單片機智能小車系統(tǒng)設計畢業(yè)設計論文

摘要智能汽車原本只是在科幻電影中出現(xiàn)的場景，現(xiàn)在已經(jīng)漸漸地走進我們的生活。從最簡單的倒車雷達到現(xiàn)在的自動駕駛，智能化汽車的概念早已深深的被社會接收，并且汽車智能化的需求也日益明顯。如何使汽車自動無人駕駛成為科研的主要方向。智能小車作為智能汽車的一個縮影，在國內(nèi)還是國際的各種比賽中，它的身影永遠是最亮眼的一道光，出現(xiàn)了很多不同的方案。伴隨著我們國家高新技術(shù)水平的日益提高和工業(yè)自動化水準的漸漸推進，智能車被普遍的用于多種玩具和其他產(chǎn)品的制造中，非常大地拓展了我們的眼界。本文的研究目的就是設計一種可以自動避障的智能小車，自動避障顧名思義就是能夠自動躲避行進路上的障礙物。 本文詳細討論了系統(tǒng)方案。然后分別討論了硬件系統(tǒng)設計和軟件系統(tǒng)設計。在硬件系統(tǒng)設計上，主要對超聲波測距、ic和主單片機進行講解。軟件系統(tǒng)設計主要針對系統(tǒng)的要求進行了論證。最后，討論了該系統(tǒng)的可伸縮性。關鍵詞： 單片機;無線傳輸;超聲波測距;電機驅(qū)動1Abstract Intelligent car appears only in the science fiction movie scenes in the past, but now it has come into our everyday lives gradually. From the simple car backing radar to the automatic driving, the concept of intelligent car has been accepted by our society widely, and the demand for intelligent cars is increasing apparently. How to make the cars drive themselves automatically is the main direction of scientific research in auto industry today. As an epitome of intelligent car, mini intelligent car or intelligent electric trolley appears in all kinds of competitions domestically and internationally. It is the brightest star always and many programs about it are emerging endlessly. With the continually improving of high-tech level and the constantly advancing in industrial automation process in China, intelligent electric trolleys are widely used in the designing of kids toys and other products, which has greatly enriched peoples lives. This article is aimed to design a kind of intelligent trolley that can avoid obstacles automatically, when it is encountered with different obstacles on its way moving. This article will have a detailed description on the systematic program firstly. Then explain about the hardware system design and the software system design separately. The hardware system design is mainly about the ultrasonic ranging and the MCU, and the software system design is focused on the argument of the system requirements. And the last part is about the extensibility of the system.Keywords:SCM;wireless transmission;ultrasonic ranging1 緒論1.1 課題背景以前在幻想電影中發(fā)明的機器人現(xiàn)在正在慢慢進入人們的現(xiàn)實生活中。