超声波在小车避障技术的应用设计-毕业设计说明书(论文)

南京理工大学毕业设计说明书(论文)作者:教学点:南京工业职业技术学院专业:电子工程题目:超声波在小车避障技术的应用设计2013年5月

毕业设计说明书（论文）中文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，系统反映快速、灵活，设计方案正确、可行，各项指标稳定、可靠。关键字：智能小车避障设计方案毕业设计说明书（论文）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研究背景与意义 1155192超声波的避障技术 4167092.1小车的避障技术 4237402.2超声波的传播特性 5217522.3超声波测距技术 5249372.4基于单片机的超声波测距系统 6112012.5超声波的衰减 6324473超声波避障系统硬件设计 8200063.1方案概述 87133.2方案设计 8310173.3元器件介绍 9313553.4超声波发射系统电路 1639663.5超声波接收系统电路 16298293.6相关软件、电路模块和器件清单。 17105934超声波避障系统的软件设计 1980984.1直流电机控制软件设计 1997024.2超声波测距模块软件设计 19160504.3超声波避障技术软件设计 21117654.4软件与硬件的整合软件与硬件的整合 22263975超声波避障系统调试 2342875.1调试过程 2358155.2问题分析 26137295.3误差分析 2623072致谢 2928125参考文献 301引言1.1研究背景与意义随着机器人技术的发展,自主移动机器人以其活性和智能性等特点,在人们的生产、生活中的应用来越广泛。自主移动机器人通过各种传感器系统感知外界环境和自身状态,在复杂的已知或者未知环境中自主移动并完成相应的任务。而在多种探测手段中,超声波传感器系统由于具有成本低,安装方便,不易受电磁、光线、被测对象颜色、烟雾等影响，时间信息直观等特点,对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力,因此在移动机器人领域有着广泛用。本设计主要体现多功能小车的智能避障模式，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。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。超声波测距与避障系统包括硬件及软件两个部分。硬件开发基STC89S52微控制器，集成了传感器电路、信号处理电路、微控制器外围电路及电源电路等；软件设计主要包括测距算法设计和避障算法设计。其中，避障算法由单传感器避障策略、多传感器精确避障策略以及多传感器模糊避障策略组成。超声波测距与避障系统的试验包括四个部分：测距系统性能试验、位姿检测试验、安全避障试验以及声纳环布局试验。试验结果表明，系统的测距范围为40cm-500cm智能小车可以理解为机器人的一种特例，它是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人。与普遍意义上的机器人相比，智能小车制作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便，具有很强的趣味性，为此其深受广大机器人爱好者以及高校学生的喜爱。全国大学生电子设计竞赛每年都设有智能小车类的题目，由此可见国家对高校机器人研究工作的重视程度。1.2国内外研究状况机器人作为人类科技发展的新型劳动生产工具，在减轻劳动负荷、优化产业模式、提高生产率，避免作业工人从事危险、恶劣、繁重的工作等方面，显示出极大的优越性。不过，就机器人而言，目前还没有统一的定义，而且自机器人问世以来，人们就很难对机器人下一个确切的定义。欧美国家认为，机器人应该是“由计算机控制的通过编程具有可以变更的多功能的自动机械”；日本学者认为“机器人就是任何髙级的自动机械”。我果科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力、和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。”目前国际上对机器人的概念已经渐趋一致，联合国标准化组织采纳了美国机器人协会于1979年给机器人下的定义；“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”概括说来，机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。智能移动机器人具有高度的自规划、自组织、自适应能力，在无需人干预、无需对环境做任何规定和改变的条件下，能够有目的地移动和完成相应任务。障碍物检测是智能移动机器人、智能汽车对周边环境感知技术研究领域中的重要方面。随着技术的发展以及利益的趋向，美国、日本、德国以及意大利等世界发达国家的很多研究机构，陆续在该研究方向作了一定程度的探索和研究，并取得了很多有价值的研究成果。在我国，由于理论技术、基础设施建设和资金分配等因素限制，在智能机器人技术领域与世界发达国家存在相当大差距，只有为数不多研究机构在该领域做出了一些的成果。本文按使用传感器的类型不同分为：基于超声波的障碍物检测系统、基于红外线的障碍物检测系统、基于激光的障碍物检测系统及基于多传感器融合技术的障碍物检测系统等。20世纪60年代以来，弧焊点焊气焊、机械设备加工、喷涂刻画、设计装配、检测等各种类型，各种用途的机器人相继出现，并迅速在工业生产中实现流水线批量生产，这大大提高了各种产品的标准型和质量。