基于AT89S51單片機(jī)的智能超聲波避障

.z江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程設(shè)計(jì)報(bào)告工程：超聲波避障小車的設(shè)計(jì)與制作專業(yè)應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)學(xué)生***奔班級(jí)10應(yīng)用電子(1)班學(xué)號(hào)10030126指導(dǎo)教師包軍衛(wèi)完成日期2012年6月10日-.z摘要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(jī)器人，它具有制作本錢低廉，電路構(gòu)造簡單，程序調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。由于具有很強(qiáng)的趣味性，智能小車深受廣闊機(jī)器人愛好者以及高校學(xué)生的喜愛。本論文介紹的是具有自動(dòng)避障功能的智能小車的設(shè)計(jì)與制作〔以下簡稱智能小車〕，論文對(duì)智能小車的方案選擇，設(shè)計(jì)思路，以及軟硬件的功能和工作原理進(jìn)展了詳細(xì)的分析和論述。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)收測試，該智能小車的電路構(gòu)造簡單，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。第一章緒論1.1工程研究背景及意義：智能作為現(xiàn)代社會(huì)的新產(chǎn)物，是以后的開展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)特定的環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，無需人為管理，便可以完成預(yù)期所要達(dá)到的或是更高的目標(biāo)。本設(shè)計(jì)主要表達(dá)多功能小車的智能模式，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)小車可以作為玩具的開展對(duì)象，為中國玩具市場技術(shù)含量的缺乏進(jìn)展一定的彌補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益，形成商業(yè)價(jià)值。超聲波作為智能車避障的一種重要手段，以其避障實(shí)現(xiàn)方便，計(jì)算簡單，易于做到實(shí)時(shí)控制，測量精度也能到達(dá)實(shí)用的要求，在未來汽車智能化進(jìn)程中必將得到廣泛應(yīng)用。我國作為一個(gè)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)開展必然的，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(yuǎn)意義，這將對(duì)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(dāng)駕駛員因疏忽或打瞌睡時(shí)這樣的智能汽車的設(shè)計(jì)就能表達(dá)出它的作用。如果汽車偏離車道或距障礙物小于平安距離時(shí)，汽車就會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒駕駛員注意，如果駕駛員沒有及時(shí)作出反響，汽車就會(huì)自動(dòng)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(dá)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(zhǔn)備。這樣的小車在科學(xué)考察探測車上也有廣闊的應(yīng)用前景，在科學(xué)考察中，有很多危險(xiǎn)且人們無法涉足的地方，這時(shí)，智能科學(xué)考察車就能夠派上用場，在它上面裝上攝像機(jī)，代替人們進(jìn)展許多無法進(jìn)展的工作。1.2工程主要研究內(nèi)容：本設(shè)計(jì)題目為智能避障小車設(shè)計(jì)，主要研究小車的避障功能，小車遇到障礙物時(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，小車減速前進(jìn)，并且小車采取相應(yīng)的避障措施。這里探測裝置必不可少，因?yàn)槌暡ㄔ诰嚯x檢測方面的較準(zhǔn)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(shí)發(fā)生像光一樣的反射和散射，在經(jīng)過屢次發(fā)射之后再回到超聲波檢測端口會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的路程差，從而影響對(duì)距離的檢測進(jìn)而影響對(duì)障礙物的較準(zhǔn)確定位。通過軟件內(nèi)部校準(zhǔn)優(yōu)化消除外部物理?xiàng)l件造成的誤差從而到達(dá)對(duì)障礙物的較準(zhǔn)確定位。1.3直流電機(jī)的開展：直流電動(dòng)機(jī)在冶金、礦山、化工、交通、機(jī)械、紡織、航空等領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。而以往直流電動(dòng)機(jī)的控制只是簡單的控制，很難進(jìn)展調(diào)速，不能實(shí)現(xiàn)智能化。如今，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制已經(jīng)離不開單片機(jī)的支持，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的飛速開展促進(jìn)了自動(dòng)控制技術(shù)的開展，使人類社會(huì)步入了自動(dòng)化時(shí)代，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)與其他學(xué)科領(lǐng)域穿插融合，促進(jìn)了學(xué)科開展和專業(yè)更新，引發(fā)了新興穿插學(xué)科與技術(shù)的不斷涌現(xiàn)?