【正文】 沖寬度調(diào)制，用于改變電機的旋轉(zhuǎn)速度，輸出電壓的平均值的方波，當輸出低電平時，電機停止時，輸出電平高，電機最高速。主要功能是單片機當接收到避障模塊返回的數(shù)據(jù)時，通過驅(qū)動兩個車輪調(diào)節(jié)小車的行駛速度，然后改變兩個車輪的轉(zhuǎn)速差，利用萬向輪，調(diào)節(jié)行駛方向。經(jīng)過對兩種顯示方案優(yōu)缺點的衡量，本設(shè)計決定采用方案二。方案二：采用LCD1602液晶顯示。但數(shù)碼管一般只適合數(shù)字顯示，一位數(shù)碼管能顯示一位數(shù)據(jù)，且占用的I/O多，編程相對復(fù)雜。 顯示模塊設(shè)計方案論證方案一：采用七段LED數(shù)碼管顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。 綜上所述，超聲波傳感器測距范圍一般在30~300cm之間，設(shè)定測量的周期為20ms一次才能防止相互干擾；而紅外測距傳感器的測量速度十分快，可以在一定程度上彌補超聲波傳感器的缺點，大大增加了小車的反應(yīng)速度。因此，在小車的車身前端左、中、右三方向放置超聲波探頭，單片機通過對三個方向超聲波返回的測距數(shù)據(jù)進行對比分析，確定障礙物位置，再通過調(diào)節(jié)小車左右電機轉(zhuǎn)速差控制小車行駛方向?qū)崿F(xiàn)避障。方案三：采用多方向超聲波測距分析來實現(xiàn)避障。由此可見，舵機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)動當中。也就是說，給它提供特定寬度的脈沖信號，它的輸出軸就會轉(zhuǎn)動到一個與之相對應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會將輸出角度轉(zhuǎn)動到新的對應(yīng)的位置上。而當使用舵機帶動探頭的方案時，通過掃描檢測到各個方向的障礙物，過單片機對各方向返回的數(shù)據(jù)通對比，可以很好的分析出障礙物方向，通過調(diào)節(jié)小車兩側(cè)左右電機轉(zhuǎn)速差控制行駛方向?qū)崿F(xiàn)小車避障功能。方案二：使用舵機帶動一對超聲波探頭進行180度旋轉(zhuǎn)。紅外線具有可見光直線傳播、反射、折射等特性。超聲波的發(fā)射器能夠不斷發(fā)射聲脈沖，由于頻率越高反射能力越強，接收換能器接收到遇到障礙物就反射回來的超聲波信號，根據(jù)回聲探測法，通過對聲速以及時間的計算，實現(xiàn)超聲波的測距及避障功能[3]。但由于時間關(guān)系沒有添加溫度補償措施所以易受到環(huán)境中溫度的影響。方案一：使用一個超聲波探頭。故本設(shè)計選擇使用直流電機。表21 電機控制方式對比直流電機步進電機調(diào)速性能較好較差位置控制精度較差好驅(qū)動簡單簡單穩(wěn)定性較好好，僅與控制脈沖有關(guān)速度較快緩慢單片機資源消耗小大如表21所示，步進電機和直流電機都有各自的特點。步進電機的轉(zhuǎn)動并不受電壓波動和負載變化以及溫度、氣壓等環(huán)境因素的影響，僅與控制脈沖有關(guān)，但步進電機的速度十分緩慢，且消耗I/O資源過多，不適合本作品。方案二：步進電機。L298N模塊做成的驅(qū)動電路可實現(xiàn)直流電機的控制，可配合PWM調(diào)速機制（即脈沖寬度調(diào)制方式）調(diào)速。直流電機由于加上了適當減速比的減速器，具有良好的調(diào)速性能[2]，通上電源即可連續(xù)不停的轉(zhuǎn)動，所以控制起來也相對簡單。故有兩種方案。電機的驅(qū)動方式各有不同，一般小型步進電機可以通過ULN2003進行驅(qū)動，直流電機需要的工作電流與步進電機相比較大，需要使用L298N這類專用的驅(qū)動芯片控制，控制時單片機通過輸出PWM波調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動速度。 電機的選擇方案論證直流電機與步進電機的選擇：電機是系統(tǒng)的動力來源，電機有著不同的類型，其中步進電機和直流電機最為常用。ATmega16單片機不用考慮定時器做PWM引起的資源分配問題。即不會對其他驅(qū)動程序產(chǎn)生影響。它的4通道PWM，具有硬PWM時序功能，使用時只需設(shè)置相關(guān)寄存器即可實現(xiàn)PWM的產(chǎn)生。對于超聲波模塊，頻繁的中斷觸發(fā)，會導(dǎo)致計時不準，使得換算出來的距離具有一定的誤差。