智能避障小车制造设计.doc

江阴职业技术学院项目设计汇报项目：超声波避障小车设计和制作 专 业 应用电子技术专业学生姓名 班 级 10应用电子( )班学 号 指导老师 完成日期 摘 要智能小车是一个能够经过编程手段完成特定任务小型化机器人，它含有制作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便等优点。因为含有很强趣味性，智能小车深受广大机器人爱好者和高校学生喜爱。本论文介绍是含有自动避障功效智能小车设计和制作（以下简称智能小车），论文对智能小车方案选择，设计思绪，和软硬件功效和工作原理进行了具体分析和叙述。经实践验收测试，该智能小车电路结构简单，调试方便，系统反应快速、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 miniaturization of robot, it has to make cost is low, circuit simple structure, convenient program test. Because of it has strong interest, intelligent robot car favored by the majority of the university students enthusiasts and love. This paper introduces the is a automatic obstacle avoidance function of intelligent car design and production (hereinafter referred to as the smart car), the thesis to the intelligence of the car scheme selection, design idea, and the implementation of hardware and software function and working principle of a detailed analysis and discusses. After practice acceptance test, this intelligent car circuit structure is simple, convenient debug, fast, flexible system reflect, correct and feasible design scheme, each index is steady and reliable. 第一章 绪论1.1项目研究背景及意义： 智能作为现代社会新产物，是以后发展方向，她能够根据预先设定 模式在一个特定环境里自动运作，无需人为管理，便能够完成预期所要达 到或是更高目标。本设计关键表现多功效小车智能模式，设计中理论 方案、分析方法及特色和创新点等能够为自动运输机器人、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设计和普及有一定参考意义。同 时小车能够作为玩具发展对象，为中国玩具市场技术含量缺乏进行一定 填补，实现经济收益，形成商业价值。 超声波作为智能车避障一个关键手段，以其避障实现方便，计算简单， 易于做到实时控制，测量精度也能达成实用要求，在未来汽车智能化进程中 必将得到广泛应用。中国作为一个世界大国，在高科技领域也必需占据一席之 地，未来汽车智能化是汽车产业发展肯定，在这种情况下研究超声波在智 能车避障上应用含有深远意义，这将对中国未来智能汽车研究在世界高科 技领域占据领先地位含相关键作用。 本智能小车系统最诱人前景就是可用于未来智能汽车上了，当驾驶员 因疏忽或打瞌睡时这么智能汽车设计就能表现出它作用。假如汽车偏离 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，假如 驾驶员没有立即作出反应，汽车就会自动减速或停靠于路边。 这么小车还能够用于月球探测等无人探月车，帮助我们传达月球上更 多信息，让我们愈加了解月球，为未来登月做好充足准备。 这么小车在科学考察探测车上也有宽广应用前景，在科学考察中，有 很多危险且大家无法涉足地方，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，替换大家进行很多无法进行工作。1.2项目关键研究内容：本设计题目为智能避障小车设计，关键研究小车避障功效，小车碰到障碍物时，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，而且小车采取对应避障方法。这里探测装置必不可少，因为超声波在距离检测方面较正确定位。所以采取超声波传感器作为探测装置，因为超声波碰到障碍物时发生像光一样反射和散射，在经过数次发射以后再回到超声波检测端口会产生较严重旅程差，从而影响对距离检测进而影响对障碍物较正确定位。经过软件内部校准优化消除外部物理条件造成误差从而达成对障碍物较正确定位。