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速開展，改變了世界，也改變了人類的生活。由于單片機(jī)的體積小、重量輕、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、控制靈活、應(yīng)用方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，單片機(jī)的應(yīng)用也更加廣泛特別是在各種領(lǐng)域的控制、自動(dòng)化等方面。在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求調(diào)整轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能如何對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。因此，調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟動(dòng)制動(dòng)性能良好，且能在寬*圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點(diǎn)而在電力、冶金、機(jī)械制造等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類：勵(lì)磁控制閥與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小但低俗時(shí)受到磁場飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和轉(zhuǎn)向器構(gòu)造強(qiáng)度的限制，而且由于勵(lì)磁線圈電感較大動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。傳統(tǒng)的改變端電壓的方法是通過調(diào)節(jié)電阻來實(shí)現(xiàn)的，但這種調(diào)壓方法效率低。隨著電力電子技術(shù)的開展，創(chuàng)造了許多新的電樞電壓控制方法。其中脈寬調(diào)制〔PulseWidthModulation,PWM〕是常用的一種調(diào)速方法。其根本原理是用改變電機(jī)電樞電壓的接通和斷開的時(shí)間比〔即占空比〕來控制馬達(dá)的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，其速度增加，電機(jī)斷電時(shí)其速度降低。只要按照一定的規(guī)律改變通斷電的時(shí)間，就可使電機(jī)的速度保持在一穩(wěn)定值上。1.4單片機(jī)以及微處理器控制系統(tǒng)的開展：單片微型計(jì)算機(jī)的誕生是計(jì)算機(jī)開展史上的一個(gè)新的里程碑。近年來，隨著技術(shù)的開展和進(jìn)步，以及市場對(duì)產(chǎn)品功能和性能的要求不斷提高，直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用更加廣泛，尤其是在智能機(jī)器人中的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速性能、過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)顯得十分重要，為了能夠適應(yīng)開展的要求，單閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)得到了很大的開展。而作為單片嵌入式系統(tǒng)的核心—單片機(jī)，正朝著多功能、多項(xiàng)選擇擇、高速度、低功耗、低價(jià)格、大存儲(chǔ)容量和強(qiáng)I/O功能等方向開展。隨著計(jì)算機(jī)檔次的不斷提高，功能的不斷完善，單片機(jī)已越來越廣泛地應(yīng)用在各種領(lǐng)域的控制、自動(dòng)化、智能化等方面，特別是在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)中。這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)：體積小，功能全，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，構(gòu)造合理，指令豐富，控制功能強(qiáng)，造價(jià)低等。所以選用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可行性。早期直流傳動(dòng)的控制系統(tǒng)采用模擬別離器件構(gòu)成，由于模擬器件有其固有的缺點(diǎn)，如存在溫漂、零漂電壓，構(gòu)成系統(tǒng)的器件較多，使得模擬直流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制精度及可靠性較低。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的開展，微處理器已經(jīng)廣泛使用于直流傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制。由于微處理器以數(shù)字信號(hào)工作，控制手段靈活方便，抗干擾能力強(qiáng)。所以，全數(shù)字直流調(diào)速控制精度、可靠性和穩(wěn)定性比模擬直流調(diào)速系統(tǒng)大大提高。所以，直流傳動(dòng)控制采用微處理器實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，使直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。