【正文】 ................................................. 12 方案設(shè)計 ......................................................... 12 元器件介紹 ....................................................... 13 超聲波發(fā)射系統(tǒng)電路 ............................................... 20 超聲波接收系統(tǒng)電路 ............................................... 20 相關(guān)軟件、電路模塊和器件清單。由于具有很強(qiáng)的趣味性，智能小車深受廣大機(jī)器人愛好者以及高校學(xué)生的喜愛。 本論文介紹的是具有自動避障功能的智能 小車的設(shè)計與制作（以下簡稱智能小車），論文對智能小車的方案選擇，設(shè)計思路，以及軟硬件的功能和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析和論述。 ................................... 21 4 超聲波避障系統(tǒng) 的軟件設(shè)計 ........................................... 22 直流電機(jī)控制軟件設(shè)計 ............................................. 23 超聲波測距模塊軟件設(shè)計 ........................................... 23 超聲波避障技術(shù)軟件設(shè)計 ........................................... 24 軟件與硬件的整合軟件與硬件的整合 ................................. 26 5 超聲波避障系統(tǒng)調(diào)試 ................................................. 26 調(diào)試過程 ......................................................... 27 問題分析 ......................................................... 30 誤差分析 ......................................................... 30 致 謝 ................................................................ 33 參 考 文 獻(xiàn) ........................................................... 34 1 引言 研究背景與意義 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展 ,自主移動機(jī)器人以其活性和智能性等特點 ,在人們的生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用來越廣泛。同時小車可以作為玩具的發(fā)展對象，為中國玩具市場技術(shù)含量的缺乏進(jìn)行一定的彌補(bǔ)，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益，形成商業(yè)價值。硬件開發(fā)基 STC89S52 微控制器，集成了傳感器電路、信號處理電路、微控制器外圍電路及電 源電路等；軟件設(shè)計主要包括測距算法設(shè)計和避障算法設(shè)計。單路測距系統(tǒng)的角度掃描范圍為 22。全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽每年都設(shè)有智能小車類的題目，由此可見國家對高校機(jī)器人研究工作的重視程度。我果科學(xué)家對機(jī)器人的定義是 ：“ 機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力、和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器。 障礙物檢測是智能 移動 機(jī)器人、智能 汽車 對周邊環(huán)境感知技術(shù)研究領(lǐng)域中的重要方面 。 20 世紀(jì) 60 年代以來，弧焊點焊 氣焊 、機(jī)械 設(shè)備 加工、噴涂 刻畫 、 設(shè)計 裝配、檢測等各種 類型 ，各種用途 的機(jī)器人相繼出現(xiàn) ， 并迅速在工業(yè)生產(chǎn)中 實現(xiàn)流水線批量生產(chǎn) ，這大大提高了各種產(chǎn)品的 標(biāo)準(zhǔn)型 和質(zhì)量。自主式移動機(jī)器人的 設(shè)計 目標(biāo)是在沒有人的 參與控制 且無需對環(huán)境作任何規(guī)定和改變的條件下，有目的的移動 并 完成相應(yīng) 設(shè)定 任務(wù)。因此單從系統(tǒng)硬件層次上講，移動機(jī)器人必須具有豐富的傳感器、功能強(qiáng)大的控制計算機(jī)以及靈活和精確的驅(qū)動系統(tǒng)。通過軟件內(nèi)部校準(zhǔn)優(yōu)化消除外部物理條件造成的誤差從而 達(dá)到對障礙物的較準(zhǔn)確定位。 超聲波避障技術(shù) 就是利用超聲波來檢測機(jī)器人的前方是否有障礙物，機(jī)器人的前方你要放一個超聲波發(fā)生器、一個超聲波接收器，當(dāng)超聲波發(fā)生器發(fā)出去的聲波遇到障礙物時，這些聲波就會被反射回來，這時就利用超聲波接收器接受被反射回來的聲波，然 后再在機(jī)器人身上面按裝一個聲波轉(zhuǎn)化器，就是把反射回來的聲波轉(zhuǎn)化成其他的信號。 輸入輸出的模糊語言：模糊控制器的輸入?yún)?shù)是機(jī)器人六個超聲傳感器檢測到的距離信號。距離信號的模糊語言集合如下： {近，中，遠(yuǎn) }設(shè)定其相應(yīng)的語言變量，并記作： ND(near distance)= 近 MD(middle distance)= 中 LD(long distance)= 遠(yuǎn) 超聲波的傳播特性 超聲波的傳播特性有以下幾點： a)超聲波的束射性：由于超聲波頻率很高，所以方向性就相對要強(qiáng)，方向性即柬射性。 c）透射、反射和折射：在兩種不同媒質(zhì)的分界面上，會出現(xiàn)類似于光線一樣的透射、反射和折射現(xiàn)象，普通聲波也有此性質(zhì)。實驗證明：在頻率為 1MHz— 15MHz 范圍內(nèi) ,超聲波在人體軟組織中的吸收系數(shù)與超聲頻率成正比 ,如血液的吸收系數(shù)隨著超聲頻率的增高而增大。本論文硬件設(shè)計采用超聲波往返時間檢測法，其原理為：超聲波發(fā)生器 T1 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當(dāng)這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 T2所接收到。 