【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 h存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)可以提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合。 　　AT89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫(xiě)口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程,但不可以在線編程(S系列的才支持在線編程)。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。 AT89C52單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9所示。圖9 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)　 對(duì)51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。AT89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路如圖10 所示。 圖10 AT89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)復(fù)位電路：由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成，由圖并結(jié)合“電容電壓不能突變”的性質(zhì)，可以知道，當(dāng)系統(tǒng)一上電，RST腳將會(huì)出現(xiàn)高電平，并且，這個(gè)高電平持續(xù)的時(shí)間由電路的RC值來(lái)決定。典型的51單片機(jī)當(dāng)RST腳的高電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上就將復(fù)位，所以，適當(dāng)組合RC的取值就可以保證可靠的復(fù)位。晶振電路：在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振的作用非常大，它結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上，晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。(因?yàn)榭梢詼?zhǔn)確地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通訊的場(chǎng)合)/12MHz(產(chǎn)生精確的uS級(jí)時(shí)歇，方便定時(shí)操作)。 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(hào)。40kHz左右的方波脈沖信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法:采用硬件如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠， 40kHz方波脈沖信號(hào)分成兩路，送給一個(gè)由74HC04 組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測(cè)量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器T以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分的電路，如圖11所示。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(dòng)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(shí)間。圖11 超聲波發(fā)射系統(tǒng)電路上述T1發(fā)射的在空氣中傳播，遇到障礙物就會(huì)返回，超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到超聲波接收換能器T2進(jìn)行轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)，并對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后，這里用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片CX20106，得到一個(gè)負(fù)脈沖送給單片機(jī)的R( INT0)引腳，以產(chǎn)生一個(gè)中斷。接收部分的電路，如圖12所示?？梢钥吹?，集成芯片CX20106 在接收部分電路中起了很大的作用。CX20106是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)越、外圍接口簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，由于紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測(cè)距的超聲波頻率40 kHz比較接近，而且CX20106內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率f0 可由其5腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為30～60 kHz。故本次設(shè)計(jì)用它來(lái)做接收電路。CX20106內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。