但PWM利用定時器中斷函數(shù)，模擬產(chǎn)生PWM脈沖，由于PWM頻率較高，勢必導(dǎo)致定時器中斷被頻繁觸發(fā)。片內(nèi)集成多種頻率的RC振蕩器，能夠自動上電復(fù)位、并且有看門狗和啟動延時等功能，所以ATmega16單片機外圍電路相對AT89S52簡單，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。采用精簡指令集，克服了瓶頸現(xiàn)象，指令執(zhí)行速度(1Mips/MHz)得以提高，功能增強 ；由于硬件結(jié)構(gòu)得到了簡化了，降低了對外設(shè)管理的開銷和成本。能夠使用外接A/D，D/A轉(zhuǎn)換電路與運放芯片來實現(xiàn)采集傳感器傳送信息的功能，且能夠通過以點陣或LCD液晶以及外接按鍵實現(xiàn)人機交互[1] ，能通過內(nèi)部眾多I/O端口與步進電機連接來對外圍設(shè)備進行精確操控。方案一：AT89S52單片機具有十分完備的功能，不僅能夠?qū)ζ瑑?nèi)某些特殊功能寄存器的某位進行傳送、置位、清零、測試等處理，還能進行位的邏輯運算，使用起來得心應(yīng)手。系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖如圖11所示。其中小車使用AVR單片機為主控芯片，它通過小車前端超聲波返回的數(shù)據(jù)來獲取小車距離障礙物的距離，并且用LCD1602顯示出來，當小車與障礙物的距離大于某設(shè)定的距離時，小車會沿直線前進，當小車與障礙物的距離小于某設(shè)定的距離時，小車左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)以避開障礙物；車頭兩側(cè)由紅外線對管自動避障組成的硬件模塊組成，實現(xiàn)小車左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)功能；并且此時LED閃爍。1 系統(tǒng)設(shè)計 任務(wù)要求（1）檢測障礙物并且避障：由超聲波和紅外探頭共同實現(xiàn)；（2）小車電機由L298N驅(qū)動；（3）速度由單片機輸出的PWM波控制；（4）超聲波能實現(xiàn)對障礙物的測距，LCD屏顯示了超聲波檢測到前方的距離。智能小車系統(tǒng)的設(shè)計思路采用了模塊化的方法，電路結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)成本低，調(diào)試方便，系統(tǒng)反應(yīng)快速、靈活，小車調(diào)速平滑，功耗低，設(shè)計方案正確、實施性強，各項指標可靠、穩(wěn)定，基本滿足設(shè)計要求。通過細化要求，本系統(tǒng)以ATmega16為核心控制器，主要由電源模塊、電機驅(qū)動模塊、顯示模塊、避障模塊構(gòu)成。主要開發(fā)一個能根據(jù)紅外線和超聲波檢測結(jié)果，自動避開障礙物的智能小車控制系統(tǒng)。超聲波避障的研究對于我國智能車的普及有一定的指導(dǎo)作用并且有著深遠的意義，同時小車也成為現(xiàn)代智能玩具的一種良好的發(fā)展對象，為中國玩具市場技術(shù)含量的缺乏進行一定的彌補，實現(xiàn)經(jīng)濟收益，形成商業(yè)價值。智能超聲波避障小車畢業(yè)論文目 錄引言 11 系統(tǒng)設(shè)計 1 任務(wù)要求 1 總體設(shè)計 12 方案論證 2 系統(tǒng)控制模塊設(shè)計方案論證 2 電機的選擇方案論證 3 避障模塊設(shè)計方案論證 4 顯示模塊設(shè)計方案論證 5 直流調(diào)速方案設(shè)計 5 電源模塊設(shè)計方案論證 53 元器件介紹 6 AVR單片機主控芯片介紹 6 L298N驅(qū)動芯片 6 6 6 直流電機 6 超聲波傳感器 7 7 8 8 光電傳感器 8 LCD1602液晶顯示 9 9 9 94 系統(tǒng)單元電路的設(shè)計 10 超聲波收發(fā)電路 10 紅外線收發(fā)電路 10 單片機主控電路 10 電源電路 11 LCD1602顯示電路 12 電機驅(qū)動電路 13 H 橋驅(qū)動方案的選擇 14 14 光警示電路 16 單片機復(fù)位電路 16 單片機時鐘震蕩電路 175 軟件設(shè)計 18 主程序 19 避障子程序 19 電機驅(qū)動子程序 20 顯示子程序 21 測量距離子程序 23 光警示子程序 246 調(diào)試與仿真 24 調(diào)試仿真工具Proteus介紹 24 硬件的制作與調(diào)試 26 電路與程序調(diào)試過程 28 28 287 結(jié)論 30謝辭 31參考文獻 32附錄 33 第 47 頁 共 47 頁 引言智能，是指在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下運作并能夠自動預(yù)先設(shè)定模式，不需要人為的操作就能達到預(yù)期或是更高的目標，為人類提供必要服務(wù)的集成智能化裝備。