智能超声波蔽障小车剖析

1、中国矿业大学计算机学院2012级本科生课程报告课程名称：彳报告时间：2015-10-20学生姓名：学 号：专 业：任课教师：目录摘 要. 3Abstract . 3第一章 绪论 . 51.1 项目研究背景及意义： . 51.2 项目主要研究内容： . 51.3 设计思路： . 61.4 应用场合和功能： . 6第二章 总体方案 . 62.1 总体方案概述： . 6第三章 各模块功能介绍 . 83.1 障碍物测距系统： . 83.2 显示模块： . 83.3 驱动模块： . 113.4 电源模块： . 124.1 程序设计流程图 134.2 程序设计： 14第五章 系统调试 . 185.1 调试

2、的思路： 185.2 各模块的调试： 185.3 调试心得： 19结果分析 . 19总结 . 20第六章 结论与展望 . 216.1 结论： 216.2 展望： 21致 谢. 21参考资料22摘要智能小车是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人，它具有制作成本 低廉，电路结构简单，程序调试方便等优点。由于具有很强的趣味性，智能小车深受广 大机器人爱好者以及高校学生的喜爱。本论文介绍的是具有自动避障功能的智能小车的设计与制作（以下简称智能小车） 论文对智能小车的方案选择，设计思路，以及软硬件的功能和工作原理进行了详细的分 析和论述。经实践验收测试，该智能小车的电路结构简单，调试方便，系统

3、反映快速、 灵活，设计方案正确、可行，各项指标稳定、可靠。AbstractSmart cars can be programmed to perform a specific task means the miniaturizationof robot, it has to makecost is low, circuitsimple structure,convenient program test. Because of it has strong interest, intelligent robot car favored by the majority of the universi

4、ty students enthusiasts and love.This paper introduces the is a automatic obstacle avoidanee function of in tellige ntcar desig n and product ion (here in afterreferred to as the smart car),the thesis to the in tellige nce of the car scheme select ion, desig n idea, and the impleme ntati on of hardw

5、are and software fun ctio n and worki ng prin ciple of a detailedanalysisand discusses. After practiceacceptance test, thisintelligent car circuit structure is simple, convenient debug, fast, flexible system reflect, correct and feasible desig n scheme, each in dex is steady and reliable.关键词：超声波传感器

6、避障小车 ATmega16第一章 绪论1.1 项目研究背景及意义：智能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。本设计主要体现多 功能小车的智能模式，设计中的理论 方案、分析方法及特色与创新点等可以为自动运输机器人、采 矿勘探机器人、 家用自动清洁机器人等自动半自动机器人的设计与普及有一定的参考意义。同 时 小车可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的 弥补，实现经济收益， 形成商业价值。 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

7、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。我国作 为一个世界大国，在高科技领域也必须占据一席之 地，未来汽车的智能化是汽车产业发展必然的， 在这种情况下研究超声波在智 能车避障上的应用具有深远意义， 这将对我国未来智能汽车的研究在 世界高科 技领域占据领先地位具有重要作用。 本智能小车系统最诱人的前景就是可用于未来的智 能汽车上了， 当驾驶员 因疏忽或打瞌睡时这样的智能汽车的设计就能体现出它的作用。 如果汽车偏 离 车道或距障碍物小于安全距离时，汽车就会发出警报，提醒驾驶员注意，如果 驾驶员没有及时 作出反应，汽车就会自动减速或停靠于路边。 这样的小车

8、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。1.2 项目主要研究内容：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， 当距离障碍物大于40cm, PWM言号自增，驱动电机加速，小车加速前进，当小于 30cm 时，PWM信号自减，驱动电机减速，小车减速前进，并且小车采取相应的避障措施。这 里探测装置必不可少，因为

9、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，由于超声波遇到障碍物时发生像光一样的反射和散射，在经过多次发 射之后再回到超声波检测端口会产生较严重的路程差， 从而影响对距离的检测进而影响 对障碍物的较准确定位。 通过软件内部校准优化消除外部物理条件造成的误差从而达到 对障碍物的较准确定位。1.3 设计思路：直流电机PWM控制系统的主要功能包括：实现对直流电机的加速、减速，并且可以调整 电机的转速，能够很方便的实现电机的智能控制。主体电路：即直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由 AT89S52 单片机 的 I/O 端口、定时计数器、外部中断扩展等 控制直流电机的加速、

