超声波避障小车论文.doc

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河南科技学院新科学院

2012届本科毕业论文

智能小车运动控制技术研究

学生姓名：

xxx

所在院系：

新科学院信工系

所学专业：

计算机科学与技术

导师姓名：

xxx

完成时间：

2012年5月5日

智能小车运动控制技术研究

摘要

本系统采用STC89C52单片机为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，然后把数据传送给单片机，当超声波检测到距离小车前方20CM有障碍物时单片机就发出指令让小车左转一定角度，然后停止运行继续探测.如果前方20CM没有障碍物就直走，否则继续左转一定角度。

如此通过超声波不断的循环检测周边环境的情况进行自动避障。

该系统在驱动方面采用L298驱动4个直流电机带动小车运行。

并且，用PWM系统调速,控制小车前进的速度。

关键词：

STC89C52，PWM调速，电动小车，超声波

SMARTCARMOTIONCONTROLTECHNOLOGY

Abstract

ThesystemusesSTC89C52singlechiptocontrolthecore,Theuseofultrasonicsensorstodetectroadobstacles,Thensenddatatothemicrocontroller,Whenultrasonictestingtodistancethecarinfrontof20CMthereisanobstacle,themicrocontrollerissuedadirectivetoallowthecartoturnleftatanangle,Thenstoptheruntocontinuedetection,Ifthefront20CMtherearenoobstructionsonthestraight,Otherwise,continuetoturnleftatanangle,Sobytheultrasoniccontinuouslooptodetectthesurroundingenvironment,theautomaticobstacleavoidance,ThissystemL298drive4DCmotorstodrivethecarrunninginthedrive,AndspeedcontrolofthePWMsystemtocontroltheforwardspeedofthecar.

Keywords:

STC89C52;PWMcontrol;electriccar;ultrasonic

目录

1绪论 1

1.1项目研究背景及意义 1

1.2项目主要研究内容 1

2总体设计方案及论证 2

2.1系统组成原理 2

2.2功能需求 4

3硬件设计 5

3.1系统设计框图 5

3.2电源设计 6

3.3电机驱动设计 6

3.4超声波测距设计 6

3.5数码管显示设计 7

3.6主控系统设计 7

4软件设计 8

4.1软件设计流程 8

4.2超声波探测模块 9

4.3数码管显示程序 11

4.4直流电机驱动部分软件设计 12

4.5pwm脉宽调速设计 13

5软件与硬件的整合 14

5.1调试超声波模块 14

5.2电机调试 14

5.3系统调试 14

6总结 14

参考文献 16

致谢 17

附录 18

I

1绪论

1.1项目研究背景及意义

智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。

本设计主要体现多功能小车的智能模式，设计中的理论方案、分析方法及特色与创新点等可以为自动运输机器人、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的设计与普及有一定的参考意义。

同时小车可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值。

超声波作为智能车避障的一种重要手段，以其避障实现方便，计算简单，易于做到实时控制，测量精度也能达到实用的要求，在未来汽车智能化进程中必将得到广泛应用。

我国作为一个世界大国，在高科技领域也必须占据一席之地，未来汽车的智能化是汽车产业发展必然的，在这种情况下研究超声波在智能车避障上的应用具有深远意义，这将对我国未来智能汽车的研究在世界高科技领域占据领先地位具有重要作用。

本智能小车系统最诱人的前景就是可用于未来的智能汽车上了，当驾驶员因疏忽或打瞌睡时这样的智能汽车的设计就能体现出它的作用。

如果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，如果驾驶员没有及时作出反应，汽车就会自动减速或停靠于路边。

这样的小车还可以用于月球探测等的无人探月车，帮助我们传达月球上更多的信息，让我们更加的了解月球，为将来登月做好充分准备。

这样的小车在科学考察探测车上也有广阔的应用前景，在科学考察中，有很多危险且人们无法涉足的地方，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，代替人们进行许多无法进行的工作。

1.2项目主要研究内容

本设计题目为智能避障小车设计，主要研究小车的避障功能，小车遇到障碍物时，当距离障碍物大于50CM以较快速度前进，当小于50CM时慢速前进，当小于20CM时小车应采取避障共能。

这里探测装置必不可少，因为超声波在距离检测方面的较准确定位。

所以采用超声波传感器作为探测装置，由于超声波遇到障碍物时发生像光一样的反射和散射，在经过多次发射之后再回到超声波检测端口会产生较严重的路程差，从而影响对距离的检测进而影响对障碍物的较准确定位。

