【正文】 用等等。 編號(hào)： 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 題 目： 智能超聲波避障小車 系 別： 電子工程系 專 業(yè)： 電子信息工程 題目類型： ?理論研究 ?實(shí)驗(yàn)研究 ?工程設(shè)計(jì) ?工程技術(shù)研究 ?軟件開發(fā) ?應(yīng)用研究 摘 要 隨著 當(dāng)今社會(huì)智能化越來越高，智能性交通工具的改善是必不可 確 少的，由于交通工具的普及， 由于 駕駛員 的 長時(shí)間駕駛 引起 精神注意力不集中而發(fā)生許多嚴(yán)重的交通事故比比皆是，所以智能車的誕生是必然的，它致力于提高汽車的安全性、適應(yīng)性、舒適性、和提 升良好 的人車交互界面 。 自主智能尋跡 避 障小車是 通過 單片機(jī)、傳感器、信號(hào)處理器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及自動(dòng)控制等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知和自動(dòng) 行駛相結(jié)合 的高新技術(shù)綜合體，隨著不斷提高企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)以及不斷加深對(duì)自動(dòng)化技術(shù) 的 要求，智能車已廣泛的應(yīng)用 于 許多工業(yè)部門。這些應(yīng)用可以 使 社會(huì)上正在面臨 各種各樣 的問題 得以 有效解決，對(duì)于城市公共交通服務(wù)質(zhì)量 的 提高，緩解 各地 交通擁堵，減輕交通管理，道路建設(shè)壓力起到積極的推動(dòng)作用。 本次設(shè)計(jì)主要是利用 ATmega16 單片機(jī)，超聲波傳感器、紅外線傳感器和 L298N 完成避障小車的制作。 關(guān)鍵詞： 智能小車；單片機(jī)；超聲波；避障 Abstract As intelligent in today39。 Smart car in the field of military application。s life. This design mainly use ATmega16 single chip microputer, ultrasonic sensors, infrared sensors and L298N plete obstacle avoidance car production. ATmega16 as main control chip, using ultrasonic sensors to the detection of the distance, will be in front of the obstacle detection, and returned by ultrasonic and infrared sensors data for determining obstacles on either side of the car position, judge, 1602 liquid crystal display measured distance, and instructions issued by the ATmega16 single chip microputer to control motor rotation, the motor driver uses the monly used PWM motor speed control in the form of control. Key words :intelligent car。 Ultrasound。 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................... 31 附錄 .................................................................................................................. 32 第 1 頁 共 47 頁 引言 智能，是指在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下運(yùn)作并能夠自動(dòng)預(yù)先設(shè)定模式，不需要人為的操作就能達(dá)到預(yù)期或是更高的目標(biāo)，為人類提供必要服務(wù)的集成智能化裝備。超聲波避障的研究對(duì)于我國智能車的普及有一定的指導(dǎo)作用并且有著深遠(yuǎn)的意義， 同時(shí)小車也成為現(xiàn)代智能玩具的一種良好的發(fā)展對(duì)象，為中國玩具市場(chǎng)技術(shù)含量的缺乏進(jìn)行一定的彌補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益，形成商業(yè)價(jià)值。 主要開發(fā)一個(gè)能根據(jù)紅外線和超聲波檢測(cè)結(jié)果，自動(dòng)避開障礙物的智能小車控制系統(tǒng)。通過細(xì)化要求，本系統(tǒng)以 AT mega16 為核心控制器，主要由電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、避障模塊構(gòu)成 。 智能小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路采用了模塊化的方法，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)方案正確、實(shí)施性強(qiáng)，各項(xiàng)指標(biāo)可靠、穩(wěn)定， 基本滿足設(shè)計(jì)要求。 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 任務(wù)要求 （ 1） 檢測(cè)障礙物并且避障：由超聲波和紅外探頭共同實(shí)現(xiàn)； （ 2） 小車電機(jī)由 L298N 驅(qū)動(dòng)； （ 3） 速度由單片機(jī)輸出的 PWM 波控制； （ 4） 超聲波能實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的測(cè)距， LCD 屏顯示了超聲波檢測(cè)到前方的距離。