微處理器誕生于上個(gè)世紀(jì)七十年代，隨著集成電路大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路制造工藝的迅速開展，微處理器的性價(jià)比越來越高。此外，由于電力電子技術(shù)的開展，制作工藝的提升，使得大功率電子器件的性能迅速提高。為微處理器普遍用于控制電機(jī)提供了可能，利用微處理器控制電機(jī)完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機(jī)的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機(jī)的性能更符合工業(yè)生產(chǎn)使用要求，還促進(jìn)了電機(jī)生產(chǎn)商研發(fā)出各種如步進(jìn)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等便于控制且實(shí)用的新型電機(jī)，使電機(jī)的開展出現(xiàn)了新的變化。對(duì)于簡單的微處理器控制電機(jī)，只需利用用微處理器控制繼電器、電子開關(guān)元器件，使電路開通或關(guān)斷就可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制?，F(xiàn)在帶微處理器的可編程控制器，已經(jīng)在各種的機(jī)床設(shè)備和各種的生產(chǎn)流水線中普遍得到應(yīng)用，通過對(duì)可編程控制器進(jìn)展編程就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的規(guī)律化控制。對(duì)于復(fù)雜的微處理器控制電機(jī),則要利用微處理器控制電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等，使電機(jī)按給定的指令準(zhǔn)確工作。通過微處理器控制，可使電機(jī)的性能有很大的提高。目前相比直流電機(jī)和交流電機(jī)他們各有所長，如直流電機(jī)調(diào)速性能好，但帶有機(jī)械換向器，有機(jī)械磨損及換向火花等問題；交流電機(jī)，不管是異步電機(jī)還是同步電機(jī)，構(gòu)造都比直流電機(jī)簡單，工作也比直流電機(jī)可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運(yùn)行時(shí)，它們的速度不能方便而經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)。高性能的微處理器如DSP(DIGITALSIGNALPROCESSOR即數(shù)字信號(hào)處理器)的出現(xiàn)，為采用新的控制理論和控制策略提供了良好的物質(zhì)根底，使電機(jī)傳動(dòng)的自動(dòng)化程度大為提高。在先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床等數(shù)控位置伺服系統(tǒng)，已經(jīng)采用了如DSP等的高速微處理器，其執(zhí)行速度可達(dá)數(shù)百萬兆以上每秒，且具有適合的矩陣運(yùn)算。1.5設(shè)計(jì)思路：直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)的主要功能包括：實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的加速、減速，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。主體電路：即直流電機(jī)PWM控制模塊。這局部電路主要由AT89S52單片機(jī)的I/O端口、定時(shí)計(jì)數(shù)器、外部中斷擴(kuò)展等控制直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。其間是通過AT89S52單片機(jī)產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號(hào)并輸入到L298驅(qū)動(dòng)芯片來控制直流電機(jī)工作的。該直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)由以下電路模塊組成：設(shè)計(jì)控制局部：主要由AT89S52單片機(jī)的外部中斷擴(kuò)展電路組成。直流電機(jī)PWM控制實(shí)現(xiàn)局部主要由一些二極管、電機(jī)和L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。設(shè)計(jì)顯示局部：LED數(shù)碼顯示局部，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波測的距離的實(shí)時(shí)顯示。第二章總體設(shè)計(jì)方案2.1、本小車使用AT89S52單片機(jī)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(dāng)小車與障礙物的距離大于40cm時(shí)，小車會(huì)沿直線前進(jìn)，當(dāng)小車與障礙物的距離小于30cm時(shí)，小車轉(zhuǎn)彎以避開障礙物，并且此時(shí)蜂鳴器報(bào)警。在避開障礙物后，小車會(huì)沿直線前進(jìn)。簡要框圖如圖2-1。圖2-12.2、總體電路原理圖第三章硬件設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含有兩局部內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定時(shí)/記數(shù)器﹑中斷系統(tǒng)等能量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)展擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)配置，既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤顯示器﹑打印機(jī)﹑A/D﹑D/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計(jì)適宜的接口電路。