10、减速以及转弯，并且可以调整电机的转速，能够很方便的实现电 机的智能控制。 其间是通过 AT89S52 单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到 L298 驱动芯片来 控制直流电机工作的。该直流电机 PWM控制系统由以下电路模块组成：设 计控制部分： 主要由AT89S52单片机的外部中断扩展电路组成。直流电机 PW控制实 现部分主要由电机和 L298 直流电机驱动模块组成。 设计显示部分： LCD 数码显示部分， 实现对超声波测的距离的实时显示。1.4 应用场合和功能：应用场合：智能小车是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人，它具有制 作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便等优点。由于具有

11、很强的趣味性，智能小车 深受广大机器人爱好者以及高校学生的喜爱。同时在玩具的应用上深受小朋友的青睐。功能：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，并且用LED显示出来，当小车与障碍物的距离大于 40cm时，小车会沿直 线前进，当小车与障碍物的距离小于 30cm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。第二章 总体方案2.1 总体方案概述：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，并且用LCD显示出来，当小车与障碍物的距离大于 40cm时，小车会沿 直线前进，

12、当小车与障碍物的距离小于 30cm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 2-1 。2.2总体电路原理图:第三章各模块功能介绍3.1障碍物测距系统：方案一：超声波视觉优点：价格合理，夜间不受影响。易于多目标测量和分类，分辨率好。缺点：测量 范围小，对天气变化敏感。不能直接测量距离，算法复杂，处理速度慢。方案二：激光雷达皿皿雷达优点：夜间不受影响，不受灯光、天气影响。缺点：对水、灰尘、灯光敏感、价格贵。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。所以我们选择超声波传

13、感器。超声波测距原理：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 的接收器收到反射波后通过产生一个回应信号并通过ECHO却反馈给单片机，此时单片机就立即停止计时。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。3.2显示模块:方案一：用LCD显示。优点：辐射小、显示内容多、低耗能、散热小、显示的画面稳定

14、不闪烁。缺点：不 适合做图，图像还原不好、有可视范围限制方案二：用LED显示。优点：亮度高、成本低，缺点：不能显示汉字，显示内容较少 对于本课题的要求，我们选择 LCD实现功能，显示内容多，低功耗，显示画面稳定不闪 烁，硬件电路设计简单。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。3.2.2引脚功能说明：1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表3-2-1 所示：编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据

15、4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极表3-2-1 :引脚接口说明表第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDC接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高， 对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS为低电平R/W为

16、高电平时可以读忙 信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D旷D7为8位双向数据线 第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。323 1602LCD的指令说明及时序：1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表3-2-2所示:序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地

17、址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRA或 DDRAM10要写的数据内容11从CGRA或 DDRA读数11读出的数据内容表3-2-2 :控制命令表1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）指令1:清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2:光标复位，光标返回到地址 OOHo指令3:光标和显示模式设置I/D :光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上 所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4:显示开关控制。D :控

18、制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示 关显示C :控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B :控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5:光标或显示移位S/C :高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6:功能设置命令DL :高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N :低电平时为 单行显示，高电平时双行显示 F:低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示 5x10 的点阵字符。指令7:字符发生器RAM地址设置。指令8: DDRA地址设置。指令9:读忙信号和光标地址BF :为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令 或者数据，如果为低电平表示不忙。指令

19、10:写数据。指令11:读数据。与HD4478C相兼容的芯片时序表如下:读状态输入RS=L R/W=H E=H输出D0- D7= 犬态字写指令输入RS=L R/W=L D0- D7=f 令码，E=S 脉冲输出无读数据输入RS=H R/W=H E=H输出D0- D7=t 据写数据输入RS=H R/W=L D0- D7=数据，E=高脉 冲输出无3.3驱动模块:方案一：采用ULN2003驱动，它是由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及 钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力，一般用于高速大功率驱动电路 所以我们不采用这个方案。方案二：采用由双极性管组成的 H桥电路（L298N）。用单片机

20、控制晶体管使之工作 在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模 式下，则效率非常高；H桥电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制，电子开关的 速度很快，稳定性也很高。而且它有更强的驱动能力。L298N有过电流保护功能，当出现电机卡死时，可以保护电路和电机等。L298N有过电流保护功能，当出现电机卡死时，可以保护电路和电机 等。所以我们选择L298N驱动电机的运行，I/O端口状态与电机制动对照表，如下。IN1IN2IN3IN4EN1EN2转速101011正转010111反转111111停止000011停止XXXX00停止3.4电源模块：我们选择采用5v的独立的稳