其中 d 為被測物與測距器的距離， s 為聲波的來回的路程， c 為聲速， t 為聲波來回所用的時間。使用的 12MHz 晶體作時鐘基準(zhǔn)的 89C52單片機(jī) 定時器 能方便的計數(shù)到 1μ s 的精度，因此系統(tǒng)采用 89C52 定時器能保證時間誤差在 1mm 的測量范圍內(nèi)。 圖 基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)框圖 這種以單片機(jī)為核心的超聲波測距系統(tǒng)通過單片機(jī)記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。 超聲波的衰減 超聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著距離的增加，能量逐漸減小的現(xiàn)象叫做超聲波的衰減。由于晶粒排列不規(guī)則，聲波在斜傾的界面上 發(fā)生反射、折射及波型轉(zhuǎn)換（統(tǒng)稱散射），導(dǎo)致聲波能量的損耗。 3 超聲波避障系統(tǒng)硬件設(shè)計 方案概述 本小車使用 STC89C52 單片機(jī)作為主控芯片，它通過超聲波測距來獲取小車距與障礙物的距離小于 30cm 時，小車轉(zhuǎn)彎以避 開障礙物，并且此時蜂鳴器報警在避開障礙物后，小車會沿直線前進(jìn)。單片機(jī)通過 引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢 測 INT0 引腳，當(dāng) INT0 引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。 圖 超聲波測距器系統(tǒng)框圖 單片微型計算機(jī)簡稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器(Microcontroller)。原理圖如 所示。 b)工作電壓： ～ （ 5V 單片機(jī)） /～ （ 3V 單片機(jī)）。 f)通用 I/O 口 （ 32 個） 復(fù)位后為： P1/P2/P3/P4 是準(zhǔn)雙向口 /弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻。 j)共 3個 16 位定時器 /計數(shù)器。 m)工作溫度范圍： 40～ +85℃（工業(yè)級） /0～ 75℃（商業(yè)級）。 正常工作模式：典型功耗 4Ma～ 7mA 典型功耗。 XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端 XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端 c) 控制引腳（ 4根）。 STC89C52 單片機(jī)有 4組 8位的可編程 I/O 口，分別位 P0、 P P P3 口，每個口有 8 位（ 8 根引腳），共 32 根。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ? 圖 超聲波測距 模塊電路原理圖 測距模塊參數(shù)介紹如表 所示。這種電路由于工作在管 子的飽和截止模式下，則效率非常高； H 橋電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也很高。所以我們選擇 L298N。 3) 邏輯部分工作電流 Iss：≤ 36mA。 7) 工作溫度： 25℃～＋ 130℃ 。電源線和地線用于提供舵機(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)和控制線路所需的能源．電壓通常介于 4～ 6V，一般取 5V。由此可見，舵機(jī)是一種精度很高的位置伺服的驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動最大角度不能超過 180 度，適用于那些需要角度不斷變化并可以停滯的驅(qū)動當(dāng)中?？刂凭€的輸入是一個寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號，方波脈沖信號的周期為 20ms(即頻率為 50Hz)。它主要用來顯示大量數(shù)據(jù)、文字、圖形，能夠顯示的位數(shù)多，顯示得清晰多樣、美 觀。 方案三：選用 LED 數(shù)碼管靜態(tài)顯示 LED 數(shù)碼管靜態(tài)顯示其電路容易理解且驅(qū)動的程序簡單，多片七段譯碼器驅(qū)動顯示，這不僅增加了成本，還需要占用單片機(jī)多個 I/O 口，也給電路的焊接帶來一定的困難，因此不選用這種方案作為顯示模塊。 經(jīng)過四種方案的比較以及本系統(tǒng)實際，由于該系統(tǒng)需要顯示兩個內(nèi)容，上述 的 LCD液晶顯示比較妥善，我們選擇性價比相對高的 LCD1602 液晶。 超聲波發(fā)射系統(tǒng)電路 超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器 T1 能向外界發(fā)出 40 kHz左右的方波脈沖信號。圖中輸出端上拉電阻 R7， R9，一方面可以提高反向器 74HC04 輸出高電平的 驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。可以看到，集成芯片 CX20206 在接收部 分電路中起了很大的作用。工作過程如下 : 接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào) 整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進(jìn)行頻率選擇，濾除干擾信號，再經(jīng)整形，送給輸出端 7 腳。 圖 超聲波接收系統(tǒng)原理圖 相關(guān)軟件、電路模塊和器件清單。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。 模塊設(shè)計法的主要優(yōu)點是： a） 單個模塊比起一個完整的程序易編寫及調(diào)試。 直流電機(jī)控制軟件設(shè)計 當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時，電源電壓加到電動機(jī)上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時，直流電源與電動機(jī)斷開，電動機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零 。由于電流波形比 VM 系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小。 define ECHO P2_4 //超聲波接口定義 define TRIG P2_5 //超聲波接口定義 程序流程圖如圖 所示， (a)為主程序流程圖， (b)為定時中 斷子程序流程圖，(c)為外部中斷子程序流程圖。延時結(jié)束后，檢測下一路電路，并依次循環(huán)檢測多路。