然而，随着机器人的不断完善发展，人们发现，这些同定于某一岗位工作的机器人并不能完全满足各方面的需要，不能处理复杂的应激变化。因此，20世纪80年代后期，许多国家有组织有计划的开展了移动机器人技术的硏究。所谓的移动机器人，就是一种具有高度自组织、自适应、自规划能力，适合于在复杂的非结构化，具有高精确度或繁重、危险工作环境中作业的机器人。自主式移动机器人的设计目标是在没有人的参与控制且无需对环境作任何规定和改变的条件下，有目的的移动并完成相应设定任务。在自主移动式智能机器人的相关技术研究中，导航技术的应用是其研究的核心，也是移动机器人实现智能化及完全自主调节、控制的关键技术。导航研究的网标就是：在没有人的干预下使机器人有目的地移动并完成特定任务，进行特定操作。机器人通过装配的信息获取手段，获得外部环境信息，实现自我定位，判定自身状态，规划并执行下一步的动作。因此单从系统硬件层次上讲，移动机器人必须具有丰富的传感器、功能强大的控制计算机以及灵活和精确的驱动系统。1.3本课题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信号自增，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。2超声波的避障技术2.1小车的避障技术2.1.1超声波介绍超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。2.1.2超声波避障技术就是利用超声波来检测机器人的前方是否有障碍物，机器人的前方你要放一个超声波发生器、一个超声波接收器，当超声波发生器发出去的声波遇到障碍物时，这些声波就会被反射回来，这时就利用超声波接收器接受被反射回来的声波，然后再在机器人身上面按装一个声波转化器，就是把反射回来的声波转化成其他的信号。2.1.3模糊避障算法设计机器人运动的环境非常复杂，而且一般情况下是未知的，因此很难建立精确的数学模型来预测障碍物的位置。采用模糊控制算法非常适合移动机器人的避障，模糊控制器的输入是超声传感器的距离信号，输出是机器人的动作，规定机器人只能有前进或旋转两种运动方式。根据一定控制策略，建立输入输出的模糊语言集合和模糊控制规则。输入输出的模糊语言：模糊控制器的输入参数是机器人六个超声传感器检测到的距离信号。把六个超声传感器的输入信号分为左右两组，每组三个，即机器人左边三个超声传感器为左组，机器人右边三个超声传感器为右组。每次读入左组三个超声传感器测得的距离信号，选取其中最小的一个数值作为左边的输入，左边的数值用Left表示。同样，每次读入右组三个超声传感器测得的距离信号，选取其中最小的一个数值作为右边的输入，右边的数值用Right表示。距离信号的模糊语言集合如下：{近，中，远}设定其相应的语言变量，并记作：ND(neardistance)=近MD(middledistance)=中LD(longdistance)=远2.2超声波的传播特性超声波的传播特性有以下几点：a)超声波的束射性：由于超声波频率很高，所以方向性就相对要强，方向性即柬射性。当超声波发生体压电晶体的直径尺寸远大于超声波波长时，则晶体所产生的超声波就类似于光的特性，也就是方向性好。

b）能量大：声强与振幅，质点震动频率的关系I=1/2ρCA^2ω^2，相同振幅条件下，能量与频率的平方正比。由于频率很高，所以具有很大的能量。

c）透射、反射和折射：在两种不同媒质的分界面上，会出现类似于光线一样的透射、反射和折射现象，普通声波也有此性质。d）超声波在人体组织中的衰减：超声波在人体组织中传播时，其强度捋随传播距离的增加而逐渐衰减。这是人体组织对超声波的吸收、反射和散射等原因造成的，而其中吸收是最主要的。超声波在人体组织中几乎有80%被胶原蛋白所吸收。实验证明：在频率为1MHz—15MHz范围内,超声波在人体软组织中的吸收系数与超声频率成正比,如血液的吸收系数随着超声频率的增高而增大。骨质的吸收因数最大,衰减也最大,超声很难通过骨骼进行传播。2.3超声波测距技术超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限，声波幅值检测法易受反射波的影响。本论文硬件设计采用超声波往返时间检测法，其原理为：超声波发生器T1在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器T2所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。距离计算公式为：s=c·t/2。其中d为被测物与测距器的距离，s为声波的来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。2.3.1超声波测距误差分析根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的时间误差：当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s(20℃室温)，忽略声速的传播误差。测距误差s△t<(0.001/344)≈0.000002907s即2.907μ在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C52单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C52定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。