智能超声波避障小车毕业论文

智能超声波避障小车毕业论文

目录

引言 (1)

1 系统设计 (1)

1.1 任务要求 (1)

1.2 总体设计 (1)

2 方案论证 (2)

2.1 系统控制模块设计方案论证 (2)

2.2 电机的选择方案论证 (3)

2.3 避障模块设计方案论证 (4)

2.4 显示模块设计方案论证 (5)

2.5 直流调速方案设计 (5)

2.6 电源模块设计方案论证 (5)

3 元器件介绍 (6)

3.1 AVR单片机主控芯片介绍 (6)

3.2 L298N驱动芯片 (6)

3.2.1L298N驱动芯片介绍 (6)

3.2.2L298N驱动芯片特点 (6)

3.3 直流电机 (6)

3.4 超声波传感器 (7)

3.4.1超声波传感器概述 (7)

3.4.2接口说明 (8)

3.4.3超声波测距原理 (8)

3.5 光电传感器 (8)

3.6 LCD1602液晶显示 (9)

3.6.1液晶显示LCD实物图 (9)

3.6.2液晶显示原理 (9)

3.6.3管脚功能 (9)

4 系统单元电路的设计 (10)

4.1 超声波收发电路 (10)

4.2 红外线收发电路 (10)

4.3 单片机主控电路 (10)

4.4 电源电路 (11)

4.5 LCD1602显示电路 (12)

4.6 电机驱动电路 (13)

4.6.1直流电机 H 桥驱动方案的选择 (14)

4.6.2PWM调速原理 (14)

4.7 光警示电路 (16)

4.8 单片机复位电路 (16)

4.9 单片机时钟震荡电路 (17)

5 软件设计 (18)

5.1 主程序 (19)

5.2 避障子程序 (19)

5.3 电机驱动子程序 (20)

5.4 显示子程序 (21)

5.5 测量距离子程序 (23)

5.6 光警示子程序 (24)

6 调试与仿真 (24)

6.1 调试仿真工具Proteus介绍 (24)

6.2 硬件的制作与调试 (26)

6.3 电路与程序调试过程 (28)

6.3.1电路的仿真调试 (28)

6.3.2电路的调试 (28)

7 结论 (30)

谢辞 (31)

参考文献 (32)

附录 (33)

引言

智能，是指在非结构环境下运作并能够自动预先设定模式，不需要人为的操作就能达到预期或是更高的目标，为人类提供必要服务的集成智能化装备。作为当今社会的新产物，智能对我们的实际工作生活具有很大的实用性。超声波避障的研究对于我国智能车的普及有一定的指导作用并且有着深远的意义，同时小车也成为现代智能玩具的一种良好的发展对象，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。

本题目设计的是具有自动避障功能的智能小车。主要开发一个能根据红外线和超声波检测结果，自动避开障碍物的智能小车控制系统。设计选择通用、价廉的ATmega16单片机作为主控芯片，选择通用的电机模型车为机械平台，系统通过采集超声波传感器和光电传感器的数据，通过相应的比较计算来对PWM波的输出进行控制操作，对电机的转速实现实时调节；通过超声波传感器接收回的数据来计算小车与障碍物之间的距离，从而实现小车的避障功能。通过细化要求，本系统以ATmega16为核心控制器，主要由电源模块、电机驱动模块、显示模块、避障模块构成。通过电机控制技术和传感器技术相关知识的结合，设计完成以由超声波前方测距、避障与红外线左右自动避障组成的硬件模块，结合软件程序设计组成智能避障小车，共同实现了小车的前进、后退、左转、右转，通过超声波自动根据前方距离围障碍物测距，检测障碍物停止再绕行，达到设计目标。

智能小车系统的设计思路采用了模块化的方法，电路结构简单，系统成本低，调试方便，系统反应快速、灵活，小车调速平滑，功耗低，设计方案正确、实施性强，各项指标可靠、稳定，基本满足设计要求。稍加改动便可应用于简单的实际生产生活中，也可作为高校学生以及广大机器人爱好者学习研究使用。

1系统设计

1.1任务要求

（1）检测障碍物并且避障：由超声波和红外探头共同实现；

（2）小车电机由L298N驱动；

（3）速度由单片机输出的PWM波控制；

（4）超声波能实现对障碍物的测距，LCD屏显示了超声波检测到前方的距离。1.2总体设计

硬件电路系统的设计通过采用模块化的设计方法，由单片机最小系统模块，超声波避障、红外线避障模块，电机驱动，电源模块，显示模块以及光报警模块七部分组成。其中小车使用AVR单片机为主控芯片，它通过小车前端超声波返回的数据来获取小车距离障碍物的距离，并且用LCD1602显示出来，当小车与障碍物的距离大于某设定的距离时，小车会沿直线前进，当小车与障碍物的距离小于某设定的距离时，小车左转或者右转以避开障碍物；车头两侧由红外线对管自动避障组成的硬件模块组成，实现小车左转