3.1、80C51單片機(jī)硬件構(gòu)造80C51單片機(jī)是把那些作為控制應(yīng)用所必需的根本內(nèi)容都集成在一個(gè)尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、并行I/O口、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能存放器。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其根本構(gòu)造依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)構(gòu)造模式。但對(duì)各種功能部件的控制是采用特殊功能存放器的集中控制方式。1微處理器該單片機(jī)中有一個(gè)8位的微處理器，與通用的微處理器根本一樣，同樣包括了運(yùn)算器和控制器兩大局部，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)展位變量的處理。2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片內(nèi)為128個(gè)字節(jié)，片外最多可外擴(kuò)至64k字節(jié)，用來存儲(chǔ)程序在運(yùn)行期間的工作變量、運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。3程序存儲(chǔ)器由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲(chǔ)器的容量不夠，則需用擴(kuò)展片外的只讀存儲(chǔ)器，片外最多可外擴(kuò)至64k字節(jié)。4中斷系統(tǒng)具有5個(gè)中斷源，2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。5定時(shí)器/計(jì)數(shù)器片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有四種工作方式。6串行口1個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式?？捎脕磉M(jìn)展串行通訊，擴(kuò)展并行I/O口，甚至與多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。7P1口、P2口、P3口、P4口為4個(gè)并行8位I/O口。8特殊功能存放器共有21個(gè)，用于對(duì)片內(nèi)的個(gè)功能的部件進(jìn)展管理、控制、監(jiān)視。實(shí)際上是一些控制存放器和狀態(tài)存放器，是一個(gè)具有特殊功能的RAM區(qū)。由上可見，80C51單片機(jī)的硬件構(gòu)造具有功能部件種類全，功能強(qiáng)等特點(diǎn)。3.2、最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)80C51是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機(jī)，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單﹑可靠。用80C51單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可，如圖3.180有可供用戶使用的大量I/O口線。內(nèi)部存儲(chǔ)器容量有限。應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。圖3.180C51單片機(jī)最小系統(tǒng)3.3、障礙物測距系統(tǒng)：方案一：超聲波視覺優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格合理，夜間不受影響。易于多目標(biāo)測量和分類，分辨率好。缺點(diǎn)：測量*圍小，對(duì)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：激光雷達(dá)MMW雷達(dá)優(yōu)點(diǎn)：夜間不受影響,不受燈光、天氣影響。缺點(diǎn)：對(duì)水、灰塵、燈光敏感、價(jià)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(biāo)發(fā)射超聲波脈沖，計(jì)算其往返時(shí)間來判定距離的。算法簡單，價(jià)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(jī)輸出一個(gè)40kHz的觸發(fā)信號(hào)，把觸發(fā)信號(hào)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*一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)單片機(jī)通過軟件開場計(jì)時(shí)，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(gè)回應(yīng)信號(hào)并通過ECHO腳反響給單片機(jī)，此時(shí)單片機(jī)就立即停頓計(jì)時(shí)。時(shí)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(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離，即：S=VT/2，通過單片機(jī)來算出距離。圖3.1：超聲波測距原理〔2〕超聲波障礙檢測超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，其頻率超過20KHz，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。