2.4基于单片机的超声波测距系统基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为40kHz的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡发射超声波。超声波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。其系统框图如图2.1所示。图2.1基于单片机的超声波测距系统框图这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，在接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给LCD显示。利用单片机准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。许多超声波测距系统都采用这种设计方法。2.5超声波的衰减超声波在介质中传播时，随着距离的增加，能量逐渐减小的现象叫做超声波的衰减。超声波衰减的原因主要有三个：a)扩散衰减：超声波在传播中，由于声束的扩散，使能量逐渐分散，从而使单位面积内超声波的能量随着传播距离的增加而减小，导致声压和声强的减小。b)散射衰减：当声波在传播过程中，遇到不同声阻抗的介质组成的界面时，将发生散乱反射（即散射），从而损耗声波能量，这种衰减叫散射衰减。散射主要在粗大晶粒（与波长相比）的界面上产生。由于晶粒排列不规则，声波在斜倾的界面上发生反射、折射及波型转换（统称散射），导致声波能量的损耗。c)粘滞衰减：声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性而造成质点之间的内壁摩擦，从而使一部分声能变为热能。同时，由于介质的热传导，介质的疏、密部分之间进行的热交换，也导致声能的损耗，这就是介质的吸收现象。由介质吸收引起的衰减叫做粘滞衰减。3超声波避障系统硬件设计3.1方案概述本小车使用STC89C52单片机作为主控芯片，它通过超声波测距来获取小车距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。系统方框图如3.1所示。单片机控制模块单片机控制模块

超声波测距模块

驱动模块

显示模块

超声波避障系统图3.1超声波避障系统硬件设计方框图3.2方案设计超声波测距部分是机器人避障的核心部分。本设计采用STC89C52单片机，晶振：12MHZ，单片机用P2.0口输出超声波换能器所需的40K方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号，显示电路采用简单的4位共阳LED数码管，断码用74LS244，位码用8550驱动。单片机通过P2.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。本设计包括超声波接收电路、超声波发送电路、距离显示电路组成。原理方框图如图3.2所示。图3.2超声波测距器系统框图单片微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器(Microcontroller)。单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃且颇具生命力的机种。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的功能部件CPU(CentralProcessingUnit，中央处理器)、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要与适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。原理图如3.3所示。图3.3原理图3.3元器件介绍3.3.1STC89C52主控芯片STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-FlashProgramableErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL密度非易失存储器技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。主要特性如下：a）增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051。b)工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）。c)工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz。d)用户应用程序空间为8K字节。e)片上集成512字节RAM。f)通用I/O口（32个）复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。g)ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程无需专用编程器），无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。h)具有EEPROM功能。i)具有看门狗功能。j)共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2。k)外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。l)通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。m)工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75n)PDIP封装。STC89C52RC单片机的工作模式掉电模式：典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。