1.3直流电机发展：直流电动机在冶金、矿山、化工、交通、机械、纺织、航空等领域中已经得 到广泛应用。而以往直流电动机控制只是简单控制，极难进行调速，不能 实现智能化。现在，直流电动机调速控制已经离不开单片机支持，单片机应 用技术飞速发展促进了自动控制技术发展，使人类社会步入了自动化时代， 单片机应用技术和其它学科领域交叉融合，促进了学科发展和专业更新，引发了 新兴交叉学科和技术不停涌现。现代科学技术飞速发展，改变了世界，也改 变了人类生活。因为单片机体积小、重量轻、功效强、抗干扰能力强、控制 灵活、应用方便、价格低廉等特点，计算机性能不停提升，单片机应用也更 加广泛尤其是在多种领域控制、自动化等方面。 在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能关键设备，一是要含有较 高能量转换效率；二是应能依据生产工艺要求调整转速。电动机调速性能 怎样对提升产品质量、 提升劳动生产率和节省电能有着直接决定性影响。 所以， 调速技术一直是研究热点。 直流电机因为含有速度控制轻易，开启制动性能良好，且能在宽范围内平滑 调速等特点而在电力、冶金、机械制造等工业部门中得到广泛应用。直流电动机 转速控制方法可分为两类：励磁控制阀和电枢电压控制法。励磁控制法控制磁 通，其控制功率即使小但低俗时受到磁场饱和限制，高速时受到换向火花和转 向器结构强度限制，而且因为励磁线圈电感较大动态响应较差。所以常见控 制方法是改变电枢端电压调速电枢电压控制法。 传统改变端电压方法是经过调整电阻来实现，但这种调压方法效率 低。伴随电力电子技术发展，发明了很多新电枢电压控制方法。其中脉宽调 制（Pulse Width Modulation,PWM）是常见一个调速方法。其基础原理是用改 变电机电枢电压接通和断开时间比（即占空比）来控制马达速度，在脉宽 调速系统中当电机通电时，其速度增加，电机断电时其速度降低。只要根据一定 规律改变通断电时间，就可使电机速度保持在一稳定值上。1.4单片机和微处理器控制系统发展：单片微型计算机诞生是计算机发展史上一个新里程碑。多年来，伴随 技术发展和进步，和市场对产品功效和性能要求不停提升，直流电动机 应用愈加广泛，尤其是在智能机器人中应用。直流电动机起动和调速性能、 过载能力强等特点显得十分关键，为了能够适应发展要求，单闭环直流电动机 调速控制系统得到了很大发展。而作为单片嵌入式系统关键单片机，正 朝着多功效、多选择、高速度、低功耗、低价格、大存放容量和强 I/O 功效等方 向发展。伴随计算机档次不停提升，功效不停完善，单片机已越来越广泛地 应用在多种领域控制、自动化、智能化等方面，尤其是在直流电动机调速控 制系统中。这是因为单片机含有很多优点：体积小，功效全，抗干扰能力强，可 靠性高，结构合理，指令丰富，控制功效强，造价低等。所以选择单片机作为控 制系统关键以提升整个系统可靠性和可行性。 早期直流传动控制系统采取模拟分离器件组成， 因为模拟器件有其固有 缺点，如存在温漂、零漂电压，组成系统器件较多，使得模拟直流传动系统 控制精度及可靠性较低。伴随计算机控制技术发展，微处理器已经广泛使用于 直流传动系统，实现了全数字化控制。因为微处理器以数字信号工作，控制手段 灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速控制精度、可靠性和稳定性比 模拟直流调速系统大大提升。所以，直流传动控制采取微处理器实现全数字化， 使直流调速系统进入一个崭新阶段。 微处理器诞生于上个世纪七十年代， 伴随集成电路大规模及超大规模集成电 路制造工艺快速发展，微处理器性价比越来越高。另外，因为电力电子技术 发展，制作工艺提升，使得大功率电子器件性能快速提升。为微处理器普 遍用于控制电机提供了可能，利用微处理器控制电机完成多种新奇、高性能 控制策略，使电机多种潜在能力得到充足发挥，使电机性能更符合工业生 产使用要求，还促进了电机生产商研发出多种如步进电机、无刷直流电机、开关 磁阻电动机等便于控制且实用新型电机，使电机发展出现了新改变。 对于简单微处理器控制电机，只需利用用微处理器控制继电器、电子开关 元器件，使电路开通或关断就可实现对电机控制。现在带微处理器可编程控 制器，已经在多种机床设备和多种生产流水线中普遍得到应用，经过对可编 程控制器进行编程就能够实现对电机规律化控制。 对于复杂微处理器控制电 机,则要利用微处理器控制电机电压、电流、转矩、转速、转角等，使电机按 给定指令正确工作。经过微处理器控制，可使电机性能有很大提升。现在 相比直流电机和交流电机她们各有所长，如直流电机调速性能好，但带有机械换 向器， 有机械磨损及换向火花等问题； 交流电机， 不管是异步电机还是同时电机， 结构全部比直流电机简单， 工作也比直流电机可靠， 但在频率恒定电网上运行时， 它们速度不能方便而经济地调整 。高性能微处理器如 DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR 即数字信号处理器)出现， 为采取新控制理论和控制 策略提供了良好物质基础，使电机传动自动化程度大为提升。