21、压电源。优点：稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；缺点:各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电平。综合电源模块的缺优点，和电路的实际需求，我们采用了两块独立稳压电源，一块 给小车的电机驱动供电，一块给小车的芯片供电，这样弥补了单个独立电源供电出现电 力不足的情况。4.1程序设计流程图本设计系统软件采用模块化结构，由主程序、定时子程序、电机驱动子程序、中断 子程序、显示子程序、算法子程序构成。主程序流程图如图：收到回波信号计算障碍物距离Pwm软件自增驱动电机加速小于40cmY大于30cm驱动电机转向Y4.2 程序设计：#include #include #include LCD16

22、02display.h#include STC12C5A60S2_PWM.h#define TX P2_1#define RX P2_0sbit DU = P2A6;sbit WE = P2A7;#define Forward_L_DATAsbit P4_0=0xc0;sbit L293D_IN1=P1A2;sbit L293D_IN2=P1A3;sbit L293D_IN3=P1A6;sbit L293D_IN4=P1A7;sbit L293D_EN1=P1A4;sbit L293D_EN2=P1A5;sbit BUZZ=P2A3;void cmg88()/ 关数码管，点阵函数DU=1;P0

23、=0X00;DU=0;void Delay400Ms(void);/ 延时 400毫秒函数unsigned char code Range =Range Finder=; unsigned char code ASCII13 = 0123456789.-M;unsigned char code table=Distance:000.0cm; unsigned char code table1=! Out of range;unsigned char disbuff4=0,0,0,0;void Count(void);/ 距离计算函数unsigned int time=0;/ 用于存放定时器时间

24、值 unsigned long S=0;/ 用于存放距离的值 bit flag =0; /量程溢出标志位bit turn_right_flag;void Forward(unsigned char Speed_Right,unsigned char Speed_Left) L293D_IN1=0;L293D_IN2=1;L293D_IN3=1;L293D_IN4=0;/ PWM_Set(255-Speed_Right,255-Speed_Left); void Stop(void) / 刹车L293D_IN1=0;L293D_IN2=0;L293D_IN3=0;L293D_IN4=0;/ PW

25、M_Set(0,0); / 后void Turn_Right(unsigned char Speed_Right,unsigned char Speed_Left) L293D_IN1=1;L293D_IN2=0;L293D_IN3=0;L293D_IN4=0;/ PWM_Set(255-Speed_Right,255-Speed_Left); /void Conut(void) time=TH1*256+TL1;TH1=0;TL1=0;1s=1000ms=1000000usS=time*2;S=S*0.17;if(S=5000)|flag=1) / 超出测量范围flag=0;DisplayL

26、istChar(0, 1, table1);else disbuff0=S%10;disbuff1=S/10%10; disbuff2=S/100%10;disbuff3=S/1000;DisplayListChar(0, 1, table);DisplayOneChar(9, 1, ASCIIdisbuff3);DisplayOneChar(10, 1, ASCIIdisbuff2);DisplayOneChar(11, 1, ASCIIdisbuff1);DisplayOneChar(12, 1, ASCII10);DisplayOneChar(13, 1, ASCIIdisbuff0);

27、void zd0() interrupt 3/中断溢出标志flag=1;RX=0;void Timer_Count(void)TR1=1; while(RX); TR1=0;/ 开启计数/当RX为1计数并等待/关闭计数/ 计算Conut();void StartModule()/启动模块/启动一次模块TX=1;Delay10us(2);TX=0;void main(void)unsigned char i;unsigned int a;cmg88();/ 关数码管Delay1ms(400); / 启动等待，等LCM#入工作状态LCMInit(); /LCM 初始化Delay1ms(5);/ 延

28、时片刻DisplayListChar(0, 0, Range);DisplayListChar(0, 1, table);TMOD=TMOD|0x10; 设 T0 为方式 1, GATE=1EA=1;/ 开启总中断TH1=0;TL1=0;ET1=1;/允许T0中断/= /PWM_ini();/=turn_right_flag=0;/=B: for(i=0;i0;a-)if(RX=1)Timer_Count(); 第五章 系统调试5.1 调试的思路：本设计的智能避障小车,一共分为四大模块。分别是： L298 驱动模块,超声波测距模块, LCD 显示模块以及蜂鸣器报警模块。调试的时候我们可以把四大