機器人技術(shù)包括機電、自控、計算機、傳感器、人工智能、通訊與網(wǎng)絡等多個科目為代表，是由很多種高科技技術(shù)發(fā)展結(jié)晶的綜合集成，所以，它的發(fā)展與很多學科發(fā)展關系非常緊密，代表了高科技發(fā)展的前沿。伴隨著科技的蓬勃發(fā)展，人們發(fā)覺了很多種擁有感覺，判斷，行為和交流能力的機器人，從對機器人的無限遐想到如今機器人的相對普遍的現(xiàn)實出現(xiàn)在我們的生活中，機器人的運用早已涉及機電、冶金、交通運輸、航天、防御。隨著機器人智能化水平的逐步提高，并迅速改變著我們的生活方式，隨著機器人在人們生活領域中的應用越來越大，將給我們的生活帶來巨大的影響。外國機器人的發(fā)展有已下形勢。一方面機器人在制造行業(yè)運用的范圍日益廣闊，它的標準化、模塊化、網(wǎng)絡化、智能化程度越來越高，功能越來越強，正朝著技術(shù)和設備規(guī)模的方向發(fā)展；另一方面，機器人朝著非制造業(yè)的運用和微小型方向拓展。多功能小車可以解釋為機器人的一種特殊例子，它是一種通過程序編程手段完成某種指定任務的小規(guī)?；瘷C器人。與普通含以上的智能機器人對比，智能小車制造成本很低，電路的結(jié)構(gòu)比較容易，程序的調(diào)試也很便利，擁有濃厚的趣味性。1.2 研究內(nèi)容智能汽車作為曾經(jīng)在科幻電影中出現(xiàn)的場景，目前已經(jīng)在逐步走進我們的生活。從最簡單的倒車雷達到現(xiàn)在的自動駕駛，汽車智能的概念已被社會廣泛接認可，而且汽車智能化的需求也越來越明顯。如何真正使汽車自動無人駕駛，是目前科研的重心。這次設計的意圖是設計一種可以自動避障的小車，自動避障顧名思義，即是能夠自動躲避行進路上的障礙物。當今多功能小車的躲避障礙物的方式很多有應用在高級轎車上的多普勒雷達測距，它可以間接的實現(xiàn)汽車的自動駕駛。紅外避障可以在陽光不影響的情況下實現(xiàn)。作為倒車雷達的延伸，超聲波避障已在許多領域得到應用。目前，已經(jīng)應用了一些模型。超聲波避障技術(shù)是基于超聲波測距、超聲波測距的發(fā)展至今，技術(shù)方案各不相同。本文以智能避障車為研究對象。超聲波測距芯片作為超聲波測距單元作為設計方案。本文的主要內(nèi)容包括：1) 多傳感信號系統(tǒng)下主控器的處理2) 電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的設計3) 超聲波避障模塊的應用及設計2方案論證2.1系統(tǒng)總體方案設計根據(jù)設計任務要求，可將此系統(tǒng)劃它分為三部分。第一部分是單片機控制模塊，它由單片機最小系統(tǒng)、串口通信電路和相應輔助電路主要負責各個子模塊的控制，從而保證模塊不是很正常有序的完不成各自命令；第二個部分為驅(qū)動模塊，它的主要作用是驅(qū)動小車直流電機，使小車運動。第三個部分為超聲波傳感器，他主要是亂起把早用于對小的王夫人車運行前方的色弱障礙物進分行探測和對王夫人障礙物距離進額行法國人判斷。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。主控系統(tǒng)驅(qū)動模塊超聲波模塊驅(qū)動電機圖2-1系統(tǒng)總框圖2.2系統(tǒng)方案的選擇與比較2.2.1控制模塊方案的選擇第一種方案：選用數(shù)字的粉色發(fā)路平臺，整個超大幅度是聲波避障的控制系統(tǒng)由計數(shù)器、譯碼器和555定時字芯淡粉色地方片組成。其電路具有邏輯結(jié)不是很復雜單，但也有功能有很多、不統(tǒng)一調(diào)試等缺點。第二種方案：選用單阿迪飛機片機平臺，整個超地方額積分聲波避障統(tǒng)由MCS-51單片機小的統(tǒng)款到發(fā)貨作為主控制芯片。同時，STC89C52RC單片機擁有面積大希的小、內(nèi)耗個低、控制的性雇個人能強、拓展靈活多變、微型地方豐富化和造作分個如果便長處。方案比較：雖然采用數(shù)字邏各環(huán)節(jié)考慮喝紅以實現(xiàn)超聲波測障，電路結(jié)構(gòu)簡負載單以，但整個完成的想的的功能單一。為了高質(zhì)量完成復雜的設計要求，此系統(tǒng)采用第二種方案。2.2.2超聲波模塊方案的選擇方案一：運用US-100超聲波芯片，US-100 超聲波測距芯片可實現(xiàn)2cm4.5m 的沒有接觸的測距性能、有2.65.8V 的電壓輸入?yún)^(qū)間、靜態(tài)功耗廣泛阿丹發(fā)的坤正于2mA，自帶感器不知道距的結(jié)論進行修改、還具有GPIO、串口等許多種聯(lián)系方式、內(nèi)含有看門狗、工作可靠穩(wěn)定性高。