超聲波智能避障小車設(shè)計(jì)

1引言智能作為現(xiàn)代社會的新產(chǎn)物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)特定的環(huán)境里自動的運(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)主要體現(xiàn)多功能小車的智能避障模式，設(shè)計(jì)中的理論方案、分析方法及特色與創(chuàng)新點(diǎn)等可以為自動運(yùn)輸機(jī)器人、采礦勘探機(jī)器人、家用自動清潔機(jī)器人等自動半自動機(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發(fā)展對象，為中國玩具市場技術(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。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，測量精度也能達(dá)到實(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)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(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義，這將對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(shí)，汽車就會發(fā)出警報(bào)，提醒駕駛員注意，如果駕駛員沒有及時(shí)作出反應(yīng)，汽車就會自動減速或?？坑诼愤?。隨著計(jì)算機(jī)、微電子、信總處理及智能控制的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也在逐步深入和細(xì)化。隨著機(jī)器人性能不斷地完善，移動機(jī)器人的應(yīng)用范圍大為擴(kuò)展，不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，而且在城市安全、國防和空間探測領(lǐng)域等有害與危險(xiǎn)場合得到很好的應(yīng)用。因此，移動機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)得到世界各國的普遍關(guān)注。移動機(jī)器人的研究不僅可以推動科學(xué)技術(shù)的向前發(fā)展，同時(shí)其應(yīng)用必將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。1．1課題背景及意義智能移動機(jī)器人，是一個(gè)集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。它集中了傳感器技術(shù)、信息處理、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動化控制工程以及人工智能等多學(xué)科的研究成果，代表機(jī)電一體化的最高成就，是目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展人們發(fā)明了各式各樣的具有感知，決策，行動和交互能力的機(jī)器人，自第一臺工業(yè)機(jī)器人誕生以來，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國防等多個(gè)領(lǐng)域。近年來機(jī)器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式，隨著它在人類生活領(lǐng)域中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，將會給人們的生產(chǎn)生活帶來了巨大的影響。在國外機(jī)器人的發(fā)展有如下趨勢。一方面機(jī)器人在制造業(yè)應(yīng)用的范圍越來越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度越來越高，功能也越來越強(qiáng)，并向著技術(shù)和裝備成套化的方向發(fā)展；另一方面，機(jī)器人向著非制造業(yè)應(yīng)用以及微小型方向發(fā)展，如表演型機(jī)器人，服務(wù)機(jī)型器人，機(jī)器人玩具等。國外研究機(jī)構(gòu)正試圖將機(jī)器人應(yīng)用于人類活動的各個(gè)領(lǐng)域。在我國機(jī)器人主要應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域，我國工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)在的總裝機(jī)量約為120000臺，其中國產(chǎn)機(jī)器人占有量約為1/3，即40000多臺。與世界機(jī)器人總裝機(jī)臺數(shù)7500萬臺相比，中國總裝機(jī)量僅占萬分之十六。對中國這樣一個(gè)擁有13億人口的大國來說，僅在機(jī)器人數(shù)量上就和發(fā)達(dá)國家有著很明顯的差距。因此大力發(fā)展我國的機(jī)器人事業(yè)刻不容緩[1]。智能小車可以理解為機(jī)器人的一種特例，它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。與普遍意義上的機(jī)器人相比智能小車制作成本低廉，電路結(jié)構(gòu)簡單，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)器人愛好者以及高校學(xué)生的喜愛。全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽每年都設(shè)有智能小車類的題目，由此可見國家對高校機(jī)器人研究工作的重視程度。本題目設(shè)計(jì)的是具有自動避障功能的智能小車，其設(shè)計(jì)思想與一些日常生活迫切需要的機(jī)器人（如測距機(jī)器人，搜索機(jī)器人，管道探傷機(jī)器人）類似。由于采用了超聲波傳感器，它不受光照強(qiáng)弱和能見度的影響，能耗低，靈敏度高，即使在較復(fù)雜的環(huán)境內(nèi)也可以工作。智能小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，有很大的擴(kuò)展空間，稍加改動便可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)生活中，也可作為高校學(xué)生以及廣大機(jī)器人愛好者學(xué)習(xí)研究使用。1．2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀機(jī)器人作為人類科技發(fā)展的新型勞動生產(chǎn)工具，在減輕勞動負(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，就機(jī)器人而言，目前還沒有統(tǒng)一的定義，而且自機(jī)器人問世以來，人們就很難對機(jī)器人下一個(gè)確切的定義。歐美國家認(rèn)為，機(jī)器人應(yīng)該是“由計(jì)算機(jī)控制的通過編程具有可以變更的多功能的自動機(jī)械”；日本學(xué)者認(rèn)為“機(jī)器人就是任何髙級的自動機(jī)械”。我果科學(xué)家對機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動化的機(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、動作能力、和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器?！