基于微控制器的小车避障硬件系统的设计毕业设计论文 精品Word文档格式.docx

基于微控制器的小车避障硬件系统的设计毕业设计论文 精品Word文档格式.docx

《基于微控制器的小车避障硬件系统的设计毕业设计论文 精品Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于微控制器的小车避障硬件系统的设计毕业设计论文 精品Word文档格式.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书

2、不保密囗。

（请在以上相应方框内打“√”）

导师签名：

本科生毕业设计（论文）任务书

专业班级：

工作单位：

设计（论文）题目:

基于微控制器的小车避障硬件系统的设计

设计（论文）主要内容：

在掌握半导体激光器、光电池和微控制器原理与应用的基础上，完成光发射系统、光接收探测系统以及防碰撞控制系统的设计。

要求完成的主要任务:

1、查阅不少于15篇的相关资料，其中英文文献不少于3篇，完成开题报告。

2、设计一个光发射系统。

3、设计一个光接收探测系统。

4、完成不少于5000汉字的英文文献翻译。

5、完成不少于12000字的论文。

必读参考资料：

1.王庆友．光电技术．北京：

电子工业出版社，2005．

2.Jinghong.Duan．DevelopmentofImageProcessingSystemBasedonDSPandFPGA.ElectronicMeasurementandInstruments，Aug.16，2007-July182007．

3.BobZeidman著,赵宏图译．基于FPGA&

CPLD的数字IC设计方法．北京：

北京航空航天大学出版社．

指导教师签名：

系主任签名：

院长签名（章）

本科生毕业设计（论文）开题报告

1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）

随着科学技术的飞速发展，人们对生活的要求越来越高，特别对电器或者交通工具的智能方面方面的要求，除此之外，随着在企业中越来越追求工作效率和生产成本，迫切的要求以最低的成本生产出所需要的产品，正是在这种种的社会的条件下，人们越来越重视机器智能方面的研究，在众多的研究当中，交通工具的智能研究就是其中的一个热点问题，而智能小车的研究就是一个很好的代表。

所谓的智能小车，就是集路面环境探测、卫星导航、自动行驶和有自己的决策能力等功能为一体的小车，它综合运用了计算机、通信、导航和自动化控制等技术。

正因为智能小车的功能强大和比较实用，同时对智能小车的研究有很大的发展空间，所以智能小车的研究得到了国内外科学家的重点关注。

国外很早就对智能小车进行了研究，大约是上世纪50年代开始的，并且是以很快的速度发展，大约是在90年代，智能小车的研究就比较成熟了，智能小车进入了深入的、系统的和大规模的研究，国外的智能小车的研究是以美国为主要的代表的，特别是美国卡内基-梅陇大学研究的Navlab系列无人驾驶车代表了当时全世界的智能小车研究方面的最高水平。

跟国外比起来，我国对智能小车研究相对要晚很多。

我国对智能小车的研究是从20世纪80年代开始的。

虽然我国也投入了很大的人力和物力来研究智能小车，但是由于在研究的时间上比国外晚了很多，因而总体来说，在很多方面的技术研究跟国外比起来还是有很大的差距的，但是并不是所有的技术都比国外差，在某些技术方面上，国内的研究还是领先于世界的，例如清华大学研究的THMR-V系列智能车，最高时速达到150公里；

一汽大众和国防科技大学改造的红旗小车，最高时速达170公里，平均时速达130公里，同时具有超车功能，这些研究成果在全世界都是领先的。

智能小车的研究是一个很有意思的科研问题，得到了很多人的关注。

现在不仅仅是科学家对智能小车研究很关注，很多在校的大学生也对智能小车的研究比较关注，他们在学校期间学习很多与之相关的知识，同时做很多与之相关的实验。

现在国内的很多电子设计大赛都有与智能小车相关的题目，在大赛中设计出来的这些小车能实现很多方面的功能，例如避障、循迹等。

2、基本内容和技术方案

基本内容：

技术方案：

整个系统主要的组成器件是：

51系列单片机、各路的传感器件、红外发射二极管、红外接收二极管和运算放大器以及其它的一些器件。

单片机系统是整个系统的核心部分，它对各路传感信号的采集、处理、分析及对各部分整体调整。

避障系统：

采用红外线避障方法，利用一管发射另一管接收，利用接收管接收外界红外线的情况来判断小车行驶的前方是否有障碍物和障碍物的远近、方向。

在小车的行驶过程当中，红外发射二极管发射红外光，如果小车前方有障碍物，红外光就会反射回来，接收二极管接收反射回来的红外信号，接着给单片机输入一个高电平，引起单片机的中断，单片机响应中断，处理接收到的信号，从而决定小车的行驶方向，如果小车行驶的前方没有障碍物，小车将一直往前行走。

