毕业设计(论文)-基于AT89S52单片机的超声波避障智能小车设计(27页).doc
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1、-毕业设计(论文)-基于AT89S52单片机的超声波避障智能小车设计-第 20 页本科毕业论文(设计)题目:基于单片机的超声波测距智能小车避障设计 姓 名: 学 号: 专 业:10电子信息工程 院 系:电子通信工程学院指导老师: 职称学位: 讲师/硕士 完成时间:2014年5月11日 教务处制安徽新华学院本科毕业论文(设计)独创承诺书本人按照毕业论文(设计)进度计划积极开展实验(调查)研究活动,实事求是地做好实验(调查)记录,所呈交的毕业论文(设计)是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除文中特别加以标注引用参考文献资料外,论文(设计)中所有数据均为自己研究成果,不包含
2、其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的工作已在论文中作了明确说明并表示谢意。毕业论文(设计)作者签名: 日期: 2014年5月16日 基于单片机的超声波测距智能小车避障设计摘 要本论文主要是基于单片机的超声波测距智能避障小车的研究,其用在行车过程中智能控制车距、车速、行驶方向,避免小车与障碍物碰撞。本设计的超声波测距系统的确定条件是超声波在空气中的传播速度,采取发射超声波和反射波时间上的差计算距离,用以作为单片机做出判断并发出相应指令的判断信号源。在研究超声波测距原理的基础上,本文完成了基于单片机超声波测距系统的设计,主要包括单片机最小系统、超声波测距系统和电机驱动
3、控制电路。设计中,单片机最小系统是为整个系统提供基础运行服务,超声波测距系统在单片机的控制下,发射并接收超声波,为单片机提供外部中断信号源,从而为单片机作出判断提供依据,驱动系统则是在单片机做出判断后给予其相应的指令代码,来控制驱动系统的运行;最终达到智能避障的目的。该系统各个模块都能正常实现预期的功能,而且保证小车在行驶过程中的安全系数,同时实现了超声波在智能控制车距车速方面的应用。设计完成并实现后分析,该智能小车的电路结构非常之简单,调试方便,设计方案正确、可行,各项指标稳定、可靠。关键词:单片机;超声波;测距;避障; Design of super living wave range o
4、f intelligent obstacle avoidance car based on single chip microcomputerAbstract This thesis is mainly based on single chip ultrasonic ranging intelligent obstacle avoidance car research, its use in the process of traffic intelligent control vehicles driving distance, speed and direction, to avoid th
5、e car collisions with obstacles. The determination of the design of ultrasonic ranging system on condition that the ultrasonic velocity in air, take on the side of launch ultrasonic wave and reflected wave time difference computing distance, used to make judgments as a single chip microcomputer and
6、a corresponding instruction judgment signal source.Based on the study of the ultrasonic ranging principle, this paper completed the design of the ultrasonic ranging system based on single chip microcomputer, including single chip microcomputer minimum system, ultrasonic ranging system and motor driv
7、e control circuit. In the design of single chip microcomputer minimum system is to provide basic operation service for the whole system, the ultrasonic ranging system under the control of the MCU, transmit and receive ultrasonic, provide external interrupt signal source for SCM, so as to provide bas
