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1、. . . . 江阴职业技术学院项目设计报告项目：超声波避障小车的设计与制作 专 业 应用电子技术专业学生 奔 班 级 10应用电子(1)班学 号 10030126 指导教师 包军卫 完成日期 2012年6月10日 . . . 摘 要智能小车是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人，它具有制作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便等优点。由于具有很强的趣味性，智能小车深受广大机器人爱好者以及高校学生的喜爱。本论文介绍的是具有自动避障功能的智能小车的设计与制作（以下简称智能小车），论文对智能小车的方案选择，设计思路，以及软硬件的功能和工作原理进行了详细的分析和论述。经实践验收测试，该智能小
2、车的电路结构简单，调试方便，系统反映快速、灵活，设计方案正确、可行，各项指标稳定、可靠。第一章 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
3、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
4、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40cm，PWM信号自增，驱动电机加速，小车加速前进，当小于30cm时，PWM信号自减，驱动电机减速，小车减速前进，并且小车采取相应的避障措施。这里探测装置必
5、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。1.3直流电机的发展：直流电动机在冶金、矿山、化工、交通、机械、纺织、航空等领域中已经得 到广泛的应用。而以往直流电动机的控制只是简单的控制，很难进行调速，不能 实现智能化。如今，直流电动机的调速控制已经离不开单片机的支持，单片机应 用技术的飞速发展促进了自动控制技术的发展，使人类社会步
6、入了自动化时代， 单片机应用技术与其他学科领域交叉融合，促进了学科发展和专业更新，引发了 新兴交叉学科与技术的不断涌现。现代科学技术的飞速发展，改变了世界，也改 变了人类的生活。由于单片机的体积小、重量轻、功能强、抗干扰能力强、控制 灵活、应用方便、价格低廉等特点，计算机性能的不断提高，单片机的应用也更 加广泛特别是在各种领域的控制、自动化等方面。 在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较 高的能量转换效率；二是应能根据生产工艺的要求调整转速。电动机的调速性能 如何对提高产品质量、 提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。 因此， 调速技术一直是研究的热点。 直
7、流电机由于具有速度控制容易，启动制动性能良好，且能在宽围平滑 调速等特点而在电力、冶金、机械制造等工业部门中得到广泛应用。直流电动机 转速的控制方法可分为两类：励磁控制阀与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁 通，其控制功率虽然小但低俗时受到磁场饱和的限制，高速时受到换向火花和转 向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差。所以常用的控 制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。 传统的改变端电压的方法是通过调节电阻来实现的，但这种调压方法效率 低。随着电力电子技术的发展，创造了许多新的电枢电压控制方法。其中脉宽调 制（Pulse Width Modulation,PWM）是常用的
8、一种调速方法。其基本原理是用改 变电机电枢电压的接通和断开的时间比（即占空比）来控制马达的速度，在脉宽 调速系统中当电机通电时，其速度增加，电机断电时其速度降低。只要按照一定 的规律改变通断电的时间，就可使电机的速度保持在一稳定值上。1.4单片机以及微处理器控制系统的发展：单片微型计算机的诞生是计算机发展史上的一个新的里程碑。近年来，随着 技术的发展和进步，以及市场对产品功能和性能的要求不断提高，直流电动机的 应用更加广泛，尤其是在智能机器人中的应用。直流电动机的起动和调速性能、 过载能力强等特点显得十分重要，为了能够适应发展的要求，单闭环直流电动机 的调速控制系统得到了很大的发展。而作为单片
9、嵌入式系统的核心单片机，正 朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、大存储容量和强 I/O 功能等方 向发展。随着计算机档次的不断提高，功能的不断完善，单片机已越来越广泛地 应用在各种领域的控制、自动化、智能化等方面，特别是在直流电动机的调速控 制系统中。这是因为单片机具有很多优点：体积小，功能全，抗干扰能力强，可 靠性高，结构合理，指令丰富，控制功能强，造价低等。所以选用单片机作为控 制系统的核心以提高整个系统的可靠性和可行性。 早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成， 由于模拟器件有其固有的 缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的 控制精度及可靠性较