蹦壳皣H上對機(jī)器人的概念已經(jīng)漸趨一致，聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會于1979年給機(jī)器人下的定義；“一種可編程和多功能的，用來搬運(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作的專門系統(tǒng)。”概括說來，機(jī)器人是靠自身動力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器[2]。智能移動機(jī)器人具有高度的自規(guī)劃、自組織、自適應(yīng)能力，在無需人干預(yù)、無需對環(huán)境做任何規(guī)定和改變的條件下，能夠有目的地移動和完成相應(yīng)任務(wù)。障礙物檢測是智能移動機(jī)器人、智能汽車對周邊環(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、日本、德國以及意大利等世界發(fā)達(dá)國家的很多研究機(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，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型不同分為：基于超聲波的障礙物檢測系統(tǒng)、基于紅外線的障礙物檢測系統(tǒng)、基于激光的障礙物檢測系統(tǒng)及基于多傳感器融合技術(shù)的障礙物檢測系統(tǒng)等。20世紀(jì)60年代以來，弧焊點(diǎn)焊氣焊、機(jī)械設(shè)備加工、噴涂刻畫、設(shè)計(jì)裝配、檢測等各種類型，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，許多國家有組織有計(jì)劃的開展了移動機(jī)器人技術(shù)的硏究。所謂的移動機(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。自主式移動機(jī)器人的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在沒有人的參與控制且無需對環(huán)境作任何規(guī)定和改變的條件下，有目的的移動并完成相應(yīng)設(shè)定任務(wù)。在自主移動式智能機(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：在沒有人的干預(yù)下使機(jī)器人有目的地移動并完成特定任務(wù)，進(jìn)行特定操作。機(jī)器人通過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)行下一步的動作。因此單從系統(tǒng)硬件層次上講，移動機(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)動系統(tǒng)。1．3本課題研究的主要內(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20CM以較快速度前進(jìn)，當(dāng)小于20CM時(shí)慢速前進(jìn)，當(dāng)小于10CM時(shí)小車應(yīng)采取避障功能。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)過多次發(fā)射之后再回到超聲波檢測端口會產(chǎn)生較嚴(yán)重的路程差，從而影響對距離的檢測進(jìn)而影響對障礙物的較準(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件造成的誤差從而達(dá)到對障礙物的較準(zhǔn)確定位。障礙物檢測是智能機(jī)器人、智能車輛對周邊環(huán)境感知技術(shù)研究領(lǐng)域中的重要組成部分，以單片機(jī)為核心的結(jié)構(gòu)簡單、精度較高、測距較長、可靠性較高的障礙物檢測報(bào)警系統(tǒng)對智能移動機(jī)器人的研究有很重要的社會意義。2總體設(shè)計(jì)方案及分析根據(jù)題目的要求，確定如下方案：將報(bào)廢的玩具電動車經(jīng)過改造的基礎(chǔ)上，加裝傳感器等探測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對電動小車前方障礙物的探測，以及小車的的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行分析處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對電動小車的智能控制。這種方案能實(shí)現(xiàn)對電動車的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效控制，并且控制可靠、靈活，精確度高，可滿足對系統(tǒng)的各項(xiàng)基本要求。2.1系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)方案論證方案一：采用STC12C5410單片機(jī)控制系統(tǒng)。STC12C5410單片機(jī)帶有PWM脈寬調(diào)制輸出端口，可直接用來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，且其運(yùn)行速度是8051單片機(jī)的8~12倍；但其I/O口少，即使是32管腳的芯片也只有27個(gè)，不夠用時(shí)需要擴(kuò)展I/O口，比較麻煩。方案二：采用STC89C52單片機(jī)控制系統(tǒng)。主要是通用I/O口多，一般不需要擴(kuò)展，而且控制指令簡單。由于對8051系列單片機(jī)應(yīng)用比較熟悉，且系統(tǒng)需要用到的I/O口較多，而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM信號用1個(gè)定時(shí)器即可模擬。所以此次設(shè)計(jì)選擇采用STC89C52單片機(jī)來控制。2.2超聲波壁障設(shè)計(jì)方案論證方案一：采用多方向超聲波測距分析來實(shí)現(xiàn)壁障。分別在小車的左、中、右三方向放置超聲波探頭，通過對三個(gè)方向超聲波的測距數(shù)據(jù)分析對比確定障礙物位置，再通過調(diào)節(jié)小車左右電機(jī)轉(zhuǎn)速差控制小車行駛方向?qū)崿F(xiàn)壁障。方案二：通過步進(jìn)電機(jī)帶動一對超聲波探頭旋轉(zhuǎn)進(jìn)行各方向測距，將各方向測得數(shù)據(jù)通過單片機(jī)對比分析可得到障礙物方向，然后也是通過調(diào)節(jié)小車左右電機(jī)轉(zhuǎn)速差控制小車行駛方向?qū)崿F(xiàn)壁障。方案一需要3對的超聲波探頭，為了防止信號相互干擾各個(gè)超聲波發(fā)送信號要相互間隔，顯得繁雜，而且當(dāng)障礙物與左右側(cè)的超聲波探頭大于一定角度時(shí)將不能接收到超聲波信號，方案二通過180度掃描可以很好地檢測到各個(gè)方向的障礙物，障礙物判斷更可靠，避障效果更好。因此選用方案二設(shè)計(jì)。2.3顯示模塊設(shè)計(jì)方案論證方案一：采用七段LED數(shù)碼管顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)碼管顯示具有高亮、可視距離遠(yuǎn)、壽命長的優(yōu)點(diǎn)，一位數(shù)碼管能顯示一位數(shù)據(jù)。方案二：采用LCD1602液晶顯示。