超聲波在小車(chē)避障技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)-畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文)

南京理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文)作者: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)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TitleUltrasoniccarobstacleavoidancetechnologydesignAbstractSmartcarscanbeprogrammedtoperformaspecifictaskmeanstheminiaturizationofrobot,ithastomakecostislow,circuitsimplestructure,convenientprogramtest.Becauseofithasstronginterest,intelligentrobotcarfavoredbythemajorityoftheuniversitystudents'enthusiastsandlove.Thispaperintroducestheisaautomaticobstacleavoidancefunctionofintelligentcardesignandproduction(hereinafterreferredtoasthesmartcar),thethesistotheintelligenceofthecarschemeselection,designidea,andtheimplementationofhardwareandsoftwarefunctionandworkingprincipleofadetailedanalysisanddiscusses.Afterpracticeacceptancetest,thisintelligentcarcircuitstructureissimple,convenientdebug,fast,flexiblesystemreflect,correctandfeasibledesignscheme,eachindexissteadyandreliable.Keywords:intelligentobstacleavoidancecardesign

目次TOC\o"1-3"\h\u320621引言 192621.1研究背景與意義 1155192超聲波的避障技術(shù) 4167092.1小車(chē)的避障技術(shù) 4237402.2超聲波的傳播特性 5217522.3超聲波測(cè)距技術(shù) 5249372.4基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng) 6112012.5超聲波的衰減 6324473超聲波避障系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 8200063.1方案概述 87133.2方案設(shè)計(jì) 8310173.3元器件介紹 9313553.4超聲波發(fā)射系統(tǒng)電路 1639663.5超聲波接收系統(tǒng)電路 16298293.6相關(guān)軟件、電路模塊和器件清單。 17105934超聲波避障系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 1980984.1直流電機(jī)控制軟件設(shè)計(jì) 1997024.2超聲波測(cè)距模塊軟件設(shè)計(jì) 19160504.3超聲波避障技術(shù)軟件設(shè)計(jì) 21117654.4軟件與硬件的整合軟件與硬件的整合 22263975超聲波避障系統(tǒng)調(diào)試 2342875.1調(diào)試過(guò)程 2358155.2問(wèn)題分析 26137295.3誤差分析 2623072致謝 2928125參考文獻(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)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、被測(cè)對(duì)象顏色、煙霧等影響，時(shí)間信息直觀等特點(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)，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)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ㄔ诰嚯x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。2.1.2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(neardistance)=近MD(middledistance)=中LD(longdistance)=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=1/2ρCA^2ω^2，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1MHz—15MHz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s△t<(0.001/344)≈0.000002907s即2.907μ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1μs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)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?。同時(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)3.1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)沿直線前進(jìn)。系統(tǒng)方框圖如3.1所示。單片機(jī)控制模塊單片機(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8550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?；钴S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(CentralProcessingUnit，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3.3.1STC89C52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-FlashProgramableErasableReadOnlyMemory）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8051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：5.5V～3.3V（5V單片機(jī)）/3.8V～2.0V（3V單片機(jī)）。c)工作頻率范圍：0～40MHz，相當(dāng)于普通8051的0～80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz。d)用戶應(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)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，PowerDown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)）/0～75n)PDIP封裝。STC89C52RC單片機(jī)的工作模式掉電模式：典型功耗<0.1μA,可由外部中斷喚醒，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4Ma～7mA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（Pin39～Pin32）：8位雙向I/O口線，名稱(chēng)為P0.0～P0.7P1口（Pin1～Pin8）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱(chēng)為P1.0～P1.7P2口（Pin21～Pin28）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱(chēng)為P2.0～P2.7P3口（Pin10～Pin17）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱(chēng)為P3.0～P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?。聲速確定后，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超聲波測(cè)距模塊工作電壓DC2.4V5.5V靜態(tài)電流2MA工作溫度-20~~+70度輸出方式電平或UART(跳線帽選擇）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3.2L298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2.5V5、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，4.5~7V10、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：6～7V。