8、is for the MCU to judge, the drive system is the single chip microcomputer after the judge to give its corresponding instruction code, to control the operation of the drive system.Ultimately achieve the goal of intelligent obstacle avoidance. Every module of the system can realize the expected funct
9、ion normally, and guarantee the safety factor in the process of the car on the road, at the same time realize the ultrasonic application in intelligent control vehicles is apart from the speed.Designed and implemented after analyzing the smart car circuit structure is simple, convenient debugging, t
10、he design scheme is correct and feasible, and the indicators is stable, reliable.Key words: single chip microcomputer; Ultrasound; Range; Obstacle avoidance; 目 录1 绪 论11.1 背景及意义11.2 研究内容11.3 设计思路及各模块功能21.4 超声波测距的应用前景及一些场合22 小车硬件设计32.1 硬件总体设计32.2 单片机硬件电路设计32.2.1 单片机选择注意事项42.2.2 STC89C52双列直插式引脚分布42.2.3
11、 单片机引脚及原理图设计42.3 超声波测距系统62.3.1 超声波测距原理62.3.2 超声波速度计算方式62.3.3 超声波发射电路62.3.4 超声波接收电路72.4 电机驱动控制电路82.4.1 L298N内部电路图及引脚82.4.2 驱动系统电路设计92.5小车整体硬件连接框图设计103 小车软件设计113.1软件总体设计113.2软件设计模块设计123.2.1 主程序执行设计123.2.2 子程序功能设计133.3 软件调试及功能实现134 系统调试144.1调试步骤144.2调试单个模块144.2.1 L298N驱动模块检测调试144.2.2 超声波测距模块调试检测144.3整体
12、调试总结145 所得结论及展望165.1论文所得结论及总结165.2超声波测距应用的展望17致 谢18参考文献19附 录201 绪 论 智能在今天的社会中、生活中均已得到了普遍的应用和普及,可以说已经是遍地都是了,智能是以后发展的必然方向,它完全遵照预先设定的程序和模式在预设和特定的环境里自动智能化的执行指令和运作,不需要人一直呆在某处进行管理操作,就可以完成预期所要目的以及目标。1.1 背景及意义本设计主要体现小车的智能模式,设计中的创新点和方案可以为自动机器人及半自动机器人的设计与方案采用超声波有一定的参考价值,而且也可作为设计小孩子玩具得参考,具有一定的经济效益。 超声波作为避障的重要工
13、具,其容易实现实时控制,测量的准确度能达到实际应用的要求,未来其必可得到重用。探讨并研究超声波在智能小车避障中的应用,对我国的科技发展也有一定的促进。 智能小车超声波测距避障系统的前景是用于未来的智能汽车上,如果汽车驾驶员出现注意力转移而导致行车出现危险,智能系统此时发挥作用,保障不会出现交通事故以及意外。另外,其也可以用在探测车上,使其在科学考察探测车上也可有一定的应用,使其在科学考察中代替人类从事许多人们无法亲自着手来完成的工作,意义非凡。1.2 研究内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,当障碍物距离小车超过30cm,小车继续前行;小于30cm时,驱动
14、电路使电机减速,小车也开始减速并且小车将进行相应的避障,避开后继续前进。当然探测装置此时必然要发挥其作用,由于超声波遇到障碍物时发生反射和散射,发射多次后再回到超声波探头接收检测端口有比较严重的误差路程,因此影响检测距离从而影响障碍物的准确位置。1.3 设计思路及各模块功能 当我们从事这些开发研究时,很多方面都可以采用超声波测距原理来进行一些智能控制,本次设计的智能小车使用STC89C52单片机作为主控芯片,它通过超声波测距系统来获取障碍物距离小车的距离,判断小车此刻与障碍物距离,然后调整方向以避开障碍物。避开障碍物后,小车会重复前面的程序及动作,反反复复,一直持续下去。 步进电机的控制系统的