由于红外光受外界可见光的影响，红外接收二极管可能只接收到很微弱的红外信号，这个微弱的信号不足以引起单片机的中断，所以在红外接收二极管与单片机之间连接一个运算放大器，放大接收到的红外信号，使这个信号能引起单片机的中断，这样就减少外界的一些干扰。

3、进度安排

第1－3周：

查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需电子器件。

确定方案，完成开题报告。

第4－9周：

学习单片机的相关知识，了解并掌握传感器的原理。

第10－11周：

设计电路图，并根据电路图进行仿真设计，同时编写程序，对整个系统进行软件的仿真。

第12－14周：

完成并修改毕业论文。

第15周:

准备论文答辩。

4、指导教师意见

指导教师签名：

2011年3月13日

摘要

本文主要对小车避障硬件系统进行了设计，所设计出来的方案能很好的对整个小车避障硬件系统进行了模拟，实现小车避障的目的，对智能小车的理论研究有一定的理论指导意义。

文中首先对整个小车避障硬件系统结构做了详细的介绍，接着讨论了系统的设计过程。

在整个小车避障硬件系统中，利用红外对管检测障碍物，判断小车行驶的前方的路面情况，并以信号的形式将路面情况传送给控制芯片80c51单片机，单片机处理接收到的信号，将处理后的信号传输给步进电机，控制步进电机的转速和转向，从而控制小车的速度和行走的方向，实现小车的避障功能。

除了进行理论上的分析之外，还借助proteus和keil软件对整个系统进行了仿真，仿真得出的结果显示，本设计方案有一定的可行性。

关键词：

小车避障硬件系统，80c51单片机，红外对管。

Abstract

WiththehelpofISIS7Professonialandkeil,Imakethehardwaredesignandsoftwaresimulationtotheobstacleavoidancehardwaresystemforcar,Iusethediodeofinfraredtodetecttheobstacle.Inordertocontrolthespeedanddirectionofthecar,Iusethesigle-chipmicrocomputer80c51tocontrolthespeedanddirectionofthesteppermotor,inthiscase,thecarcanavoidtheobstacle.Thispapermadesadetailedanalysisofobstacledetectiononwhichsensortouse.Bycomparaingtoultrasonicsensors,infraredsensorsandradarsensors,Iselectthemostappropriatesensor,theresultshasimportantsignificanceforthestudyofsmartcar.

Paperstudiestheobstacleavoidancehardwaresystemforsmartcar,madesadetailedanalysisandasoftwaresimulationoftheentirehardwaresystem.

Theresultsshowthat:

thedesignofthispaperiswellcontrolledtothesteppermotorspeedanddirectionwithamicrocontroller,enablingthemovingcartoavoidobstacles.

Thisfeatureofthepaperis:

indertotoselectthemostappropriatesensor,Imadeadetailedanalysisofdifferentsensors. 

KeyWords：

theobstacleavoidancehardwaresystemforcar,sigle-chipmicrocomputer80c51，thediodeofinfrared

1绪论

随着科学的飞速发展，人们对很多东西的要求越来越高，在生活当中，很多电子产品都向着智能化的方向发展，智能小车的研究就是一个热门的课题。

1.1智能小车的研究意义

智能化的研究成为当代研究的热点问题，对小车的智能化进行深入的研究有利于推动智能化的研究，同时小车与人们的生活息息相关，小车的智能化有利于提高人们的生活水平，正是这种种原因，智能小车成为了现在科学研究的热门。

总的来说，对智能小车进行深入的研究，有利于推动自动化技术的发展和科学的进步，提高人们的生活水平和生活质量，减少产品的生产成本，提高企业中工人的工作效率。

1.2智能小车国内外研究现状

1.3论文的主要内容

本论文主要对避障小车的硬件系统进行了研究，并对整个小车避障系统进行了硬件和软件的仿真。

整个硬件系统由障碍物检测系统和单片机最小系统组成。

论文首先对障碍物检测系统是用哪种传感器作了详细的分析，经过对超声波传感器、红外传感器和雷达进行各方面的比较之后，决定选用红外传感器，接着对单片机最小系统的各个组成部分作了详细的说明，同时在论文中对所用到的步进电机进行了描述，详细分析了步进电机的结构、工作方式和工作原理，最后是对自己这段时间所做的工作的一个总结。

除此之外，在论文中还用软件proteus和keil对整个系统进行了硬件、软件的仿真，仿真结果表明本设计方案利用红外对管检测障碍物，以80c51单片机为控制芯片，控制步进电机的转速和转向，从而控制小车的速度和行走的方向，能很好的实现小车的避障功能。

2小车避障硬件系统

整个硬件系统由障碍物检测系统和单片机最小系统组成，障碍物检测系统检测小车行走的前方的路面情况，把路面情况以信号的形式传送给单片机，单片机最小系统接收并处理障碍物检测系统传送过来的信号，把处理好的信号传输给不仅电机，控制步进电机的转速和转向，从而控制小车的行驶和避障。

