單片機(jī)課設(shè)避障小車

1、Harbin Institute of Technology單片機(jī)課程設(shè)計(jì)（論文）設(shè)計(jì)題目：超聲波避障小車 院 系：電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院 班 級(jí)： 設(shè) 計(jì) 者： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 胡瑞強(qiáng) 李成偉 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2014 年9月 9 日 至 2014 年9月19 日 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 姓 名：徐秀華 院 （系）：電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器 班 號(hào)：1101103 任務(wù)起至日期： 2014 年9月 9 日至 2014 年 9 月19 日 課程設(shè)計(jì)題目： 超聲波避障小車 已知技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求： 已知技術(shù)參數(shù)：1. 工作電壓：5v2. 工作電流：30mA

2、 典型，35mA 最大3. 工作頻率：40KHz4. 最大探測(cè)距離：3m5. 最小探測(cè)距離：2cm6. 輸入觸發(fā)器：上升沿觸發(fā)7. 回波脈沖：正TTL高電平脈沖寬度設(shè)計(jì)要求： 實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)避障任務(wù)，采用超聲波模塊實(shí)現(xiàn)小車避障功能。 工作量： 總工作時(shí)間為10天； 完成硬件電路的設(shè)計(jì)工作；設(shè)計(jì)程序流程圖并編寫、調(diào)試程序；硬件連接調(diào)試，完成設(shè)定的功能；最后撰寫開(kāi)題報(bào)告和結(jié)題報(bào)告各一份。 工作計(jì)劃安排：1)2014.9.92014.9.11：任務(wù)布置、查閱資料，了解小車避障原理，完成開(kāi)題報(bào)告；2)2014.9.122014.9.15：根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能及采用的方法設(shè)計(jì)程序流程并編寫程序；3)2014.

3、9.162014.9.17：程序裝載、調(diào)試運(yùn)行各種擬實(shí)現(xiàn)的功能，撰寫課程設(shè)計(jì)結(jié)題報(bào)告；4)2014.9.182014.9.19：完成硬件調(diào)試、驗(yàn)收。 同組設(shè)計(jì)者及分工： 指導(dǎo)教師簽字_ 年 月 日 教研室主任意見(jiàn)： 教研室主任簽字_ 年 月 日*注：此任務(wù)書(shū)由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師填寫開(kāi)題報(bào)告1、 立項(xiàng)依據(jù)1.1課題目的1.1.1 利用以8位AT89S51單片機(jī)為核心的教育機(jī)器人設(shè)計(jì)一輛利用超聲波傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)避障功能的小車，使小車對(duì)其運(yùn)動(dòng)方向受到的阻礙作出各種躲避障礙的動(dòng)作。1.1.2 在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)一步掌握單片機(jī)在控制領(lǐng)域的具體應(yīng)用，加深對(duì)單片機(jī)功能和內(nèi)部資源的認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。1.

4、1.3 在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以掌握延時(shí)，初始化，中斷，定時(shí)，計(jì)數(shù)等基本程序的編寫，熟練對(duì)keil uVision集成化開(kāi)發(fā)平臺(tái)的應(yīng)用。同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程可以進(jìn)一步理解軟件與硬件的關(guān)系，以及單片機(jī)的工作過(guò)程。1.1.4 掌握單片機(jī)系統(tǒng)外擴(kuò)器件的連接與使用，了解超聲波傳感器的工作原理。并且掌握軟件和硬件調(diào)試的基本技巧與方法。1.2課題意義現(xiàn)今發(fā)達(dá)的交通在給人們帶來(lái)便捷的同時(shí)也帶來(lái)了許多的交通事故。發(fā)生交通事故的因素有很多。當(dāng)然，如果我們的汽車能夠更加智能，就是說(shuō)事先能預(yù)測(cè)并顯示前面障礙物離車的距離，當(dāng)障礙物距離很近時(shí)汽車會(huì)自動(dòng)采取一些措施避開(kāi)障礙物，這樣就能夠在很大程度上避免這些事故的發(fā)生。智能化作為

5、現(xiàn)代社會(huì)的新產(chǎn)物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)特定的環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，無(wú)需人為管理，便可以完成預(yù)期所要達(dá)到的或是更高的目標(biāo)。同遙控小車不同，遙控小車需要人為控制轉(zhuǎn)向、啟停和進(jìn)退，比較先進(jìn)的遙控車還能控制其速度，而智能小車，則可以通過(guò)計(jì)算機(jī)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)其對(duì)行駛方向、啟停以及速度的控制，無(wú)需人工干預(yù)，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。超聲波作為智能車避障的一種重要手段，以其避障實(shí)現(xiàn)方便，計(jì)算簡(jiǎn)單， 易于做到實(shí)時(shí)控制，測(cè)量精度也能達(dá)到實(shí)用的要求，在未來(lái)汽車智能化

