·第1章緒論1.1課題背景隨著科學技術的快速發展,智能產品離我們不再遙遠,已經遍及交通、購物、電子、機械、宇航，國防等各個領域。各行各業都在緊抓科技的發展，汽車行業也是如此。智能汽車作為機器人的典型代表，己經成為世界車輛工程領域研究的熱點。無人駕駛是智能汽車新興方向之一，它的核心技術包括自動避障、循跡等，不僅可以保障車輛行駛的安全性、高效性，而且在物流運輸，探測排險和科學偵探等方面都具有更廣闊的發展前景，全國電子大賽幾乎每次都有關于智能小車方面的題目，在此背景下，一套更實用更完善的自動避障系統是我們所需要研究的。1.2本設計的主要內容本次設計的自動避障小車要求是讓智能小車能夠在無人控制的情況下實現自動避障。在小車原有的基礎上，添加了超聲波傳感器，用來實現小車與障礙物的距離檢測，然后將信號傳給單片機進行處理，由單片機根據檢測信號通過驅動芯片實現對小車的控制。系統從硬件設計和軟件設計兩方面綜合設計，硬件設計包含單片機最小系統設計、電源電路設計、超聲波檢測設計、報警設計和驅動電路設計。軟件設計包括主程序設計、電機驅動子程序設計和超聲波測距子程序設計。第2章系統總體方案設計本設計的主要任務就是讓自動避障小車在行駛過程中，能夠自動檢測到障礙物，并且能夠立即自動避開障礙物。首先設計具體方案進行分析看是否能夠完成預期的自動避障功能。2.1方案設計與論證通過翻閱書本和上網搜索相關文獻，從單片機控制部分、檢測部分、驅動電機和報警四個部分分別進行設計，然后從各方面進行論證，最終選擇最適合本設計的方案。2.1.1主控芯片的選擇市面上能夠實現本系統的主控芯片有很多種，例如AT89C51、AT89C51和ARM等。AT89C52相對于其他主控芯片而言具有以下優勢：首先通過AT89C52能夠精確的控制小車運行，其次降低了系統軟件設計的難度，具有低損耗、操作簡單調試方便的優點，關鍵價格相對其他芯片也便宜，所以本文最終選擇了AT89C52單片機來完成本次設計。2.1.2傳感器的選擇方案一：采用紅外傳感器避障，其工作原理是利用紅外線進行數據處理，紅外信號受外界干擾小，容易操作但感應距離太短且無法在陽光下使用，本設計放棄了這個方案。方案二：采用超聲波傳感器避障，其工作原理是反射聲波，用于測量距離。超聲波傳感器指向性強，傳播速度高于紅外線避障且不受光照限制，容易實時控制，靈敏度更高在復雜、惡劣的工作環境更能發揮優勢所以本設計選擇超聲波傳感器。2.1.3驅動電機的選擇方案一：采用交流電機。交流電機結構簡單，維護方便但是交流電機不便捷，且自身不能完成調速，需要借助變頻器來實現而且啟動電流高，因此本設計放棄了這一方案。方案二：采用直流電機，直流電機體積小效率高，可以借助電池供電，能夠隨著輸入的勵磁電流或電壓連續調速，且調速范圍較廣。L298N芯片內含兩個H橋，可以直接通過電源來調節輸出電壓配合PWM脈寬調制調速，且電路結構簡單穩定，符合本設計的要求，因此采用方案二。2.1.4報警選擇方案一：采用語音芯片進行提示，可以自由設定要提示的聲音，但操作復雜，需要專門的編程軟件，損耗大成本高不便于普及，因此本設計放棄了這一方案。方案二：使用蜂鳴器提示，結構簡單損耗小，可靠性高聲音頻率可控且價格低廉因此采用方案二。2.2直流調速系統單片機可以實現脈寬調速，但單片機的輸出電壓不足以驅動小車，所以需要借助功率放大器放大電壓給電機，來更好的控制直流電機的速度。本設計采用PWM脈寬調制來實現對直流電機的控制，PWM是一種常用的通過改變電樞電壓來調速的方法，PWM有以下優點：（1）開關頻率較高、過載能力強且電源的輸出電壓在工作條件變化時能保持恒定，能承受頻繁的快速啟動和制動等。（2）抗干擾能力強、不會因為其他程序的延時而改變輸出頻率。2.3總體設計框圖根據上述方案的論證，本設計以單片機自動控制系統的核心，單片機最小系統包括電源電路、復位電路、時鐘電路。