其中小車使用 AVR 單片機(jī)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(dāng)小車與障礙物的距離大于某設(shè)定的距離時(shí)，小車會(huì)沿直線前進(jìn)，當(dāng)小車與障礙物的距離小于某設(shè)定的距離時(shí)，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(duì)管自動(dòng)避障組成的硬件模塊組成，實(shí)現(xiàn)小車 第 2 頁 共 47 頁 左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)功能；并且此時(shí) LED 閃爍。 系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖如圖 11 所示。 方案一： AT89S52 單片機(jī)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(jìn)行傳送、置位、清零、測(cè)試等處理，還能進(jìn)行位的邏輯運(yùn)算，使用起來得心應(yīng)手。能夠使用 外接 A/D， D/A 轉(zhuǎn)換電路與運(yùn)放芯片來實(shí)現(xiàn)采集傳感器傳送信息的功能，且能夠通過以點(diǎn)陣或 LCD 液晶以及外接按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互 [1] ，能通過內(nèi)部眾多 I/O 端口與步進(jìn)電機(jī)連接來對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行精確操控。采用精簡(jiǎn)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(qiáng) ；由于硬件結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化了，降低了對(duì)外設(shè)管理的開銷和成本。片內(nèi)集成多種頻率的 RC 振蕩器，能夠自動(dòng)上電復(fù)位、并且有看門狗和啟動(dòng)延時(shí)等功能，所以 ATmega16 單片機(jī)外圍電路相對(duì) AT89S52 簡(jiǎn)單，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。但 PWM利用定時(shí)器中斷函數(shù)，模擬產(chǎn)生 PWM 脈沖，由于 PWM 頻率較高，勢(shì)必導(dǎo)致定時(shí)器中斷被頻繁觸發(fā)。對(duì)于 超聲波模塊，頻繁的中斷觸發(fā)，會(huì)導(dǎo)致計(jì)時(shí)不準(zhǔn)，使得換算出來的距離具有一定的誤差。它的 4 通道 PWM，具有硬 PWM 第 3 頁 共 47 頁 時(shí)序功能，使用時(shí)只需設(shè)置相關(guān)寄存器即可實(shí)現(xiàn) PWM 的產(chǎn)生。即不會(huì)對(duì)其他驅(qū)動(dòng)程序產(chǎn)生影響。 ATmega16 單片機(jī)不用考慮定時(shí)器做 PWM 引起的資源分配問題。 電機(jī)的選擇方案論證 直流電 機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的選擇： 電機(jī)是系統(tǒng)的動(dòng)力來源，電機(jī)有著不同的類型，其中步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)最為常用。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式各有不同，一般小型步進(jìn)電機(jī)可以通過 ULN2021 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，直流電機(jī)需要的工作電流與步進(jìn)電機(jī)相比較大，需要使用 L298N 這類專用的驅(qū)動(dòng)芯片控制，控制時(shí)單片機(jī)通過輸出 PWM 波調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)速度。故有兩種方案。直流電機(jī)由于加上了適當(dāng)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(dòng)，所以控制起來也相對(duì)簡(jiǎn)單。 L298N 模塊做成的驅(qū)動(dòng)電路可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的控制，可配合 PWM 調(diào)速機(jī)制（即脈沖寬度調(diào)制方式）調(diào)速。 方案二：步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)并不受電壓波動(dòng)和負(fù)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(jìn)電機(jī)的速度十分緩慢，且消耗 I/O 資源過多，不適合本作品。 表 21 電機(jī)控制方式對(duì)比 直流電機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 調(diào)速性能 較好 較差 位置控制精度 較差 好 驅(qū)動(dòng) 簡(jiǎn)單 簡(jiǎn)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(jī)資源消耗 小 大 如 表 21 所示 ， 步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)都有各自的特點(diǎn)。故本設(shè)計(jì)選擇使用直流電機(jī)。 方案一：使用一個(gè)超聲波探頭。但由于時(shí)間關(guān)系沒有添加溫度補(bǔ)償措施所以易受到環(huán)境中溫度的影響。 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(qiáng)，接收換能器接收到遇到障礙物就反射回來的超聲波信號(hào)，根據(jù)回聲探測(cè)法，通過對(duì)聲速以及時(shí)間的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)超聲波的測(cè)距及避障功能 [3]。紅外線具有可見光直線傳播、反射、折射等特性。 方案二：使用舵機(jī)帶動(dòng)一對(duì)超聲波探頭進(jìn)行 180 度旋轉(zhuǎn)。而當(dāng)使用舵機(jī)帶動(dòng)探頭的方案時(shí)，通過掃描檢測(cè)到各個(gè)方向的障礙物，過單片機(jī)對(duì)各方向返回的數(shù)據(jù)通對(duì)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(jī)轉(zhuǎn)速差控制行駛方向?qū)崿F(xiàn)小車避障功能。 