基于单片机的智能避障小车

毕业设计（论文）基于单片机的智能避障小车学生姓名：学号：学部（系）：专业年级：指导教师：职称或学位：年月日摘要：以STC12C5A60S2单片机为控制核心设计了智能避障小车。智能避障小车利用超声波模块测距实现超声波避障和物体跟随，用两对红外发射接收管实现红外避障和物体跟随，利用红外光电传感觉器实现循迹功能，LED数码管显示距离、温度等信息。设计的智能避障小车稳定可靠，是智能小车设计入门的学习佳品，同时也可为智能机器人设计提供参考。关键词：智能小车；STC12单片机；超声波测距；红外避障随着科技的进步，智能小车应用越来越广。智能小车可以替代人在如易燃易爆、有毒有害气体、阴暗潮湿等恶劣环境中工作，完成搬运和检测等工作1]。此外，智能小车在流分拣传送、餐厅送餐和无人工厂也有广泛的应用。设计智能避障小车包括微处理器技术、检测技术、电机控制技术等，综合性很强。笔者以STC12C5A60S2单片机为控制核心设计了稳定可靠的智能避障小车。1智能小车的系统构成智能小车系统框图如图1所示。智能避障小车的控制以STC12C5A60S2单片机为核心，通过程序完成相应控制功能；小车采用两个小型直流电机，配以来自德州仪器Unitrode的电机驱动芯片L293；智能小车前配有HC-SRO4超声波测距模块，该模块为小车提供2cm~400cm的无接触式距离检测功能；5mm红外发射管和5mm红外接收管共两对，可帮助小车实现红外避障，红外跟随等功能；2个RPR220光电传感器，帮助小车实现循迹功能；CHQ1838红外接收管1个，接受来自红外遥控器的信号，帮助小车实现红外遥控功能；小车还配有温度传感器DS18B20，光敏电阻，以帮助小车实现更多的功能；配2个四位共阳数码管，显示超声波测距模块测得的距离或温度；采用2节3.7V锂电池辅以7805电源芯片供电。2STC12C5A60S2单片机单片机又称为微处理器。单片机具控制功能强大、体积小、功耗低、应用方便可靠、易扩展和超高的性价比等许多优点，自从Intel公司推出单片机以来，应用越来越广。在消费电子产品、工业控制、仪器仪表、医疗设备、计算机网络与通讯和汽车设备等等很多领域中单片机都有广泛的应用。单片机种类很多，STC12C5A60S2单片机是晶宏公司单机器周期的增强型51单片机。STC12C5A60S2单片机指令上兼容传统的51单片机，但功能比其强大很多，在51单片机中性价比很高，抗干扰性、抗静电能力很强。该单片机主要特点有：内部成了1280字节RAM，无论物理上还是逻辑上，内部都比传统单片机扩展了至少1024字节RAM；内部集成有多达60k的flashROM。该单片机工作频范围为0~35MHz,由于单周期工作[2]，相当于普通单片机工作频范围为0～420MHz；内部集成MAX810专用复位电路；共有4个中断优先级，7路外部I/O中断口；4个16位定时/计数器，3个时钟输出口；8路10位精度的A/D转换器，转换速度达250k/s；2路PWM输出或是路可编程计数阵列，也可当作2路D/A转换器来用；2个采用UART工作方式的全双工通信接口。STC12C5A60S2单片机共40个引脚，引脚分布上兼容传统的51单片机，替换很方便。3功能模块介绍分析3.1电机驱动部分设计的智能避障小车以两个小型直流电机作为动力源，安装在小车的两侧，分别驱动左右两边的轮子，再加上尾部一个万向轮构成动力部分。电机驱动选用专用芯片L293。芯片L293有4个独立输入的逻辑电源，既可单独使用也可组合使用。每个逻辑电源输出峰值电流为2A，可持续输出电流为1A。工作电压范围为4.5V～36.0V。在其工作电压范围可提供双向1A的驱动电流。每对逻辑电源共用一个使能端，使能端为高电平时，逻辑电源才能正常工作。本设计中STC12C5A60S2单片机直接控制L293芯片，并提供逻辑电源的输人信号。共用使能端的每对逻辑电源驱动一直流电机，这样每个电机都可以得到单独控制，都可以实现正反转。两电机同样转速运行时小车可直行前进可后退，两电机转速不一样时小车转弯。3.2超声波模块超声波是指频率超过20kHz的声波。