基于單片機(jī)的智能避障小車

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于單片機(jī)的智能避障小車學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：學(xué)部（系）：專業(yè)年級(jí)：指導(dǎo)教師：職稱或?qū)W位：年月日摘要：以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)了智能避障小車。智能避障小車?yán)贸暡K測(cè)距實(shí)現(xiàn)超聲波避障和物體跟隨，用兩對(duì)紅外發(fā)射接收管實(shí)現(xiàn)紅外避障和物體跟隨，利用紅外光電傳感覺器實(shí)現(xiàn)循跡功能，LED數(shù)碼管顯示距離、溫度等信息。設(shè)計(jì)的智能避障小車穩(wěn)定可靠，是智能小車設(shè)計(jì)入門的學(xué)習(xí)佳品，同時(shí)也可為智能機(jī)器人設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞：智能小車；STC12單片機(jī)；超聲波測(cè)距；紅外避障隨著科技的進(jìn)步，智能小車應(yīng)用越來越廣。智能小車可以替代人在如易燃易爆、有毒有害氣體、陰暗潮濕等惡劣環(huán)境中工作，完成搬運(yùn)和檢測(cè)等工作1]。此外，智能小車在流分揀傳送、餐廳送餐和無人工廠也有廣泛的應(yīng)用。設(shè)計(jì)智能避障小車包括微處理器技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)等，綜合性很強(qiáng)。筆者以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)了穩(wěn)定可靠的智能避障小車。1智能小車的系統(tǒng)構(gòu)成智能小車系統(tǒng)框圖如圖1所示。智能避障小車的控制以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，通過程序完成相應(yīng)控制功能；小車采用兩個(gè)小型直流電機(jī)，配以來自德州儀器Unitrode的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293；智能小車前配有HC-SRO4超聲波測(cè)距模塊，該模塊為小車提供2cm~400cm的無接觸式距離檢測(cè)功能；5mm紅外發(fā)射管和5mm紅外接收管共兩對(duì)，可幫助小車實(shí)現(xiàn)紅外避障，紅外跟隨等功能；2個(gè)RPR220光電傳感器，幫助小車實(shí)現(xiàn)循跡功能；CHQ1838紅外接收管1個(gè)，接受來自紅外遙控器的信號(hào)，幫助小車實(shí)現(xiàn)紅外遙控功能；小車還配有溫度傳感器DS18B20，光敏電阻，以幫助小車實(shí)現(xiàn)更多的功能；配2個(gè)四位共陽(yáng)數(shù)碼管，顯示超聲波測(cè)距模塊測(cè)得的距離或溫度；采用2節(jié)3.7V鋰電池輔以7805電源芯片供電。2STC12C5A60S2單片機(jī)單片機(jī)又稱為微處理器。單片機(jī)具控制功能強(qiáng)大、體積小、功耗低、應(yīng)用方便可靠、易擴(kuò)展和超高的性價(jià)比等許多優(yōu)點(diǎn)，自從Intel公司推出單片機(jī)以來，應(yīng)用越來越廣。在消費(fèi)電子產(chǎn)品、工業(yè)控制、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊和汽車設(shè)備等等很多領(lǐng)域中單片機(jī)都有廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)種類很多，STC12C5A60S2單片機(jī)是晶宏公司單機(jī)器周期的增強(qiáng)型51單片機(jī)。STC12C5A60S2單片機(jī)指令上兼容傳統(tǒng)的51單片機(jī)，但功能比其強(qiáng)大很多，在51單片機(jī)中性價(jià)比很高，抗干擾性、抗靜電能力很強(qiáng)。該單片機(jī)主要特點(diǎn)有：內(nèi)部成了1280字節(jié)RAM，無論物理上還是邏輯上，內(nèi)部都比傳統(tǒng)單片機(jī)擴(kuò)展了至少1024字節(jié)RAM；內(nèi)部集成有多達(dá)60k的flashROM。