電源電路為系統提供穩定的電源，用超聲波距離檢測識別障礙物，為單片機提供信息，檢測到障礙物時，通過控制高低電平使兩個電機執行動作且蜂鳴器報警，如圖2-3所示。圖2-3總體設計框圖硬件設計以單片機為自動控制系統的核心。硬件設計包含單片機最小系統電路設計、電源電路設計、超聲波檢測設計、報警設計和驅動電路設計。3.1單片機最小系統設計單片機能夠控制小車所有運行狀態，將計算機系統集成到一個集成電路中，具有高性價比，小尺寸和操作方便的特點。對于AT89C52單片機，內部是由程序儲存器、數據信息儲存器和少量外部電路組成的單片機最小系統，包含電源電路、復位電路和時鐘電路，因為最小系統受到處理速度的限制，所以僅適用于中小型操作模塊，且有大量I/O端口供用戶使用、內部存儲器的開發具有特殊性，主控制最小系統電路圖如圖3-1-2所示。圖3-1-2主控制最小系統電路圖3.1.1AT89C52單片機本設計采用的AT89C52單片機為性能卓越的CMOS8位微控制器，它是一個可編程控制器存儲器，具有8K字節的閃爍數據，并且可以連續讀寫。具有損耗較低、低電壓高性能的優點，適用于常規編程器。圖3-1-1AT89C52引腳圖主要功能特性：（1）32個可編程雙向I/O線（2）8k字節可反復擦寫存儲器（3）1000次擦寫周期（4）時鐘頻率：0-24MHz（5）兼容標準MCS-51\t"/item/AT89C52/_blank"指令系統（6）三級加密程序存儲器（7）3個16位可編程定時/計數器（8）低功耗空閑模式和掉電模式（9）軟件設置睡眠和喚醒功能（10）雙數據指針3.1.2復位電路單片機的復位由外部復位電路來完成復位功能，通過RST端子經電阻器與開關電源VCC接通來完成脈沖信號的復位，其主要功能是把PC初始化為0000H，從0000H單元開始執行程序。圖3-1-2復位電路3.1.3時鐘電路單片機必須提供時鐘信號才能運行，時鐘電路是系統至關重要的部分。盡管AT89C52有內部諧振電路，但必須添加時鐘電路，圖3-1-3為內部時鐘方式，一個晶振與兩個電容組成的并聯諧振回路。圖3-1-3時鐘電路通過振蕩器電路在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件，此時會產生自激振蕩，電容C1和電容C2并聯連接到放大器的反饋電路，3.2超聲波檢測設計本設計方案采用了HC-SR04超聲波測距控制模塊，可顯示2cm-400cm的非接觸式距離感測，控制模塊包括超聲波發射器、信號接收器與控制回路。首先選用AT89C52單片機輸出單個脈沖，利用超聲波信號發射器將超聲波信號發射到某個方向，同時開始計時，在空氣中傳播的超聲波遇到障礙物后將會立刻返回，超聲波信號接收器接收到回波信號，反饋給單片機并停止計時，再由單片機控制驅動電路完成避障，超聲波檢測原理如圖3-2-1所示。圖3-2-1超聲波檢測原理圖在不同介質、溫度和壓力的情況下，超聲波的傳播速度也不同?？諝饷芏让芏群蜏囟仍礁?，傳播速度也會更快。超聲波速度與溫度之間的關系由下式可求得：V=V0為零度時的聲波速度332m/s，T℃為實際溫度。根據當前溫度下超聲波的傳播速度v和從超聲波發射信號到接收回波信號的時間t（高電平時間），小車與障礙物之間的距離S=vt/2本設計采用超聲波在空氣中（15℃）中以傳播速度為340m/s傳播，超聲波檢測接口電路如圖3-2-2所示。圖3-2-2超聲波檢測接口電路3.3直流電機驅動設計本設計采用驅動功率高、驅動能力強的L298N作為直流電機驅動芯片，將AT89C52單片機發出的信號通過L298驅動芯片控制小車動作。3.3.1L298芯片L298N具有高電壓大電流的全橋驅動芯片，內部有4個邏輯驅動電路，可以輕松驅動直流電動機和步進電動機。L298N驅動芯片提供驅動電機所需要的電壓電流，通過改變加在電動機上的電壓的平均值來控制電機的運轉。