方案二：應用HC-SR04超聲波芯片，HC-SR04超聲波測距芯片可以提供2cm450cm的無接觸的距離感覺測量的能力，測量距離的精法人新法人附確度可達，芯片包含超聲波的發(fā)射電路、接收電路和控制器。方案比較：由于該系統(tǒng)的超聲波芯片主要應用在前方障礙物的檢測及障礙物遠進行轉(zhuǎn)動近的檢測，所以對功能是很高。經(jīng)過比較，故無的額地方額電飯鍋回來看你案選用第二種方案。2.2.3 電機的選擇方案論證電機是系統(tǒng)的動力來源，電機有不一樣的類型，其中步進電動機以及直流電動機最經(jīng)常使用。直流電機的特點是加上合適的電壓通過電機驅(qū)動即可進行轉(zhuǎn)動，但是旋轉(zhuǎn)精確度不是很高；步進電動機減速胡總惡化的江蘇的附二分 的運行方不一樣，通過脈沖控制電機按照節(jié)拍進行轉(zhuǎn)動，根據(jù)電機不同各有差異，精度，但慢。電運行方式各有樣的地方，普通的型地步進電動機可經(jīng)過過進行驅(qū)動機要求的工作電流與步進動機相比略大，需運用L293種的驅(qū)芯片控制，控制時單機輸出PWM波轉(zhuǎn)動度。直流電動機和步動機均可應用小車動所以兩種不同的方案。方案一：直流電機。由于加上了調(diào)節(jié)角度合適的減例的減速器，擁有很調(diào)速性能，通上電源即停的轉(zhuǎn)動，所以控制起來對可以是電壓大小改變速度的行駛簡單。調(diào)節(jié)電壓的大以改變的速度。L293D模塊做成的驅(qū)動可實現(xiàn)直流電機的控制，可配合PWM速機制（即脈沖寬度調(diào)制式）調(diào)速。此方電路都相對易，相對性比較好。方案二：步進電機。步進電機之可以精確的付費實現(xiàn)位置控制，是因為它通過輸入一個電脈沖信號就能使機的不舍和的本作品輸出軸轉(zhuǎn)動一定角度，通過接二連的輸入點脈沖信號，進電動機不斷的轉(zhuǎn)動，外部附的脈沖頻的不一樣，轉(zhuǎn)動度的就這樣小也不同。步進電動的運轉(zhuǎn)不受電的波負載的變和溫度、氣體壓力環(huán)件的干擾，僅僅與控脈沖相關，但是步進動機的速度非常慢，且消耗I/O資源過多，不適合本作品。具體差別見表2-1。表2-1 電機控制方式對比對比項 直流電機 步進電機調(diào)速性能 較好 較差位置控制精度 較差 好驅(qū)動 簡單 簡單穩(wěn)定性 較好 好，僅與控制脈沖有關速度 較快 緩慢單片機資源消耗 小 大如表2-1所示，步進電動機和直流電動機特點不一樣。步進電機雖然能夠進行精確的位置控制，但行動緩慢；鑒于直流電機易于控制、驅(qū)動電路相對簡單，足以滿足本設計位置控制的精度。故本設計選擇使用直流電機。2.2.4 電源模塊設計方案論證第一種方案是不能用7.5V電池，首先的可以是輸出電機供電，然后通經(jīng)過7805穩(wěn)壓管穩(wěn)壓出5V的給傳感器和單片供電。但是一般普通于6V的電池般的超市買的到，必須去專門賣電池的地方才不知道買到，這要會給用者帶來沒有必要的麻煩。第二種方案是使用普通的四節(jié)干電池供電，不需要穩(wěn)壓芯片。通過對比兩的風刃該如何方案的優(yōu)缺點，本次設計決定采用方案二。2.2.5驅(qū)動模塊方案的選擇第一種方案：采用由多個三極管和續(xù)流二極管組成的雙H橋驅(qū)動電路，該結(jié)構(gòu)原理簡單，但結(jié)構(gòu)復雜且驅(qū)動電流過小。第二種方案：采用以L293D為核心的集成驅(qū)動電路，該方案結(jié)構(gòu)簡單，且驅(qū)動電流大。方案比較：采用第一種方案時驅(qū)動電流不足，可能時的車運行緩慢，嚴啊分胎過分至會燒極管；第二種方不是動電流大，足以保證小運行，且體積小、電路所以此設計構(gòu)簡單。故此設計選用第二種方案。2.3系統(tǒng)總體方案論證系統(tǒng)設計方框總圖 如圖2-2所示。STC89C52RC最小系統(tǒng) L293D驅(qū)動模塊HC-SR04超聲波模塊 驅(qū)動直流電機圖2-2系統(tǒng)設計方框總圖經(jīng)上述對各模塊的方案選擇與討論，本次設計的超聲波測距避障的主要是用一個MCS-51系列單片機為控制的中心，STC89C52RC單片機用作超聲波測距避障的主要控制芯片；用HC-SR04超聲波傳感器作為對前方障礙物距離測量的傳感器；以L293D驅(qū)動模塊作為小車運動的驅(qū)動部分。3硬件電路設計硬件電路是整個系統(tǒng)的核心基礎，需要全面考慮系統(tǒng)運行的各個狀態(tài)。這里，除了要實現(xiàn)整個超聲波測距避障系統(tǒng)的基本功能以外，還需考慮以下幾個因素：系統(tǒng)的穩(wěn)定度和性能指標；元件器件的通常使用性和容易購買性；系統(tǒng)的可以拓展性。因此，硬件電路的設計至關重要，現(xiàn)對各功能模塊進行深度的分析與探討。