小车避障硬件系统的整体结构如下图所示，其中单片机和步进电机以及一些外围电路器件构成单片机的最小系统。

图2-1小车避障硬件系统总体框架图

2.1障碍物检测系统

小车避障硬件系统包括障碍物检测系统和由80c51单片机组成的最小系统。

障碍物检测系统是整个小车避障硬件系统前端部分，是比较重要的一部分，不可缺少的。

在整个系统中，障碍物检测部分能否准确的检测到小车前进方向的障碍物，对小车的行驶来说是很重要的。

如果障碍物检测系统能够准确的检测到小车前进的各个方向上的障碍物，并且及时的反馈给单片机系统，这样的话，单片机系统就能及时的处理所接收到的信号，同时将所处理好的信号传输给步进电机，控制步进电机的转速和转向，从而控制小车避开前进方向所遇到的障碍物。

因而障碍物检测系统中传感器的选择是很重要的，传感器选择的好的话，会对设计的结果有很大的帮助。

最常见的障碍物的检测方法有红外检测、超声波检测和雷达检测。

下面分别对这三种检测方法做详细的分析。

2.1.1超声波检测系统

可听声波是指振动频率在20Hz～20KHz之间的声波，当声波的频率大于20KHz或小于20Hz时，我们就听不见了。

超声波是频率高于20000Hz的声波，其方向性好，穿透力强，在医学、军事、工业、农业上有很多重要的应用。

在媒介中反射、折射、衍射、散射等的传播规律，超声波与可听声波没有什么本质上的区别。

但是由于超声波的频率很高，因而超声波的波长很短，这使得超声波与可听声波有很多不同的地方。

超声波有4种不同的效应，分别是机械效应、空化作用、热效应和化学效应。

由于超声波有这4种效应，超声波已经广泛应用于实际，主要有3方面的应用，分别是：

超声检测、超声处理和基础研究。

障碍物检测系统可以用超声波传感器来实现，超声波传感器的优点是：

反应速度灵敏，距离远，受外界干扰小，缺点是：

对天气变化比较敏感，特别是雷雨天气或大雾天气。

但是在本设计当中，并不是要求远距离的测距，而是短距离测障碍物。

在小范围内，不同方位传感器发出的超声波经过多次反射后，会互相干扰，从而会对整个硬件系统造成很大的干扰。

2.1.2红外对管检测系统

红外线是众多不可见的太阳光线的一种，又称红外辐射，波长范围是0.76至400微米，所有高于绝对零度的物体都能产生红外线。

红外线有热效应，同时又有很强的穿透云雾的能力。

正因为红外线有这两种特性，近年来，红外线在军事、人造卫星、工业、卫生和科研方面得到了很广泛的应用。

红外线的应用不受时间的限制，白天和晚上对红外线的应用没有什么影响，即使是到了晚上，太阳光都没有了，但是所有的物体都会辐射红外线，因而在晚上，红外线得到了很多的应用，特别是在现在军事上，有很多红外线的新型武器，很多这些新型的武器都是为了能更好的晚上作战而创造的。

同时红外线在测距，遥控方面也得到了很广泛的应用，现在市场上已经有很多以红外线为主导技术的传感器，本次毕业设计用到的红外对管就是其中的一分子。

红外对管是红外发射管和红外线接收管的合称，是一种利用红外线的开关管，接受管在接受和不接受红外线时电阻发生明显的变化，利用外围电路可以输出明显变化高低电平，单片机能很好的识别这个变化的高低电平，从而就能很好的控制单片机的负载。

红外对管的优点是：

对近距离的障碍物反应速度灵敏，不同方位的传感器之间信号不会相互干扰，造成误动作。

缺点是：

近距离检测障碍物时，会受到自然光的干扰，对红外接收管的输出功率有一定的影响。

为了解决这个问题，可以在红外接收管之后加上一个功率放大电路，使红外接收管的输出功率增大。

2.1.3雷达检测系统

雷达是用电磁波检测物体的电子设备，发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得检测物体的距离，速度的快慢，行走的方向等信息。

雷达是英文radar的音译，为RadioDetectionAndRanging的缩写。

雷达能测量物体的距离、能测量目标的方位和测量物体的速度。

由于电磁波是以光速传播，所以测量物体的距离就是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差；

测量目标方位是利用天线的尖锐方位波束测量；

测量速度是雷达根据自身和目标之间有相对运动产生的频率多普勒效应原理。

雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同，两者的差值称为多普勒频率。

雷达的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。

虽然雷达有很多优点，但是雷达比较昂贵，所以用起来不是很划算。

2.1.4检测系统的选择

经过前面的讨论，同时结合毕业设计的要求，我发现相比于红外线，超声波的缺点比较明显，特别是近距离检测障碍物时，不同的超声波传感器发出的超声波回互相干扰，最终会影响本设计的结果，而红外对管却没有这方面的缺点，同时，红外线受天气和时间的影响很小，虽然雷达也有很多优点，但是价格比较昂贵，如果选择雷达作为检测系统的话不够经济，所以最终决定选择红外对管作为小车避障硬件系统的障碍物检测系统。