該單片機(jī)工作頻范圍為0~35MHz,由于單周期工作[2]，相當(dāng)于普通單片機(jī)工作頻范圍為0～420MHz；內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路；共有4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，7路外部I/O中斷口；4個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，3個(gè)時(shí)鐘輸出口；8路10位精度的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度達(dá)250k/s；2路PWM輸出或是路可編程計(jì)數(shù)陣列，也可當(dāng)作2路D/A轉(zhuǎn)換器來用；2個(gè)采用UART工作方式的全雙工通信接口。STC12C5A60S2單片機(jī)共40個(gè)引腳，引腳分布上兼容傳統(tǒng)的51單片機(jī)，替換很方便。3功能模塊介紹分析3.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)的智能避障小車以兩個(gè)小型直流電機(jī)作為動(dòng)力源，安裝在小車的兩側(cè)，分別驅(qū)動(dòng)左右兩邊的輪子，再加上尾部一個(gè)萬向輪構(gòu)成動(dòng)力部分。電機(jī)驅(qū)動(dòng)選用專用芯片L293。芯片L293有4個(gè)獨(dú)立輸入的邏輯電源，既可單獨(dú)使用也可組合使用。每個(gè)邏輯電源輸出峰值電流為2A，可持續(xù)輸出電流為1A。工作電壓范圍為4.5V～36.0V。在其工作電壓范圍可提供雙向1A的驅(qū)動(dòng)電流。每對(duì)邏輯電源共用一個(gè)使能端，使能端為高電平時(shí)，邏輯電源才能正常工作。本設(shè)計(jì)中STC12C5A60S2單片機(jī)直接控制L293芯片，并提供邏輯電源的輸人信號(hào)。共用使能端的每對(duì)邏輯電源驅(qū)動(dòng)一直流電機(jī)，這樣每個(gè)電機(jī)都可以得到單獨(dú)控制，都可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。兩電機(jī)同樣轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)小車可直行前進(jìn)可后退，兩電機(jī)轉(zhuǎn)速不一樣時(shí)小車轉(zhuǎn)彎。3.2超聲波模塊超聲波是指頻率超過20kHz的聲波。超聲波反射能力強(qiáng)，方向性好，且易于獲得較集中的聲能，目前在測(cè)距、測(cè)速、碎石、清洗、消毒殺菌和焊接等方面都有廣泛應(yīng)用[3]。設(shè)計(jì)的智能小車?yán)镁褪怯贸暡▉頊y(cè)距。超聲波測(cè)距采用HC一SRO4模塊，其包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。模塊安裝在小車的正前方。單片機(jī)每隔很短的時(shí)間段啟動(dòng)發(fā)射器發(fā)射超聲波，啟動(dòng)發(fā)射超聲波的同時(shí)單片機(jī)開始計(jì)時(shí)。超聲波遇到前面物體被反射回來，接收器接收到超聲波就引起中斷讓單片機(jī)停止計(jì)時(shí)。超聲波的速度是固定的，單片機(jī)測(cè)得超聲波一個(gè)來回所用的時(shí)間，則超聲波的速度乘以單片機(jī)計(jì)時(shí)時(shí)間的一半就得到測(cè)量的距離。利用超聲波模塊，配以不同控制程序的不同，智能小車可實(shí)現(xiàn)超聲波避障和超聲波物體跟隨功能。3.3紅外避障與紅外循跡紅外線是種波長(zhǎng)比紅光還長(zhǎng)的非可見光。紅外線波長(zhǎng)在750nm至1mm之間，其波長(zhǎng)介于微波和可見光之間。紅外線穿過云霧的能力要比可見光強(qiáng)。紅外線在探測(cè)、通訊、醫(yī)療和軍事等方面有廣泛的用途。本設(shè)計(jì)中紅外線用來探測(cè)。紅外線能被障礙特反射回來，而且障礙物越近反射回來的紅外光就越強(qiáng)，障礙物越遠(yuǎn)反射回來的紅外光就越弱。紅外發(fā)射管不停地發(fā)射紅外光，障礙物離小車越近，紅外接收管得到的反射回來的紅外光就越強(qiáng)，紅外接收管上電壓就越小。