液晶顯示具有耗能少、可同時(shí)顯示數(shù)據(jù)多、控制指令簡單、PCB布線簡單等優(yōu)點(diǎn)。通過對比兩種顯示方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)決定采用方案一。2.4直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證方案一：串電阻調(diào)速系統(tǒng)。方案二：靜止可控整流器。簡稱V-M系統(tǒng)。方案三：脈寬調(diào)速系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)拖動直流電動機(jī)實(shí)現(xiàn)變流，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動機(jī)供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。改變勵(lì)磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動機(jī)的轉(zhuǎn)向都隨著改變，所以G-M系統(tǒng)的可逆運(yùn)行是很容易實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺與調(diào)速電動機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，技術(shù)落后，因此擱置不用。V-M系統(tǒng)是當(dāng)今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。V-M系統(tǒng)的缺點(diǎn)是晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難[3]。它的另一個(gè)缺點(diǎn)是運(yùn)行條件要求高，維護(hù)運(yùn)行麻煩。最后，當(dāng)系統(tǒng)處于低速運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生較大的諧波電流危害附近的設(shè)備。采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓加到電動機(jī)上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動機(jī)斷開，電動機(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），簡稱PWM[4]。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，即通過改變脈沖寬度來進(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)：（1）由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流，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，電動機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小。（2）脈寬調(diào)制(PWM)是利用數(shù)字輸出對模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量。PWM具有很強(qiáng)的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。模擬控制電路有以下缺陷:模擬電路容易隨時(shí)間漂移，會產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對噪聲敏感等。而在用了PWM技術(shù)后，避免了以上的缺陷，實(shí)現(xiàn)了用數(shù)字方式來控制模擬信號，可以大幅度降低成本和功耗。

根據(jù)以上綜合比較，以及本設(shè)計(jì)中受控電機(jī)的容量和直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向，本設(shè)計(jì)采用了H型單極型可逆PWM變換器進(jìn)行調(diào)速。脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱PWM變換器[5]。脈寬調(diào)速也可通過單片機(jī)控制繼電器的閉合來實(shí)現(xiàn)，但是驅(qū)動能力有限。為順利實(shí)現(xiàn)電動小汽車的前行與倒車，本設(shè)計(jì)采用了可逆PWM變換器。可逆PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有H型、T型等類型。我們在設(shè)計(jì)中采用了常用的雙極式H型變換器，它是由4個(gè)三極電力晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。3元器件介紹從實(shí)際出發(fā)，詳細(xì)分析移動機(jī)器人需求，完成預(yù)定目標(biāo)所需的相關(guān)設(shè)計(jì)，實(shí)施方案。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器（FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能COMOS8的微處理器，俗稱單片機(jī)[6]。該器件采用ATMEL密度非易失存儲器技術(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。MAX232STC89C52圖3-1單片機(jī)總控制電路STC89C52具體介紹如下：①主電源引腳（2根）VCC(Pin40)：電源輸入，接＋5V電源GND(Pin20)：接地線②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③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PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令。④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，名稱為P0.0～P0.7P1口（Pin1～Pin8）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P1.0～P1.7P2口（Pin21～Pin28）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P2.0～P2.7P3口（Pin10～Pin17）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P3.0～P3.7STC89C52主要功能：使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在線系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。3．2L293D電機(jī)驅(qū)動芯片對于電機(jī)驅(qū)動，需要考慮如下幾個(gè)問題：電機(jī)是單向還是雙向轉(zhuǎn)動？需不需要調(diào)速？對于單向的電機(jī)驅(qū)動，只要用一個(gè)大功率三極管或場效應(yīng)管或繼電器直接帶動電機(jī)即可，當(dāng)電機(jī)需要雙向轉(zhuǎn)動時(shí)，可以使用由4個(gè)功率元件組成的H橋電路或者使用一個(gè)雙刀雙擲的繼電器。