2)驅(qū)動(dòng)部分輸入電壓Vs：4.8～46V。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：2.3V≤Vin≤Vss，低電平：-0.3V≤Vin≤1.5V。7)工作溫度：-25℃～＋1308)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。電源線和地線用于提供舵機(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)和控制線路所需的能源．電壓通常介于4～6V，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0－180度，呈連續(xù)線性變化。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?？刂凭€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P(yáng)WM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LCD1602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。如圖3.7所示。圖3.7LCD1602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，我們選擇性價(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)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40kHz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?，集成芯片CX20106在接收部分電路中起了很大的作用。CX20106是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專(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38kHz與測(cè)距的超聲波頻率40kHz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30～60kHz。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40kHz，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12345678910PC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（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)11STC89C52RC11套5V/7.2V11112雙L298N驅(qū)動(dòng)1Vista&Win71ZK-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：?jiǎn)蝹€(gè)模塊比起一個(gè)完整的程序易編寫(xiě)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。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（PulseWidthModulation），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。#defineECHOP2_4 //超聲波接口定義 #defineTRIGP2_5 //超聲波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，再將它們結(jié)合起來(lái)調(diào)試，采取了“分而治之”的思想。調(diào)試超聲波模塊：在調(diào)試超聲波的時(shí)候，主要思想是用定時(shí)器檢測(cè)超聲波會(huì)送信號(hào)維持高電平的時(shí)間，用串口示波器將測(cè)得的數(shù)據(jù)顯示在串口示波器上，根據(jù)返回的結(jié)果，確定達(dá)到轉(zhuǎn)彎距離以內(nèi)所需要的時(shí)間，然后利用時(shí)間控制電機(jī)。電機(jī)調(diào)試：在點(diǎn)擊調(diào)試的過(guò)程中，我們首先將PWM輸出在示波器上反映出來(lái)，確保PWM波的輸出正常，并且能夠根據(jù)用戶設(shè)定的比較值產(chǎn)生不同形式的輸出，在比較匹配發(fā)生之后，調(diào)節(jié)其占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制，在控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，采用直接控制L298N芯片的方式，實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，后退等功能。5超聲波避障系統(tǒng)調(diào)試5.1調(diào)試過(guò)程a）連接，連接實(shí)物圖如連接圖5-1，圖5.2所示。圖5.1實(shí)物連接1圖5.2實(shí)物連接2b）程序下載在程序下載時(shí)要安裝USB串口驅(qū)動(dòng)（Win7的或XP的）串口驅(qū)動(dòng)安裝完成后將小車(chē)與電腦通過(guò)USB下載線進(jìn)行連接，然后打開(kāi)我的電腦中的設(shè)備管理器查看端口是否連接成功如圖5.3所示則為成功且串口號(hào)為COM4。圖5.3程序下載1）打開(kāi)電源，如圖5.4所示。圖5.4打開(kāi)電源圖2）打開(kāi)桌面的下載軟件選擇單片機(jī)型號(hào)，找到目標(biāo)文件，然后選擇正確的串口號(hào)。如圖5.5所示。圖5.5軟件下載圖3)下載程序在下載程序時(shí)要等到下載軟件的提示欄中出現(xiàn)給MCU上電時(shí)再給單片機(jī)按上電源上電，如果下載成功則如圖5.6所示。（如果在下載前就給單片機(jī)上電可能會(huì)出現(xiàn)下載不成功的現(xiàn)象）圖5.6下載程序圖c)運(yùn)行，如圖5.7所示。圖5.7程序運(yùn)行圖5.2問(wèn)題分析問(wèn)題：小車(chē)運(yùn)行時(shí)如果如果障礙物的距離比較近小車(chē)后退后會(huì)撞到或卡住。原因：障礙物放得太近或小車(chē)與程序間的條件限制。解決方法：把障礙物的距離調(diào)大點(diǎn)或?qū)π≤?chē)及程序進(jìn)行改進(jìn)。5.3誤差分析由于受環(huán)境溫度、濕度的影響，超聲傳感器的測(cè)量值與實(shí)際值會(huì)有一些偏差，超聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與超聲測(cè)實(shí)際值（單位:cm）如表5.1所示。表5.1距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值（單位:cm）障礙物實(shí)際距離（cm）測(cè)量距離（cm）4555.56066.97583.1100107.2125131.5150157.3175182.4200206.4從表中的數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)量值總是比實(shí)際值大出大約7cm，經(jīng)過(guò)分析原因主要有三個(gè)方面：第一方面，超聲波傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)受環(huán)境溫度的影響；第二方面，指令運(yùn)行需占用一定的時(shí)間而使得測(cè)量的數(shù)據(jù)偏大；第三方面，為了防止其他信號(hào)的干擾，單片機(jī)開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送16個(gè)脈沖串。對(duì)于單個(gè)回聲的方式，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路接收到碰到障礙物返回的第四個(gè)脈沖時(shí)就停止計(jì)數(shù)，所以最終測(cè)得的時(shí)間比實(shí)際距離所對(duì)應(yīng)的時(shí)間多出四個(gè)脈沖發(fā)送的時(shí)間。為了減小測(cè)量值與實(shí)際值的偏差，我們采用最小二乘法對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。經(jīng)過(guò)擬合，我們得到下面的方程：y=1.0145x-9.3354(其中:y為實(shí)際值,x為測(cè)量值)修正后本超聲波測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5.2所示。表5.2修正后聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值（單位：cm）障礙物實(shí)際距離（cm）測(cè)量距離（cm）4546.86058.57574.910099.4125124.1150150.2175175.7200200.1從修正后的數(shù)據(jù)我們可以看出,系統(tǒng)的測(cè)量誤差在±2%內(nèi),滿足我們的測(cè)量要求。結(jié)論本智能小車(chē)電路在硬件上采用了超聲波來(lái)測(cè)量小車(chē)距前方障礙物的距離，顯示結(jié)果快速，準(zhǔn)確。由于采用雙電源供電使系統(tǒng)的抗干擾性得到加強(qiáng)；PWM技術(shù)的應(yīng)用解決了電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)效率和電機(jī)速度控制的問(wèn)題；在軟件上，充分利用了STC89C52系統(tǒng)資源，使智能小車(chē)完美的實(shí)現(xiàn)了障礙檢測(cè)、距離測(cè)量、警示等功能。