2.2由80c51单片机组成的最小系统

2.2.1单片机80c51的简介

微处理器用一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器，能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算机的运算控制部分。

微处理器包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM,定时器/计数器和多种I/O接口电路。

微处理器有体积小，重量轻，容易模块化等优点。

80c51就是一款很流行的微处理器。

80c51单片机属于MCS-51系列单片机中的一个产品，是由Intel公司开发通用型单片机。

它的基本型产品是8051、8031和8071，除片内ROM类型不同外，8051、8031和8071的其他性能完全相同。

其结构包括：

8位的CPU，片内振荡器及时钟电路，32根I/O线，外部存储器ROM和RAM寻址范围各64KB,2个16位的定时器/计数器，5个中断源和2个中断优先级，全双工串行口，布尔处理器。

单片机信号处理能力很强，单片机可以处理很多不同类型的数据信号，如字符型、整型、单精度实型、双精度实型和空类型等，还可以处理数组，指针，列表等，同时单片机能兼容多种语言，其中c语言和汇编就是两种比较常见的单片机的编程语言，但是由于汇编语言没有c语言那样通俗易懂，加上没有c语言的移植能力强，所以现在单片机的编程一般都是用c语言。

80c51单片机有很多特殊功能寄存器，包括累加器ACC、乘法寄存器B、程序状态字PSW、堆栈指针SP、数据存储器指针（低8位）DPL、数据存储器指针（高8位）DPH、中断允许控制器IE、中断优先级控制器IP、通道0P0、通道1P1、通道2P2。

8051单片机系列指的是MCS-51和其他公司的8051派生产品，这些派生产品是在基本类型上增强了各种功能的产品，如高级语言型、Flash型、A/D型等。

目前使用的8051系列单片机都是增强型的单片机，所谓的增强型单片机是指单片机的处理速度跟快，使用具有更大的灵活性。

这些增强型的8051系列产品都基于CMOS工艺，因而又称为80c51系列。

80c51系列单片机给8位单片机注入了新的活力，为它的开发应用开拓了更广泛的前景。

80c51单片机功能强大，大到无人驾驶飞机的导航系统，小到一个数字时钟，都能用它来控制，正因为80c51单片机有如此强大的功能，同时单片机操纵起来有比较简单，所以现在的很多控制系统都是以它为主要的控制芯片。

2.2.280c51单片机最小系统的组成

单片机最小系统包括电源电路，时钟电路，复位电路和输入输出电路。

（1）电源电路

任何一个电子器件的运行，都要有电源来驱动，单片机的标准工作电压是5v，要驱动单片机的话，也要在单片机的电源引脚，即引脚40上接上5v的电源，同时还要将引脚20接地。

（2）时钟电路

时钟是时序的基础，决定单片机的工作速度。

单片机有4中基本的时序周期，分别是振荡周期，时钟周期，机器周期和指令周期。

振荡周期就是晶振周期，决定着单片机的工作速度；

时钟周期又称S周期，为振荡周期的两倍；

机器周期包括6个时钟周期；

指令周期是指完成一条指令占用的全部时间，其中多数为单指令周期，还有2指令周期和4指令周期，8051单片机的指令周期含1到4个机器周期。

时钟的产生有两种方式，即内部方式和外部方式，内部方式是比较常用的连接方式。

①内部方式：

在XTAL1和XTAL2端外接石英晶体作为定时元件，内部放大器自激振荡，产生时钟，电容C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，晶振的振荡频率范围为1.2MHz～12MHz，80c51系列单片机一般选择晶振频率为11.0592MHz的晶振，与晶振相接的两个电容一般取5～30pF，典型值为30pF。

内部方式的晶振连接电路图如图2-2所示。

图2-2内部方式

②外部方式：

这种方式常用于多片单片机同时工作，以使各单片机同步。

一般要求频率低于12MHz的方波，一般单片机的外部时钟电路的连接方式如图2所示，通过XTAL2接入外部时钟，但是对于CHMOS工艺的单片机，外部时钟要由XTAL1端引入，而XTAL2引脚应该悬空。

外部方式的晶振连接电路图如图2-3所示。

图2-3外部方式

（3）复位电路

RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间应为24个振荡周期以上，所以80c51系列单片机的复位信号至少应持续4μs以上，因为80c51单片机的时钟频率是晶振频率的一半，即是6MHz。

单片机复位后，程序计数器PC和其他特殊功能寄存