和右转功能；并且此时LED闪烁。在避开障碍物后，小车会沿直线前进。

系统硬件构成框图如图1-1所示。

图1-1 系统硬件构成框图

2方案论证

2.1系统控制模块设计方案论证

AT89S52单片机与ATmega16单片机的选择。

方案一：AT89S52单片机具有十分完备的功能，不仅能够对片某些特殊功能寄存器的某位进行传送、置位、清零、测试等处理，还能进行位的逻辑运算，使用起来得心应手。特点是控制简单、价格便宜，具有完整的输出输入、端口控制、以及部程序的存储空间，程序烧写方便，支持USB口或者是串口两种下载程序方式，并且是我们平时上课学习与使用的。能够使用外接A/D，D/A转换电路与运放芯片来实现采集传感器传送信息的功能，且能够通过以点阵或LCD液晶以及外接按键实现人机交互[1]，能通过部众多I/O端口与步进电机连接来对外围设备进行精确操控。

方案二：ATmega16单片机，特点是取指周期短，有可预取指令，实现于流水作业，故可高速执行指令。采用精简指令集，克服了瓶颈现象，指令执行速度(1Mips/MHz)得以提高，功能增强；由于硬件结构得到了简化了，降低了对外设管理的开销和成本。ATmega16单片机的I/O口功能强大，因为它具有能够单独设定为输入或输出的功能，设置上拉电阻，并且有高阻输入、驱动能力强等特性，这使的得I/O口得到充分的利用。片集成多种频率的RC振荡器，能够自动上电复位、并且有看门狗和启动延时等功能，所以ATmega16单片机外围电路相对AT89S52简单，系统更加稳定可靠。

经过比较，因为AT89S52单片机，具有位运算，能较方便的应用I/O口。但PWM利用定时器中断函数，模拟产生PWM脉冲，由于PWM频率较高，势必导致定时器中断被频繁触发。此时，如果有其他对时序要求较高的模块被同一单片机控制的话，有可能导致时序紊乱，无法控制。对于超声波模块，频繁的中断触发，会导致计时不准，使得换算出来的距离具有一定的误差。而AVR单片机，由于采用的是精简指令集，其不支持位操作，但具有较高的效率，抗干扰性和可靠性。它的4通道PWM，具有硬PWM时序功能，

使用时只需设置相关寄存器即可实现PWM的产生。其PWM的产生为硬件生成，不会占用CPU的资源。即不会对其他驱动程序产生影响。但缺点是PWM必须使用一个定时器，对于一般三轮车，要消耗两个定时器。ATmega16单片机不用考虑定时器做PWM引起的资源分配问题。因此选择方案二。

2.2电机的选择方案论证

直流电机与步进电机的选择：

电机是系统的动力来源，电机有着不同的类型，其中步进电机和直流电机最为常用。直流电机的特点是加上合适的电压通过电机驱动即可进行转动，但转圈精度不高；步进电机的工作方式与直流电机不同，通过脉冲控制电机按照节拍进行转动，根据电机不同转动的角度也各有差异，精确度高，但速度慢。电机的驱动方式各有不同，一般小型步进电机可以通过ULN2003进行驱动，直流电机需要的工作电流与步进电机相比较大，需要使用L298N这类专用的驱动芯片控制，控制时单片机通过输出PWM波调节转动速度。直流电机和步进电机都可以用于小车驱动。故有两种方案。

方案一：直流电机。直流电机由于加上了适当减速比的减速器，具有良好的调速性能[2]，通上电源即可连续不停的转动，所以控制起来也相对简单。调节电压的大小可以改变电机的速度。L298N模块做成的驱动电路可实现直流电机的控制，可配合PWM调速机制（即脉冲宽度调制方式）调速。此方案电路和控制都相对容易，相对性能比较好。

方案二：步进电机。步进电机之所以可以精确的实现位置控制，是因为它是通过输入一个电脉冲信号就能使电机的输出轴转动一定的角度，通过连续不断的输入点脉冲信号，步进电机连续的转动，外加的脉冲频率的不同，转速的大小也不一样[2]。步进电机的转动并不受电压波动和负载变化以及温度、气压等环境因素的影响，仅与控制脉冲有关，但步进电机的速度十分缓慢，且消耗I/O资源过多，不适合本作品。具体差别见表2-1。

如表2-1所示，步进电机和直流电机都有各自的特点。步进电机虽然能够进行精确的位置控制，但行动缓慢；鉴于直流电机易于控制、驱动电路相对简单，足以满足本设计位置控制的精度。故本设计选择使用直流电机。

2.3避障模块设计方案论证

超声波传感器与光电传感器的选择。

方案一：使用一个超声波探头。超声波传感器价格便宜，不容易受到粉尘、光线、电磁类的干扰，并且自带温度补偿。但由于时间关系没有添加温度补偿措施所以易受到环境中温度的影响。但它不受光照强弱和能见度的影响，能耗低、灵敏度高，即使在较复杂的环境也可以工作。超声波的发射器能够不断发射声脉冲，由于频率越高反射能力越强，接收换能器接收到遇到障碍物就反射回来的超声波信号，根据回声探测法，通过对声速以及时间的计算，实现超声波的测距及避障功能[3]。

