单片机课设避障小车.doc

精品Harbin Institute of Technology单片机课程设计（论文）设计题目：超声波避障小车 院 系：电气工程及自动化学院 班 级： 设 计 者： 学 号： 指导教师： 胡瑞强 李成伟 设计时间： 2014 年9月 9 日 至 2014 年9月19 日 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名：徐秀华 院 （系）：电气工程及自动化学院 专 业：测控技术与仪器 班 号：1101103 任务起至日期： 2014 年9月 9 日至 2014 年 9 月19 日 课程设计题目： 超声波避障小车 已知技术参数和设计要求： 已知技术参数：1. 工作电压：5v2. 工作电流：30mA 典型，35mA 最大3. 工作频率：40KHz4. 最大探测距离：3m5. 最小探测距离：2cm6. 输入触发器：上升沿触发7. 回波脉冲：正TTL高电平脉冲宽度设计要求： 实现小车自动避障任务，采用超声波模块实现小车避障功能。 工作量： 总工作时间为10天； 完成硬件电路的设计工作；设计程序流程图并编写、调试程序；硬件连接调试，完成设定的功能；最后撰写开题报告和结题报告各一份。 工作计划安排：1)2014.9.92014.9.11：任务布置、查阅资料，了解小车避障原理，完成开题报告；2)2014.9.122014.9.15：根据要实现的功能及采用的方法设计程序流程并编写程序；3)2014.9.162014.9.17：程序装载、调试运行各种拟实现的功能，撰写课程设计结题报告；4)2014.9.182014.9.19：完成硬件调试、验收。 同组设计者及分工： 指导教师签字_ 年 月 日 教研室主任意见： 教研室主任签字_ 年 月 日*注：此任务书由课程设计指导教师填写感谢下载载开题报告1、 立项依据1.1课题目的1.1.1 利用以8位AT89S51单片机为核心的教育机器人设计一辆利用超声波传感器来实现避障功能的小车，使小车对其运动方向受到的阻碍作出各种躲避障碍的动作。1.1.2 在设计过程中进一步掌握单片机在控制领域的具体应用，加深对单片机功能和内部资源的认识，学习单片机系统的设计过程。1.1.3 在程序设计过程中，可以掌握延时，初始化，中断，定时，计数等基本程序的编写，熟练对keil uVision集成化开发平台的应用。同时在设计过程可以进一步理解软件与硬件的关系，以及单片机的工作过程。1.1.4 掌握单片机系统外扩器件的连接与使用，了解超声波传感器的工作原理。并且掌握软件和硬件调试的基本技巧与方法。1.2课题意义现今发达的交通在给人们带来便捷的同时也带来了许多的交通事故。发生交通事故的因素有很多。当然，如果我们的汽车能够更加智能，就是说事先能预测并显示前面障碍物离车的距离，当障碍物距离很近时汽车会自动采取一些措施避开障碍物，这样就能够在很大程度上避免这些事故的发生。智能化作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。同遥控小车不同，遥控小车需要人为控制转向、启停和进退，比较先进的遥控车还能控制其速度，而智能小车，则可以通过计算机编程来实现其对行驶方向、启停以及速度的控制，无需人工干预，是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。超声波作为智能车避障的一种重要手段，以其避障实现方便，计算简单， 易于做到实时控制，测量精度也能达到实用的要求，在未来汽车智能化进程中 必将得到广泛应用。这样的小车还可以用于月球探测等的无人探月车，帮助我们传达月球上更 多的信息，让我们更加的了解月球，为将来登月做好充分准备。这样的小车在科学考察探测车上也有广阔的应用前景，在科学考察中，有很多危险且人们无法涉足的地方，这时，智能科学考察车就能够派上用场，在它上面装上摄像机，代替人们进行许多无法进行的工作。1.3课题设计要求设计一辆利用超声波传感器来实现避障功能的小车，使小车对其运动方向受到的阻碍作出各种躲避障碍的动作。1.3.1 控制脚输入触发信号，10us的高电平信号。1.3.2 模块自动发送8个40KHz的脉冲，自动检测是否有信号返回。