空闲模式：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。掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备。STC89C52具体介绍如下：a)主电源引脚（2根）。VCC(Pin40)：电源输入，接＋5V电源GND(Pin20)：接地线b)外接晶振引脚（2根）。XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端c)控制引脚（4根）。RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。d)可编程输入/输出引脚（32根）。STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。PO口（Pin39～Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7P1口（Pin1～Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7P2口（Pin21～Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7P3口（Pin10～Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P超声波测距模块超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离S=Ct/2，式中的C为超声波波速。由于超声波也是一种声波其声速C与温度有关。在使用时，如果温度变化不大，可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。超声波测距模块原理图如图3.4所示。图3.4超声波测距模块电路原理图测距模块参数介绍如表3.1所示。表3.1模块参数介绍表电气参数US-100超声波测距模块工作电压DC2.4V5.5V静态电流2MA工作温度-20~~+70度输出方式电平或UART(跳线帽选择）探测距离2cm~~450cm超声波测距模块与单片机的接口原理如图3.5所示。（当为电平触发方式时）图3.5单片机接口原理3.3.3驱动模块采用由双极性管组成的H桥电路（L298N）。用单片机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。L298各引脚功能，如表3.2所示。表3.2L298各引脚功能引脚功能1、15分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以接地2、3输出端，与对应输入端（IN1、IN2）同逻辑4驱动电压，最小值需比输入的低电平电压高2.5V5、7输入端，TTL电平兼容6、11使能端，低电平禁止输出8地9逻辑电源，4.5~7V10、12输入端，TTL电平兼容13、14输出端，与对应输入端（IN3、IN4）同逻辑该芯片的一些参数如下：1)逻辑部分输入电压：6～7V。2)驱动部分输入电压Vs：4.8～46V。3)逻辑部分工作电流Iss：≤36mA。4)驱动部分工作电流Io：≤2A。5)最大耗散功率：25W（T=75℃）6)控制信号输入电平：高电平：2.3V≤Vin≤Vss，低电平：-0.3V≤Vin≤1.5V。7)工作温度：-25℃～＋1308)驱动形式：双路大功率H桥驱动。我正在用L298N驱动我的小车的两个直流减速电机，其实它很好用，1和15和8引脚直接接地，4管脚VS接2.5到46的电压，它是用来驱动电机的，9引脚是用来接4.5到7V的电压的，它是用来驱动L298N芯片的，L298N需要从外部接两个电压，一个是给电机的，另一个给L298N芯片的，6和11引脚是它的使能端，一个使能端控制一个电机，至于那个控制那个你自己焊接，你可以把它理解为总开关，只有当它们都是高电平的时候两个电机才有可能工作，12是298的信号输入端和单片机的IO口相连，14是输出端，输入5和7控制输出2和3输入的10、12控制输出的14。3.3.4舵机一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成，舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、控制电路板等。电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通常介于4～6V，一般取5V。舵机的控制信号是周期为20ms的脉宽调制（PWM）信号，其脉冲的宽度从0.5ms-2.5ms，相对对应舵盘的位置是0－180度，呈连续线性变化。也就是说，给它提供一特定宽度的脉冲信号，它的输出轴就会转动到一个与之相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会将输出角度转动到新的对应的位置上。舵机有一个内置的基准电路，其不断产生周期的20ms，宽度1.5ms的基准信号；另有一个比较器，将外加信号与基准信号进行比较，判断出转动方向和转动角度大小，进而产生电机的转动信号。由此可见，舵机是一种精度很高的位置伺服的驱动器，转动最大角度不能超过180度，适用于那些需要角度不断变化并可以停滞的驱动当中。如图3.6所示。图3.6舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系