6、進(jìn)程中 必將得到廣泛應(yīng)用。這樣的小車還可以用于月球探測(cè)等的無(wú)人探月車，幫助我們傳達(dá)月球上更 多的信息，讓我們更加的了解月球，為將來(lái)登月做好充分準(zhǔn)備。這樣的小車在科學(xué)考察探測(cè)車上也有廣闊的應(yīng)用前景，在科學(xué)考察中，有很多危險(xiǎn)且人們無(wú)法涉足的地方，這時(shí)，智能科學(xué)考察車就能夠派上用場(chǎng)，在它上面裝上攝像機(jī)，代替人們進(jìn)行許多無(wú)法進(jìn)行的工作。1.3課題設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一輛利用超聲波傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)避障功能的小車，使小車對(duì)其運(yùn)動(dòng)方向受到的阻礙作出各種躲避障礙的動(dòng)作。1.3.1 控制腳輸入觸發(fā)信號(hào)，10us的高電平信號(hào)。1.3.2 模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHz的脈沖，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。1.3.3 如有信號(hào)返回，接收

7、腳輸出高電平信號(hào)，高電平持續(xù)時(shí)間為超聲波發(fā)射到返回的時(shí)間，根據(jù)公式計(jì)算出測(cè)試距離。1.3.4 若距離小于10cm，則報(bào)警并采取相應(yīng)的避障措施。2、 課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和具體實(shí)施方案目前的避障小車主要有紅外避障和超聲波避障兩種，但是探測(cè)障礙的最簡(jiǎn)單的方法是使用超聲波傳感器，它是利用向目標(biāo)發(fā)射超聲波脈沖，計(jì)算其往返時(shí)間來(lái)判定距離的。算法簡(jiǎn)單，價(jià)格合理。所以我們選超聲波傳感器避障，也即非接觸避障。2.1 主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)題目為智能避障小車設(shè)計(jì)，主要研究小車的避障功能，小車遇到障礙物時(shí)，采取相應(yīng)的避障措施。為了進(jìn)行有效的避障，這里探測(cè)裝置必不可少，因?yàn)槌暡ㄔ诰嚯x檢測(cè)方面的較準(zhǔn)確定位。所以采用超聲波傳感

8、器作為探測(cè)裝置。在避開(kāi)障礙物后，小車會(huì)沿直線前進(jìn)。2.2 具體實(shí)施方案 本小車使用AT89S52單片機(jī)作為主控芯片，它通過(guò)超聲波測(cè)距來(lái)獲取小車距離障礙物的距離，當(dāng)小車與障礙物的距離大于10cm時(shí)，小車會(huì)沿直線前進(jìn)，當(dāng)小車與障礙物的距離小于10cm時(shí)，小車轉(zhuǎn)彎以避開(kāi)障礙物，并且此時(shí)蜂鳴器報(bào)警。在避開(kāi)障礙物后，小車會(huì)沿直線前進(jìn)。簡(jiǎn)要框圖如圖1。 圖 1 簡(jiǎn)要框圖根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，系統(tǒng)包括以下模塊：路徑檢測(cè)模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波避障模塊等。各模塊的作用如下：2.2.1電源模塊，為整個(gè)系統(tǒng)提供合適而又穩(wěn)定的電源。我們選用一個(gè)有三位開(kāi)關(guān)的教學(xué)底板電源，當(dāng)開(kāi)關(guān)撥到“0”位，斷開(kāi)教學(xué)底板電源；

9、當(dāng)開(kāi)關(guān)撥至“1”位，打開(kāi)教學(xué)板電源；當(dāng)開(kāi)關(guān)撥至“2”位，電源給教學(xué)板供電，同時(shí)還給伺服電機(jī)供電。2.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和伺服電機(jī)完成智能車的加減速控制和轉(zhuǎn)向控制。機(jī)器人的動(dòng)作有伺服電機(jī)控制。伺服電機(jī)與單片機(jī)接口的連接如下圖所示，P1_0引腳的控制輸出用來(lái)控制右的伺服電機(jī)，而P1_1則用來(lái)控制左邊的伺服電機(jī)。圖2 伺服電機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是由兩個(gè)伺服電機(jī)組成，伺服電機(jī)控制原理如下圖所示： 控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速的是高電平持續(xù)的時(shí)間，當(dāng)高電平持續(xù)時(shí)間為1.3ms時(shí)，電機(jī)順時(shí)針全速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)高電平持續(xù)時(shí)間1.7ms時(shí)，電機(jī)逆時(shí)針?biāo)傩D(zhuǎn)。標(biāo)定以后，電機(jī)靜止的脈沖序列順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)圖3 伺服電