在优异数控 机床等数控位置伺服系统，已经采取了如 DSP 等高速微处理器，其实施速度可达数百万兆以上每秒，且含有适合矩阵运算。1.5设计思绪：直流电机PWM控制系统关键功效包含：实现对直流电机加速、减速，而且能够调整电机转速，能够很方便实现电机智能控制。主体电路：即直流电机 PWM 控制模块。这部分电路关键由 AT89S52 单片机 I/O 端口、定时计数器、外部中止扩展等控制直流电机加速、减速和电机正转和反转，而且能够调整电机转速，能够很方便实现电机智能控制。 其间是经过 AT89S52 单片机产生脉宽可调脉冲信号并输入到 L298 驱动芯片来 控制直流电机工作。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： 关键由 AT89S52 单片机外部中止扩展电路组成。直流电机PWM控制实现部分关键由部分二极管、电机和 L298 直流电机驱动模块组成。设计显示部分：LED 数码显示部分，实现对超声波测距离实时显示。第二章 总体设计方案2.1、本小车使用AT89S52单片机作为主控芯片，它经过超声波测距来获取小车距离障碍物距离，而且用LED显示出来，当小车和障碍物距离大于40cm时，小车会沿直线前进，当小车和障碍物距离小于30cm时，小车转弯以避开障碍物，而且此时蜂鸣器报警。在避开障碍物后，小车会沿直线前进。简明框图图2-1。 图 2-12.2、 总体电路原理图 第三章 硬件设计一个单片机应用系统硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部功效单元，如ROMRAMI/O口定时/记数器中止系统等能量不能满足应用系统要求时，必需在片外进行扩展，选择合适芯片，设计对应电路。二是系统配置，既根据系统功效要求配置外围设备，如键盘显示器打印机A/DD/A转换器等，要设计适宜接口电路。（一）80C51单片机硬件结构80C51单片机是把那些作为控制应用所必需基础内容全部集成在一个尺寸有限集成电路芯片上。假如按功效划分，它由以下功效部件组成，即微处理器、数据存放器、程序存放器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中止系统及特殊功效寄存器。它们全部是经过片内单一总线连接而成，其基础结构依旧是CPU加上外围芯片传统结构模式。但对多种功效部件控制是采取特殊功效寄存器集中控制方法。1 微处理器该单片机中有一个8位微处理器，和通用微处理器基础相同，一样包含了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制处理功效，不仅可处理数据，还能够进行位变量处理。2 数据存放器片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存放程序在运行期间工作变量、运算中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存放器。3 程序存放器因为受集成度限制，片内只读存放器通常容量较小，假如片内只读存放器容量不够，则需用扩展片外只读存放器，片外最多可外扩至64k字节。4 中止系统含有5个中止源，2级中止优先权。5 定时器/计数器片内有2个16位定时器/计数器， 含有四种工作方法。6 串行口1个全双工串行口，含有四种工作方法。可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至和多个单片机相连组成多机系统，从而使单片机功效更强且应用更广。7 P1口、P2口、P3口、P4口为4个并行8位I/O口。8 特殊功效寄存器共有21个，用于对片内个功效部件进行管理、控制、监视。实际上是部分控制寄存器和状态寄存器，是一个含有特殊功效RAM区。由上可见，80C51单片机硬件结构含有功效部件种类全，功效强等特点。（二）最小应用系统设计80C51是片内有ROM/EPROM单片机，所以，这种芯片组成最小系统简单可靠。用80C51单片机组成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，图3.1 80C51单片机最小系统所表示。因为集成度限制，最小应用系统只能用作部分小型控制单元。其应用特点：(1) 有可供用户使用大量I/O口线。(2) 内部存放器容量有限。(3) 应用系统开发含有特殊性。图3.1 80C51单片机最小系统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，对天气改变敏感。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。 探测障碍最简单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。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触发信号，把触发信号经过TRIG管脚输入到超声波测距模块，再由超声波测距模块发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻同时单片机经过软件开始计时，超声波在空气中传输，途中碰到障碍物返回，超声波测距模块接收器收到反射波后经过产生一个回应信号并经过ECHO脚反馈给单片机，此时单片机就立即停止计时。