智能小车避障系统设计.doc

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毕业设计说明书

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二〇一五年十二月二日

目　录

摘　要 1

第１章　绪论 2

第2章　方案论证 3

2.1　系统总体方案设计 3

2.2　系统方案的选择与比较 3

2.2.1　控制模块方案的选择 3

2.2.2　显示模块方案的选择 4

2.2.3　超声波模块方案的选择 4

2.2.4　驱动模块方案的选择 4

2.3　系统总体方案论证 5

第3章　硬件电路设计 6

3.1　整机设计 6

3.1.1　整机系统 6

3.1.2　避障系统工作模式 6

3.2　各功能模块硬件电路设计 8

3.2.1　单片机最小系统 8

3.2.2　液晶显示电路 12

3.2.3　驱动电路 18

3.2.6　超声波测距避障电路 21

第4章　系统软件设计 23

4.1　主程序流程 23

4.2　主要子程序流程 23

4.2.1　液晶显示子程序流程 24

4.2.2　超声波子程序流程 24

4.2.3　避障子程序流程图 26

4.3　软件调试 26

第5章　系统制作与调试 28

5.1　硬件制作 28

5.1.1　AltiumDesigner14软件 28

5.1.2　PCB的设计与制作 29

5.2　硬件电路的安装与焊接 31

5.3　电脑端的ISP控制软件 32

5.4　实物安装与调试 33

结　论 36

参考文献 37

附录1　系统各部分设计原理图 38

附录2　系统各部分设计PCB板 40

附录3　元件清单表 41

附录4　源程序 43

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摘　要

系统以MCS-51单片机为控制核心，完成对系统各个子模块的控制工作，从而保证各模块正常有序的完成任务；电源模块负责为整个系统供电，提供所需的电压；采用超声波模块对障碍物进行探测和距离测定；显示模块负责显示小车距离障碍物的距离和设计者姓名；语音模块负责对障碍物距离进行语音提示；红外对管模块负责探测地面黑白线，保证小车按预定路线行驶；电机驱动模块负责小车的运行，其中小车驱动由L298N驱动电路完成，速度由单片机输出的PWM波控制。

同时，设计制作的实物功能齐全，美观大方。

关键词　避障；超声波；单片机

第１章　绪论

近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波做出精确测量已成可能。

随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量因其测量精确度高，成本低，性能稳定而备受青睐。

超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。

超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。

正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。

随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。

一般的超声波测距仪可用于固定物体物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。

由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。

因此可广泛应用于造纸业、矿业、电厂、化工业、特殊水处理、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。

可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。

因此，超声测距在特殊环境下有较广泛的应用。

利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。

因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。

同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。

超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建，但是基于这些传统电路构建的系统往往可靠性差，调试困难，可扩展性差，所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用。

通过简单的外围电路发生和接收超声波，单片机通过采样获取到超声波的传播时间，用软件来计算出距离，并且可以采集环境温度进行测距补偿，其测量电路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。

第2章　方案论证

2.1　系统总体方案设计

根据设计任务要求，可将此系统划分为四个部分，第一个部分为单片机控制模块，它由STC89C52RC单片机、单片机最小系统、串口通信电路和相应辅助电路组成，并主要负责各个子模块的控制工作，从而保证各自模块正常有序的完成各自任务；第二个部分为驱动模块，它的主要作用是驱动小车直流电机，使小车运动。

第三个部分为显示模块，它主要用于显示小车距离障碍物的距离等信息。

第四个部分为超声波传感器，他主要用于对小车运行前方的障碍物进行探测和对障碍物距离进行判断。

其系统结构如图2-1所示。

主

控

系

统

LCD液晶显示模块

驱动模块

超声波模块

图2-1　系统总框图

2.2　系统方案的选择与比较

2.2.1　控制模块方案的选择

第一种方案：

选用数字逻辑电路平台，整个超声波测距避障的控制系统由计数器、译码器和555定时器等数字芯片组成。

其电路具有逻辑结构简单、精确控制等优点，但也有功能单一、不易调试等缺点。

第二种方案：

选用单片机平台，整个超声波测距避障控制系统由MCS-51单片机最小系统作为主控制器。

同时，STC89C52RC单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点。

方案比较：

虽然采用数字逻辑电路平台可以实现超声波测距避障，电路结构简单，但整个系统的功能单一。

为了高质量完成复杂的设计要求，此系统采用第二种方案。

2.2.2　显示模块方案的选择

第一种方案：

采用由LED彩灯、七段LED数码管组成的显示方案，但其只能显示有限的指示信号和数码字符，无法达到设计要求。

第二种方案：

采用由1602LCD液晶显示器组成的显示方案，该模块功能强大，可方便的显示各种英文字符等内容。

方案比较：

采用第一种方案不能很好的达到设计要求，数码管只能显示字码，不能显示字母；而采用第二种方案能充分利用1602LCD液晶显示器显示障碍物距离等信息。

故选用第二种方案。

2.2.3　超声波模块方案的选择

第一种方案：

采用US-100超声波模块，US-100超声波测距模块可实现2cm~4.5m的非接触测距功能、拥有2.4~5.5V的宽电压输入范围、静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正、同时具有GPIO、串口等多种通信方式、内带看门狗、工作稳定可靠。