舵机的控制信号为PWM信号，利用占空比的变化改变舵机角度。舵机的速度决定于其接受道德信号脉宽的变化速度。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20ms(即频率为50Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生变化，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。占空比：就是输出的PWM中，高电平保持的时间与该PWM的时钟周期的时间之比如，一个PWM的频率是1000Hz，那么它的时钟周期就是1ms，就是1000us，如果高电平出现的时间是200us，那么低电平的时间肯定是800us，那么占空比就是200：1000，也就是说PWM的占空比就是1：5。3.3.5显示模块显示模块的方案有很多，列举以下四个：方案一：选用LCD1602显示屏LCD1602液晶显示,由单片机驱动。它主要用来显示大量数据、文字、图形，能够显示的位数多，显示得清晰多样、美观。如图3.7所示。图3.7LCD1602液晶显示屏方案二：选用点阵显示点阵显示是由八行八列的发光二极管集成在一块电路上组成，主要用来显示汉字，同时也能显示数字和少量图象,但它的焊接较麻烦,价格高，鉴于所设计的题目要求它不切实际。所以排除此方案。方案三：选用LED数码管静态显示LED数码管静态显示其电路容易理解且驱动的程序简单，多片七段译码器驱动显示，这不仅增加了成本，还需要占用单片机多个I/O口，也给电路的焊接带来一定的困难，因此不选用这种方案作为显示模块。方案四：采用LED数码管动态扫描显示LED数码管动态扫描显示价格低廉，不仅减少了对I/O口的浪费，而且能够同时驱动多个数码管。其驱动程序容易编写和理解。当显示内容不太多，可以排除。经过四种方案的比较以及本系统实际，由于该系统需要显示两个内容，上述的LCD液晶显示比较妥善，我们选择性价比相对高的LCD1602液晶。3.3.6电源模块我们选择采用5v的独立的稳压电源。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。3.4超声波发射系统电路超声波发射部分是为了让超声波发射换能器T1能向外界发出40kHz左右的方波脉冲信号。40kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法:采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。编程由单片机P1.0端口输出40kHz左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40kHz方波脉冲信号分成两路，送给一个由74HC04组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器T以声波形式发射到空气中。发射部分的电路，如图3.8所示。图中输出端上拉电阻R7，R9，一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。如图3.8所示。图3.8超声波发射系统电路3.5超声波接收系统电路上述T1发射的在空气中传播，遇到障碍物就会返回，超声波接收部分是为了将反射波(回波)顺利接收到超声波接收换能器T2进行转换变成电信号，并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后，这里用索尼公司生产的集成芯片CX20106，得到一个负脉冲送给单片机的R(INT0)引脚，以产生一个中断。接收部分的电路，如图3.8所示。可以看到，集成芯片CX20106在接收部分电路中起了很大的作用。CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片，其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点，由于红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz比较接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0可由其5脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，范围为30～60kHz。故本次设计用它来做接收电路。CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。工作过程如下:接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚。当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平，而输出端7脚直接接到XTC89C52的INT0引脚上，以触发中断。若频率有一些误差，可调节芯片引脚5的外接电阻R11，将滤波器的中心频率设置在40kHz，就可达到理想的效果。如图3.9所示。图3.9超声波接收系统原理图3.6相关软件、电路模块和器件清单。