它有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過程中有衰減。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器，結(jié)合不同的電路，可以制成超聲波儀器及裝置，在通訊、醫(yī)療及家電中獲得廣泛應(yīng)用。作為超聲波傳感器的材料，主要為壓電晶體。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，故它分為發(fā)送器和接收器。超聲波傳感器有透射型、反射型兩種類型，常用于防盜報(bào)警器、接近開關(guān)、測距及材料探傷、測厚等。本設(shè)計(jì)采用T/R-40-12小型超聲波傳感器作為探測前方障礙物體的檢測元件，其中心頻率為40Hz，由80C51發(fā)出的40KHz脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)送器發(fā)出40KHz的脈沖超聲波，如電動(dòng)車前方遇到有障礙物時(shí)，此超聲波信號(hào)被障礙物反射回來，由接收器接收，經(jīng)LM318兩級(jí)放大，再經(jīng)帶有鎖相環(huán)的音頻解碼芯片LM567解碼，當(dāng)LM567的輸入信號(hào)大于25mV時(shí)，輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖剑?0C51單片機(jī)處理。超聲波檢測如圖3.2超聲波檢測電路所示。圖3.2超聲波檢測電路3.4、顯示模塊：方案一：用LCD顯示。優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：不適合做圖，圖像復(fù)原不好、有可視*圍限制。方案二：用LED顯示。優(yōu)點(diǎn)：亮度高、本錢低，缺點(diǎn)：不能顯示漢字，顯示內(nèi)容較少。對(duì)于本課題的要求，我們選擇LED就可以實(shí)現(xiàn)功能了，程序簡單，成本低。數(shù)碼管顯示原理：數(shù)碼管有一位、雙位、四位等幾種。而不管將幾位數(shù)碼管連在一起，數(shù)碼管和顯示原理都是一樣的，都是靠點(diǎn)亮內(nèi)部的發(fā)光二極管來發(fā)光。數(shù)碼管的內(nèi)部電路構(gòu)造如下頁圖所示：從〔a〕可看出，一位數(shù)碼管的引腳數(shù)是10個(gè)，顯示一個(gè)8字需要7個(gè)小段，另外還有一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，所以其內(nèi)部一共有8個(gè)小的發(fā)光二極管，最后還有一個(gè)公共端，生產(chǎn)商為了封裝統(tǒng)一，單位數(shù)碼管都封裝10個(gè)引腳。而它們的公共端又分為共陽極和共陰極。上頁圖的〔b〕和〔c〕分別為共陽極和共陰極數(shù)碼管的原理圖。本小車的數(shù)碼管采用的是3位共陰極數(shù)碼管。所謂“共陰〞就是指其內(nèi)部的8個(gè)發(fā)光二極管的陰極全部接在一起，而它們的；陽極是獨(dú)立的，通常在設(shè)計(jì)電路時(shí)一般把陰極接地，當(dāng)我們給數(shù)碼管的任一個(gè)陰極加高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的那個(gè)發(fā)光二極管就點(diǎn)亮了。當(dāng)使用多位一體數(shù)碼管時(shí)，它們內(nèi)部的公共端是獨(dú)立的，而負(fù)責(zé)顯示什么數(shù)字的段線全部都是連在一起的，獨(dú)立的公共端可以控制多位數(shù)碼管中哪一位點(diǎn)亮。通常我們把公共端叫做“位選線〞，連在一起的段線叫做“段選線〞。圖3.2：數(shù)碼管內(nèi)部原理3.3、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)模塊；3.4、驅(qū)動(dòng)模塊：方案一：采用ULN2003驅(qū)動(dòng)，它是由7組達(dá)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(shí)驅(qū)動(dòng)7組負(fù)載的能力，一般用于高速大功率驅(qū)動(dòng)電路。所以我們不采用這個(gè)方案。方案二：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)的開關(guān)狀態(tài)，準(zhǔn)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單地實(shí)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(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。L298N有過電流保護(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。L298N有過電流保護(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。圖3.3：L298內(nèi)部原理圖4個(gè)電力晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組。VT1和VT4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)電路中Ub1=Ub4；VT2和VT3同時(shí)動(dòng)作，其驅(qū)動(dòng)電壓Ub2=Ub3=-Ub1。雙極式PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)如下：〔1〕電流一定連續(xù)；〔2〕可使電動(dòng)機(jī)在四象限中運(yùn)行；〔3〕電機(jī)停頓時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；〔4〕低速時(shí)，每個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通；〔5〕低速平穩(wěn)性好，調(diào)速*圍可達(dá)20000左右。