L298N芯片可驅動最高可達到46V的電機。VCC引腳可以接5V電源給芯片供電，VDD可以接5V電源給電機供電，TTL邏輯電平信號VSS可供給L298N芯片。L298N內有兩個雙全橋式驅動電路，L298N管腳如圖3-3-1所示。圖3-3-1L298N驅動芯片管腳輸出端口OUT1和OUT2、OUT3和OUT4可分別接兩個直流電動機，引腳5、引腳7、引腳10和引腳12接入控制信號，控制電機的正轉、反轉和停止。1腳和15腳與地之間接電阻可檢測電流。3.3.2驅動電路兩臺直流電機分別為M1小車的左驅動和M2小車的右驅動。L298N驅動芯片的IN1和IN2引腳分別與AT89C52單片機的P1.0和P1.1連接，IN3和IN4引腳分別與AT89C52單片機的P1.2和P1.3連接，通過PWM脈寬調制輸出不同占空比的脈沖信號調速，通過控制L298N輸出端口OUT1和OUT2的高低電平，來控制M1、M2直流電機的正轉和反轉。當IN1與IN3信號端接高電平時，兩臺電機進行正轉，當IN1接高電平IN2接低電平時，M1正轉。當M1停止，M2正轉時小車左轉。當M1和M2都停止時小車也停止行駛。電機收到相關指令時的運轉情況如表3-3-2所示。表3-3-2電機收到相關指令時的運轉情況直流電機旋轉方式IN1IN2IN3IN4調速PWM信號使能A使能BM1正轉10//0/反轉01//0/停止00//0/M2正轉//10/0反轉//01/0停止/////0本設計采用直流電機，由于單片機輸出信號功率不足以驅動電機，所以增加驅動芯片以提高功率。利用直流電機常用的PWM脈寬調制方式調節電機速度。PWM信號端A控制M1調速，信號端B控制M2調速，L298N驅動原理圖如圖3-3-2所示。圖3-3-2L298N驅動原理圖3.4電源電路設計本次超聲波避障小車的設計中，采用7805芯片降壓后得到5V供給其他單片機和芯片，它內部具有過電壓保護性能、簡單可靠，而且完全能夠避障小車供電需求。圖3-4電源電路3.5報警設計報警設計主要為了在小車遇到障礙物時能夠報警提示，根據上面方案選擇論證，本設計選擇蜂鳴器報警，通過TC89C52單片機給定不同頻率的高低電平使蜂鳴器發出報警。通過\t"/item/%E8%9C%82%E9%B8%A3%E5%99%A8/_blank"三極管放大驅動電流使蜂鳴器發出聲音，報警電路如圖3-5所示。

圖3-5報警電路軟件設計C語言具有良好的結構性和兼容性，便于程序調試和維護，所以本設計軟件部分通過Keil軟件采用C語言進行編寫，軟件設計主要包括主程序、電機驅動子程序設計和超聲波測距子程序設計。整個程序的運行首先從主程序開始運行，子程序服從主程序的調用執行賦予的指示做出相應的動作。主程序起到導向和決策的作用，主程序的設計決定著超聲波避障小車相關動作，而智能小車則根據主程序給出的指令調用相關的子程序予以回應。4.1主程序設計用流程圖可以直觀清晰的看出設計思路，便于理解和描述。程序開始，系統初始化，按下開關后，小車蜂鳴器報警，小車前行，定時器計時，超聲波發射器發出觸發信號，如果前方有障礙物，則超聲波接收器會收到回波信號，同時計時結束，通過時間差和超聲波傳播速度，計算出小車與障礙物之間的距離，若小車與障礙物之間的小于所設定檢測距離30cm時，蜂鳴器報警并左轉避開障礙物，然后檢測是否避開障礙物，若避開障礙物則小車前行，否則繼續左轉。主程序流程圖如下：圖4-1主程序流程圖4.2超聲波測距子程序對于超聲波計算障礙物之間的距離，首先利用定時器在主程序運行的同時開始計時，從發射觸發信號到收到回波信號，定時結束，計算高電平時間，根據定時時間算出聲波的來回路程=聲波來回所用的時間*聲波速度/2。對超聲波智能小車距離計算程序的編寫如圖4-2所示。