1.3.3 如有信号返回，接收脚输出高电平信号，高电平持续时间为超声波发射到返回的时间，根据公式计算出测试距离。1.3.4 若距离小于10cm，则报警并采取相应的避障措施。2、 课题设计的主要内容和具体实施方案目前的避障小车主要有红外避障和超声波避障两种，但是探测障碍的最简单的方法是使用超声波传感器，它是利用向目标发射超声波脉冲，计算其往返时间来判定距离的。算法简单，价格合理。所以我们选超声波传感器避障，也即非接触避障。2.1 主要内容本设计题目为智能避障小车设计，主要研究小车的避障功能，小车遇到障碍物时，采取相应的避障措施。为了进行有效的避障，这里探测装置必不可少，因为超声波在距离检测方面的较准确定位。所以采用超声波传感器作为探测装置。在避开障碍物后，小车会沿直线前进。2.2 具体实施方案 本小车使用AT89S52单片机作为主控芯片，它通过超声波测距来获取小车距离障碍物的距离，当小车与障碍物的距离大于10cm时，小车会沿直线前进，当小车与障碍物的距离小于10cm时，小车转弯以避开障碍物，并且此时蜂鸣器报警。在避开障碍物后，小车会沿直线前进。简要框图如图1。 图 1 简要框图根据系统方案设计，系统包括以下模块：路径检测模块、电源模块、电机驱动模块、超声波避障模块等。各模块的作用如下：2.2.1电源模块，为整个系统提供合适而又稳定的电源。我们选用一个有三位开关的教学底板电源，当开关拨到“0”位，断开教学底板电源；当开关拨至“1”位，打开教学板电源；当开关拨至“2”位，电源给教学板供电，同时还给伺服电机供电。2.2.2 电机驱动模块，驱动直流电机和伺服电机完成智能车的加减速控制和转向控制。机器人的动作有伺服电机控制。伺服电机与单片机接口的连接如下图所示，P1_0引脚的控制输出用来控制右的伺服电机，而P1_1则用来控制左边的伺服电机。图2 伺服电机电机驱动模块是由两个伺服电机组成，伺服电机控制原理如下图所示： 控制电机运动转速的是高电平持续的时间，当高电平持续时间为1.3ms时，电机顺时针全速旋转，当高电平持续时间1.7ms时，电机逆时针速旋转。标定以后，电机静止的脉冲序列顺时针转动逆时针转动图3 伺服电机控制原理小车的两个轮子分别用两个步进电机来驱动，当两个步进电机的转速一样的时候，车子将沿直线前进，而两个步进电机的转速不一样的时候，车子就会拐弯，例如，左边的步进电机转速比右边的快的话，车子将向右边拐弯，只要控制好两个步进电机的转速比和不同转速的时间，就可以精确的控制小车的避障行为。2.2.4超声波避障模块, 是最主要的模块。是智能车的“眼睛”，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的路况信息，为智能车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间。超声模块通过发射器向四面八方发射出去，发射出的超声波在空气中沿直线传播，遇到障碍物后发生反射反应。超声波接收器收到被障碍物反射回的超声波以后，经由内部计算得到障碍物的距离信号。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生震动产生的，在碰到杂质获分界面会产生显著反射从而形成反射回波，超声波传感器就是根据超声波在障碍物界面上的反射来判断检测物体的存在以及距离的。超声波频率高，波长短，绕射现象小，方向性好，再加上信息处理简单且价格低廉，所以这里我们使用HY-SRF05超声波传感器对小车行进前方路况进行探测以及判断。 图4 超声波传感器 图5 SIG时序图测距时首先利用单片机输出一个40kHz的触发信号，把触发信号通过Trig管脚输入到超声波测距模块，再由超声波测距模块的发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时单片机通过软件开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物返回，超声波测距模块的接收器Echo收到反射波后通过产生一个回应信号并反馈给单片机，此时单片机就立即停止计时。时序图如图2所示。由于超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离，即：S=VT/2，通过单片机来算出距离。