、脈寬調(diào)制原理：脈寬調(diào)制器本身是一個(gè)由運(yùn)算放大器和幾個(gè)輸入信號(hào)組成的電壓比擬器。運(yùn)算放大器工作在開換狀態(tài)，稍微有一點(diǎn)輸入信號(hào)就可使其輸出電壓到達(dá)飽和值，當(dāng)輸入電壓極性改變時(shí)，輸出電壓就在正、負(fù)飽和值之間變化，這樣就完成了把連續(xù)電壓變成脈沖電壓的轉(zhuǎn)換作用。加在運(yùn)算放大器反相輸入端上的有三個(gè)輸入信號(hào)。一個(gè)輸入信號(hào)是鋸齒波調(diào)制信號(hào)，另一個(gè)是控制電壓，其極性大小可隨時(shí)改變，與鋸齒波調(diào)制信號(hào)相減，從而在運(yùn)算放大器的輸出端得到周期不變、脈寬可變的調(diào)制輸出電壓。只要改變控制電壓的極性,也就改變了PWM變換器輸出平均電壓的極性,因而改變了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向.改變控制電壓的大小,則調(diào)節(jié)了輸出脈沖電壓的寬度,從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速.只要鋸齒波的線性度足夠好,輸出脈沖的寬度是和控制電壓的大小成正比的.、邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)：在可逆PWM變換器中,跨接在電源兩端的上下兩個(gè)晶體管經(jīng)常交替工作.由晶體管的關(guān)斷過程中有一段存儲(chǔ)時(shí)間和電流下降時(shí)間,總稱關(guān)斷時(shí)間,在這段時(shí)間內(nèi)晶體管并未完全關(guān)斷.如果在此期間另一個(gè)晶體管已經(jīng)導(dǎo)通,則將造成上下兩管之通,從而使電源正負(fù)極短路.為防止發(fā)生這種情況,設(shè)置了由RC電路構(gòu)成的延時(shí)環(huán)節(jié).、電源的設(shè)計(jì)；本設(shè)計(jì)的電源為車載電源。為保證電源工作可靠，單片機(jī)系統(tǒng)與動(dòng)力伺服系統(tǒng)的電源采用了大功率、大容量的蓄電池；而傳感器的工作電源則采用了小巧輕便的干電池。3.5、速度自控模塊此模塊的功能是通過軟件pwm自行輸入一個(gè)速度后，小車就會(huì)按照輸入的速度進(jìn)展直線前進(jìn)，直到遇到障礙物。通過軟件pwm信號(hào)的來輸入設(shè)定速度，小車就會(huì)按照此速度前進(jìn)，在超聲波測距測量障礙物，軟件根據(jù)障礙物的不同距離來控制pwm信號(hào)，在障礙物大于40cmpwm信號(hào)自減，小于30cmpwm信號(hào)自增，單片機(jī)pwm信號(hào)輸出經(jīng)光電耦合輸出取反，之后控制驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。Pwm信號(hào)在軟件中設(shè)置限制，以防止在pwm信號(hào)在自增或自減的情況下出現(xiàn)負(fù)值或大于一百，軟件設(shè)置如下；if(ZK1>=100)ZK1=12; if(ZK1<=0)ZK1=12; if(ZK2>=100)ZK2=12; if(ZK2<=0)ZK2=12;在pwm信號(hào)超出設(shè)置的數(shù)值，自動(dòng)設(shè)置數(shù)值；第四章軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)說明在進(jìn)展微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。對(duì)于本系統(tǒng)，軟件更為重要。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個(gè)根本類型。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。過程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)展計(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)展軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通常把整個(gè)過程分成假設(shè)干個(gè)局部，每一局部叫做一個(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。模塊程序設(shè)計(jì)法的主要優(yōu)點(diǎn)是：單個(gè)模塊比起一個(gè)完整的程序易編寫及調(diào)試；模塊可以共存，一個(gè)模塊可以被多個(gè)任務(wù)在不同條件下調(diào)用；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)軟件采用模塊化構(gòu)造，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。第五章.調(diào)試第一步：檢測數(shù)碼管好壞。寫一個(gè)簡單的程序，觀察數(shù)碼管是否點(diǎn)亮。再將P0口送0*c0,P2口送0*00，觀察數(shù)碼管是否顯示正確的數(shù)值。為了到達(dá)預(yù)期效果，多換幾個(gè)數(shù)試試，觀察是否顯示正確的數(shù)值?！舱{(diào)試時(shí)候發(fā)現(xiàn)有些數(shù)值不正確，檢查過程發(fā)現(xiàn)段碼沒有發(fā)現(xiàn)短路，板子氧化嚴(yán)重的問題?！车诙剑簷z測超聲波模塊。燒好程序，將超聲波正對(duì)著墻壁，判斷測的距離是否正確。〔用USB口供電，發(fā)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)比擬正確，但是直接用電源，數(shù)值就不準(zhǔn)確，半米之內(nèi)教準(zhǔn)，但是半米之外顯示不出來。