如果不需要調(diào)速，只要使用繼電器即可；但如果需要調(diào)速，可以使用三極管，場效應(yīng)管等開關(guān)元件實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速。L293D采用16引腳DIP封裝，其內(nèi)部集成了雙極型H-橋電路，所有的開量都做成n型。這種雙極型脈沖調(diào)寬方式具有很多優(yōu)點(diǎn)，如電流連續(xù)；電機(jī)可以四角限運(yùn)行；并且停止時(shí)有輕微的振動電流，起到“動力潤滑”的作用，消除電機(jī)正反向轉(zhuǎn)動時(shí)的靜摩擦死區(qū)；低速平穩(wěn)性好等。L293D通過內(nèi)部電路邏輯生成使能脈沖信號。H-橋電路的輸入信號可以用來控制馬達(dá)轉(zhuǎn)動的方向，使能信號可以用于調(diào)整脈寬（PWM）[7]。另外，L293D驅(qū)動芯片將2個(gè)H-橋電路集成到1片芯片上，這就意味著用1片芯片可以同時(shí)控制2個(gè)電機(jī)。每1個(gè)電機(jī)需要3個(gè)控制信號EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信號，IN1、IN2為電機(jī)轉(zhuǎn)動方向控制信號，IN1、IN2分別為1，0時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)。選用一路PWM連接EN12引腳，通過調(diào)整PWM的占空比可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速[8]。選擇一路I/O口，經(jīng)反向器74HC14分別接IN1和IN2引腳，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。圖3-2L293D方框圖3．3超聲波傳感器超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波[9]。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。超聲波測距原理：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。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(s)，即：s=340t/2這就是所謂的時(shí)間差測距法。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。圖3-3超聲波傳感器結(jié)構(gòu)超聲波在本設(shè)計(jì)中的原理分析：由于自己用分立元器件焊接比較麻煩，所以本設(shè)計(jì)采用現(xiàn)成的HC-SPO4超聲波模塊，HC-SPO40-4.5mGPIO[10]。超聲波探測模塊HC-SPO4的使用方法為：IO口觸發(fā)，給Trig口至少10us的高電平，啟動測量；模塊自動發(fā)送8個(gè)40Khz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過IO口Echo輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，測試距離=（高電平時(shí)間*340）/2，單位為m。程序中測試功能主要由兩個(gè)函數(shù)完成，即measure()負(fù)責(zé)計(jì)算一次測量小車障礙物的距離，然后shouldTurn()確定前方有障礙物采取避障措施，根據(jù)車體大小及系統(tǒng)的反應(yīng)，經(jīng)過測試，取20cm的反應(yīng)距離效果較為明顯[11]。另外，HC-SPO4超聲波探測模塊探測的間隔周期推薦值是64ms（圖3-4），但經(jīng)過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在我們的小系統(tǒng)中取800ms較為適宜，使主程序有足夠的時(shí)間來驅(qū)動小車前進(jìn)，而不至于出現(xiàn)前進(jìn)不流暢的現(xiàn)象。圖3-4超聲波檢測原理3.4數(shù)碼管顯示器數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。LED數(shù)碼管實(shí)際上是由七個(gè)發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點(diǎn)就是8個(gè)。這些段分別由字母a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。當(dāng)數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的字樣了。如：顯示一個(gè)“2”字，那么應(yīng)當(dāng)是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。LED數(shù)碼管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。[12]小尺寸數(shù)碼管的顯示筆畫常用一個(gè)發(fā)光二極管組成，而大尺寸的數(shù)碼管由二個(gè)或多個(gè)發(fā)光二極管組成，一般情況下，單個(gè)發(fā)光二極管的管壓降為1.8V左右，電流不超過30mA。發(fā)光二極管的陽極連接到一起連接到電源正極的稱為共陽數(shù)碼管，發(fā)光二極管的陰極連接到一起連接到電源負(fù)極的稱為共陰數(shù)碼管。常用LED數(shù)碼管顯示的數(shù)字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。本電路采用四位一體共陽數(shù)碼管，利用動態(tài)掃描方式來完成顯示功能。CPU送來的數(shù)據(jù)信號直接送入數(shù)碼管的段號碼，進(jìn)行數(shù)字顯示，兩個(gè)三極管是對數(shù)碼管的位號選操作，當(dāng)Q4導(dǎo)通時(shí)就是選擇數(shù)碼管的個(gè)位，當(dāng)Q3導(dǎo)通時(shí)，就是選擇數(shù)碼管的十位，通過單片機(jī)的控制，首先顯示個(gè)位數(shù),然后關(guān)掉.之后然后顯示十位數(shù)，再關(guān)掉,一直循環(huán)下去，那么我們將會看到連續(xù)的數(shù)字顯示,輪流點(diǎn)亮掃描過程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的（約1ms），由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上四位顯示器并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示而不會有閃爍感[13]。圖3-5數(shù)碼管顯示原理圖3.5舵機(jī)一般來講，舵機(jī)主要由以下幾個(gè)部分組成，舵盤、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)的控制信號是周期為20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號，其脈沖的寬度從0.5ms-2.5ms，相對對應(yīng)舵盤的位置是0－180度，呈連續(xù)線性變化。也就是說，給它提供一特定寬度的脈沖信號，它的輸出軸就會轉(zhuǎn)動到一個(gè)與之相對應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號，它才會將輸出角度轉(zhuǎn)動到新的對應(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；另有一個(gè)比較器，將外加信號與基準(zhǔn)信號進(jìn)行比較，判斷出轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動角度大小，進(jìn)而產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)動信號。由此可見，舵機(jī)是一種精度很高的位置伺服的驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動最大角度不能超過180度，適用于那些需要角度不斷變化并可以停滯的驅(qū)動當(dāng)中。圖3-6舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號脈沖寬度的關(guān)系