作為當今社會的新產(chǎn)物，智能對我們的實際工作生活具有很大的實用性。本題目設(shè)計的是具有自動避障功能的智能小車。設(shè)計選擇通用、價廉的ATmega16單片機作為主控芯片，選擇通用的電機模型車為機械平臺，系統(tǒng)通過采集超聲波傳感器和光電傳感器的數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的比較計算來對PWM波的輸出進行控制操作，對電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)實時調(diào)節(jié)；通過超聲波傳感器接收回的數(shù)據(jù)來計算小車與障礙物之間的距離，從而實現(xiàn)小車的避障功能。通過電機控制技術(shù)和傳感器技術(shù)相關(guān)知識的結(jié)合，設(shè)計完成以由超聲波前方測距、避障與紅外線左右自動避障組成的硬件模塊，結(jié)合軟件程序設(shè)計組成智能避障小車，共同實現(xiàn)了小車的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，通過超聲波自動根據(jù)前方距離范圍內(nèi)障礙物測距，檢測障礙物停止再繞行，達到設(shè)計目標。稍加改動便可應(yīng)用于簡單的實際生產(chǎn)生活中，也可作為高校學(xué)生以及廣大機器人愛好者學(xué)習研究使用。 總體設(shè)計硬件電路系統(tǒng)的設(shè)計通過采用模塊化的設(shè)計方法，由單片機最小系統(tǒng)模塊，超聲波避障、紅外線避障模塊，電機驅(qū)動，電源模塊，顯示模塊以及光報警模塊七部分組成。在避開障礙物后，小車會沿直線前進。圖11 系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖2 方案論證 系統(tǒng)控制模塊設(shè)計方案論證AT89S52單片機與ATmega16單片機的選擇。特點是控制簡單、價格便宜，具有完整的輸出輸入、端口控制、以及內(nèi)部程序的存儲空間，程序燒寫方便，支持USB口或者是串口兩種下載程序方式，并且是我們平時上課學(xué)習與使用的。 方案二：ATmega16單片機，特點是取指周期短，有可預(yù)取指令，實現(xiàn)于流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。 ATmega16單片機的I/O口功能強大，因為它具有能夠單獨設(shè)定為輸入或輸出的功能，設(shè)置上拉電阻，并且有高阻輸入、驅(qū)動能力強等特性，這使的得I/O口得到充分的利用。經(jīng)過比較，因為AT89S52單片機，具有位運算，能較方便的應(yīng)用I/O口。此時，如果有其他對時序要求較高的模塊被同一單片機控制的話，有可能導(dǎo)致時序紊亂，無法控制。而AVR單片機，由于采用的是精簡指令集，其不支持位操作，但具有較高的效率，抗干擾性和可靠性。其PWM的產(chǎn)生為硬件生成，不會占用CPU的資源。但缺點是PWM必須使用一個定時器，對于一般三輪車，要消耗兩個定時器。因此選擇方案二。直流電機的特點是加上合適的電壓通過電機驅(qū)動即可進行轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)圈精度不高；步進電機的工作方式與直流電機不同，通過脈沖控制電機按照節(jié)拍進行轉(zhuǎn)動，根據(jù)電機不同轉(zhuǎn)動的角度也各有差異，精確度高，但速度慢。直流電機和步進電機都可以用于小車驅(qū)動。方案一：直流電機。調(diào)節(jié)電壓的大小可以改變電機的速度。此方案電路和控制都相對容易，相對性能比較好。步進電機之所以可以精確的實現(xiàn)位置控制，是因為它是通過輸入一個電脈沖信號就能使電機的輸出軸轉(zhuǎn)動一定的角度，通過連續(xù)不斷的輸入點脈沖信號，步進電機連續(xù)的轉(zhuǎn)動，外加的脈沖頻率的不同，轉(zhuǎn)速的大小也不一樣[2] 。具體差別見表21。