原因：電源問題，達(dá)不到預(yù)期電壓值。〕第三步：將小車組裝好，寫進(jìn)程序，用電腦USB口供電，且用手遮擋小車控制好距離，觀察是否在大于40cm時(shí)兩個(gè)電機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在小于30cm時(shí)候只有一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。第四步：在第三步的根底上用電池供電。觀察是否按要求行駛，即：大于40cm直行，小于30cm時(shí)候減速并且轉(zhuǎn)彎。〔由于電池達(dá)不到預(yù)期要求，小車在行駛時(shí)，只能測得半米左右的數(shù)據(jù)，且小車能做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎?！车诹陆Y(jié)論歷時(shí)三個(gè)月的設(shè)計(jì)過程中，我首先邊查資料，邊在實(shí)驗(yàn)室焊接小車的線路板。在焊接過程中，我感覺到即使是一個(gè)簡單的電路，要想很輕松的焊好，也不是很容易的事情。有時(shí)是“虛焊〞的原因，有時(shí)可能是阻值選錯(cuò)。在焊接顯示電路時(shí)，我就錯(cuò)將680歐的電阻焊成了6.8千歐。這使我深深感受到理論與實(shí)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(dòng)芯片74LS245的引腳出現(xiàn)焊接錯(cuò)誤。通過這些調(diào)試，提高了我檢查電路的能力，以及穩(wěn)固了電路圖的知識(shí)。通過這樣的設(shè)計(jì)，提高了我的動(dòng)手能力。每天在實(shí)驗(yàn)室除了焊接線路板，還可以上機(jī)編程，使我軟件調(diào)試知識(shí)也提高了。本設(shè)計(jì)采用的是89S52單片機(jī)，這主要是因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)的穩(wěn)定性比擬好。還可以采用其它系列的單片機(jī)。比方采用陵陽單片機(jī)，就可以簡化編程，但其穩(wěn)定性不是很好。第七章、展望1、在本課題的根底上，我們可以在小車的底座下面裝一個(gè)吸塵裝置，這樣就可以在小車行駛的過程中吸除一些預(yù)先放好的小紙屑。2、設(shè)計(jì)出兩輛小車，一輛小車放在另一輛的前面。當(dāng)前面一輛小車起動(dòng)時(shí)候，后面一輛小車也起動(dòng)，前面一輛小車轉(zhuǎn)彎的時(shí)候后面一輛也跟著轉(zhuǎn)彎，前面一輛小車停頓時(shí)，后面一輛也跟著停頓。第八章、程序*include<reg52.H> //器件配置文件*include<intrins.h>sbitT*=P3^0;//觸發(fā)信號(hào)引腳sbitK1=P3^4;sbitK2=P3^5;sbitPWM1=P3^6; //pwm信號(hào)輸出sbitPWM2=P3^7;staticcharclick=0;unsignedcharZK1,ZK2;unsignedinttime=0;unsignedinttimer=0;unsignedcharposit=0;unsignedlongS=0;unsignedcharconstdiscode[]={0*3F,0*06,0*5B,0*4F,0*66,0*6D,0*7D,0*07,0*7F,0*6F};unsignedcharconstpositon[3]={0*7f,0*bf,0*df};unsignedchardisbuff[4] ={0,0,0,0,};voiddelay(void)//誤差0us{unsignedchara,b,c;for(c=23;c>0;c--)for(b=216;b>0;b--)for(a=184;a>0;a--);}voidDisplay(void) { {P0=discode[disbuff[posit]];} P2=positon[posit]; if(++posit>=3) posit=0;}voidConut(void){ time=TH0*256+TL0; TH0=0; TL0=0; S=(time*1.7)/100; disbuff[0]=S%1000/100; disbuff[1]=S%1000%100/10; disbuff[2]=S%1000%10%10;}voidTimer2interrupt(){ RCAP2H=0*0fe; //500us RCAP2L=0*33; ET2=1;//允許T2定時(shí)器中斷 EA=1;//翻開總中斷 TR2=1;//啟動(dòng)T2定時(shí)器}voidzd0()interrupt1 { TH0=0; TL0=0; }voidzd3()interrupt3 //T1中斷用來掃描數(shù)碼管和計(jì)800MS啟動(dòng)模塊{ TH1=0*0f8; TL1=0*30; Display(); timer++; if(timer>=400) { timer=0; T*=1; //800MS啟動(dòng)一次模塊 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); T*=0;}}voidTimer2(void)interrupt5{ TF2=0;//T2定時(shí)器發(fā)生溢出中斷時(shí)，需要用戶自己去除溢出標(biāo)記 RCAP2H=0*0fe; RCAP2L=0*33;/*恢復(fù)定時(shí)器初始值*/ ++click; if(click>=100)click=0; if(click<=ZK1) PWM1=1; else PWM1=0; if(click<=ZK2) PWM2=1; else PWM2=0;}voidmain(void){ TMOD=0*19; //設(shè)T0為方式1，GATE=1； TH0=0; TL0=0; TH1=0*0f8; //2MS定時(shí) TL1=0*30; ET0=1;//允許T0中斷 ET1=1; //允許T1中斷 TR1=1; //開啟定時(shí)器 Timer2interrupt(); EA=1; //開啟總中斷 ZK1=