舵機(jī)的控制信號為PWM信號，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脈寬的變化速度。控制線的輸入是一個(gè)寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號，方波脈沖信號的周期為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PWM的占空比就是1：5。4系統(tǒng)的硬件電路根據(jù)設(shè)計(jì)題目要求，系統(tǒng)可以初步劃分為單片機(jī)部分，顯示電路部分，報(bào)警電路部分，抗干擾電路部分，控制電路部分，電源電路部分和傳感器部分。其各部分之間的關(guān)系如圖所示，其中采用了89C52型單片機(jī)組成基本硬件電路，再配合其它元器件搭建起系統(tǒng)硬件電路。整體框圖如圖4-1所示。圖4-1控制系統(tǒng)整體框圖4.1超聲波發(fā)送接收電路4.1.1超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)超聲波換能器兩端的震蕩脈沖是由單片機(jī)P1.0口產(chǎn)生的40kHz方波提供的。為了增加超聲波的探測距離，就需要增加超聲波換能器的功率。為此設(shè)計(jì)中采用了CD4069六非門反相器來增強(qiáng)超聲波的發(fā)射功率，由于非門實(shí)質(zhì)上是放大倍數(shù)很大的反相放大器，如果給非門加上合適的負(fù)反饋電阻，就能夠使它從飽和區(qū)進(jìn)入線性放大區(qū)，圖4-2所示為本設(shè)計(jì)中非門放大原理的示意圖。單片機(jī)P1.0口產(chǎn)生的40KHz方波信號一路經(jīng)反向器反相后傳送到超聲波換能器的其中一個(gè)電極中，另一路經(jīng)兩級反相器反向后送入超聲波換能器的另一個(gè)電極。將方波信號加到超聲波換能器兩端的這種推挽形式可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。采用兩個(gè)反向器并聯(lián)的輸出端可以提高驅(qū)動能力。圖4-2超聲波發(fā)射電路非門發(fā)射原理示意圖其電路原理圖如圖4-3所示。上拉電阻R23,R24一方面可以提高反相器的高電平驅(qū)動能力，另一方面可以增強(qiáng)超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由震蕩的時(shí)間。Q7的作用是提高單片機(jī)I/O口的輸出電壓，目的也是提高超聲波發(fā)射的功率。圖4-3超聲波發(fā)射電路原理圖4.1.2超聲波接收電路的設(shè)計(jì)集成芯片CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用電視機(jī)遙控器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38KHz與本設(shè)計(jì)中超聲波頻率40KHz較為接近，所以利用它來制作超聲波檢測接收電路。實(shí)驗(yàn)證明CX20106A接收超聲波具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。如圖4-4所示為CX20106A內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路連接圖。圖4-4CX20106A內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖使用CX20106A集成電路對接收探頭受到的信號進(jìn)行放大、濾波。其總放大增益80db。以下是CX20106A的引腳注釋∶1腳：超聲信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ。2腳：該腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R1或減小C1,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C1的改變會影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動，典型參數(shù)R1=4.7Ω，C1=1μF[14]。3腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，經(jīng)試驗(yàn)測試取3.3μF為宜。5腳：該腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率F0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200kΩ時(shí)，F(xiàn)0≈42kHz，若取R=220kΩ，則中心頻率F0≈38kHz。6腳：該腳與地之間接一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時(shí)則產(chǎn)生下降。4，8腳：電源正極，4.5～5V。4.2電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)由于單片機(jī)I/O口驅(qū)動能力弱，不能直接連接直流電機(jī)，故需要驅(qū)動芯片進(jìn)行驅(qū)動。該設(shè)計(jì)采用的是基于L293D的電路連接方式，L293D內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。其是一種四相和二相電機(jī)的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機(jī)[15]。其電路如圖4-5所示。圖4-5電機(jī)驅(qū)動電路連接圖1腳和15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號。本電路未用到采樣所以將其接地。L293D可以驅(qū)動2個(gè)直流電機(jī)，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接1個(gè)電動機(jī)。5腳、7腳、10腳、12腳接輸入控制信號，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA，ENB為電機(jī)控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。本電路中分別與單片機(jī)89C52的P1.0、P1.1相連，L293D的邏輯功能如表4-1所示。表4-1L293D邏輯功能表ENA(B)IN1(IN3)IN2(IN4)電機(jī)運(yùn)行情況HHL正轉(zhuǎn)HLH反轉(zhuǎn)HHH快速停止HLL快速停止L任意任意停止由于電機(jī)在正常工作時(shí)對電源的干擾很大，所以在電機(jī)的驅(qū)動信號輸入端并聯(lián)電容C34，用以濾除噪聲干擾。