2.2.5 报警模块（扩展）蜂鸣器的连接很简单，只需用一个PNP管来做驱动，当低电平到来时蜂鸣器发出声音，当高电平到来时没有声音。小车的避障流程如下：（1）在车前方没有障碍物时，小车沿直线向前走。（2）在车前方有障碍物时，小车能避开障碍物，避障方法如下：先向左边转90度，如果前面没有障碍物，再沿直线向前走；如果前面仍有障碍物，则向右转180度，如果前面没有障碍物，则沿直线向前行走；如果前面仍有障碍物，则向右90度，然后直线行进。设计方案的流程图如下：是否是否初始化驱动电机模块自动发射8个40KHz的超声波收到回波信号计算障碍物距离障碍物距离小于10cm驱动电机转向图6 程序流程图3、 设计要解决的关键问题首先要根据现有资料学会计算高电平持续时间，使其能持续10us。还应该学会使用超声波测距器件，读懂超声波器件的工作时序，根据时序以及超声波测距器件的工作信号特点，顺利的完成小车对于前方障碍物距离的测量。另一个比较关键的问题就是确定小车的避障方案，根据上方的主程序流程图，我们需要对于选定方案能否正确躲避障碍并报警进行验证。四、参考文献：1 胡瑞强 李成伟 周庆东 于彤彦 单片机原理及应用 2 邵贝贝. 嵌入式实时操作系统LCOS-(第2版)M. 北京清华大学出版社20043 基于AT89S52单片机的超声波测距避障小车_张雷4 阎石.数字电子技术基础（第四版）.北京：高等教育出版社，19985 童诗白，华成英模拟电子技术基础M北京. 高等教育出版社2000 6 姚佳.智能小车的避障及路径规划D.东南大学硕士论文，20057 王晓明. 电动机的单片机控制M北京. 北京航空航天大学出版社2002 8 袁新娜，红英.超声波传感器在智能小车避障系统中的应用.A中北大学 (2009)08-0085-04结题报告一、课题完成情况本超声波避障小车的设计基于单片机原理和超声波原理，以51单片机为主控芯片，采用直流电机为驱动元件，通过软件编程制作了一整套结构完整，功能模块化，反应较为灵敏的超声波避障小车，它可以自动躲避障碍物，从无障碍区通过，能顺利通过对该避障小车的避障测试实验。流程图如下：是否是否初始化驱动电机模块自动发射40KHz的超声波收到回波信号计算障碍物距离障碍物距离小于10cm驱动电机转向图1 程序流程图将编写好的C语言程序转换成.hex文件，将.hex文件“烧入”单片机中，接通电源，小车向前沿直线行走，遇到障碍时，小车立即向左旋转90度；如果没有障碍，小车又沿直线向前走；如果还有障碍，小车会再右旋转180度，再接着向右旋转90度，若仍有障碍小车则继续向右旋转90度，然后一直循环。实验结果证明该避障小车能够很好的按照预期完成避障动作，并且能够快速运动灵敏避障，效果良好，运行稳定性较好。2、 所遇问题及解决方案2.1 在一开始测试的时候编好程序刚烧到单片机里时，小车总是原地打转。经过询问同学及自己思考分析，发现小车的调零没到位，重新调零并修改了一下低电平持续时间后，小车开始正常行进及转弯。为保证转弯正常转90或180度需要对循环次数不断测试并调整，只要有耐心和信心就可以很好地解决问题。2.2 总程序写好后在进行小车调试时，我们遇到的一个最大困难就是当我们前期的程序烧入芯片后，我们的小车运行不平稳，前进运行的不连贯。小车前进一会，就会有一段比较明显的时段停止。当我遇到这个问题时，我一步一步的进行了分析。我们通过分析可以知道，Forward（）函数提供了一个完美的驱动电机的PWM信号，但是一旦在程序中，存在着一些其他例如测距程序，判断语句等程序时，会对其PWM信号产生一些干扰，应尽可能的减少这些程序对于小车运行程序的干扰。重新调整循环结果后发现，小车能够平稳的运行了，基本不会出现小车不能继续前进的情况，达到了我们预期的效果。三、课题总结及心得体会通过这次课程设计，我对单片机的原理和应用有了更深的理解。在这次课程设计中，加深了我对单片机知识的印象。最重要的是，我知道如何在实际设计中使用单片机，这次课设还给我们提供了一个非常好的机会来提高我们实际的应用能力。从选题开始老师就给予我们很大的自主性，让我们大家自主选题，这种开放式教学方式也从另一个方面激发起了我们去学习的欲望。通过系统的调试，我们可以学到更多的知识，我们也可以发现仿真和实物调试不同的地方。程序设计的结果可能往往和实物调试出的结果