相关软件、电路模块和器件清单，见表3.3所示。表3.3相关软件、电路模块和器件清单序号名称数量备注12345678910PC机单片机控制模块超声波测距模块电源下载软件（STC_ISP_V483）下载线（USB转串口）舵机驱动模块USB转串口驱动小车11STC89C52RC11套5V/7.2V11112双L298N驱动1Vista&Win71ZK-4WD小车4超声波避障系统的软件设计在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。所谓“模块”实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。模块设计法的主要优点是：单个模块比起一个完整的程序易编写及调试。模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用。c）模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。本系统软件采用模块化结构，由主程序﹑定时子程序、避障子程序﹑中断子程序显示子程序﹑调速子程序﹑算法子程序构成。4.1直流电机控制软件设计当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），简称PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：a)由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。b）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。c）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。4.2超声波测距模块软件设计此方案中超声波测距的触发方式为电平触发方式，其中舵机与单片机的接口为P2.7，超声波测距模块与单片机的接口为P2.4和P2.5。#defineECHOP2_4 //超声波接口定义 #defineTRIGP2_5 //超声波接口定义程序流程图如图4.1所示，(a)为主程序流程图，(b)为定时中断子程序流程图，(c)为外部中断子程序流程图。(a)(b)(c)图4.1测距程序流程图进入主程序后，软件延时，然后将微处理器的P2.0管脚置高，触发传感器发送超声波信号。触发信号发送后，初始化定时器和中断口，开始计时。初始化结束后，保持P2.0口为高电平，将P2.0管脚置低，再延时，程序等待回波信号触发中断。延时结束后，检测下一路电路，并依次循环检测多路。接收到超声波回波后，程序进入中断。进入中断后，首先关闭定时器，然后判断是否超出测距的范围：如超出，退出中断；如在测距范围内，首先将计时数据接收到超声波回波后，程序进入中断。进入中断后，首先将计时数据存入缓存区，并对信号进行软件滤波，如信号为噪声信号，则直接退出，如信号为有效信号，计算障碍物的距离。4.3超声波避障技术软件设计根据避障规则，移动机器人（小车）以某一速度前进，如果某一传感器检测到的距离小于某个值，这个值是预定义可编程的临界距离，那么机器人以某一角度偏转，从而绕开障碍物继续前进。机器人（小车）在行驶过程中如果遇到障碍物，它的超声波测距系统马上计算出机器人与障碍物的距离d，若d<dc(避障的临界距离，其中dc为程序预设值)，电机左右转向控制驱动，从而绕过障碍物实现避障的效果。程序流程图如图4.2所示。图4.2避障程序流程图程序设计如下：while(1) /*无限循环*/ { if(timer>=1000) //100MS检测启动检测一次 { timer=0； StartModule()；//启动检测Conut()； //计算距离if(S<30) //距离小于30CM { stoprun()； //小车停止 COMM()； //方向函数 } else if(S>40) //距离大于，40CM往前走 run()； } } }4.4软件与硬件的整合软件与硬件的整合在本次设计过程中，考虑到各个模块之间的控制复杂性，我们将电机控制，超声波测距分开调试，当两个模块都可以正常工作之后，再将它们结合起来调试，采取了“分而治之”的思想。调试超声波模块：在调试超声波的时候，主要思想是用定时器检测超声波会送信号维持高电平的时间，用串口示波器将测得的数据显示在串口示波器上，根据返回的结果，确定达到转弯距离以内所需要的时间，然后利用时间控制电机。电机调试：在点击调试的过程中，我们首先将PWM输出在示波器上反映出来，确保PWM波的输出正常，并且能够根据用户设定的比较值产生不同形式的输出，在比较匹配发生之后，调节其占空比，实现电机的速度控制，在控制电机转动的时候，采用直接控制L298N芯片的方式，实现左转，右转，后退等功能。5超声波避障系统调试5.1调试过程a）连接，连接实物图如连接图5-1，图5.2所示。图5.1实物连接1图5.2实物连接2b）程序下载在程序下载时要安装USB串口驱动（Win7的或XP的）串口驱动安装完成后将小车与电脑通过USB下载线进行连接，然后打开我的电脑中的设备管理器查看端口是否连接成功如图5.3所示则为成功且串口号为COM4。图5.3程序下载1）打开电源，如图5.4所示。图5.4打开电源图2）打开桌面的下载软件选择单片机型号，找到目标文件，然后选择正确的串口号。如图5.5所示。图5.5软件下载图3)下载程序在下载程序时要等到下载软件的提示栏中出现给MCU上电时再给单片机按上电源上电，如果下载成功则如图5.6所示。（如果在下载前就给单片机上电可能会出现下载不成功的现象）图5.6下载程序图c)运行，如图5.7所示。