通过软件内部校准优化消除外部物理条件造成的误差从而达到对障碍物的较准确定位。

2总体设计方案及论证

2.1系统组成原理

根据题目的要求，确定如下方案：

在现有玩具车底盘的基础上，加装超声波模块检测小车周边障碍物的实时情况。

然后，超声波把数据返回给单片机，单片机发送相应的指令实现对电动小车的自动避障、运行状况的实时测量，从而达到利用单片机对小车智能控制，自动避障的目的。

这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。

（1）STC89C52作为主控芯片

常用的AT89C51/52、STC89C51单片机都采用DIP40封装。

图2-1为DIP40单片机封装外形引脚的分布。

40个引脚按功能分为4个部分，即电源引脚（Vcc和Vss）、时钟引脚（XTAL1和XTAL2）、控制信号引脚（RST、、和ALE）以及I/O口引脚（P0—P3）。

图2-1单片机原理图

（2）直流电机驱动芯片

对于直流电机驱动芯片的选择首先我要考虑它的输出功率能不能很好的驱动小车的四个直流电机。

然后，考虑它的外围电路是否简单。

还有就是考虑它的价格是否相对比较便宜。

综合这些我最终选择以前用过的大家都比较熟悉的电机驱动芯片L298。

电机驱动部分主要采用一片L298N和主控芯片AT89C52直接相连够成驱动电路。

L298N芯片直插式的15个引脚，其中有两个使能端ENA和ENB，两个反馈端SA和SB，四个输入端IN1、IN2、IN3和IN4，四个输出端OUT1、OUT2、OUT3和OUT4，一个接地端GND，一个VSS（5V时性能最好）逻辑电源电压输入端和一个VS（最大承载电压46V，鉴于7805和电机电压，选取12Ｖ电源供电）功率电源电压输入端。

L298N可同时驱动两个电机，最大输出电流为2A，鉴于它的良好性能和价格，选取L298N作为电机驱动芯片，L298N芯片如图2-2。

AT89C52的P1.6端口作为pwm脉冲输出，同时与L298N的两个使能端ENA、ENB相连，达到控制小车速度目的。

P1^2~P1^5端口分别与L298N的引脚IN1、IN2、IN3、IN4相连通过电平变化控制电机在持续高速状态下的转向。

L298N的四个输出端直接与两个电机相连驱动电机。

图2-2L298N芯片实物图和引脚图

（3）超声波传感器

超声波测距原理：

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：

s=340t/2这就是所谓的时间差测距法。

超声波传感器结构如图2-3所示。

图2-3超声波传感器结构

超声波在本设计中的原理分析：

由于自己用分立元器件焊接比较麻烦，所以本设计采用现成的US－100超声波模块，US-100超声波测距模块可实现0~4.5m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。

US-100模块如图2-4所示。

US-100正面图US-100背面图

图2-4超声波实物图

超声波探测模块US-100的使用方法为：

IO口触发，给Trig口至少10us的高电平，启动测量；模块自动发送8个40Khz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO口Echo输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，测试距离=（高电平时间*340）/2，单位为m。

程序中测试功能主要由两个函数完成，即measure（）负责计算一次测量小车障碍物的距离，然后shouldTurn（）确定前方有障碍物采取避障措施，根据车体大小及系统的反应，经过测试，取20cm的反应距离效果较为明显。

另外，US-100超声波探测模块探测的间隔周期推荐值是64ms（图2-5），但经过试验，我们发现在我们的小系统中取800ms较为适宜，使主程序有足够的时间来驱动小车前进，而不至于出现前进不流畅的现象。

图2-5超声波检测原理

2.2功能需求

在做本设计前首先要做好功能需求分析，即该小车要实现什么功能，需要什么材料，如何去实现，只有做到胸有成竹才能达到自己的目标，少走弯路。

本设计为智能避障小车，这里重点就是小车的避障功能，首先要选择一个适合的探测障碍物模块，目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距，激光测距和超声波测距4种：

1.雷达测距受恶劣天气的影响比较大，且成本比较高，雷达还必须满足电磁兼容要求；2.红外测距安全，但测量范围比较窄，若精度要求高的话成本也会更高；3.激光测距速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强，但制作难度大，成本较高，而且光学系统需要保持干净，否则将影响测量；4.与上述测距方式比较，超声波测距有几大优点：

超声波测距对色彩和光照不敏感，可用于识别透明及漫反射性的物体，可在黑暗、有灰尘或烟雾的环境当中使用；‚超声波测距对电磁场及其他电磁干扰不敏感，可用于电磁干扰强、有毒、有害等恶劣环境中；ƒ超声波传感器结构简单、体积小、成本低、技术难度小、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化。

当然超声波测距也有一定的缺点，比如受温度、气流、材质的影响，综上所述，再结合我们的设计目