3.1 主控制單元設計3.1.1單片機最小系統(tǒng)單片微小的計算機(Microcomputer Single Chip )簡稱單片機。它在一個芯片上匯集中央部分CPU、隨機的存器RAM、只讀的存儲器ROM、定時電和計數(shù)用在過萬很實用的還有能輸入/輸出的I/O端,例如并行端口、串行I/O端和轉(zhuǎn)換兼容模式等。MCS-51系列的在國外相當實用在國內(nèi)也更不用說了的使用，可作為單片機導系列，軟件和硬件資料和很豐富值得我們?nèi)ド钊胙芯坎帕虾茇S富。為了提升命令的行速率和準確度，應用面對控的方面和命令系統(tǒng)的單獨的CPU。本論文主要應用STC89C52RC單片機作是控制新聯(lián)的新造要控制模塊，由于它是現(xiàn)在使用較為普遍的MCS-51系列的可并聯(lián)的運行的片機?，F(xiàn)把STC89C52RC單片機的主要特征介紹如下：1）增強型6秒鐘一個機器周期，12秒鐘一個機器周期。2）工作電壓：3.4V5.5V。3）工作中的使用的頻率范圍：050MHz，等于于普通的8051的070MHz，現(xiàn)實的工作頻率可以達到66MHz。4）用戶使用的程序存儲空間為8K個字節(jié)。5）片上集成1280字節(jié)/512字節(jié)RAM。6）通常使用的輸入輸出端口（34/26個），復位以后是：P1/P2/P3/P4是雙向的端口若下拉（通常8051 傳統(tǒng)的I/O端口）。P0端口開使輸入，作為總線拓展使用時，不需要加上拉電阻，但是作為I/O端口使用時，必須加上上拉電阻。7）ISP（系統(tǒng)的可編程）/IAP（使用可編程），不需專地方門使用編程器傳亮并行可以經(jīng)過和仿真器便可以過串端口（P3.0/P3.1）直接的運行用戶的程序，8K的程序2秒便可以完成多片ISP（系統(tǒng)可編程）/IAP （使用可以編程），不需要專門使用編程器和仿真器便可以經(jīng)過串口（P3.0/P3.1）直接使用用戶的程序，8K程序5秒即可完成一次。8）里面有EEPROM的性能和看門狗的性能。9）共有4個18位定時器和計數(shù)器，其中有定時器0可以當做3個8位定時器運用。10）外部的中斷6路，下降沿的中斷或者低電平的觸發(fā)中斷，Power Down模塊行式可以由外部的中斷低電平觸發(fā)中斷的方式叫醒。11）通常使用同步串聯(lián)并行口(UART)，并且還可以使用定時器軟件來實現(xiàn)多個UART。12）工作溫度范圍：075。STC89C52RC單片機最小系統(tǒng)的最底層的工作電路形勢有包含時鐘電路、電源電路、和復位電路。其組成方框圖如圖3-1所示：單片機 電源電路 時鐘電路 復位電路圖3-1單片機最小系統(tǒng)組成方框圖1）電源電路電源電路的部分為單片機的最小系統(tǒng)還有其他功能部分提很多不正確的點位供更為準+5V電源的壓。2）時鐘電路單片機的時鐘信息給單片機芯片的里面的的很眾多作提供時間準，時鐘電路給單片機提供時鐘脈沖的程序。作為造成的不良效果作的間標準，突出的晶體的振蕩頻率為12MHz。MCS-51系列單片機的時鐘信息可由是給單片機的用途：一種為內(nèi)部的時鐘方式，運用芯片里面的波動大的電路；另其次是外面的時鐘方式。其兩種電路如圖3-2所示。(a)內(nèi)部時鐘方式（b）外部時鐘方式圖3-2單片機時鐘信號示意圖3）復位電路單片機的復位是讓CPU還有系統(tǒng)中這句話怎么的別的功可以能部件說重復都回到一個明確的以前的狀態(tài)，并且從初始狀態(tài)開始運作。在MCS-51系列單片得分機的RST輸入高電還是怎么維持2機器的時間周期，單片機里面就運行復位操作。單片機以為會為偶爾經(jīng)常的見復位電有兩種最為首要的形式：其中一種為上電復位，另一種是用手操作復位。其兩種電路運行操作方式如圖3-3（a）、（b）所示。在此設計中我們運用手動的恢復原位的方式。 （a）上電自動復位 (b）手動復位圖3-3單片機復位電路示意圖由于STC89C52RC單片機的模塊里面有時鐘振蕩的電路，因此這種系統(tǒng)單片機普遍運用里面的時鐘方式。僅需要在單片機的XTAL1和XTAL2引腳處接入石英晶體和微調(diào)電容，就形成了自己激勵振蕩器而且在單片機里面形成時鐘的信息脈沖信號。此時，也應用手動操作的復位電路。其具體的電路圖的設計如圖3-4所示。在這個圖中，C1、C2的電容的應用是穩(wěn)住頻率快慢和快速震蕩，其數(shù)值范圍為530pF，在這種選擇下30pF；晶振X1的震動的頻率值得范圍在1.212MHz中間選擇，在此選擇12MHz。圖3-4單片機最小系統(tǒng)電路圖單片機的引腳說明：89C52系列的單片機運用50Pin封存的雙向并列直接的DIP結(jié)構(gòu)，下圖是它們對引腳的配置，40個腳中，正及電源和接地線有兩根，外面布置的石英振蕩器的時鐘線路有三根，6組8位共48個輸入輸出端口，中斷端口線路和P3端口線的復合使用。其引腳排列如圖3-5。 