第二种方案：

采用HY-SRF05超声波模块，HY-SRF05超声波测距模块可提供2cm~450cm的非接触距离感测功能，测距精度可达3mm，模块包括超声波发射器、接收器和控制电路。

方案比较：

由于该系统的超声波模块主要用于对小车运行前方障碍物的探测及障碍物距离的探测，故对功能要求不高。

经过比较，故此方案选用第二种方案。

2.2.4　驱动模块方案的选择

第一种方案：

采用由多个三极管和续流二极管组成的双H桥驱动电路，该结构原理简单，但结构复杂且驱动电流过小。

第二种方案：

采用以L298N为核心的集成驱动电路，该方案结构简单，且驱动电流大。

方案比较：

采用第一种方案时驱动电流不足，可能会出现小车运行缓慢，严重时甚至会烧毁三极管；第二种方案驱动电流大，足以保证小车的运行，且体积小、电路结构简单。

故此设计选用第二种方案。

2.3　系统总体方案论证

系统系统设计方框总图如图2-2所示。

STC

89C52RC

最小系统

1602LCD显示模块

L298N驱动模块

SRF05超声波模块

图2-2　系统设计方框总图

经上述对各模块的方案选择与论证，此设计的超声波测距避障系统主要以一片MCS-51系列单片机为控制核心，STC89C52RC单片机用作超声波测距避障系统主控芯片；以SRF05超声波传感器作为障碍物测距传感器；以1602LCD液晶显示器作为障碍物距离的显示；以L298N驱动模块作为小车运动的驱动部分。

第3章　硬件电路设计

硬件电路是整个系统的核心基础，需要全面考虑系统运行的各个状态。

这里，除了要实现整个超声波测距避障系统的基本功能以外，还需考虑以下几个因素：

①系统的稳定度和性能指标；②元器件的通用性和易购性；③系统的可扩展性。

因此，硬件电路的设计至关重要，现对各功能模块进行深度的分析与探讨。

3.1　整机设计

3.1.1　整机系统

系统主要以一片MCS-51单片机为控制核心，采用模块化设计，完成整个循迹避障系统。

其具体分可为以下七个功能模块：

单片机控制模块、超声波模块、循迹模块、显示模块、语音提示模块和驱动模块。

1．单片机最小系统作为整个硬件电路的核心电路，它既是协调各个模块使之正常有序作的控制器，也是计算系统运行过程中数据参数的处理器。

它由单片机、时钟电路和复位电路三大部分组成。

2．障碍物的探测和障碍物距离的测定采用SRF05超声波模块，分别探测小车前、左、右的障碍物。

3．采用1602LCD液晶显示模块显示障碍物距离，运用软件控制其分别显示小车前方、左侧和右侧的障碍物距离。

4．驱动电路模块采用L298N集成驱动，它将驱动直流电机来带动小车按预定路线行驶。

3.1.2　避障系统工作模式

根据设计要求及实际应用规则，小车需多种情况下避障，其避障模式就会有多种，需要根据不同的障碍情况作不同的规避动作。

在此举两个最常见的类型。

一种是小车正面有障碍物的情况，另一种是小车侧面有障碍物的情况。

当小车正面有障碍物障时，单片机检测到前方障碍物与小车之间的距离小于设定距离时，开始避障，此时单片机判断在小车左右方向障碍物离小车的距离分别为多大，然后根据两边距离大小选择与障碍物距离大的一边转向行驶。

当检测到障碍物距离不再低于设定距离时，小车避障完毕恢复直线行驶。

其运行图如图3-1.

障碍物

小车

图3-1　小车正面避障运行图

当小车侧面有障碍物时，单片机检测到侧面障碍物与小车之间距离小于设定的距离时，运行侧面避障程序，向与障碍物方向相反的方向转向，直到侧面障碍与小车距离大于设定的距离时恢复直线行驶。

运行图如图3-2所示。

图3-2　小车侧面避障运行状态

3.2　各功能模块硬件电路设计

3.2.1　单片机最小系统

单片微机（Single-ChipMicrocomputer）简称为单片机。

它在一块芯片上集成中央处理单元CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、定时/计数和多功能输入/输出I/O口,如并行口I/O、串行口I/O和转换A/D等。

MCS-51系列单片机在我国得到了广泛的应用，是单片机的主流系列，软硬件应用设计资料丰富齐全。

为了提高指令的执行速度和效率，采用了面向控制的结构和指令系统的独立CPU。

此设计主要采用STC89C52RC单片机作为系统的主控制芯片，这是因为它是目前

应用比较广泛的MCS-51系列兼容型单片机。

现将STC89C52RC单片机的特点介绍如下：

1．增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051CPU。

2．工作电压：

3.4V～5.5V。

3．工作频率范围：

0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz。

4．