智能超声波避障小车的设计与制作

江阴职业技术学院工程设计报告工程：超声波避障小车的设计与制作专业学生姓名班级学号指导教师完成日期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，它具有制作本钱低廉，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，智能小车深受广阔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。AbstractSmartcarscanbeprogrammedtoperformaspecifictaskmeanstheminiaturizationofrobot,ithastomakecostislow,circuitsimplestructure,convenientprogramtest.Becauseofithasstronginterest,intelligentrobotcarfavoredbythemajorityoftheuniversitystudents'enthusiastsandlove.Thispaperintroducestheisaautomaticobstacleavoidancefunctionofintelligentcardesignandproduction(hereinafterreferredtoasthesmartcar),thethesistotheintelligenceofthecarschemeselection,designidea,andtheimplementationofhardwareandsoftwarefunctionandworkingprincipleofadetailedanalysisanddiscusses.Afterpracticeacceptancetest,thisintelligentcarcircuitstructureissimple,convenientdebug,fast,flexiblesystemreflect,correctandfeasibledesignscheme,eachindexissteadyandreliable.目录摘要IAbstractII目录III第一章绪论1工程研究背景及意义：1工程主要研究内容：1设计思路：1应用场合和功能：2第二章总体方案3总体方案概述：32.2总体电路原理图：3第三章各模块功能介绍4障碍物测距系统：4显示模块：5驱动模块：10电源模块：12第四章软件设计134.1程序设计流程图134.2关键程序设计：14第五章系统调试175.1调试的思路：175.2各模块的调试：175.3调试心得：19第六章结论与展望206.1结论：206.2展望：20致谢21参考资料22附录231.元器件清单：232.样机实物照片：243.电路原理图：25相关程序26第一章绪论工程研究背景及意义：智能作为现代社会的新产物，是以后的开展方向，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。本设计主要表达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开展对象，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，易于做到实时控制，测量精度也能到达实用的要求，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开展必然的，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表达出它的作用。如果汽车偏离车道或距障碍物小于平安距离时，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响，汽车就会自动减速或停靠于路边。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。工程主要研究内容：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，在经过屡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到达对障碍物的较准确定位。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。这局部电路主要由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、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：设计控制局部：主要由AT89S52单片机的外部中断扩展电路组成。直流电机PWM控制实现局部主要由电机和L298直流电机驱动模块组成。设计显示局部：LCD数码显示局部，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，它具有制作本钱低廉，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，智能小车深受广阔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，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。图2.1：简要框图2.2总体电路原理图：第三章各模块功能介绍障碍物测距系统：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MMW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脚反响给单片机，此时单片机就立即停止计时。时序图如图1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。图3.1：超声波测距原理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、显示的画面稳定不闪烁。缺点：不适合做图，图像复原不好、有可视范围限制。方案二：用LED显示。优点：亮度高、本钱低，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。下面以长沙太阳人电子的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。