15、主要功能就是实现对电机开始和停止的控制;控制电路由 STC89C52单片机的I/O 端口、定时器、一些必要的控制电路等可以方便的对电机实现智能控制。 其是由STC89C52单片机发出脉冲信号输入到 L298 驱动芯片来控制步进电机的工作。其驱动电路的控制部分由 STC89C52 单片机的外部中断电路组成;步进电机的控制部分由电机和 L298N 步进电机驱动模块组成。设计显示部分:实现对超声波测的距离的实时显示,在此虽有设计,为了节约成本就没有将其在实物中体现出来。另外,超声波探头连接直接和单片机的I/O口相连;其他的就是软件部分,实现对超声波的处理,及相关的应对指令。1.4 超声波测距的应用前
16、景及一些场合超声波测距能够用来设计机器人、探测车、挖矿车等,它的成本低,电路结构也简单易懂,程序调试够方便不复杂。另外,因其具有极强的趣味性,智能小车深受电子类研究者以及高校大学生的偏爱;同时其也可应用在各种孩童的玩具上。因此其开发前景是极其广阔的,应用场合也是数不胜数的。2 小车硬件设计 MCS52系列单片机的优越性体现在很多方面,例如:科学探测、数据采集、计算机通信、工业监控测控等等都很广泛的应用到了它。针对不同的需求,我们可以自行更改程序和硬件电路,来实现我们所需要的功能。2.1硬件总体设计 单片机按功能划分有:微处理器,程序存储器,并行I/O口,定时器/计数器,串行口,中断系统及特殊功
17、能寄存器,数据存储器。这些全是由片内的单一总线连接而成。图2.1 硬件电路总体设计显示模块时钟电路复位电路电源电路超声波发射口驱动系统STC89C52单片机超声波接收口硬件电路设计部分主要包括:超声波发射与接收电路、电源电路、复位电路、时钟电路 、定时器及驱动。设计的思想是由电源电路供电,复位与时钟电路是基本电路模块,来实现对整个系统的控制,驱动系统完全受单片机的控制,其给与其何种信号,驱动系统便执行相对应的电机运转控制,超声波发射和接收电路模块就是为单电机提供判断的信号源,是否执行某个指令的依据就是超声波信号。基于此种设计思想,硬件电路总体设计框图如下图所示:2.2.1单片机选择所要考虑的事
18、项(1)单片机最基本性能参数指标。例如:执行一条指令耗费时间、程序存储器的存储量、I/O口的引脚数等。(2)对程序存储器,闪存的存储器更优。(3)单片机的封装形式,其很多种,比如:PLCC封装及表面贴附、双列直插封装等。考虑到本设计特殊性,优选双列直插。(4)运行的温度、湿度等对单片机要求怎么样?(5)单片机的功耗如何?本次设计优选STC公司相对好点。(6)单片机在市面上的销售价格如何?要考虑其经济实用性。(7)技术的支持怎么样?商家所提供的单片机资料可用性、针对性也要加以考(8)单片机的保密性、抗干扰性能达标率也要进行一定的调研与思考。2.2.2 STC89C52双列直插式引脚分布如下图实物
19、所示:图2.2 双列直插式引脚实物图其引脚分布如上图所示。由于本设计为固定模式的,即调试成功,实现功能后,所有模块都将定型,单片机不会频繁移动,于是设计成双列直插的形式,经济实用。2.2.3 单片机引脚及电路图设计其引脚主要有:电源 (Vcc ,GND)、时钟电路(XTAL1,XTAL2)、复位引脚(RST)、输入输出口引脚(I/O口,P0P3)等。其引脚分布图如下图所示:图2.3 单片机引脚分布图单片机的最小系统电路设计图如下:图2.4 单片机最小系统STC89C522.3 超声波测距系统 2.3.1 超声波测距原理 超声波探头发射出超声波,在发射的同时开始计时,超声波在空气中传播,当超声波
20、在传播中遇到障碍物便会立即反射回来;此时,超声波探头接收器收到反射回来的超声波,同时定时器停止计时,原理图如下所示:发射探头发射超声波 障碍物接收探头接收反射回来的超声波图2.5 超声波测距原理图2.3.2 超声波速度计算方式理想情况下,空气中声速应为: (2-1) 但是由于实际空气中,含有大量的水蒸气等物质存在,会影响声波传播,不过一般依然采用上述公式计算。换算后大约为:=331.40.6007t3-1。2.3.3 超声波发射电路其主要是由74LS04和超声波换能器LS2组成的,单片机的P1.0端口输出38.5MHz的方波信号,其经过反相器到达超声波换能器,这样可以使发射的强度增加。74LS
21、04其输出与LS2组合电路图如下图所示:图2.6 超声波发射电路2.3.4 超声波接收电路图2.7 超声波接收电路其主要是采用CX20106A作为接受电路的核心的,这款芯片是专用的检波芯片。其可以完成对信号的前置放大、限幅放大、带通滤波和检波整形等。更改个别电路中的电子元件。亦可使其更灵敏和拥有更强的抗扰能力。其电路图如下所示:2.4 电机驱动控制电路 2.4.1 L298N内部电路图及引脚输出 本设计采用的是L298N驱动电路系统来完成设计的。L298N内部电路图及引脚输出电路图如下所示:图2.8 L298N内部电路及引脚 其通过连接单片机的I/O端口,由I/O端口的输入来改变L298N芯片
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