时序图图1所表示。因为超声波在空气中传输速度为340m/s，依据计时器统计时间t，就能够计算出发射点距障碍物距离，即：S=VT/2，经过单片机来算出距离。图3.1：超声波测距原理（2）超声波障碍检测超声波是一个在弹性介质中机械振荡，其频率超出20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波能够在气体、液体及固体中传输，其传输速度不一样。它有折射和反射现象，且在传输过程中有衰减。利用超声波特征，可做成多种超声波传感器，结合不一样电路，能够制成超声波仪器及装置，在通讯、医疗及家电中取得广泛应用。作为超声波传感器材料，关键为压电晶体。压电晶体组成超声波传感器是一个可逆传感器，它能够将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，故它分为发送器和接收器。超声波传感器有透射型、反射型两种类型，常见于防盗报警器、靠近开关、测距及材料探伤、测厚等。本设计采取T/R-40-12小型超声波传感器作为探测前方障碍物体检测元件，其中心频率为40Hz，由80C51发出40KHz脉冲信号驱动超声波传感器发送器发出40KHz脉冲超声波，如电动车前方碰到有障碍物时，此超声波信号被障碍物反射回来，由接收器接收，经LM318两级放大，再经带有锁相环音频解码芯片LM567解码，当LM567输入信号大于25mV时，输出端由高电平变为低电平，送80C51单片机处理。超声波检测图3.2超声波检测电路所表示。图 3.2 超声波检测电路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、显示画面稳定不闪烁。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。对于本课题要求，我们选择LED就能够实现功效了，程序简单，成本低。数码管显示原理：数码管有一位、双位、四位等多个。而不管将几位数码管连在一起，数码管和显示原理全部是一样，全部是靠点亮内部发光二极管来发光。数码管内部电路结构以下页图所表示：从（a）可看出，一位数码管引脚数是10个，显示一个8字需要7个小段，另外还有一个小数点，所以其内部一共有8个小发光二极管，最终还有一个公共端，生产商为了封装统一，单位数码管全部封装10个引脚。而它们公共端又分为共阳极和共阴极。上页图（b）和（c）分别为共阳极和共阴极数码管原理图。本小车数码管采取是3位共阴极数码管。所谓“共阴”就是指其内部8个发光二极管阴极全部接在一起，而它们；阳极是独立，通常在设计电路时通常把阴极接地，当我们给数码管任一个阴极加高电平时，对应那个发光二极管就点亮了。当使用多位一体数码管时，它们内部公共端是独立，而负责显示什么数字段线全部全部是连在一起，独立公共端能够控制多位数码管中哪一位点亮。通常我们把公共端叫做“位选线”，连在一起段线叫做“段选线”。图3.2：数码管内部原理3.3、数码管驱动模块；3.4、驱动模块：方案一：采取ULN驱动，它是由7组达林顿晶体管阵列和对应电阻网络和钳位二极管网络组成,含有同时驱动7组负载能力，通常见于高速大功率驱动电路。所以我们不采取这个方案。方案二：采取由双极性管组成H桥电路（L298N）。用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调开关状态，正确调整电机转速。这种电路因为工作在管子饱和截止模式下，则效率很高；H桥电路确保了能够简单地实现转速和方向控制，电子开关速度很快，稳定性也很高。而且它有更强驱动能力。L298N有过电流保护功效，当出现电机卡死时，能够保护电路和电机等。L298N有过电流保护功效，当出现电机卡死时，能够保护电路和电机等。所以我们选择L298N。图3.3：L298内部原理图4个电力晶体管基极驱动电压分为两组。VT1和VT4同时导通和关断，其驱动电路中Ub1=Ub4；VT2和VT3同时动作，其驱动电压Ub2=Ub3= -Ub1。双极式PWM变换器优点以下：（1）电流一定连续；（2）可使电动机在四象限中运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速时，每个晶体管驱动脉冲仍较宽，有利于确保晶体管可靠导通；（5）低速平稳性好，调速范围可达0左右。1、脉宽调制原理：脉宽调制器本身是一个由运算放大器和多个输入信号组成电压比较器。运算放大器工作在开换状态，稍微有一点输入信号就可使其输出电压达成饱和值，当输入电压极性改变时，输出电压就在正、负饱和值之间改变，这么就完成了把连续电压变成脉冲电压转换作用。加在运算放大器反相输入端上有三个输入信号。一个输入信号是锯齿波调制信号，另一个是控制电压，其极性大小可随时改变，和锯齿波调制信号相减，从而在运算放大器输出端得到周期不变、脉宽可变调制输出电压。只要改变控制电压极性,也就改变了PWM变换器输出平均电压极性,所以改变了电动机转向.