使用一个红外线探头。红外线具有可见光直线传播、反射、折射等特性。红外传感器发光管发出具有可见光直线传播、反射、折射等特性的红外光，通常阈值的设定及判定模块是由电压比较器与可调电位器构成的[1]，由于接收管接收的光强根据反射物体的距离而变化，接收管的电压与障碍物的距离成反比，通过判断发射光的强弱，实现红外线测距以及避障的功能。

方案二：使用舵机带动一对超声波探头进行180度旋转。由于方案一单个探头会有检测不到车头两侧的障碍物，当障碍物多时，会导致前方避障之后撞到两侧的障碍物。而当使用舵机带动探头的方案时，通过扫描检测到各个方向的障碍物，过单片机对各方向返回的数据通对比，可以很好的分析出障碍物方向，通过调节小车两侧左右电机转速差控制行驶方向实现小车避障功能。舵机是以周期为20ms、宽度从0.5ms~2.5ms的脉宽调制信号作为控制信号的，相对对应舵盘的位置是0~180度，呈连续线性变化。也就是说，给它提供特定宽度的脉冲信号，它的输出轴就会转动到一个与之相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会将输出角度转动到新的对应的位置上。舵机有一个置的基准电路，其不断产生周期的20ms，宽度1.5ms 的基准信号；另有一个比较器，将外加信号与基准信号进行比较，判断出转动方向和转动角度大小，进而产生电机的转动信号。由此可见，舵机是一种精度很高的位置伺服的驱动器，转动最大角度不能超过180度，适用于那些需要角度不断变化并可以停滞的驱动当中。但此方案具有编程复杂，占用资源多，判别速度慢等缺点。

方案三：采用多方向超声波测距分析来实现避障。由于方案二的舵机在避障过程中不能及时的转会前方继续探测，同样也会有撞到障碍物的情况发生[3]。因此，在小车的车身前端左、中、右三方向放置超声波探头，单片机通过对三个方向超声波返回的测距数据进行对比分析，确定障碍物位置，再通过调节小车左右电机转速差控制小车行驶方向实现避障。但是考虑到可能会有一发射端发射的超声波会被另外一端的接收端接收的问题，为了防止3对超声波探头信号的相互干扰，所以各个超声波发送信号都要相互间隔，为了消除上一次发出的超声波影响，两次测量时间应为20ms，这就使小车的反应变得非常迟钝。

综上所述，超声波传感器测距围一般在30~300cm之间，设定测量的周期为20ms一

次才能防止相互干扰；而红外测距传感器的测量速度十分快，可以在一定程度上弥补超声波传感器的缺点，大大增加了小车的反应速度。因而，本设计采用多路红外和超声波传感器进行距离信息的测量和采集。

2.4显示模块设计方案论证

方案一：采用七段LED数码管显示相关数据。数码管简易且常用，显示具有高亮、光衰弱少、可视距离远、寿命长的优点。但数码管一般只适合数字显示，一位数码管能显示一位数据，且占用的I/O多，编程相对复杂。由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上四位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示而不会有闪烁感[4]。

方案二：采用LCD1602液晶显示。液晶显示界面较为友好，成本较低，具有耗能少、可同时显示数据多、电路简单、占用I/O口少、PCB布线简单、控制指令简单、编程简单等优点[4]。

经过对两种显示方案优缺点的衡量，本设计决定采用方案二。

2.5直流调速方案设计

在智能避障小汽车的研制开发过程中，智能小车要能够根据周围障碍物的具体位置情况自动控制行驶方向是非常关键的。主要功能是单片机当接收到避障模块返回的数据时，通过驱动两个车轮调节小车的行驶速度，然后改变两个车轮的转速差，利用万向轮，调节行驶方向。

本设计根据PWM脉宽调制原理，电机速度的改变是通过改变输出方波的占空比使负载上的平均电流功率从零到百分之百变化而实现的，它的优点是电源的输出电压在工作条件变化时能够保持恒定，能量功率、能得到充分利用，电路的效率高。

电机控制采用的脉冲宽度调制（PWM）技术，单片机输出的方波的频率是恒定的，该脉冲宽度调制，用于改变电机的旋转速度，输出电压的平均值的方波，当输出低电平时，电机停止时，输出电平高，电机最高速。在软件实现上，采用定时器中断来实现方波的产生，使电机速度的控制不受其他影响。当定时器定时到固定的时间便产生中断，将输出电平取反，不断循环计时便能产生稳定的方波，不会因为其他程序的延时而改变输出频率。

2.6电源模块设计方案论证

第一种方案可以用双电源，7.5V和5V单独供电，这样具有很好的抗干扰能力，但是，成本很高，做出来的东西比较笨重。

第二种方案是使用7.5V电池，首先输出给电机供电，然后通过7805稳压管稳压出5V的电压给传感器和单片机供电。考虑的就是小车的带负载能力，通过试验得知，小车在运行时质量越大，避障的可靠性越差。通过电容进行滤波，并且安置拨码开关，使小车运行的开关更加方便、稳定。

通过对比两种显示方案的优缺点，本次设计决定采用方案二。