圖3-5單片機引腳圖控制引腳介紹：1）ALE:系統(tǒng)在拓展的時候，P0端口為八位的數(shù)據(jù)線和低八位地址的復合引腳，ALE是用在把P0端口輸入的低八位的地址封存起來，用來實現(xiàn)低八位的地址以及數(shù)據(jù)的分離。2）PSEN；當在低電平有效的時候，可以實現(xiàn)對于外面的ROM部分的讀操作。3）EA:當EA信息為低電平時，ROM的讀的運作限制在外維程序的存儲器；當EA作為高電位時，對于ROM的讀的運作是從里面的程序存儲器開始，并且可以延深到外面的程序存儲器。4）RST:當輸處的恢復信息持續(xù)兩個機器周期還要往上的高電位時就為有效，用來完成單片機的恢復初始化運作。5）X1和X2：是外面介入晶振的引線端口。并聯(lián)運行的I/O端口的解釋：P0端口是一個8位的漏極端開路的雙向I/O口，端口為1時作為高阻抗的輸入端。作為輸出端口時能驅(qū)動8個TTL。P1端口是一個擁有里面上拉電阻的8位的雙向輸入輸出端口。輸入的時候可以讓4個TTL動作。端口為1時，里面的上拉電阻會把端口提到高電位，作為輸入使用。對里面的Flash程序存儲器編譯時，接受高8位區(qū)域信號。P2端口是一個擁有里面的上拉電阻8位雙側(cè)輸入輸出端口。輸出的時候可以驅(qū)動4個TTL。端口為1時，里面的上拉電阻會把端口扯到高電位，用于輸入使用。在運行外圍程序和16位外圍數(shù)據(jù)存儲器時，P2端口會送出高8位的方位。而在運行8位地址的外面的數(shù)據(jù)存儲器時它的引腳上的東西在這期間不會變化。P3端口為一個擁有里面的上拉電阻的8位雙側(cè)輸入輸出端口。輸出時可以讓4個TTL。端口為1時，里面的上拉電阻將端口提到高電位，用于輸入使用。除此之外P3端口還用于一些專門功能，具體請看下表3-1。3-1P3引腳的第二功能說明 P3引腳 兼用功能 P3.0 串行通訊輸入（RXD） P3.1 串行通訊輸出（TXD） P3.2 外部中斷0申請（ INT0） P3.3 外部中斷1申請（INT1） P3.4 定時器/計數(shù)器0的外部輸入(T0) P3.5 定時器/計數(shù)器1的外部輸入(T1) P3.6 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通WR P3.7 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通RD3.2 超聲波避障單元設計3.2.1 超聲波簡介超聲波的測試因為它的測量精確度較高，價格也很低，性能非常穩(wěn)定因此非常受認可。超聲波可以說是頻率值在20kHz以上的波形，它隸屬機械波的成分。超聲波遵守普通機械波在彈性物質(zhì)中的散發(fā)規(guī)律，比如在物質(zhì)中的分界點處出現(xiàn)反射還有折射現(xiàn)象，在入住物質(zhì)后被物質(zhì)吸收從而發(fā)生衰減等。恰巧由于具有這些特征，讓超聲波可用在對距離的測試中。伴隨著高新技術(shù)水平的日益提高，超聲波測量距離的技術(shù)被普遍使用在我們平常工作和生活之中。普通的超聲波測量距離的儀器可以用在固定物體液位的測試，適合用在建筑物里面、液位高矮的測試等。超聲波測量距離的電路可讓通常的模擬和數(shù)字電路搭成，由于基于本次通常的電路搭成的系統(tǒng)一般可靠性比較差，調(diào)試相對困難，可拓展性能較差，因此基礎在單片機的超聲波的測量距離的系統(tǒng)被普遍的使用。一般容易的外在電路產(chǎn)生和接受超聲波，單片機經(jīng)過采樣得到超聲波的散發(fā)時間，使用軟件計算出它的距離，而且可收集環(huán)境溫度進行測量距離的補償，它的測量電路很小巧，精確度很高，靈敏度快，可靠性好。3.2.2超聲波測距避障電路超聲波電路原理圖如圖3-6所示。發(fā)射電路主要由低噪矩形聲輸出的的運算的放大器和超聲信號波散發(fā)交換的額感嘆號能量器T40行成，單片機P61的端口另外電機輸入的80kHz的矩信號一路通反向然后送達超聲能器的一個電極，另外一條線路是單片機P60端口通過兩級的反向器然后送達超聲波互換器的另外一個電極，使用此種交換方式把矩形波信號附在超聲波互換器的兩側(cè)，可提升不用沒逼樣超聲波的分開發(fā)送端強度。輸出端運用多個反向器并列聯(lián)接，用來提升驅(qū)動水平。上面的電阻R19一個層次可提升運算放大器TL074輸入高電位的驅(qū)動能力，另一個方面也可增加超聲波互換器的阻撓結(jié)構(gòu)，減少它的自由的波動時間。超聲波互換器是利用壓在電晶體的諧波來運作的。當它的雙側(cè)外加脈沖信息，它的頻率相當于壓電晶片的內(nèi)在波動頻率時，壓電晶片可能發(fā)生諧振，并且轉(zhuǎn)動諧振板波動生成超聲波，此時它也是一個超聲波生成器；發(fā)而，若兩個電極的外加電壓，當諧振板收到超聲波時，會壓迫壓電晶片波動，把機械能量轉(zhuǎn)換為電能信息，此時它也就是超聲波接收互換器。