工作過(guò)程如下: 接收的回波信號(hào)先經(jīng)過(guò)前置放大器和限幅放大器，將信號(hào)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(hào)，再經(jīng)整形，送給輸出端7腳。當(dāng)接收到與CX20106濾波器中心頻率相符的回波信號(hào)時(shí)，其輸出端7腳就輸出低電平，而輸出端7腳直接接到AT89C52的INT0引腳上，以觸發(fā)中斷。若頻率有一些誤差，可調(diào)節(jié)芯片引腳5的外接電阻R11 ，將濾波器的中心頻率設(shè)置在40 kHz，就可達(dá)到理想的效果。圖12 超聲波接收系統(tǒng)原理圖 顯示模塊的設(shè)計(jì)方案一：選用LCD1602顯示屏LCD1602液晶顯示,、文字、圖形，能夠顯示的位數(shù)多，顯示得清晰多樣、美觀。如圖所示：圖13 LCD1602液晶顯示屏 方案二：選用點(diǎn)陣顯示點(diǎn)陣顯示是由八行八列的發(fā)光二極管集成在一塊電路上組成，主要用來(lái)顯示漢字，同時(shí)也能顯示數(shù)字和少量圖象,但它的焊接較麻煩,價(jià)格高，鑒于所設(shè)計(jì)的題目要求它不切實(shí)際。所以排除此方案。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(dòng)的程序簡(jiǎn)單，多片七段譯碼器驅(qū)動(dòng)顯示，這不僅增加了成本，還需要占用單片機(jī)多個(gè)I/O口，也給電路的焊接帶來(lái)一定的困難，因此不選用這種方案作為顯示模塊。方案四：采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示價(jià)格低廉，不僅減少了對(duì)I/O口的浪費(fèi)，而且能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)數(shù)碼管。其驅(qū)動(dòng)程序容易編寫(xiě)和理解。當(dāng)顯示內(nèi)容不太多，可以排除；經(jīng)過(guò)四種方案的比較以及本系統(tǒng)實(shí)際，由于該系統(tǒng)需要顯示兩個(gè)內(nèi)容，上述的LCD液晶顯示比較妥善，我們選擇性價(jià)比相對(duì)高的LCD1602液晶。移動(dòng)機(jī)器人硬件系統(tǒng)主要由電源模塊、車速檢測(cè)模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、路徑模糊避障模塊、顯示模塊、單片機(jī)模塊等組成。路徑模糊避障模塊將采集到的路面障礙物與車體位置的信息、轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊測(cè)得的車速信息通過(guò)各自的接口送到單片機(jī)。單片機(jī)則根據(jù)這些信息，通過(guò)相應(yīng)的軟件算法對(duì)舵機(jī)與直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制，進(jìn)而完成對(duì)小車方向與速度的控制，電源模塊則向各個(gè)模塊提供所需的電壓與電流，并要保證系統(tǒng)穩(wěn)定安全的運(yùn)行。障礙物的信息包括超聲波傳感器中心到障礙物的最短距離和障礙物相對(duì)于車體的方位。移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集每個(gè)方向上超聲波傳感器中心到障礙物的邊界距離，進(jìn)行比較劃分找到其中最短的距離及方位作為車體到障礙物的最短距離和方位。避障算法如下：移動(dòng)機(jī)器人以某一速度前進(jìn)，如果某一傳感器檢測(cè)到的距離符合R1~ R9某個(gè)規(guī)則，那么機(jī)器人就根據(jù)程序選擇繞開(kāi)障礙物或繼續(xù)前進(jìn)。避障軟件實(shí)現(xiàn)的步驟包括主程序、測(cè)距程序、顯示程序、電機(jī)轉(zhuǎn)向控制，如圖14所示為避障步驟圖。圖14 避障步驟圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)編程產(chǎn)生超聲波，在系統(tǒng)發(fā)射超聲波的同時(shí)利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能開(kāi)始計(jì)時(shí)，接收到回波后，接收電路輸出端產(chǎn)生的負(fù)跳變?cè)趩纹瑱C(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，停止計(jì)時(shí)，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離，然后通過(guò)軟件譯碼，將數(shù)據(jù)輸出P0、P1和P2口顯示。程序流程圖如圖15，(a)為主程序流程圖，(b)為定時(shí)中斷子程序流程圖，(c)為外部中斷子程序流程圖。 (a) (b) (c)圖15 程序流程圖根據(jù)避障規(guī)則，移動(dòng)機(jī)器人以某一速度前進(jìn)，如果某一傳感器檢測(cè)到的距離小于某個(gè)值，這個(gè)值是預(yù)定義可編程的臨界距離，那么機(jī)器人以某一角度偏轉(zhuǎn)，從而繞開(kāi)障礙物繼續(xù)前進(jìn)。機(jī)器人在行駛過(guò)程中如果遇到障礙物，它的超聲波測(cè)距系統(tǒng)馬上計(jì)算出機(jī)器人與障礙物的距離d，若ddc(避障的臨界距離，其中dc為程序預(yù)設(shè)值)，電機(jī)左右轉(zhuǎn)向控制驅(qū)動(dòng)，從而繞過(guò)障礙物實(shí)現(xiàn)避障的效果。程序流程圖如圖16所示。 