改变控制电压大小,则调整了输出脉冲电压宽度,从而调整电动机转速.只要锯齿波线性度足够好,输出脉冲宽度是和控制电压大小成正比.2、逻辑延时步骤：在可逆PWM变换器中,跨接在电源两端上下两个晶体管常常交替工作.因为晶体管关断过程中有一段存放时间和电流下降时间,总称关断时间,在这段时间内晶体管并未完全关断.假如在此期间另一个晶体管已经导通,则将造成上下两管之通,从而使电源正负极短路.为避免发生这种情况,设置了由RC电路组成延时步骤.3 电源设计 本设计电源为车载电源。为确保电源工作可靠，单片机系统和动力伺服系统电源采取了大功率、大容量蓄电池；而传感器工作电源则采取了小巧轻便干电池。3.5、速度自控模块此模块功效是经过软件pwm自行输入一个速度后，小车就会根据输入速度进行直线前进，直到碰到障碍物。经过软件pwm信号来输入设定速度，小车就会根据此速度前进，在超声波测距测量障碍物，软件依据障碍物不一样距离来控制pwm信号，在障碍物大于40cm pwm信号自减，小于30cm pwm信号自增，单片机pwm信号输出经光电耦合输出取反，以后控制驱动模块，驱动直流电机。Pwm 信号在软件中设置限制，以预防在pwm信号在自增或自减情况下出现负值或大于一百，软件设置以下；if (ZK1=100) ZK1=12; if (ZK1=100) ZK2=12; if (ZK2=0) ZK2=12;在pwm信号超出设置数值，自动设置数值；第四章 软件设计系统软件设计说明在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量工作就是怎样依据每个生产对象实际需要设计应用程序。所以，软件设计在微机控制系统设计中占关键地位。对于本系统，软件更为关键。在单片机控制系统中，大致上可分为数据处理、过程控制两个基础类型。数据处理包含：数据采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序关键是使单片机按一定方法进行计算，然后再输出，方便控制生产。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效，相对独立程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。模块程序设计法关键优点是：1、 单个模块比起一个完整程序易编写及调试；2、 模块能够共存，一个模块能够被多个任务在不一样条件下调用；3、 模块程序许可设计者分割任务和利用已经有程序，为设计者提供方便。本系统软件采取模块化结构，由主程序定时子程序、避障子程序中止子程序显示子程序调速子程序算法子程序组成。第五章 结论历时三个月设计过程中，我首先边查资料，边在试验室焊接小车线路板。在焊接过程中，我感觉到即使是一个简单电路，要想很轻松焊好，也不是很轻易事情。有时是“虚焊”原因，有时可能是阻值选错。在焊接显示电路时，我就错将680欧电阻焊成了6.8千欧。这使我深深感受到理论和实际间差距。在调试过程中，发觉插上编程器后不能烧制程序，经过检验电路发觉，AT89S52芯片使能端没有接VCC。改好以后重新烧制，发觉还是不能够，经过再次检验，发觉是共阴管驱动芯片74LS245引脚出现焊接错误。经过这些调试，提升了我检验电路能力，和巩固了电路图知识。经过这么设计，提升了我动手能力。天天在试验室除了焊接线路板，还能够上机编程，使我软件调试知识也提升了。本设计采取是89S52单片机，这关键是因为该单片机稳定性比很好。还能够采取其它系列单片机。比如采取陵阳单片机，就能够简化编程，但其稳定性不是很好。 致 谢历时三个月毕业设计已经告一段落。经过自己不停搜索努力和白老师耐心指导和热情帮助，本设计已经基础完成。在这段时间里，白老师严谨治学态度和热忱工作作风令我十分钦佩，她指导使我受益非浅。经过这次毕业设计，使我深刻地认识到学好专业知识关键性，也了解了理论联络实际含义，而且检验了大学四年学习结果。即使在这次设计中对于知识利用和衔接还不够熟练。不过我将在以后工作和学习中继续努力、不停完善。这三个月设计是对过去所学知识系统提升和扩充过程，为以后发展打下了良好基础。因为本身水平有限，设计中一定存在很多不足之处，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，,5905912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，成全部：科技大学出版社。1990年1月4康华光，电子技术基础，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，单片机基础，北京：北京航空航天大学出版社，8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，1995参考文件和参考资料要求大于8条说明：1、对于著作类参考文件依次为:主编名、著作名称M、出版地址、出版社名称、出版年份、页码（参考上例1）。2、对于期刊类参考文件依次为:作者名、文章名、期刊名J，年份、卷号（期号）、页码（参考上例2）。