4.3顯示電路的設(shè)計(jì)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)碼管的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)光的，數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-6所示，從圖4-6（a）可看出，一位數(shù)碼管的引腳是10個(gè)，顯示一個(gè)8字要7個(gè)小段，另外還有一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，所以內(nèi)部共有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，而他們的公共端分為共陽極和共陰極，如圖4-6（b）所示。（a)(b) 圖4-6數(shù)碼管顯示原理圖本小車用的開發(fā)板是4位共陽極數(shù)碼管，所謂“共陽”就是指其內(nèi)部的8個(gè)發(fā)光二極管的陽極全部連在一起，而他們的陰極是獨(dú)立的[16]，通常在設(shè)計(jì)電路時(shí)一般把陽極接VCC，當(dāng)我們給數(shù)碼管的任一個(gè)陰極加低電平時(shí)，對應(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”[17]。本設(shè)計(jì)所用開發(fā)板的數(shù)碼管共陰端與P0口連接，共陽端經(jīng)過一個(gè)反相器與P2口相連，其硬件連接圖如圖4-7所示。圖4-7數(shù)碼管連接圖4.4聲光警示電路的設(shè)計(jì)（a)閃光報(bào)警電路(b)蜂鳴器報(bào)警電路圖4-8聲光警示電路原理圖由于單片機(jī)I/O口不能直接驅(qū)動高亮LED，所以要通過一個(gè)驅(qū)動電路來驅(qū)動，其電路如圖4-8所示，Q10為驅(qū)動三極管，R24為限流電阻通過單片機(jī)的P3.1口控制Q10的通斷，當(dāng)P3.1被置低電平時(shí)三極管導(dǎo)通，發(fā)光管D4、D8點(diǎn)亮；當(dāng)為高電平時(shí)是三極管截至，發(fā)光管熄滅[18]。同樣原理可以控制蜂鳴器發(fā)聲。4.5電源模塊設(shè)計(jì)智能小車的供電設(shè)施是一塊鎳氫充電電池，它有低成本，循環(huán)壽命長，無污染，安全性能好，溫度使用范圍廣等特點(diǎn)。它的容量為2A，最高輸出電壓7.4V,有很強(qiáng)的續(xù)航能力。電機(jī)啟動時(shí)產(chǎn)生的電壓波動會嚴(yán)重影響單片機(jī)的正常工作，為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，系統(tǒng)采用兩組電源供電如圖4-9，4-10所示∶圖4-99V供電電路圖4-105V供電電路第二組電源通過三端穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓后給單片機(jī)和其它電路供電，另外一組電源經(jīng)7809穩(wěn)壓后給電機(jī)驅(qū)動芯片L293D供電，考慮到模塊間的相互干擾問題，兩個(gè)電源之間還添加了隔離措施，這樣有效的解決了后向通道會對單片機(jī)最小系統(tǒng)以及前向通道產(chǎn)生干擾的問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電源電路連接圖見圖4-9，4-10。電路中的濾波電容C16可以改善輸出的電壓紋波。C18是當(dāng)負(fù)載電流突變時(shí)，為改善電源的動態(tài)特性而設(shè)定的，其取值約為100～470uF[19]。在結(jié)構(gòu)上，它們是由兩個(gè)電容極板的中間加絕緣介質(zhì)卷繞而成的。因此，對電源中的高頻分量，電解電容均含有電感，而集成穩(wěn)壓器內(nèi)部帶有負(fù)反饋，在高頻下，通過C16、C18的耦合，可能會使穩(wěn)壓器的輸出端產(chǎn)生有害振蕩。C17、C19正是為抑制這種振蕩或消除電網(wǎng)串入的高頻干擾而設(shè)置的，通常C17、C19取值為0.1～0.33uF。D1為電源指示燈。由于直流電機(jī)在工作時(shí)會產(chǎn)生電磁干擾，和噪聲，本電路還添加了由C14、C15、L1組成濾波網(wǎng)絡(luò)，目的是濾除電機(jī)啟動時(shí)所產(chǎn)生的尖峰脈沖。5系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及工作流程5.1測距子程序流程圖圖5-1測距子程序流程圖主程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初始化之后，超聲波測距程序設(shè)置定時(shí)器T0為16位定時(shí)器，開中斷允許位EA，清零顯示端口P0和P2。之后調(diào)用超聲波發(fā)射子程序，發(fā)送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免信號的直接耦合干擾需要將信號發(fā)出后延時(shí)0.1ms在開外部中斷接收返回的超聲波信號（這也就是超聲波測距會有一個(gè)最小可測距離的原因）。由于系統(tǒng)采用的是12M晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是一微秒，當(dāng)主程序檢測到接收成功標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)按公式5-1計(jì)算d=(c*t)/2=172*T0/10000（5-1）在室溫下測試聲速為340m/s，超聲波每發(fā)射，接收一次所走距離為被測距離L的2倍如圖5-2所示，L便是被測物體和超聲波傳感器之間的距離，式中T0為計(jì)數(shù)器T0中的計(jì)數(shù)值。圖5-2超聲波測距原理示意圖測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式送往LED顯示，與此同時(shí)送入累加器A與安全距離進(jìn)行比較，若判定前方有障礙物則執(zhí)行避障操作，等待上述過程結(jié)束，然后再發(fā)射超聲波脈沖重復(fù)測量過程。本設(shè)計(jì)中智能小車的回轉(zhuǎn)半徑為40cm，設(shè)定的安全距離為20cm，由于程序設(shè)計(jì)小車每次都向左側(cè)避障，所以小車能夠完成避障操作的條件是測試環(huán)境障礙物的間距大于20cm，這樣小車才可以正常工作。5.2舵機(jī)帶動探頭旋轉(zhuǎn)測距避障流程圖圖5-3避障流程圖6系統(tǒng)的安裝與調(diào)試6.1安裝步驟6.1.1檢查元件的好壞按電路圖買好元件后首先檢查買回元件的好壞，按各元件的檢測方法分別進(jìn)行檢測，一定要仔細(xì)認(rèn)真。而且要認(rèn)真核對原理圖是否一致，在檢查好后才可上件、焊件，防止出現(xiàn)錯(cuò)誤焊件后不便改正。6.1.2放置、焊接各元件按原理圖的位置放置各元件，在放置過程中要先放置、焊接較低的元件，后焊較高的和要求較高的元件。特別是容易損壞的元件要后焊，在焊集成芯片時(shí)連續(xù)焊接時(shí)間不要超過10s，注意芯片的安裝方向。6.2電路的調(diào)試首先燒入電機(jī)控制程序，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，停止均正常。說明電機(jī)及驅(qū)動電路無誤。然后加入避障子程序，小車運(yùn)轉(zhuǎn)正常時(shí)，調(diào)節(jié)超聲波模塊靈敏度使達(dá)到理想效果。