步進電機雖然能夠進行精確的位置控制，但行動緩慢；鑒于直流電機易于控制、驅(qū)動電路相對簡單，足以滿足本設(shè)計位置控制的精度。 避障模塊設(shè)計方案論證超聲波傳感器與光電傳感器的選擇。超聲波傳感器價格便宜，不容易受到粉塵、光線、電磁類的干擾，并且自帶溫度補償。但它不受光照強弱和能見度的影響，能耗低、靈敏度高，即使在較復(fù)雜的環(huán)境內(nèi)也可以工作。使用一個紅外線探頭。紅外傳感器發(fā)光管發(fā)出具有可見光直線傳播、反射、折射等特性的紅外光，通常閾值的設(shè)定及判定模塊是由電壓比較器與可調(diào)電位器構(gòu)成的[1]，由于接收管接收的光強根據(jù)反射物體的距離而變化，接收管的電壓與障礙物的距離成反比，通過判斷發(fā)射光的強弱，實現(xiàn)紅外線測距以及避障的功能。由于方案一單個探頭會有檢測不到車頭兩側(cè)的障礙物，當障礙物多時，會導(dǎo)致前方避障之后撞到兩側(cè)的障礙物。舵機是以周期為20ms、~，相對對應(yīng)舵盤的位置是0~180度，呈連續(xù)線性變化。舵機有一個內(nèi)置的基準電路，其不斷產(chǎn)生周期的20ms，；另有一個比較器，將外加信號與基準信號進行比較，判斷出轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動角度大小，進而產(chǎn)生電機的轉(zhuǎn)動信號。但此方案具有編程復(fù)雜，占用資源多，判別速度慢等缺點。由于方案二的舵機在避障過程中不能及時的轉(zhuǎn)會前方繼續(xù)探測，同樣也會有撞到障礙物的情況發(fā)生[3]。但是考慮到可能會有一發(fā)射端發(fā)射的超聲波會被另外一端的接收端接收的問題，為了防止3對超聲波探頭信號的相互干擾，所以各個超聲波發(fā)送信號都要相互間隔，為了消除上一次發(fā)出的超聲波影響，兩次測量時間應(yīng)為20ms，這就使小車的反應(yīng)變得非常遲鈍。因而，本設(shè)計采用多路紅外和超聲波傳感器進行距離信息的測量和采集。數(shù)碼管簡易且常用，顯示具有高亮、光衰弱少、可視距離遠、壽命長的優(yōu)點。由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上四位顯示器并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示而不會有閃爍感[4]。液晶顯示界面較為友好，成本較低，具有耗能少、可同時顯示數(shù)據(jù)多、電路簡單、占用I/O口少、PCB布線簡單、控制指令簡單、編程簡單等優(yōu)點[4]。 直流調(diào)速方案設(shè)計在智能避障小汽車的研制開發(fā)過程中，智能小車要能夠根據(jù)周圍障礙物的具體位置情況自動控制行駛方向是非常關(guān)鍵的。本設(shè)計根據(jù)PWM脈寬調(diào)制原理，電機速度的改變是通過改變輸出方波的占空比使負載上的平均電流功率從零到百分之百變化而實現(xiàn)的，它的優(yōu)點是電源的輸出電壓在工作條件變化時能夠保持恒定，能量功率、能得到充分利用，電路的效率高。在軟件實現(xiàn)上，采用定時器中斷來實現(xiàn)方波的產(chǎn)生，使電機速度的控制不受其他影響。 電源模塊設(shè)計方案論證第一種方案可以用雙電源，這樣具有很好的抗干擾能力，但是，成本很高，做出來的東西比較笨重?？紤]的就是小車的帶負載能力，通過試驗得知，小車在運行時質(zhì)量越大，避障的可靠性越差。通過對比兩種顯示方案的優(yōu)缺點，本次設(shè)計決定采用方案二。由于其大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，擁有只需兩個時鐘周期的硬件乘法器、非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器。同時Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程是由SPI 接口實現(xiàn)的。ATmega16微控制器的特點是：掉電檢測上可電復(fù)位并可編程，片內(nèi)經(jīng)過標定的RC 振蕩器，片內(nèi)或片外有中斷源，有32 個可編程的I/O 口，PDIP 封裝的40引腳,TQFP 封裝的44引腳和MLF封裝的44 引腳。 L298N驅(qū)動芯片L298N是ST公司開發(fā)的一種尺寸為8cm、高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。L298N信號控制采用的是邏輯電