紅外接收管上電壓接比較器（如LM339）的正向輸入端，比較器的反向輸入端由可調(diào)電位器調(diào)節(jié)其上電壓。障礙物近時(shí)，比較器輸出低電平，輸出的低電平一方面讓對(duì)應(yīng)的LED指示燈亮，另一方面輸入到單片機(jī)。比較器的反向輸人端的可調(diào)電位器可調(diào)節(jié)避障的靈敏度。紅外避障部分有兩對(duì)紅外接收管和紅外反射管構(gòu)成，分別安裝在智能避障小車的左前方和右前方。利用紅外避障部分，通過程序可實(shí)現(xiàn)小車避障功能，也可實(shí)現(xiàn)車跟隨物體運(yùn)動(dòng)功能。紅外循跡主要利用物體的不同顏色對(duì)紅外光的反射不同。黑色對(duì)紅外光反射最弱，白色對(duì)紅外光反射最強(qiáng)。紅外循跡部分采用兩個(gè)光電傳感器RPR220。光電傳感器RPR220包括一個(gè)紅外發(fā)射二極管和一個(gè)紅外接收三極管。紅外發(fā)射二極管同樣不斷發(fā)射紅外光，當(dāng)遇到黑線時(shí)反射很弱，紅外接收三極管不導(dǎo)通，產(chǎn)生一高電平加到比較器的同向輸入端。比較器的反向輸入端同樣經(jīng)一電位器獲得電壓，電位器可調(diào)節(jié)循跡的靈敏度。光電傳感器遇到黑線時(shí)比較器輸出高電平，輸出的高電平一方面控制對(duì)應(yīng)的指示二極管，另一方面送給單片機(jī)。兩光電傳感器RPR220安裝于小車底部分，距離略小于路面上黑色軌跡。單片機(jī)根據(jù)由光電傳感器部分得到的信號(hào)，控制小車沿著黑色軌跡行進(jìn)。3.4其他部分智能小車顯示用了2個(gè)四位共陽(yáng)數(shù)碼管。數(shù)碼管用來顯示超聲波測(cè)得的距離、警告信息和溫度等等。動(dòng)態(tài)顯示時(shí)數(shù)碼管亮度上略差于靜態(tài)顯示，但靜態(tài)顯示需占用的單片機(jī)I/O引腳過多，所以此處采用動(dòng)態(tài)顯示方式。動(dòng)態(tài)顯示要用到3個(gè)具有三態(tài)輸出的8位數(shù)據(jù)鎖存器74AC573，而單片機(jī)只需1個(gè)I/O端口的8個(gè)引腳傳送數(shù)據(jù)，另加3個(gè)引進(jìn)行使能控制就可以了。1個(gè)74AC573輸出位碼，另2個(gè)74AC573分別輸出2個(gè)四位共陽(yáng)數(shù)碼管的段碼。工作時(shí)單片機(jī)選送出位碼通過74AC573選中要點(diǎn)亮的數(shù)碼管，接下來通過另一個(gè)74AC573送出段碼點(diǎn)亮選中的數(shù)碼管并讓其顯示相應(yīng)的符號(hào)碼；過一極小的時(shí)間段（比如2mS)后同樣的方法點(diǎn)亮下一個(gè)數(shù)碼管。每個(gè)周期依次點(diǎn)亮8個(gè)數(shù)碼管。雖然每個(gè)數(shù)碼管通電時(shí)間只占一個(gè)周期的1/8，但是周期短，速度很快，人眼視覺的滯后效應(yīng)，看上去8個(gè)數(shù)碼管是一起亮。智能小車由兩節(jié)3.7V可充電的鋰電池供電，通過7805芯片為智能小車提供穩(wěn)定的5.0V電源。智能小車附帶有溫度傳感覺器DS12B20，光敏電阻等。DS18B20是種常用的數(shù)字溫度傳感器，測(cè)溫范圍一55℃~+125℃，具有體積小、精度高，使用方便等眾多優(yōu)點(diǎn)，直接與單片機(jī)之間以單總線方式進(jìn)行通訊。光敏電阻感知環(huán)境光線強(qiáng)弱，光線太弱時(shí)由單片機(jī)控制點(diǎn)亮小車上的LED照明燈。此外，智能小車還配有用來報(bào)警的蜂鳴器和用來指示的LED燈。4結(jié)束語(yǔ)設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的智能避障小車，具有超聲波避障、超聲波跟紅外避障、紅外跟隨物體和紅外循跡功能，功能多樣，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，是單片機(jī)學(xué)習(xí)和智能小車設(shè)計(jì)練習(xí)很好的選擇，同時(shí)也可為智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供參考。參考文獻(xiàn)[1]劉志嫻，江敏，阮玲玉.基于51單片機(jī)智能小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)