接下來加入顯示距離子程序，看顯示模塊正常與否。在調(diào)試程序時(shí)，發(fā)現(xiàn)有的指令用的不正確，比如說檢測距離的開關(guān)量，應(yīng)該用“JNC”指令，而最初卻誤用了“JC”指令,導(dǎo)致電路功能不能完全實(shí)現(xiàn)，另外軟件程序中的延時(shí)有的過長、有的過短。類似的現(xiàn)象還有很多就不一一列舉了。特別是電機(jī)PWM控制部分的調(diào)試很麻煩，以下是部分單元電路的調(diào)試過程。6.2.1超聲波發(fā)射接收電路的調(diào)試讓超聲波探頭朝向一面墻，使發(fā)出的超聲波能返回來而被接收器檢測到，從試驗(yàn)臺引出測試方波信號接入單片機(jī)P1.0口，用示波器觀察超聲波CX20106A的7腳的波形，若電路正常工作則接收波形如圖6-1所示。圖6-1超聲波模塊正常工作時(shí)的波形圖中1為示波器觀察CX20106A7腳的波形，2為單片機(jī)P1.0口輸出波形。確定硬件工作正常后，開始軟件調(diào)試。首先將程序燒寫到單片機(jī)中，上電觀察數(shù)碼管顯示距離是否正確，其次判斷超聲波模塊是否正常工作。在軟件方面影響超生波的主要因素是延時(shí)時(shí)間，故根據(jù)實(shí)踐測試情況需適當(dāng)修改延時(shí)長短，有時(shí)還須根據(jù)設(shè)計(jì)要求調(diào)整超聲波接收，發(fā)射探頭之間的距離一般取2-8cm為宜。6.2.2電機(jī)PWM控制的調(diào)試過程由于采用的電機(jī)供電電壓是5V，而電機(jī)額定工作電壓是6V，所以可使電機(jī)轉(zhuǎn)動的PWM值范圍可從5%-65%左右；PWM的頻率變化會帶來電流強(qiáng)度的變化，二者之間成反比關(guān)系，頻率越高電流越小，同時(shí)力矩也將變小，這與事先的預(yù)測基本相同：由于電機(jī)的感性阻抗作用，隨著PWM頻率的升高，其感抗的不斷增大，導(dǎo)致電流逐漸減小[20]。尤其設(shè)計(jì)中所采用的電機(jī)是遙控車電機(jī)，額定電流較小，線圈匝數(shù)必然較多，感抗較大。PWM的原理，其實(shí)就是面積等效原理，在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。所以可用等幅值的不同寬度的脈沖來等效一些想要的波形。結(jié)論本智能小車電路在硬件上采用了超聲波傳感器來測量小車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)用解決了電動機(jī)驅(qū)動效率和電機(jī)速度控制的問題；在軟件上，充分利用了89C52的系統(tǒng)資源，使智能小車完美的實(shí)現(xiàn)了障礙檢測、距離測量、警示等功能。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，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)收測試，該智能小車設(shè)計(jì)方案正確、可行，各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定。經(jīng)測定，小車在無障礙物情況下勻速行駛速度約為16.2m/min，距障礙物安全距離為20cm，前方有障礙物時(shí)左轉(zhuǎn)避障，左右有障礙物時(shí)向相反方向避障，若小車前方、左側(cè)、右側(cè)均有障礙物時(shí)，小車倒車20cm，停車后繼續(xù)探測周圍180度環(huán)境。雖然智能小車系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，但在設(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，那么便可以通過比較小車兩側(cè)空間的大小來自由選擇避障方向，從而實(shí)現(xiàn)更加智能化的避障方式。小車經(jīng)過測試，運(yùn)行結(jié)果良好。硬件上沒有錯(cuò)誤，主要瓶頸在于探測模塊的靈敏度，因?yàn)檐浖耆刻綔y模塊返回的信號作為依據(jù)進(jìn)行下一步控制的操作，無法確認(rèn)該信號是否準(zhǔn)確，使小車轉(zhuǎn)彎欠準(zhǔn)確與智能。致謝經(jīng)過一學(xué)期的學(xué)習(xí)和忙碌，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近制作的尾聲，作為一個(gè)缺乏實(shí)踐本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于缺少設(shè)計(jì)、動手制作的經(jīng)驗(yàn)，難免有許多疏漏，會有很多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師長期的督促指導(dǎo)幫助，以及身邊一起努力工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)是很難想象的。在這里最要感謝的是我的導(dǎo)師劉東輝教授。劉教授平日里課業(yè)量很大，工作繁重，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的整段時(shí)間內(nèi)，從查閱資料到學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)知識，到設(shè)計(jì)草案的修改和確定，期中檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)方案及思路，裝配草圖，調(diào)試程序，組裝小車等整個(gè)過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)和幫助。我的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜煩瑣，但是劉教授仍然細(xì)心地糾正設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤和不當(dāng)之處。除了敬佩劉教授的專業(yè)知識水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。通過我們師生的共同努力，本設(shè)計(jì)最終調(diào)試成功并順利完成題目所有指標(biāo)。在此我不光要謝謝我的畢業(yè)設(shè)計(jì)導(dǎo)師，還要謝謝在設(shè)計(jì)期間給予我?guī)椭膶?shí)驗(yàn)室的老師和同學(xué)們，感謝他們?yōu)槲覀兲峁?shí)驗(yàn)器材和調(diào)試場地。其次要感謝我的同學(xué)對我無私的幫助，特別是在軟件的使用方面，正因?yàn)槿绱宋也拍茼樌耐瓿稍O(shè)計(jì)，我要感謝我的母?！颖笨萍即髮W(xué)，是母校給我們提供了優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境；另外，我還要感謝那些曾給我授過課的每一位老師，是你們教會我專業(yè)知識。最后，對在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間給予我?guī)椭乃欣蠋熀屯瑢W(xué)表示最誠摯地感謝和最衷心祝福！參考文獻(xiàn)1輝雄.智能電動小車的設(shè)計(jì).電子報(bào),2005-05-15，第（11)期:32～342李建法.超聲波測距的電路設(shè)計(jì)與單片機(jī)編程.安陽師范學(xué)院學(xué)報(bào),2003:47～483徐瑋.51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)步電機(jī)控制.