29、模块分别调试,最后再把所有模块组合 起来再进行最后的整机调试这样一个调试的思路。5.2 各模块的调试：5.2.1 LCD 的调试：首先根据电路图将显示模块焊好,再用万用表检查电路是否出现短 路。一切都正常的情况下，将LCD测试程序烧到芯片中，观察LCD的显示是否正确，如 图 5.2.1 。一开始可能什么都不显示,这个时候我们只需调整 LCD 3脚的变阻器阻值即 可。5.2.2 超声波的调试：超声波模块一共有四个脚，一个是 VCC 个是GND还有两个分别是超声波的发射 和接收引脚。连接电路时候只需引出四根插线，分别连接到 89S52的对应引脚，烧制好 测试程序，测试结果图如 5.2.2。本设计四

30、根插线分别连接到 VCC,GND还有发射和接 收引脚分别为：P3.0和P3.2 口。5.2.3 蜂鸣器报警调试：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。本设计中，蜂鸣器连接到 P3.4 口5.3 调试心得：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不一样，这就需要我们去思考， 去斟酌，去改进，以达到预期效果。通过程序和硬件的调试，我们可以更深刻的理解各 功能模块之间的联系，也可以明白各调试的步骤。在调试的过程中，我也遇到许多问题，例如：我在宿舍调试好

31、小车之后，带到班级 时候在插上电源试图让小车跑起来时候，发现超声波模块失去了作用，LCD不再显示数据了，后来我用电脑USB口供电发现也不可以，检查了许久才发现是超声波模块上的电 源线和地线的两根插线出现了断路，换线之后 LCD正常显示数值，小车正常行驶。整个 调试过程需要硬件和软件结合起来调试，要仔细检查电路，认真思考程序。硬件部分调试的步骤：1）检查原理图连接是否正确2）用万用表检查是否有虚焊，引脚短路现象3）检查原理图与电路板上引脚是否一致4）各模块逐个调试，看看各模块是否能用5）整合在一起调试，用电脑 USB口供电6）在 5 的基础上用电池供电结果分析小车经过测试， 运行结果良好。 硬件

32、上没有错误， 主要瓶颈在于探测模块的灵敏度，因为软件完全靠探测模块返回的信号作为依据进行下一步控制的操作， 无法确认该信号是否准确。为使小车转弯更加准确与智能，可以有以下改进：（1）增加对小车转弯次数和每次转弯时前面所经过的时间的记录，这样可以进行 回退，使小车显得更智能一些，不过这会增加开发难度，也会要求更多的存储空间及数 据处理时间，如果处理器速度不是很快，效果可能不会太明显；（2）增加探测模块的个数，如左右各增加一个探测器，这样同时检测多个方向， 明显改进避障的效果，特别是针对墙角、三面均有障碍物的情况。总结本超声波避障小车的设计基于单片机原理和传感器原理，以ATmega16单片机为主控

33、芯片，采用L298N和12V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。经过对该避障小车的避障测试实验，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。但是该超声波避障小车还存在着许多的不足， 比如说只能对正前方一定角度内进行 探测，使用的是一路超声波而不是多路超声波探测，并且为了简化，默认的只是向同一 个方向转弯等，这些都是有待进一步发展和提高的，这与制作者自身的对与障碍检测距 离分析、自动控制信号处理、图像处理等诸多技术的有限性分不开的，还需要研究制作 者的学习和探索。本次项

34、目共历时两个月，有充分的时间来准备，但由于我们对所需器件的不熟悉导 致花在器件采购上的时间较多，以后需要详细规划好项目预计使用的器材，这样可方便 一次购买到位。此外项目的进度控制不是很准确，小组的执行力不够，以致有几次都没 能按预计进度完成规定任务，当然技术上本身也有一定难度，但我们认为这不是主要原 因，以后我们会强调时间概念，按时并且争取有效率的完成规定阶段的任务。超声波避障小车的实物主体框架由史思总负责完成， 包括硬件电路的设计与焊接和 最胡的组装，吴林和余恒洋负责软件上的编写。我们分工比较明确，使得小组各成员能 专注于自己的那部分任务，工作完成质量更有保证，并且查错与改错也更容易一些。我们遇到的困难主要在于对超声波模块的使用方法不了解， 实验室的模块并没有配 套的资料，而网上也比较难找到它的手册资料，最后我们选择参考模板程序，然后对其进行改进使之适于自己的需求，这样也减少了从头到尾重复编写代码的时间。最初我们 考虑到会使用pwm波来控制电机，但后来测试发现我们的小车速度并不快，无需 pwrni周 速都能正常运行，故我们在项目结束时没有考虑 pwm的使用，这也使我们的工作大大简 化，我们总结得出：能用简单方法解决的问题便不用复杂的技术。第六章 结论与展望6.1 结论：历时三个月的设计过程中，我首先边查资料，边在实验室焊接小车的线路板