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1、超声波避障小车设计原理与应用摘 要80C51单片机是一款八位单片机，他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。这里介绍的是如何用80C51单片机完成智能小车测避障功能。本系统以设计题目的要求为目的，采用80C51单片机为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。 采用的技术主要有：（1） 通过编程来控制小车的速度；（2） 传感器的有效应用；（3） 新型显示芯片的采用目 录摘 要IAbstractII第一章 前 言1第二章 方案设计与
2、论证3（一）直流调速系统3（二）检测系统4（三）显示电路9（四）系统原理图9第三章 硬件设计10（一）80C51单片机硬件结构10（二）最小应用系统设计11（三）前向通道设计12（四）后向通道设计14（五）显示电路设计17第四章 软件设计20（一）主程序设计20（二）显示子程序设计24（三）避障子程序设计25（四）软件抗干扰技术26（五）“看门狗”技术28（六）可编程逻辑器件29第五章 测试数据、测试结果分析及结论31致 谢32参 考 文 献33附录A 程序清单34附录B 硬件原理图42I第一章 前 言随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。本设计就是在这样的背景下提出的，指
3、导教师已经有充分的准备。本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、寻光、避障功能，可程控行驶速度、准确定位停车。根据题目的要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装光电、红外线、超声波传感器及金属探测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。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。本设计采用MCS-51系列中的80C51单片机。以80C51为控制核心，利用超声波传感器检测道
4、路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。80C51是一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。下面就简要的介绍一下单片机及其典型应用方式： “单片机”一词是Single-Chip Microcomputer较准确的译法，但最能准确反映单片机设计思想并且具有技术眼光的词汇是Microcomputer（微处理器）。之所以出现了Sigle-chip Microcomputer一词，实在是因为早期，甚至到MCS-51时期，单片机准确地体现了Sigle-chip Microcomputer的形态和内容。然而发展
5、到MCS-96，发展到新一代80C51M68HC05M68HC11系列单片机时，在单片机中着力扩展了各种控制功能。如A/DPWMPCA计数器捕获/比较逻辑高速I/O口WDT等，已突破了Microcomputer的传统内容，朝Microcomputer的内涵发展。因此，目前已到了该给单片机正名的时候了，国外已逐渐统一成Microcomputer。从最初的单片机发展到如今的新一代单片机。大致经历了三个年代。如以Intel8位单片机为例，这三个年代划大致是：第一代：以1976年推出的MCS-48系列为代表，其主要的技术特征是将CPU和计算机外围电路集成到了一个芯片上，作为与通用 CPU分道扬镳构成新
6、型工业微控制器取得了成功，为单片机的进一步发展开辟了成功之路。第二代：以MCS-51的80518052为代表，其主要的技术特征是为片机配置了完善的外部并行总线（ABDBCB）和具有多机识别功能的串行通讯接口（UART）,规范了功能单元的SFR控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统，为发展具有良好的兼容性的新一代单片机奠定了良好的基础。无论是第一代还是第二代单片机都还未突破单片计算机的内涵。第三代：以80C51系列为代表，它包括了Intel公司发展MCS-51系列的一代产品，如8C15280C51FA/FB80C51GA/GB8C4518C452,还包括了PhilipsSiemensA
7、DMFujutsuOKIHarria-MetraATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色与80C51兼容的单片机。新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以实现Microcomputer完善的控制功能为己任，将一些外部接口功能单元如A/DPWMPCA(可编程计数器阵列)WDT(监视定时器)高速I/O口计数器的捕获比较逻辑等。这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。Philips公司还为这一代单片机80C51系列8C592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线-CAN(Controller
8、Area Network BUS).新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础。Microcontroller并没有过分强调“单片”，因为向单片形式发展是一切先进电子系统都在追求的理想，并不为单片机所专有。单片机的应用方式随对象、环境、规模不同而大相径庭，不必独崇一宗。按照所使用单片机的类型不同，单片机应用系统结构可分成总线方式和非总线方式。总线方式的应用系统中，单片机都具有完善的外部扩展总线，如并行三总线（AB、DB、CB）、串行通讯总线（如UART）,通过这些总线可方便地扩展外围单元、外设接口等。采用总线方式的应用系统多属复杂的工控系统、智能仪表、监测系
9、统，或满足这些应用系统而构成的多机与网络系统。非总线方式的应用系统省去了外部并行总线，可构成各种小封装芯片，有限的引脚可提供更多的用户I/O口，可使应用系统的芯片数量最少。非总线方式的应用系统多属小型控制器、测控单元、单元仪表等。总线方式的单片机在不使用外部并行总线时，外部并行总线引脚可作为I/O口用。在掩摸用户程序时，还可要求将这些I/O口改造成具有各种驱动能力的I/O口。本设计就采用了比较先进的80C51为控制核心，80C51采用CHOMS工艺，功耗很低。该设计具有实际意义，可以应用于考古、医疗器械等许多方面。第二章 方案设计与论证根据题目的要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加
10、装光电检测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。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。（一）直流调速系统方案一：串电阻调速系统。方案二：静止可控整流器。简称V-M系统。方案三：脉宽调速系统。旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。该系统
11、需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发
12、导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：（1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以
13、获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。根据以上综合比较，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用了H型单极型可逆PWM变换器进行调速。脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。为顺利实现电动小汽车的前行与倒车，本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4各续流二极管组成的桥式电路。（二）检测系统检测系统主
14、要实现光电检测，即利用各种传感器对电动车的避障、位置、行车状态进行测量。1行车起始、终点及光线检测：本系统采用反射式红外线光电传感器用于检测路面的起始、终点（2cm宽的黑线），玩具车底盘上沿黑线放置一套，以适应起始的记数开始和终点的停车的需要。利用超声波传感器检测障碍。光线跟踪，采用光敏三极管接收灯泡发出的光线，当感受到光线照射时，其c-e间的阻值下降，检测电路输出高电平，经LM393电压比较器和74LS14施密特触发器整形后送单片机控制。本系统共设计两个光电三极管，分别放置在电动车车头的左、右两个方向，用来控制电动车的行走方向，当左侧光电管受到光照时，单片机控制转向电机向左转；当右侧光电管受
15、到光照时，单片机控制转向电机向右转；当左、右两侧光电管都受到光照时，单片机控制直行。见图2.1 电动车的方向检测电路(a)。行车方向检测电路（见图2.2 电动车的方向检测电路(b)）采用反射接收原理配置了一对红外线发射、接收传感器。该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏三极管及其上拉电阻。红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体，红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通，发出一个电平跳变信号。此套红外光电传感器固定在底盘前沿，贴近地面。正常行驶时，发射管发射红外光照射地面，光线经白纸反射后被接收管接收，输出高电平信号；电动车经过黑线时，发射端发射的光线被黑线吸收，接收端接收不到反射光线，传感器输出低电平信号后送80C51单片机处理，判断执行哪一种预先编制的程序来控制玩具车的行驶状态。图2.1 电动车的方向检测电路(a)图2.2 电动车的方向检测电路(b)前进时，驱动轮直流电机正转,进入减速区时,由单片机控制进行PWM变频调速,通过软件改变脉冲调宽波形的占空比,实现调速。最后经反接制动实现停车。前行与倒车控制电路的核心是桥式电路和继电器。电桥上设置有两组开关，一组常闭，另一组常开。电桥一端接电源，另