圖16 避障程序流程圖6 結(jié)論與總結(jié)由于受環(huán)境溫度、濕度的影響，超聲傳感器的測(cè)量值與實(shí)際值會(huì)有一些偏差，表2為超聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值（單位: cm） 障礙物實(shí)際距離（cm） 測(cè)量距離（cm）45 60 75 100 125 150 175 200 表2 超聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值（單位: cm）從表中的數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)量值總是比實(shí)際值大出大約7cm，經(jīng)過(guò)分析原因主要有三個(gè)方面：第一方面，超聲波傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)受環(huán)境溫度的影響；第二方面，指令運(yùn)行需占用一定的時(shí)間而使得測(cè)量的數(shù)據(jù)偏大；第三方面，為了防止其他信號(hào)的干擾，單片機(jī)開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送16 個(gè)脈沖串。對(duì)于單個(gè)回聲的方式，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路接收到碰到障礙物返回的第四個(gè)脈沖時(shí)就停止計(jì)數(shù)，所以最終測(cè)得的時(shí)間比實(shí)際距離所對(duì)應(yīng)的時(shí)間多出四個(gè)脈沖發(fā)送的時(shí)間。為了減小測(cè)量值與實(shí)際值的偏差，我們采用最小二乘法對(duì)表1 的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。經(jīng)過(guò)擬合，我們得到下面的方程：y= ( 其中: y 為實(shí)際值, x 為測(cè)量值)修正后本超聲波測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3 所示:障礙物實(shí)際距離（cm） 測(cè)量距離（cm）45 60 75 100 125 150 175 200 表3 修正后超聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值 （單位：cm）從修正后的數(shù)據(jù)我們可以看出, 系統(tǒng)的測(cè)量誤差在177。2%以內(nèi), 滿足我們的測(cè)量要求。本課題介紹了一種基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)。給出了硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案。超聲波傳感器是本系統(tǒng)的核心器件，本論文詳細(xì)地介紹了超聲波傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、檢測(cè)方式以及它的一些特性。只有深入地了解超聲波傳感器的工作原理，才能更好的設(shè)計(jì)測(cè)距電路。單片機(jī)是本系統(tǒng)的控制部分，采用Atmel 公司生產(chǎn)的AT89C52 芯片。驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的40kHz 的方波信號(hào)，就是由單片機(jī)編程產(chǎn)生的。通過(guò)對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生的方波信號(hào)進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)傳感器工作。接收電路采用的是LM741，通過(guò)接收電路對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大和整形，最終再輸出負(fù)脈沖給單片機(jī)響應(yīng)中斷程序。本系統(tǒng)的LED 顯示部分采用的是靜態(tài)掃描方式，并用單片機(jī)軟件譯碼。單片機(jī)內(nèi)部采用C 語(yǔ)言編程，方波信號(hào)的產(chǎn)生、時(shí)間差的讀取、距離的計(jì)算以及顯示輸出的譯碼都由單片機(jī)編程完成。本課題所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有測(cè)量精度較高、速度快、控制簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)距范圍從20cm 到200cm，測(cè)量精度在177。10cm 內(nèi)。測(cè)距系統(tǒng)在許多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和自動(dòng)控制場(chǎng)合，都有很重要的作用。但由于經(jīng)驗(yàn)不足，電路硬件、軟件部分都有不夠完善的地方，在今后的學(xué)習(xí)中會(huì)進(jìn)一步改進(jìn)?？傮w來(lái)說(shuō)，最重要的是在本課題的設(shè)計(jì)過(guò)程中我學(xué)到了很多知識(shí)，從中受益匪淺。了解了超聲波傳感器的原理，學(xué)會(huì)了各種放大電路的分析、設(shè)計(jì)，也掌握了單片機(jī)的開(kāi)發(fā)過(guò)程和利用單片機(jī)設(shè)計(jì)電路的方法。對(duì)一塊電路板的設(shè)計(jì)、焊板、調(diào)試、改進(jìn)等整個(gè)過(guò)程，有了更深入的理解和掌握。這些對(duì)我今后的學(xué)習(xí)和工作都會(huì)有很大幫助的。本文實(shí)現(xiàn)了利用超聲波測(cè)距信息來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的順利避障行走，是因?yàn)槌暡y(cè)距儀信息處理簡(jiǎn)單、速度快，但它也具有一定的局限性，