图5.7程序运行图5.2问题分析问题：小车运行时如果如果障碍物的距离比较近小车后退后会撞到或卡住。原因：障碍物放得太近或小车与程序间的条件限制。解决方法：把障碍物的距离调大点或对小车及程序进行改进。5.3误差分析由于受环境温度、湿度的影响，超声传感器的测量值与实际值会有一些偏差，超声测距系统测量值与超声测实际值（单位:cm）如表5.1所示。表5.1距系统测量值与实际值（单位:cm）障碍物实际距离（cm）测量距离（cm）4555.56066.97583.1100107.2125131.5150157.3175182.4200206.4从表中的数据可以看出，测量值总是比实际值大出大约7cm，经过分析原因主要有三个方面：第一方面，超声波传感器测得的数据受环境温度的影响；第二方面，指令运行需占用一定的时间而使得测量的数据偏大；第三方面，为了防止其他信号的干扰，单片机开始计数时，驱动电路发送16个脉冲串。对于单个回声的方式，当驱动电路接收到碰到障碍物返回的第四个脉冲时就停止计数，所以最终测得的时间比实际距离所对应的时间多出四个脉冲发送的时间。为了减小测量值与实际值的偏差，我们采用最小二乘法对表1的数据进行修正。经过拟合，我们得到下面的方程：y=1.0145x-9.3354(其中:y为实际值,x为测量值)修正后本超声波测距系统测量值与实际值的对应关系如表5.2所示。表5.2修正后声测距系统测量值与实际值（单位：cm）障碍物实际距离（cm）测量距离（cm）4546.86058.57574.910099.4125124.1150150.2175175.7200200.1从修正后的数据我们可以看出,系统的测量误差在±2%内,满足我们的测量要求。结论本智能小车电路在硬件上采用了超声波来测量小车距前方障碍物的距离，显示结果快速，准确。由于采用双电源供电使系统的抗干扰性得到加强；PWM技术的应用解决了电动机驱动效率和电机速度控制的问题；在软件上，充分利用了STC89C52系统资源，使智能小车完美的实现了障碍检测、距离测量、警示等功能。本文的总结有如下点：1）本设计结构简单，调试方便，系统反映快速灵活，硬件电路由可拆卸模块拼接而成，有很大的扩展空间。经验收测试，该智能小车设计方案正确、可行，各项指标稳定。2）在设计当中也存在着一些不足。如超声波模块受温度的影响比较大，由于时间关系没有添加温度补偿措施，所以在使用中需要注意环境影响。另外小车避障方式单一，若将超声波模块安装在舵机上使其可以左右上下180度转动，那么便可以通过比较小车两侧空间的大小来自由选择避障方向，从而实现更加智能化的避障方式。3）小车经过测试，运行结果良好。硬件上没有错误，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，使小车转弯欠准确与智能。致谢首先感谢我的导师倪瑛老师，在倪瑛老师的耐心指导和帮助下，我才能顺利完成毕业设计。从电路的设计到调试整个过程中，我都从倪瑛老师那里学会了很多专业方面的知识。通过这次毕业设计，使我深刻地认识到学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义，并且检验了大学四年的学习成果。虽然在这次设计中对于知识的运用和衔接还不够熟练。但是我将在以后的工作和学习中继续努力、不断完善。这三个月的设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程，为今后的发展打下了良好的基础。也感谢在毕业设计中帮助过我的所有同学和师兄师姐们，感谢你们对我的支持。由于自身水平有限，设计中难免存在很多不足之处，敬请各位老师批评指正。参考文献[1]陈永甫.红外探测与控制电路[M].北京：人民邮电出版社，2004.[2]肖景，赵健.红外线热释电与超声波遥控电路[M].北京：人民邮电出版社，2003.[3]王秀山.单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.[4]戴仙金等.单片机及其C语言应用程序设计[M].北京：清华大学出版社，2005.[5]柳郭等.单片机开发应用技能与技巧[M].北京：中国电力出版社，2008.[6]胡汉才.单片机原理及接口技术[M].北京：清华大学出版社，2006.[7]何玉彬.传感器与应用电路设计[M].北京：科学出版社，2009.[8]唐守峰.检测与转换技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.[9]蔡振江.单片机原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2009.[10]孙炳达.自动控制原理[M].北京：电子工业出版社，2010.[11]何希才等.传感器及应用[M].北京：机械工业出版社，2004:65-83.[12]丁镇生.传感器及传感技术应用[M].北京电子工业出版社，1998:59-72.[13]JohnF.Wakerly,数字设计原理与实践[M].北京机械工业出版社，2003.[14]彭喜元.新编MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨工业大学出版社，2003.[15]赵负图.传感器集成电路手册[M].化学工业出版社，2004.[16]谭浩强.C程序设计[M].清华大学出版社，2005.[17]万福君，潘松峰等.单片微机原理系统设计与应用[M].北京：中国科学技术大学出版社，2005.基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究HYPERLINK"/d