一般1602字符型液晶显示器实物如图：.1：1602字符型液晶显示器3.2.11602LCD主要技术参数：显示容量:16×2个字符工作电流:2.0mA(5.0V)字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm3.2.2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：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器比照度调整端，接正电源时比照度最弱，接地时比照度最高，比照度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整比照度。第4脚：RS为存放器选择，高电平时选择数据存放器、低电平时选择指令存放器。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7～14脚：D0～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。3.2.31602LCD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CGRAM或DDRAM〕10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM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00H。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，低电平那么无效。指令4：显示开关控制。D：控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：DDRAM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10：写数据。指令11：读数据。与HD44780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=状态字写指令输入RS=L，R/W=L，D0—D7=指令码，E=高脉冲输出无读数据输入RS=H，R/W=H，E=H输出D0—D7=数据写数据输入RS=H，R/W=L，D0—D7=数据，E=高脉冲输出无表3-2-3：根本操作时序表读写操作时序如图和所示：图：读操作时序图3.2.3：写操作时序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，那么效率非常高；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。下列图为L298内部图：图3.3：L298内部原理图L298各引脚功能，如下表。引脚功能1、15SEN1、SEN2分别为两个H桥的电流反响脚，不用时可以接地2、31Y1、1Y2输出端，与对应输入端〔IN1、IN2〕同逻辑4VS5、7IN1、IN2输入端，TTL电平兼容6、11EN1、EN2使能端，低电平禁止输出8GND地9VSS逻辑电源，4.5~7V10、12IN3、IN4输入端，TTL电平兼容13、142Y1、2Y2输出端，与对应输入端〔IN3、IN4〕同逻辑表3-3-1封装引脚及功能驱动电机的运行，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停止表3-3-2I/O端口状态与电机制动对照表3.4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缺乏的情况。第四章软件设计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。主程序流程图如下图。 图4.1：主程序流程图4.2关键程序设计：PWM产生程序设计：voidTimer2(void)interrupt5{ TF2=0;RCAP2H=0x0fe; RCAP2L=0x33; ++click; if(click>=100)click=0; if(click<=ZK1) PWM1=1; else PWM1=0; if(click<=ZK2) PWM2=1; else PWM2=0;}2.超声波的发射与接受程序设计：voidzd3()interrupt3 { TH1=0x0f8; TL1=0x30; timer++; if(timer>=200) {timer=0;TX=1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); TX=0;}}3.1602的初始化程序的设计：voidini_lcd1602(){write_lcd1602(0x38,0);delay(1);write_lcd1602(0x0c,0);delay(1);write_lcd1602(0x06,0);delay(1);write_lcd1602(0x01,0);delay(1);}4.1602的写程序的设计：voidwrite_lcd1602(ucharcmd,uchari) {lcd_mang(); rs=i; rw=0; e=0; _nop_(); _nop_(); e=1; _nop_(); _nop_(); P0=cmd; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); e=0; }5.1602的判忙程序的设计：voidlcd_mang(){rs=0;rw=1;e=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();while(P0&0x80);e=0;}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：5.2.1LCD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LCD3脚的变阻器阻值即可。图5.2.1：LCD测试图超声波的调试：超声波模块一共有四个脚，一个是VCC，一个是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。本设计四根插线分别连接到VCC,GND，还有发射和接收引脚分别为：P3.0和P3.2口。图5.2.2：超声波测试图蜂鸣器报警调试： 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，如图5.2.3所示。图5.2.3：蜂鸣器报警电路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，去改良，以到达预期效果。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。 