10、機(jī)控制原理小車的兩個(gè)輪子分別用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一樣的時(shí)候，車子將沿直線前進(jìn)，而兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不一樣的時(shí)候，車子就會(huì)拐彎，例如，左邊的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速比右邊的快的話，車子將向右邊拐彎，只要控制好兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速比和不同轉(zhuǎn)速的時(shí)間，就可以精確的控制小車的避障行為。2.2.4超聲波避障模塊, 是最主要的模塊。是智能車的“眼睛”，可以通過(guò)一定的前瞻性，提前感知前方的路況信息，為智能車的“大腦”做出決策提供必要的依據(jù)和充足的反應(yīng)時(shí)間。超聲模塊通過(guò)發(fā)射器向四面八方發(fā)射出去，發(fā)射出的超聲波在空氣中沿直線傳播，遇到障礙物后發(fā)生反射反應(yīng)。超聲波接收器收到被障礙物反射回的超聲波以后，經(jīng)由

11、內(nèi)部計(jì)算得到障礙物的距離信號(hào)。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生震動(dòng)產(chǎn)生的，在碰到雜質(zhì)獲分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射從而形成反射回波，超聲波傳感器就是根據(jù)超聲波在障礙物界面上的反射來(lái)判斷檢測(cè)物體的存在以及距離的。超聲波頻率高，波長(zhǎng)短，繞射現(xiàn)象小，方向性好，再加上信息處理簡(jiǎn)單且價(jià)格低廉，所以這里我們使用HY-SRF05超聲波傳感器對(duì)小車行進(jìn)前方路況進(jìn)行探測(cè)以及判斷。 圖4 超聲波傳感器 圖5 SIG時(shí)序圖測(cè)距時(shí)首先利用單片機(jī)輸出一個(gè)40kHz的觸發(fā)信號(hào)，把觸發(fā)信號(hào)通過(guò)Trig管腳輸入到超聲波測(cè)距模塊，再由超聲波測(cè)距模塊的發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)單片機(jī)通

12、過(guò)軟件開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物返回，超聲波測(cè)距模塊的接收器Echo收到反射波后通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)回應(yīng)信號(hào)并反饋給單片機(jī)，此時(shí)單片機(jī)就立即停止計(jì)時(shí)。時(shí)序圖如圖2所示。由于超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離，即：S=VT/2，通過(guò)單片機(jī)來(lái)算出距離。2.2.5 報(bào)警模塊（擴(kuò)展）蜂鳴器的連接很簡(jiǎn)單，只需用一個(gè)PNP管來(lái)做驅(qū)動(dòng)，當(dāng)?shù)碗娖降絹?lái)時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲音，當(dāng)高電平到來(lái)時(shí)沒(méi)有聲音。小車的避障流程如下：（1）在車前方?jīng)]有障礙物時(shí)，小車沿直線向前走。（2）在車前方有障礙物時(shí)，小車能避開(kāi)障礙物，避障方法如下：先向左邊轉(zhuǎn)90度，如果前面

13、沒(méi)有障礙物，再沿直線向前走；如果前面仍有障礙物，則向右轉(zhuǎn)180度，如果前面沒(méi)有障礙物，則沿直線向前行走；如果前面仍有障礙物，則向右90度，然后直線行進(jìn)。設(shè)計(jì)方案的流程圖如下：是否是否初始化驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊自動(dòng)發(fā)射8個(gè)40KHz的超聲波收到回波信號(hào)計(jì)算障礙物距離障礙物距離小于10cm驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)向圖6 程序流程圖3、 設(shè)計(jì)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題首先要根據(jù)現(xiàn)有資料學(xué)會(huì)計(jì)算高電平持續(xù)時(shí)間，使其能持續(xù)10us。還應(yīng)該學(xué)會(huì)使用超聲波測(cè)距器件，讀懂超聲波器件的工作時(shí)序，根據(jù)時(shí)序以及超聲波測(cè)距器件的工作信號(hào)特點(diǎn)，順利的完成小車對(duì)于前方障礙物距離的測(cè)量。另一個(gè)比較關(guān)鍵的問(wèn)題就是確定小車的避障方案，根據(jù)上方的主程序流程圖，

14、我們需要對(duì)于選定方案能否正確躲避障礙并報(bào)警進(jìn)行驗(yàn)證。四、參考文獻(xiàn)：1 胡瑞強(qiáng) 李成偉 周慶東 于彤彥 單片機(jī)原理及應(yīng)用 2 邵貝貝. 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)LCOS-(第2版)M. 北京清華大學(xué)出版社20043 基于AT89S52單片機(jī)的超聲波測(cè)距避障小車_張雷4 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）.北京：高等教育出版社，19985 童詩(shī)白，華成英模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M北京. 高等教育出版社2000 6 姚佳.智能小車的避障及路徑規(guī)劃D.東南大學(xué)碩士論文，20057 王曉明. 電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制M北京. 北京航空航天大學(xué)出版社2002 8 袁新娜，紅英.超聲波傳感器在智能小車避障系統(tǒng)中的應(yīng)用.A中北大學(xué)