10、低。随着计算机控制技术的发展，微处理器已经广泛使用于 直流传动系统，实现了全数字化控制。由于微处理器以数字信号工作，控制手段 灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速控制精度、可靠性和稳定性比 模拟直流调速系统大大提高。所以，直流传动控制采用微处理器实现全数字化， 使直流调速系统进入一个崭新的阶段。 微处理器诞生于上个世纪七十年代， 随着集成电路大规模及超大规模集成电 路制造工艺的迅速发展，微处理器的性价比越来越高。此外，由于电力电子技术 的发展，制作工艺的提升，使得大功率电子器件的性能迅速提高。为微处理器普 遍用于控制电机提供了可能，利用微处理器控制电机完成各种新颖的、高性能的 控制策略
11、，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合工业生 产使用要求，还促进了电机生产商研发出各种如步进电机、无刷直流电机、开关 磁阻电动机等便于控制且实用的新型电机，使电机的发展出现了新的变化。 对于简单的微处理器控制电机，只需利用用微处理器控制继电器、电子开关 元器件，使电路开通或关断就可实现对电机的控制。现在带微处理器的可编程控 制器，已经在各种的机床设备和各种的生产流水线中普遍得到应用，通过对可编 程控制器进行编程就可以实现对电机的规律化控制。 对于复杂的微处理器控制电 机,则要利用微处理器控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等，使电机按 给定的指令准确工作。通过微处理器控制，
12、可使电机的性能有很大的提高。目前 相比直流电机和交流电机他们各有所长，如直流电机调速性能好，但带有机械换 向器， 有机械磨损及换向火花等问题； 交流电机， 不论是异步电机还是同步电机， 结构都比直流电机简单， 工作也比直流电机可靠， 但在频率恒定的电网上运行时， 它们的速度不能方便而经济地调节 。高性能的微处理器如 DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR 即数字信号处理器)的出现， 为采用新的控制理论和控制 策略提供了良好的物质基础，使电机传动的自动化程度大为提高。在先进的数控 机床等数控位置伺服系统，已经采用了如 DSP 等的高速微处理器，其执行速度可达数百万兆以上每秒，
13、且具有适合的矩阵运算。1.5设计思路：直流电机PWM控制系统的主要功能包括：实现对直流电机的加速、减速，并且可以调整电机的转速，能够很方便的实现电机的智能控制。主体电路：即直流电机 PWM 控制模块。这部分电路主要由 AT89S52 单片机 的 I/O 端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，能够很方便的实现电机的智能控制。 其间是通过 AT89S52 单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到 L298 驱动芯片来 控制直流电机工作的。该直流电机 PWM 控制系统由以下电路模块组成：设计控制部分： 主要由 AT89S52 单片机的外部中
14、断扩展电路组成。直流电机PWM控制实现部分主要由一些二极管、电机和 L298 直流电机驱动模块组成。设计显示部分：LED 数码显示部分，实现对超声波测的距离的实时显示。第二章 总体设计方案2.1、本小车使用AT89S52单片机作为主控芯片，它通过超声波测距来获取小车距离障碍物的距离，并且用LED显示出来，当小车与障碍物的距离大于40cm时，小车会沿直线前进，当小车与障碍物的距离小于30cm时，小车转弯以避开障碍物，并且此时蜂鸣器报警。在避开障碍物后，小车会沿直线前进。简要框图如图2-1。 图 2-12.2、 总体电路原理图 第三章 硬件设计一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分容：一是系
15、统扩展，即单片机部的功能单元，如ROMRAMI/O口定时/记数器中断系统等能量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器打印机A/DD/A转换器等，要设计合适的接口电路。3.1、80C51单片机硬件结构80C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。1 微处理器该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。2 数据存储器片为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存