本文的總結(jié)有如下點(diǎn)：1）本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，系統(tǒng)反映快速靈活，硬件電路由可拆卸模塊拼接而成，有很大的擴(kuò)展空間。經(jīng)驗(yàn)收測(cè)試，該智能小車(chē)設(shè)計(jì)方案正確、可行，各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定。2）在設(shè)計(jì)當(dāng)中也存在著一些不足。如超聲波模塊受溫度的影響比較大，由于時(shí)間關(guān)系沒(méi)有添加溫度補(bǔ)償措施，所以在使用中需要注意環(huán)境影響。另外小車(chē)避障方式單一，若將超聲波模塊安裝在舵機(jī)上使其可以左右上下180度轉(zhuǎn)動(dòng)，那么便可以通過(guò)比較小車(chē)兩側(cè)空間的大小來(lái)自由選擇避障方向，從而實(shí)現(xiàn)更加智能化的避障方式。3）小車(chē)經(jīng)過(guò)測(cè)試，運(yùn)行結(jié)果良好。硬件上沒(méi)有錯(cuò)誤，主要瓶頸在于探測(cè)模塊的靈敏度，因?yàn)檐浖耆刻綔y(cè)模塊返回的信號(hào)作為依據(jù)進(jìn)行下一步控制的操作，無(wú)法確認(rèn)該信號(hào)是否準(zhǔn)確，使小車(chē)轉(zhuǎn)彎欠準(zhǔn)確與智能。致謝首先感謝我的導(dǎo)師倪瑛老師，在倪瑛老師的耐心指導(dǎo)和幫助下，我才能順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。從電路的設(shè)計(jì)到調(diào)試整個(gè)過(guò)程中，我都從倪瑛老師那里學(xué)會(huì)了很多專(zhuān)業(yè)方面的知識(shí)。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我深刻地認(rèn)識(shí)到學(xué)好專(zhuān)業(yè)知識(shí)的重要性，也理解了理論聯(lián)系實(shí)際的含義，并且檢驗(yàn)了大學(xué)四年的學(xué)習(xí)成果。雖然在這次設(shè)計(jì)中對(duì)于知識(shí)的運(yùn)用和銜接還不夠熟練。但是我將在以后的工作和學(xué)習(xí)中繼續(xù)努力、不斷完善。這三個(gè)月的設(shè)計(jì)是對(duì)過(guò)去所學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)提高和擴(kuò)充的過(guò)程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。也感謝在畢業(yè)設(shè)計(jì)中幫助過(guò)我的所有同學(xué)和師兄師姐們，感謝你們對(duì)我的支持。由于自身水平有限，設(shè)計(jì)中難免存在很多不足之處，敬請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。參考文獻(xiàn)[1]陳永甫.紅外探測(cè)與控制電路[M].北京：人民郵電出版社，2004.[2]肖景，趙健.紅外線熱釋電與超聲波遙控電路[M].北京：人民郵電出版社，2003.[3]王秀山.單片機(jī)基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.[4]戴仙金等.單片機(jī)及其C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.[5]柳郭等.單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用技能與技巧[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.[6]胡漢才.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.[7]何玉彬.傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.[8]唐守峰.檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.[9]蔡振江.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.[10]孫炳達(dá).自動(dòng)控制原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.[11]何希才等.傳感器及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004:65-83.[12]丁鎮(zhèn)生.傳感器及傳感技術(shù)應(yīng)用[M].北京電子工業(yè)出版社，1998:59-72.[13]JohnF.Wakerly,數(shù)字設(shè)計(jì)原理與實(shí)踐[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社，2003.[14]彭喜元.新編MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.[15]趙負(fù)圖.傳感器集成電路手冊(cè)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2004.[16]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社，2005.[17]萬(wàn)福君，潘松峰等.單片微機(jī)原理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2005.基于C8051F單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對(duì)良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營(yíng)養(yǎng)診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測(cè)試儀的研制基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀開(kāi)發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測(cè)儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開(kāi)發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動(dòng)檢測(cè)儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測(cè)量?jī)x的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門(mén)傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號(hào)檢測(cè)儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico專(zhuān)用單片機(jī)核的可測(cè)性設(shè)計(jì)研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計(jì)基于雙單片機(jī)的智能遙測(cè)微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測(cè)基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時(shí)控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測(cè)量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動(dòng)低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測(cè)量?jī)x的研制基于單片機(jī)的紅外測(cè)油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門(mén)機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測(cè)漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機(jī)的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機(jī)和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究基于單片機(jī)的膛壁溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于AVR單片機(jī)的低壓無(wú)功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)信號(hào)的采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機(jī)的疊圖機(jī)研究與教學(xué)方法實(shí)踐基于單片機(jī)嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)基于AT89S52單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的多道脈沖幅度分析儀研究HYPERLINK"/d