15、 (2009)08-0085-04結(jié)題報(bào)告一、課題完成情況本超聲波避障小車的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)原理和超聲波原理，以51單片機(jī)為主控芯片，采用直流電機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件，通過(guò)軟件編程制作了一整套結(jié)構(gòu)完整，功能模塊化，反應(yīng)較為靈敏的超聲波避障小車，它可以自動(dòng)躲避障礙物，從無(wú)障礙區(qū)通過(guò)，能順利通過(guò)對(duì)該避障小車的避障測(cè)試實(shí)驗(yàn)。流程圖如下：是否是否初始化驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊自動(dòng)發(fā)射40KHz的超聲波收到回波信號(hào)計(jì)算障礙物距離障礙物距離小于10cm驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)向圖1 程序流程圖將編寫好的C語(yǔ)言程序轉(zhuǎn)換成.hex文件，將.hex文件“燒入”單片機(jī)中，接通電源，小車向前沿直線行走，遇到障礙時(shí)，小車立即向左旋轉(zhuǎn)90度；如果沒(méi)有障礙，

16、小車又沿直線向前走；如果還有障礙，小車會(huì)再右旋轉(zhuǎn)180度，再接著向右旋轉(zhuǎn)90度，若仍有障礙小車則繼續(xù)向右旋轉(zhuǎn)90度，然后一直循環(huán)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該避障小車能夠很好的按照預(yù)期完成避障動(dòng)作，并且能夠快速運(yùn)動(dòng)靈敏避障，效果良好，運(yùn)行穩(wěn)定性較好。2、 所遇問(wèn)題及解決方案2.1 在一開(kāi)始測(cè)試的時(shí)候編好程序剛燒到單片機(jī)里時(shí)，小車總是原地打轉(zhuǎn)。經(jīng)過(guò)詢問(wèn)同學(xué)及自己思考分析，發(fā)現(xiàn)小車的調(diào)零沒(méi)到位，重新調(diào)零并修改了一下低電平持續(xù)時(shí)間后，小車開(kāi)始正常行進(jìn)及轉(zhuǎn)彎。為保證轉(zhuǎn)彎正常轉(zhuǎn)90或180度需要對(duì)循環(huán)次數(shù)不斷測(cè)試并調(diào)整，只要有耐心和信心就可以很好地解決問(wèn)題。2.2 總程序?qū)懞煤笤谶M(jìn)行小車調(diào)試時(shí)，我們遇到的一個(gè)最大困難

17、就是當(dāng)我們前期的程序燒入芯片后，我們的小車運(yùn)行不平穩(wěn)，前進(jìn)運(yùn)行的不連貫。小車前進(jìn)一會(huì)，就會(huì)有一段比較明顯的時(shí)段停止。當(dāng)我遇到這個(gè)問(wèn)題時(shí)，我一步一步的進(jìn)行了分析。我們通過(guò)分析可以知道，F(xiàn)orward（）函數(shù)提供了一個(gè)完美的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM信號(hào)，但是一旦在程序中，存在著一些其他例如測(cè)距程序，判斷語(yǔ)句等程序時(shí)，會(huì)對(duì)其PWM信號(hào)產(chǎn)生一些干擾，應(yīng)盡可能的減少這些程序?qū)τ谛≤囘\(yùn)行程序的干擾。重新調(diào)整循環(huán)結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，小車能夠平穩(wěn)的運(yùn)行了，基本不會(huì)出現(xiàn)小車不能繼續(xù)前進(jìn)的情況，達(dá)到了我們預(yù)期的效果。三、課題總結(jié)及心得體會(huì)通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)單片機(jī)的原理和應(yīng)用有了更深的理解。在這次課程設(shè)計(jì)中，加深了我對(duì)單片機(jī)知識(shí)的印象。最重要的是，我知道如何在實(shí)際設(shè)計(jì)中使用單片機(jī)，這次課設(shè)還給我們提供了一個(gè)非常好的機(jī)會(huì)來(lái)提高我們實(shí)際的應(yīng)用能力。從選題開(kāi)始老師就給予我們很大的自主性，讓我們大家自主選題，這種開(kāi)放式教學(xué)方式也從另一個(gè)方面激發(fā)起了我們?nèi)W(xué)習(xí)的欲望。通過(guò)系統(tǒng)的調(diào)試，我們可以學(xué)到更多的知識(shí)，我們也可以發(fā)現(xiàn)仿真和實(shí)物調(diào)試不同的地方。程序設(shè)計(jì)