超声波反射能力强，方向性好，且易于获得较集中的声能，目前在测距、测速、碎石、清洗、消毒杀菌和焊接等方面都有广泛应用[3]。设计的智能小车利用就是用超声波来测距。超声波测距采用HC一SRO4模块，其包括超声波发射器、接收器与控制电路。模块安装在小车的正前方。单片机每隔很短的时间段启动发射器发射超声波，启动发射超声波的同时单片机开始计时。超声波遇到前面物体被反射回来，接收器接收到超声波就引起中断让单片机停止计时。超声波的速度是固定的，单片机测得超声波一个来回所用的时间，则超声波的速度乘以单片机计时时间的一半就得到测量的距离。利用超声波模块，配以不同控制程序的不同，智能小车可实现超声波避障和超声波物体跟随功能。3.3红外避障与红外循迹红外线是种波长比红光还长的非可见光。红外线波长在750nm至1mm之间，其波长介于微波和可见光之间。红外线穿过云雾的能力要比可见光强。红外线在探测、通讯、医疗和军事等方面有广泛的用途。本设计中红外线用来探测。红外线能被障碍特反射回来，而且障碍物越近反射回来的红外光就越强，障碍物越远反射回来的红外光就越弱。红外发射管不停地发射红外光，障碍物离小车越近，红外接收管得到的反射回来的红外光就越强，红外接收管上电压就越小。红外接收管上电压接比较器（如LM339）的正向输入端，比较器的反向输入端由可调电位器调节其上电压。障碍物近时，比较器输出低电平，输出的低电平一方面让对应的LED指示灯亮，另一方面输入到单片机。比较器的反向输人端的可调电位器可调节避障的灵敏度。红外避障部分有两对红外接收管和红外反射管构成，分别安装在智能避障小车的左前方和右前方。利用红外避障部分，通过程序可实现小车避障功能，也可实现车跟随物体运动功能。红外循迹主要利用物体的不同颜色对红外光的反射不同。黑色对红外光反射最弱，白色对红外光反射最强。红外循迹部分采用两个光电传感器RPR220。光电传感器RPR220包括一个红外发射二极管和一个红外接收三极管。红外发射二极管同样不断发射红外光，当遇到黑线时反射很弱，红外接收三极管不导通，产生一高电平加到比较器的同向输入端。比较器的反向输入端同样经一电位器获得电压，电位器可调节循迹的灵敏度。光电传感器遇到黑线时比较器输出高电平，输出的高电平一方面控制对应的指示二极管，另一方面送给单片机。两光电传感器RPR220安装于小车底部分，距离略小于路面上黑色轨迹。单片机根据由光电传感器部分得到的信号，控制小车沿着黑色轨迹行进。3.4其他部分智能小车显示用了2个四位共阳数码管。数码管用来显示超声波测得的距离、警告信息和温度等等。动态显示时数码管亮度上略差于静态显示，但静态显示需占用的单片机I/O引脚过多，所以此处采用动态显示方式。动态显示要用到3个具有三态输出的8位数据锁存器74AC573，而单片机只需1个I/O端口的8个引脚传送数据，另加3个引进行使能控制就可以了。1个74AC573输出位码，另2个74AC573分别输出2个四位共阳数码管的段码。工作时单片机选送出位码通过74AC573选中要点亮的数码管，接下来通过另一个74AC573送出段码点亮选中的数码管并让其显示相应的符号码；过一极小的时间段（比如2mS)后同样的方法点亮下一个数码管。每个周期依次点亮8个数码管。虽然每个数码管通电时间只占一个周期的1/8，但是周期短，速度很快，人眼视觉的滞后效应，看上去8个数码管是一起亮。智能小车由两节3.7V可充电的锂电池供电，通过7805芯片为智能小车提供稳定的5.0V电源。智能小车附带有温度传感觉器DS12B20，光敏电阻等。DS18B20是种常用的数字温度传感器，测温范围一55℃~+125℃，具有体积小、精度高，使用方便等众多优点，直接与单片机之间以单总线方式进行通讯。光敏电阻感知环境光线强弱，光线太弱时由单片机控制点亮小车上的LED照明灯。此外，智能小车还配有用来报警的蜂鸣器和用来指示的LED灯。4结束语设计的基于单片机的智能避障小车，具有超声波避障、超声波跟红外避障、红外跟随物体和红外循迹功能，功能多样，运行稳定可靠，是单片机学习和智能小车设计练习很好的选择，同时也可为智能机器人的设计提供参考。参考文献[1]刘志娴，江敏，阮玲玉.基于51单片机智能小车的设计与实现[J].电脑知识与技术