā)中斷。若頻率有一些誤差，可調(diào)節(jié)芯片引腳5的外接電阻r11，將濾波器的中心頻率設(shè)置在40 khz，就可達(dá)到理想的效果。如圖3.9所示。圖3.9 超聲波接收系統(tǒng)原理圖3.6 相關(guān)軟件、電路模塊和器件清單。相關(guān)軟件、電路模塊和器件清單，見(jiàn)表3.3所示。表3.3 相關(guān)軟件、電路模塊和器件清單 序號(hào) 名稱(chēng) 數(shù)量 備注123456789 10pc機(jī)單片機(jī)控制模塊超聲波測(cè)距模塊電源下載軟件（stc_isp_v483）下載線(xiàn)（usb轉(zhuǎn)串口） 舵機(jī) 驅(qū)動(dòng)模塊 usb轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)小車(chē) 1 1 stc89c52rc 1 1套 5v/7.2v 1 1

44、 1 1 2 雙l298n驅(qū)動(dòng) 1 vista&win7 1 zk-4wd小車(chē)4 超聲波避障系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制兩個(gè)基本類(lèi)型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過(guò)程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然后再輸出，以便控制生產(chǎn)。為了完成上述任務(wù)，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通常把整個(gè)過(guò)程分成若干個(gè)部分，每一部分叫做一個(gè)模塊。所謂“模塊”實(shí)質(zhì)上就是所完成一定功能，相對(duì)獨(dú)立的程序段，這種程序設(shè)計(jì)方法叫模塊程序設(shè)計(jì)法。模塊設(shè)計(jì)法的主要優(yōu)點(diǎn)是：a） 單個(gè)模塊比起一個(gè)完整的程序易編寫(xiě)及調(diào)試。 b） 模塊可以共存，一個(gè)模塊可以被多個(gè)任務(wù)在不同條

45、件下調(diào)用。c）模塊程序允許設(shè)計(jì)者分割任務(wù)和利用已有程序，為設(shè)計(jì)者提供方便。 本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序定時(shí)子程序、避障子程序中斷子程序顯示子程序調(diào)速子程序算法子程序構(gòu)成。4.1 直流電機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓加到電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation），簡(jiǎn)稱(chēng)pwm。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，即通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)進(jìn)行直流調(diào)速。與v-m系統(tǒng)相比，pwm調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)： a)由于pwm調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動(dòng)很小的直

46、流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá)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(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小。 b）同樣由于開(kāi)關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機(jī)相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。 c）由于電力電子器件只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。4.2 超聲波測(cè)距模塊軟件設(shè)計(jì) 此方案中超聲波測(cè)距的觸發(fā)方式為電平觸發(fā)方式，其中舵機(jī)與單片機(jī)的接口為p2.7，超聲波測(cè)距模塊與單片機(jī)的接口為p2.4和p2.5。 #define echo p2_4 /超聲波接口定義#define trig p2_5 /超聲波

47、接口定義 程序流程圖如圖4.1所示，(a)為主程序流程圖，(b)為定時(shí)中斷子程序流程圖，(c)為外部中斷子程序流程圖。 (a) (b) (c)圖4.1 測(cè)距程序流程圖進(jìn)入主程序后，軟件延時(shí)，然后將微處理器的p2.0管腳置高，觸發(fā)傳感器發(fā)送超聲波信號(hào)。觸發(fā)信號(hào)發(fā)送后，初始化定時(shí)器和中斷口，開(kāi)始計(jì)時(shí)。初始化結(jié)束后，保持p2.0口為高電平，將p2.0管腳置低，再延時(shí)，程序等待回波信號(hào)觸發(fā)中斷。延時(shí)結(jié)束后，檢測(cè)下一路電路，并依次循環(huán)檢測(cè)多路。接收到超聲波回波后，程序進(jìn)入中斷。進(jìn)入中斷后，首先關(guān)閉定時(shí)器，然后判斷是否超出測(cè)距的范圍：如超出，退出中斷；如在測(cè)距范圍內(nèi)，首先將計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)接收到超聲波回波后，程序

48、進(jìn)入中斷。進(jìn)入中斷后，首先將計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)存入緩存區(qū)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行軟件濾波，如信號(hào)為噪聲信號(hào)，則直接退出，如信號(hào)為有效信號(hào)，計(jì)算障礙物的距離。4.3 超聲波避障技術(shù)軟件設(shè)計(jì)根據(jù)避障規(guī)則，移動(dòng)機(jī)器人（小車(chē)）以某一速度前進(jìn)，如果某一傳感器檢測(cè)到的距離小于某個(gè)值，這個(gè)值是預(yù)定義可編程的臨界距離，那么機(jī)器人以某一角度偏轉(zhuǎn)，從而繞開(kāi)障礙物繼續(xù)前進(jìn)。機(jī)器人（小車(chē)）在行駛過(guò)程中如果遇到障礙物，它的超聲波測(cè)距系統(tǒng)馬上計(jì)算出機(jī)器人與障礙物的距離d，若d<dc(避障的臨界距離，其中dc為程序預(yù)設(shè)值)，電機(jī)左右轉(zhuǎn)向控制驅(qū)動(dòng)，從而繞過(guò)障礙物實(shí)現(xiàn)避障的效果。程序流程圖如圖4.2所示。 圖4.2 避障程序流程圖程序設(shè)計(jì)如下：while(1) /*無(wú)限循環(huán)*/ if(timer>=1000) /100ms檢測(cè)啟動(dòng)檢測(cè)一次 timer=0； startmodule()； /啟動(dòng)檢測(cè) conut()； /計(jì)算距離 if(s<30) /距離小于30cm stoprun()； /小車(chē)停止 comm()； /方向函數(shù) else if(s>40) /距離大于，40cm往前走 run()； 4.4 軟件與硬件的整合軟件與硬件的整合在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到各個(gè)模塊之間的控制復(fù)雜性，我們將電機(jī)控制，超聲波測(cè)距分開(kāi)調(diào)試，當(dāng)兩個(gè)模塊都可以正常工作之后，再