硬件局部调试的步骤：检查原理图连接是否正确用万用表检查是否有虚焊，引脚短路现象检查原理图与电路板上引脚是否一致各模块逐个调试，看看各模块是否能用整合在一起调试，用电脑USB口供电在5的根底上用电池供电第六章结论与展望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。在焊接过程中，我感觉到即使是一个简单的电路，要想很轻松的焊好，也不是很容易的事情。有时是“虚焊”的原因，有时可能是阻值选错。在焊接显示电路时，我就错将680欧的电阻焊成了6.8千欧。这使我深深感受到理论与实际间的差距。在调试过程中，发现插上编程器后不能烧制程序，通过检查电路发现，AT89S52芯片的使能端没有接VCC。改好之后重新烧制，发现还是不可以，通过再次检查，发现是共阴管的驱动芯片74LS245的引脚出现焊接错误。通过这些调试，提高了我检查电路的能力，以及稳固了电路图的知识。通过这样的设计，提高了我的动手能力。每天在实验室除了焊接线路板，还可以上机编程，使我软件调试知识也提高了。本设计采用的是89S52单片机，这主要是因为该单片机的稳定性比拟好。还可以采用其它系列的单片机。比方采用陵阳单片机，就可以简化编程，但其稳定性不是很好。6.2展望：1、在本课题的根底上，我们可以在小车的底座下面装一个吸尘装置，这样就可以在小车行驶的过程中吸除一些预先放好的小纸屑。2、设计出两辆小车，一辆小车放在另一辆的前面。当前面一辆小车起动时候，后面一辆小车也起动，前面一辆小车转弯的时候后面一辆也跟着转弯，前面一辆小车停止时，后面一辆也跟着停止。致谢历时三个月的毕业设计已经告一段落。经过自己不断的搜索努力以及白老师的耐心指导和热情帮助，本设计已经根本完成。在这段时间里，白老师严谨的治学态度和热忱的工作作风令我十分钦佩，他的指导使我受益非浅。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，为今后的开展打下了良好的根底。由于自身水平有限，设计中一定存在很多缺乏之处，敬请各位老师批评指正。参考资料1赵负图，传感器集成电路手册.第一版，化学工业出版社，2004,590～5912李华，MCS-51系列单片机实用接口技术，第三版，北京：1997年3张红润，实用自动控制，成都：科技大学出版社。1990年1月4康华光，电子技术根底，北京：高等教育出版社，1983年10月5潘新民，微型计算机控制技术，北京：人民邮电技术出版社，1988年3月6赵依军，单片机微型接口技术。北京：人民邮电技术出版社，1989年3月7李广弟，单片机根底，北京：北京航空航天大学出版社，20018胡汉才，单片机原理及其接口技术，北京：清华大学出版社，19969王毅，单片机器件应用手册，北京：人民邮电出版社，1995附录1.元器件清单：序号元件名称数量参数1AT89S52单片机1——2超声波模块1——3L298n14智能避障小车底盘15蜂鸣器16LCD液晶屏12.样机实物照片：：相关程序#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintunsignedchari;sbitrs=P2^6; //定义引脚sbitrw=P2^5;sbite=P2^7;sbitTX=P3^0;//触发信号引脚sbitFM=P3^4;sbitPWM1=P3^6; //pwm信号输出sbitPWM2=P3^7;staticcharclick=0;unsignedcharZK1,ZK2;unsignedinttime=0;unsignedinttimer=0;unsignedlongS;bitflag=0;unsignedcharcodeASCII[19]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','.','-','M','J','U','','L','I',':'};staticunsignedcharDisNum=0;//显示用指针 unsignedlongS=0; unsignedchardisbuff[11] ={0};voidConut(void){ time=TH0*256+TL0; TH0=0; TL0=0; S=(time*1.7)/100; disbuff[0]=13; disbuff[1]=14; disbuff[2]=15; disbuff[3]=16; disbuff[4]=17; disbuff[5]=18; disbuff[6]=S%1000/100; disbuff[7]=10; disbuff[8]=S%1000%100/10; disbuff[9]=S%1000%10%10; disbuff[10]=12; }voiddelay_1(void)//误差0us{unsignedchara,b;for(b=215;b>0;b--)for(a=45;a>0;a--);}voiddelay(uchara){uchari;while(a--) { for(i=0;i<250;i++) { _nop_();_nop_(); _nop_();_nop_(); } }}//判忙voidlcd_mang(){rs=0;rw=1;e=1;_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();while(P0&0x80);e=0;}//1602的写voidwrite_lcd1602(ucharcmd,uchari) //当i为0的时候为向1602写指令为1写数据{lcd_mang(); rs=i; rw=0; e=0; _nop_(); _nop_(); e=1; _nop_(); _nop_(); P0=cmd; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); e=0; }//1602的初始化voidini_lcd1602(){write_lcd1602(0x38,0);delay(1);write_lcd1602(0x0c,0);delay(1);write_lcd1602(0x06,0);delay(1);write_lcd1602(0x01,0);delay(1);}voidTimer2Interrupt(){ RCAP2H=0x0fe; RCAP2L=0x33; ET2=1;//允许T2定时器中断 EA=1;//翻开总中断 TR2=1;//启动T2定时器}voidzd0()interrupt1 { flag=1; }voidzd3()interrupt3 //T1中断用来扫描数码管和计800MS启动模块{ TH1=0x0f8; TL1=0x30; timer++; if(timer>=200) { timer=0; TX=1;