電子制作,2006第(11)期:154戴仙金等.51單片機(jī)及其C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì).北京:清華大學(xué)出版社，20055柳郭等.單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用技能與技巧.北京:中國電力出版社,20086宋永冬.高精度超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì).現(xiàn)代電子技術(shù).2008,第(15)期:137～1397J.Kowitz.超聲技術(shù)及應(yīng)用.科學(xué)技術(shù)出版社，1992：15～268譚進(jìn)懷.超聲波語音測距系統(tǒng)在車輛避障中的應(yīng)用.微計(jì)算機(jī)信息.2008,第24卷:122～1249劉鳳然.基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng).傳感器世界.2001,第(8)期:29～3210張建，李剛.超聲波測距系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì).電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào).2005,第(4)期:4～611何希才等.傳感器及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:65～8312丁鎮(zhèn)生.傳感器及傳感技術(shù)應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社,1998:59～7213牛余朋.基于單片機(jī)的高精度超聲波測距電路.電子世界.2005.第(5)期:27～2914JohnF.Wakerly,數(shù)字設(shè)計(jì)原理與實(shí)踐.林生等譯.北京機(jī)械工業(yè)出版社,200315張毅剛，彭喜元.新編MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì).第一版，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2003：25～27,411～41716趙負(fù)圖.傳感器集成電路手冊.第一版，化學(xué)工業(yè)出版社，2004:590～59117YasushiSaito,BrianNBershad,andHenryMLevy.Manageability,availabilityandperformanceinporcupine:ahighlyscalablecluster-basedmailservice.Operationsystemreview,2003,第(12)期:1～1518D.I.Crecraft,D.A.Gorham,J.J.sparkesElectionics.StanleyThornes(Publishers)Ltd,199319譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社,200520萬福君，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:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2005附錄A整機(jī)電路原理圖附錄B程序清單超聲波測距避障#include<reg52.h>#define ucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitK1=P1^0; //P1.0到P1.4為尋線檢測端sbitK2=P1^1;sbitK3=P1^2;sbitK4=P1^3;sbitK5=P1^4;sbitKIN1=P1^5; //P1.5P1.6是避障檢測端sbitKIN2=P1^6;sbitout1=P2^0; //P2.0到P2.3是電機(jī)驅(qū)動輸出控制端sbitout2=P2^1;sbitout3=P2^2;sbitout4=P2^3;sbitTrig=P3^6;//產(chǎn)生脈沖引腳sbitEcho=P3^2;//回波引腳sbitbeem=P3^7; //蜂鳴器控制引腳sbitPWM=P1^7;//舵機(jī)pwm//uintdistance[4];//測距接收緩沖區(qū)uintdistance1;ucharge,shi,bai,temp,flag,outcomeH,outcomeL,PDATA;//自定義寄存器bitsucceed_flag;//測量成功標(biāo)志unsignedlongxdatarec_code;unsignedlongxdatatime_us;unsignedcharxdatarec_cnt;unsignedcharxdatakbuf;ucharsdata,flag; //sdata是紅外遙控接收鍵值變量flag是啟動小車或停止小車變量uintj,a;ucharpro;bitrec_b;bitkey_save;bitkeyp;voidchaoshengbo();voidconversion(uinttemp_data);voiddelay_20us();voiddelay_ms(uintx);voiddelay(uintt)//延時(shí)程序1{ ucharj;while(t--) {for(j=5;j>0;j--);}}voidbeep() //蜂鳴器提示音{ beem=0; delay(1000); beem=1; delay(1000); beem=0; delay(1000); beem=1; delay(1000); }voidInit() //初始化{flag=0;Trig=0; TMOD=0x11; //T/C1采用16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 ET1=1; //定時(shí)器1開中斷ET0=1; TH0=0x00;TL0=0x00; TH1=0xff;TL1=0xce; TR1=0;TR0 =0; //定時(shí)計(jì)數(shù)器啟動計(jì)數(shù) EX0 =1; //外部中斷0關(guān)中斷 PT1=1; EA =1; //CPU開中斷}//--------------------------------------------------//-------超聲波測距----------------------------voidchaoshengbo(){ uintdistance_data;EA=0; Trig=1;delay_20us();Trig=0;while(Echo==0); succeed_flag=0; TH0=0;TL0=0; EX0=1;TR0=1; EA=1; delay_ms(7); if(succeed_flag==1) { distance_data=outcomeH;distance_data<<=8; distance_data=distance_data|outcomeL;distance_data=(distance_data/25)*43/100;} a=distance_data; distance1=a;}voiddelay_us(uintx) //演示程序{do{x--;}while(x>1);}voiddelay_ms(uintx){while(x!=0){delay_us(500);x--;}}baidong() //舵機(jī)轉(zhuǎn)動{TR1=1;pro=24; 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