圖4-2超聲波設計距離計算流程4.3電機驅動子程序設定超聲波檢測距離為30cm，若前方有障礙物，則左側電機停轉右側電機正轉，小車實現左轉，然后判斷是否避開障礙物，若前方沒有障礙物，小車兩電機都正轉，小車向前行駛，否則，繼續執行左轉，直到避開障礙物。程序框圖如下圖4-3所示。圖4-3電機工作程序流程圖第5章總計與展望通過對本次畢業設計--自動避障小車設計，使我更深刻的了解到實踐和理論相結合的重要性。本文分四個章節詳細介紹了關于自動避障小車的整體設計，首先介紹了本設計研究背景以及主要內容，闡述了自動避障系統的工作原理及組成，從硬件設計和軟件設計共同實現小車避障。在畢業設計過程中，我學到關于單片機，超聲波傳感器和C語言方面的知識以及獨立思考問題的能力。本設計的避障小車還可以從多方面改進，在很多復雜地形時不能夠有效動作可以添加多個傳感器感測障礙物，利用太陽能供電也更加環保。隨著信息技術的不斷融合，智能小車將會擁有更廣闊的發展前景，不僅能夠大大降低車輛事故的發生，同時也減輕了駕駛員的負擔，成為更安全更舒適的交通工具。附錄附錄A:電路原理圖附錄B:自動避障小車系統源代碼自動避障小車源程序：#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint //定義L298N端口 sbitin1=P0^0; sbitin2=P0^1; sbitin3=P0^2; sbitin4=P0^3; sbitenA=P0^4; sbitenB=P0^5; //定義蜂鳴器 sbits2=P3^0;sbitbeep=P2^3;voidmain(){while(1){if(!s2)beep=0;elsebeep=1;}}; //定義超聲波模塊端口 sbitTring=P1^2; sbitEcho=P1^3; unsignedintdistance_cm=0; //距離 unsignedintoverflow_count=0; unsignedintstatus=0; //超聲波模塊狀態 unsignedintdis_count=0; //計數 unsignedchartmp,dat,flat; unsignedintnum,model,c=0; unsignedintspeed=100; voidchaoshengbo_init(void); voidGetDistance(void); voiddelay(unsignedintz) { unsignedintx,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--) } voiddelay_us(unsignedintaa) { while(aa--); } //小車左轉 voidleft(unsignedcharpwm) { enA=1; in1=0; in2=0; in3=1; in4=0; delay_us(pwm); enA=1; in1=0; in2=0; in3=0; in4=0; delay_us(100-pwm); } voidl(void) { enA=1; in1=0; in2=0; in3=1; in4=0; } //小車停止 voidstop(void) { enB=1; in1=0; in2=0; in3=0; in4=0; } voidmain(void) { chaoshengbo_init(); while(1) { b(); GetDistance(); if(distance_cm>0&distance_cm<=30) { f(); delay(800); r(); delay(800); } } } //超聲波模塊初始化 voidchaoshengbo_init(void) { Trig=0; //TH2=RCAP2H=0; //TL2=RCAP2L=0; TH0=TL0=0; TR0=0; //關閉定時器2 ET0=1; //允許T2中斷