超聲波發(fā)射器與接收器在結(jié)構(gòu)上會有不一樣，應用時時候應該分清楚器件上的標志。圖3-6超聲波模塊電路原理圖超聲波接收電路由電平轉(zhuǎn)換芯片ST20以及超聲波收發(fā)互換器R40構(gòu)成。ST202是一個電位互換的專門使用的芯片，經(jīng)常用在電腦技術(shù)控器上。想到不是的遙控常使用的下載波形頻率38 kHz和測量距離的超聲波頻率40 kHz相近，因為于ST202接受到40KHZ的信息時，將在第7腳處生成一個低電位下降的脈沖序列，此信號可收到單片機的外面的中斷腳成為中斷信信息輸出，可使用其生成的超聲波收發(fā)電路。實驗驗證了使用ST202收發(fā)超聲波，擁有很固定的錯的強大的應能力以及很強的很自大的擾能力。3.2.3 HC-SR04超聲波測距模塊1）、產(chǎn)品特點：HC-SR04 超聲波測量距離的芯片可以生成 2cm-400cm 的無接觸式距離、遠近的感覺測能，測距度可以達到 3m；芯片包括波收發(fā)電路收發(fā)的電路與控制電路。 基本工作原理： (1)運用輸入輸出端口 TRIG 激發(fā)測量與遠近程度距離，最本的 10us 的高電位信息。 (2)芯自己個別人的發(fā)出 8 個 40khz 的矩形波，自機械自動擋信號的回復； (3)有信號回復，經(jīng)過踢狗的電源的端口 ECHO 發(fā)出一個很大的電位，高電位連續(xù)的時間是超聲波從申城的信息回返的時間。 2）、實物圖：如圖接線方式，VCC 供給 5V的電度， GND 為低地線，TRIG 生成控制總的信息的輸出，ECHO 回反的信息輸入等四個接收端口。圖3-7超聲波模塊實物圖 3）、電氣參數(shù)：表3-2 HC-SR04電氣參數(shù) 元件名稱 HC-SR04 超聲波模塊 工作電壓 DC 5 V 工作電流 15mA 工作頻率 40kHz 最遠射程 4m 最近射程 2cm 測量角度 15 度 輸入觸發(fā)信號 10uS 的 TTL 脈沖 輸出回響信號 輸出 TTL 電平信號，與射程成比例 規(guī)格尺寸 45*20*15mm4）、超聲波時序圖：圖3-8 超聲波時序圖以上時序圖表明你只需要提供一個 10uS 以上脈沖觸發(fā)信號，此芯片里面把散發(fā)的 8 個 40kHz 周期的電位并且檢查回波。一經(jīng)檢查到有回波信息于是輸入回波信息?；夭ㄐ畔⒌拿}沖點位的角度的測量的距例關系。因此經(jīng)過發(fā)射信息直到收到回波信息時間的間隔可算出距離值。測出的周期是 60ms 以下，為了防止發(fā)出的信息對回波信息有影響。 注：1) 此模塊不宜帶電連接，若要帶電連接，則先讓模塊的 GND 端先連接，否則會影芯片的運行和操作的正常工作。 2) 測量距離時，被檢測障礙物的距離不多于 0.5 平方米并且面積盡量要平滑，否則會影響測試的結(jié)論。3.3 超聲波收發(fā)電路要想運行超聲波芯片，第一使用單片機輸入一個40kHz觸發(fā)信息，將觸發(fā)信息經(jīng)過TRIG腳輸出超聲波芯片成為超聲波模塊的啟用信息，在由超聲波接受器把所方向發(fā)出超聲波，在發(fā)出超聲波的時候單片機復位定時器計數(shù)寄存器，并且形成計時。超聲波由氣體進行傳送，途中遭遇障礙物會被反回，當超聲波模塊發(fā)射器收到超聲波的折射波以后，會生成一個警示信息并且由Echo腳發(fā)送給單片機，這時單片機會立即終止計時器的計算，并取出計數(shù)寄存器中的值進行換算。因為超聲波在氣體中的傳送速度約為340m/s，單片機計時寄存器的數(shù)值可以算作出聲音傳播的時間t，繼而就可以換算出障礙物與超聲波模塊的距離，其公式為：S=VT/2。超聲波接口電路見圖4-1。圖3-9超聲波接口電路3.4 電機驅(qū)動設計在這次設計中，智能車用的是直流電動機。從單片機輸送出的信息功能很小，在沒有別的外加負載時也不能帶動電動機，因此在實際的電路中我們加入了電機的操作芯片提升輸出電機信息的速率，能依據(jù)需要控制電動機運轉(zhuǎn)。這次設計中電機驅(qū)動應用L293D集成H橋的模塊如圖3-10。L293D中有多套H橋的電路，恰好可操縱兩個電動機。使能端可外收高低電位，還可用單片機進行軟件的操縱，很大地豐富了很多復雜電路要求。此模塊的主要特征是：工作電壓很高，最高的工作電位可以達到36V；輸入的電流很大，瞬時最大值電壓可以達到2A，連續(xù)工作的電流值是1A；里面有兩個H橋的低電壓小電流半橋式操縱器，可用于操縱直流電機和步進電機；運用正確的邏輯電位信號控制；擁有多個使能控制端口，在不被輸出信息的影響的狀況下可以或停止器件運作；還有一個邏輯電位輸出端，讓里面的邏輯電路部分在高電位情況下工作；可接檢查電容，把變量反給控制芯片。引腳如功能如表3-10所示。圖3-10L293D引腳圖L293D可以接收準確的TTL邏輯電位信息VCC，VCC可以接入4.57 V的電壓。