也就是說， 給它提供特定寬度的脈沖信號(hào)，它的輸出 軸就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)與之相對(duì)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(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)將輸出角度轉(zhuǎn)動(dòng)到新的對(duì)應(yīng)的位置上。由此可見， 舵機(jī)是一種精度很高的位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)當(dāng)中。 方案三：采用多方向超 聲波測(cè)距分析來實(shí)現(xiàn)避障。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(jī)通過對(duì)三個(gè)方向超聲波返回的測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，確定障礙物位置，再通過調(diào)節(jié)小車左右電機(jī)轉(zhuǎn)速差控制小車行駛方向?qū)崿F(xiàn)避障。 綜上所述，超聲波傳感器測(cè)距范圍一般在 30~300cm 之間，設(shè)定測(cè)量的周期為 20ms 第 5 頁 共 47 頁 一次才能防止相互干擾；而紅外測(cè)距傳感器的測(cè)量速度十分快，可以在一定程度上彌補(bǔ)超聲波傳感器的缺點(diǎn)，大大增加了小車的反應(yīng)速度。 顯示模塊設(shè)計(jì)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)。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(duì)復(fù) 雜。 方案二：采用 LCD1602 液晶顯示。 經(jīng)過對(duì)兩種顯示方案優(yōu)缺點(diǎn)的衡量，本設(shè)計(jì)決定采用方案二。主要功能是單片機(jī)當(dāng)接收到避障模塊返回的數(shù)據(jù)時(shí)，通過驅(qū)動(dòng)兩個(gè)車輪調(diào)節(jié)小車的行駛速度，然后改變兩個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速差，利用萬向輪，調(diào)節(jié)行駛方向。 電機(jī)控制采用的脈沖寬度調(diào)制（ PWM）技術(shù)，單片機(jī)輸出的 方波的頻率是恒定的，該脈沖寬度調(diào)制，用于改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，輸出電壓的平均值的方波，當(dāng)輸出低電平時(shí)，電機(jī)停止時(shí)，輸出電平高，電機(jī)最高速。當(dāng)定時(shí)器定時(shí)到固定的時(shí)間便產(chǎn)生中斷，將輸出電平取反，不斷循環(huán)計(jì)時(shí)便能產(chǎn)生穩(wěn)定的方波，不會(huì)因?yàn)槠渌绦虻难訒r(shí)而改變輸出頻率。 第二種方案是使用 電池，首先輸出 給電機(jī)供電，然后通過 7805 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓出5V 的電壓給傳感器和單片機(jī)供電。通過電容進(jìn)行濾波，并且安置撥碼開關(guān)，使小車運(yùn)行的開關(guān)更加方便、穩(wěn)定。 第 6 頁 共 47 頁 3 元器件介紹 AVR 單片機(jī)主控芯片介紹 ATmega16 是全靜態(tài)的基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的高性能、低功耗 8 位 CMOS 微控制器。 16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編 Flash，擦寫壽命為一萬次，同步進(jìn)行讀與寫的操作，擦寫壽命為十萬次。從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾以及通過鎖定位的編程來加密用戶程序 [5]。 ATmega16 的工作電壓為 ~，速度等級(jí)是 0~16 MHz，在 1MHz， 3V， 25℃ 時(shí)的功耗：在正常模式下是 mA，空閑模式下為 mA，掉電模式則小于 1μA。 L298N 有可達(dá) 46V 最高工作電壓以及可達(dá) 3A 瞬間峰值電流， 2A 的持續(xù)工作電流，最大工作電流為 ， 25W 的額定功率。 L298N 內(nèi)有兩個(gè) H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，能夠用來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載 [2]。 直流電機(jī) 我們通常將可以把直流電能與幾點(diǎn)能相互轉(zhuǎn)換的電機(jī)稱為直流電機(jī)，當(dāng)它將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的時(shí)候稱為直流發(fā)電機(jī)。分別為 M1和 M2，引腳 A， B用于控制電機(jī)的速度通過 PWM脈寬調(diào)制信號(hào)的輸入。輸入信號(hào)端 IN1接高電平輸入端 IN2接低電平，電機(jī) M1正轉(zhuǎn)，反之 IN1接低電平輸入端 IN2接高電平，則反轉(zhuǎn)。 PWM信號(hào)端 A控制 M1調(diào)速， PWM信號(hào)端 B控制 M2調(diào)速。 第 7 頁 共 47 頁 表 31 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)方式 超聲波傳感器 超聲波傳感器概述 超聲波測(cè)距模塊具有 GPIO、串口等多種通信方式，寬電壓輸入的范圍是 ~ ，在穩(wěn)定可靠的工作環(huán)境下，可以實(shí)現(xiàn) 0m~ 的測(cè)距，靜態(tài)功耗低于 2mA，在測(cè)距的過程中，傳感器并不用接觸到物體，在 20 到 +70 度的工作環(huán)境下，能夠通過自帶溫度傳感器對(duì)超聲波模塊的測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正。低于 15 度的感應(yīng)角度，探測(cè)距離為 到，探測(cè)精度保持在 +1%。 另一個(gè)是 間距彎排針的 5 Pin 接口，如圖 34 所示。 1 號(hào) Pin 接 VCC 電源（供電范圍 ~）。 3