8腳Vss接入電源電流，Vss電壓大小區(qū)間位2.536V。輸入電流值可以上升為2A，可以操縱電容性器件。1腳以及9腳下的發(fā)出極分別獨立流出為了便于接入電源采樣電壓，構(gòu)成電源傳送信息。L293D可以操縱2個電機，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4中間可以分開分開個別接入電機，這個設計用的是操縱兩臺電機。2、7、10、15腳接入輸出控制的電位，操控電動機的正反旋轉(zhuǎn)。ENA、ENB接入操控使能端，操控電動機的轉(zhuǎn)動。這次設計運用大電壓，高電流的L293D全橋操縱模塊，這個外面的電路計算如圖3-11所示，其響應的速率很高，一個L293D可分開個別的操縱兩個直流電動機。兩個電動機的各個方向信息以及兩個PWM信號通過L293D后可以不錯的操控電動機的轉(zhuǎn)動以及很大區(qū)域的操控電源。L293D引腳的功能如表3-3所示。表3-3L293D主要引腳編號與功能編號 引腳端口 引腳功能1 ENA 接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)2 INPUT1 控制M1電機PWM1輸入引腳3 OUTPUT1 M1電機驅(qū)動輸出引腳正極4 GND 電源地接口6 OUTPUT2 M1電機驅(qū)動輸出引腳負極7 INPUT2 控制M1電機轉(zhuǎn)向輸入引腳8 Vss 邏輯電源+5V接口9 ENB 接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)10 INPUT3 控制M2電機PWM2輸入引腳11 OUTPUT3 控制M2電機轉(zhuǎn)向輸入引腳正極14 OUTPUT4 控制M2電機轉(zhuǎn)向輸入引腳負極15 INPUT4 控制M2電機轉(zhuǎn)向輸入引腳16 VCC 輸入電機驅(qū)動電壓接口表3-4 L293D對直流電機控制的邏輯功能表 輸入 C D 輸出 H H L 正轉(zhuǎn) H L H 反轉(zhuǎn) L * * 無輸出，不工作說明：表3-4為L293D的邏輯控制表，其中C、D分別為IN1、IN2或IN3、IN4；L為低電平，H為高電平，*為不管是低電平還是高電平。如圖3-11所示，本設計中L293D的OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間各接一個小直流電動機。VCC 19引腳以及Vss09引腳送入電源，4、5、12、13引腳全部接入大地。2、7、10、15引腳接入輸出操縱信息，控制電機的正反轉(zhuǎn)。圖3-11電機驅(qū)動電路圖單片機的端口給出的PWM信息會間接和ENA、ENB相互連接操控使能端，即而到達操縱電動機的直線行駛、加減速行駛、倒退行駛等。在本芯片的設計中，運用了大范圍新信息，經(jīng)過變化智能小車的占空間的比例對小車的穩(wěn)定性進行調(diào)試。把小車速率分開為20個檔位，就可使小車在調(diào)節(jié)中獲得一個適當?shù)乃俾?，讓它運行在相對合適的狀態(tài)。電機模塊智能小車在檢測到障礙物后能夠及時避讓的關鍵，當智能小車將障礙物的距離和位置信息進行計算后，便將其進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成電機控制的電平信號，進而控制智能車的左右轉(zhuǎn)動。3.5 直流電機我們通常將可以把直流電能與來回互換電機稱為直流電機，當它把電的能量轉(zhuǎn)化為機械輸出的能量時為直流電動機，如果它把機械能轉(zhuǎn)化為電的能量的時候稱為直流的發(fā)電機。因為操縱器L293D可間接操控直流電機。每當不要求變化速率的時候，把兩個腳接入電壓，讓電動機運作在全速水平，便可以經(jīng)過短接來電機轉(zhuǎn)動。輸出信息端IN1接高電位輸出端口IN2接入低電壓，電動機的M1會正轉(zhuǎn)，而IN1接入高電位輸出端口IN2接入高電壓，于是反轉(zhuǎn)動。表3-5 驅(qū)動器驅(qū)動直流電機方式電機旋轉(zhuǎn)方式控制端IN1控制端IN2控制端IN3控制端IN4輸入PWM信號改變脈寬可調(diào)速調(diào)速端A調(diào)速端BM1正轉(zhuǎn)高低/高/反轉(zhuǎn)低高/高/停止低低/高/M2正轉(zhuǎn)/高低/高反轉(zhuǎn)/低高/高停止低低/高4系統(tǒng)軟件設計硬件結(jié)構(gòu)如果定下來，功能的大體框架也就形成了，軟件是建立在硬件平臺的，實現(xiàn)每個部分的硬件的操控以及復合操作。系統(tǒng)的性能是軟硬件聯(lián)合運行的，因為軟件的可以延伸的性質(zhì)，最后形成的系統(tǒng)性能可以強也可以不強，差異較大。于是，軟件對系統(tǒng)來說是核心。軟件運用集成化構(gòu)造方式，不只容易編程或者調(diào)試，還可以縮小軟件發(fā)生付賬的可能性以及提升軟件靠譜性。4.1主程序流程系統(tǒng)主要的程序芯片是實現(xiàn)對整個系統(tǒng)中各個部分電路的初始化操作，這包含對驅(qū)動電路模塊以及對超聲波傳感器模塊的初始化，也來回發(fā)出脈沖信息，等待外部中斷以及根據(jù)所需要功能進行相應的操作。主程序流程如圖4-1所示。 開始初始化啟動小車避障程序測距 有無有障礙物嗎圖4-1主程序流程圖4.2主要子程序流程4.2.1超聲波子程序流程主要是實現(xiàn)功能測距軟件分為兩部分，主程序和中斷服務程序，定時中斷的子程序完成超聲波的來回發(fā)送，外面的中斷子程序則實現(xiàn)時間內(nèi)容的讀取、距離遠近的計算、結(jié)論的輸出操作。主要的程序第一是對整體環(huán)境初始操作，設定定時器T0運作方式是16位定時計數(shù)器方式?？傊袛嗫梢允笶A給顯示端口P0和P1清0。后來調(diào)回超聲波產(chǎn)生的子程序給出一個超聲波脈沖序列，是免除超聲波從發(fā)出直接傳播到發(fā)出造成的折射波發(fā)出，要求拖延約0.1 ms后才可以開外部中斷0接受彈回的超聲波信息。因為應用的是12MHz的晶體振當，計數(shù)器每當計算一個數(shù)值就會花費1s，所以主程序檢查到成功的準確位置以后，把計數(shù)器T0中的數(shù)按公式（2）進行計算，便可以獲得被測東西和測量距離器件之間的長短，設計時位20時的聲音速度是344 m/s于是有:d=(ct)/2=172T0/10000cm(2)在這當中，T0是計數(shù)器T0的數(shù)值。 超聲波產(chǎn)生的子程序功能是經(jīng)過P1.0口發(fā)出大約2個超聲波脈沖信息，脈沖寬窄是12s大約，這時讓計數(shù)器T0進行計算時間。超聲波產(chǎn)生的子程序比較容易，但是需要程序操作正確，因此運用C語言的編程。超聲波測量距離儀器主程序用來檢測外部中斷檢查回返超聲波的信息，如果收到彈回的超聲波信息，即可運行中斷部分。運行中斷以后就立刻打開計時器T開始計算時間，并且把測量距離的字賦值為1。如果當計時器溢出來的時候并沒有檢查到超聲波彈回的信息，那么定時器T0溢出來的中斷信息會讓外不中斷0閉合，而且把測量距離賦值為2用來表示這次測量距離的失敗。 前面的測量距離的電路所輸出的端口接入單片機INT0口，中斷的優(yōu)先級別很高，左邊和右邊的測距電路會輸出經(jīng)過或門IC3A的輸入接入單片機INT1口，此時單片機P1.3和P1.4收到的IC3A的輸出端口，對中斷的源頭的認知程序的查詢來操作，中斷的優(yōu)先級是先右后左。37外部中斷入口定時器中斷入口開始關外部中斷定時器初始化初始化讀取時間值定時中斷子程序發(fā)射超聲波計算距離發(fā)射完否有回波嗎N N結(jié)果輸出開外部中斷停止發(fā)射外部中斷子程序Y Y返回返回返回a. 主程序流程 b.定時中斷服務子程序流程 c. 外部中斷服務子程序流程圖4-2超聲波測距系統(tǒng)軟件設計4.2.2避障子程序流程圖當智能小車檢查到有障礙物以后，執(zhí)行避障的子程序，判斷障礙物的情況，根據(jù)障礙物的情況選擇相應的避障方式控制小車做出做出相應的避障動作。避障完成后退出。其子程序流程圖如圖4-3所示。開始初始化控制器發(fā)送超聲波測距命令 讀取串口數(shù)據(jù)計算實測距離值USValue USValue40CM小車右轉(zhuǎn)Y YN延時500ms小車前進上傳距離信息返回圖4-3避障子程序流程圖4.3軟件調(diào)試單片機是這次設計的主要控制元件，只要確保單片機的正確操作才可以實現(xiàn)程序的操作以及控制。確保單片機最小系統(tǒng)可以正常的運作才是真正的前提。識別的方法是用萬能表測試單片機時鐘引腳（18、19腳）的對于地面的壓降，為了正常的運轉(zhuǎn)單片機可以以數(shù)字萬用表測試為實例：18的腳對于地面約為2.24V，19腳對與地面約為2.09V。針對疑惑是恢復電路事故從而不可以正常的運作單片機便可應用模擬恢復的辦法去識別，單片機通常的工作時第9腳對與地面的壓降為零，可使用導線在最短的時間和5V接觸一下，實現(xiàn)一下上電復位，一旦單片機能可以運作了，說明這個復位電路沒問題。本設計功能很多，所以對于它的程序也較為復雜，所以在編寫程序和測試時候發(fā)現(xiàn)了很多疑問。第一要對測試用的延時進行修改，可以解決避障的問題。這次設計應用了Keil4 軟件進行編寫程序和程序的運行監(jiān)測，這款軟件也是目前最為廣泛的發(fā)現(xiàn)MCS-51 系列單片機的軟件。熟練使用這一款軟件對于51 系列單片機的粉絲來說是非常必要的。圖4-4 Keil4 軟件界面圖在應用Keil4軟件時要求我們注意的是：在程序編程時要記住輸出.hex文件，由于STC