基于51单片机的超声波避障小车设计

内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于单片机的超声波避障小车设计学生姓名：祝伟泰学 号：1267112115专 业：测控技术与仪器班 级：测控 2012-1指导教师：燕芳 副教授内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）基于单片机的超声波避障小车设计摘要随着科学技术的飞速发展，人们对智能汽车的研究有增无已，智能车已然成为以后科学技术发展的新思路和新方向。智能车可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的操控，可应用于路面检测，科学勘探，智能温度测量等。本设计中制作的智能小车（又称轮式机器人）是本人在综合应用了本科所学的专业知识后设计出的一台智能小车，它具有超声波测距，自动避障，同步测速等功能。虽然超声波避障小车只是智能车领域中的冰山一角，但是它却也是智能车中一个典型的代表。麻雀虽小五脏俱全，本次设计的超声波避障小车，用 STC15 单片机作为核心控制器，设计出一种可以自动避障，并能同步实现速度和距离的测量以及显示的智能小车。避障和测距通过超声波测距模块实现，并加入光电码盘测速模块从而实现测速功能，小车驱动由 L298N 驱动电路完成,数据的显示用 LCD1602 实现。关键词：STC15 单片机；超声波；避障；测速内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）IUltrasonic obstacle avoidance car design based on Micro Computer UnitAbstractWith the development of science and technology, People have increased the research of smart car.Smart car has become the new way of thinking and a new direction for after the development of science and technology . Smart cars can be according to the preset mode automatically in an environment of operation, without the need of human control, can be applied to road testing, scientific exploration, intelligent temperature measurement, etc.This paper discusses the intelligent car (also known as wheeled robot) is I after summarized the major undergraduate course design a smart car, it has the ultrasonic distance measurement, automatic obstacle avoidance, synchronous speed, and other functions. Although ultrasonic obstacle avoidance car is just the tip of the iceberg in the field of smart car, but it is also a typical representative in intelligent vehicles. The sparrow is small all-sided, the design of ultrasonic obstacle avoidance car, use STC51 single-chip microcomputer as the core controller, design a kind of can automatic obstacle avoidance, and can realize the speed and distance measurement simultaneously and the smart car show. Obstacle avoidance and the distance by ultrasonic ranging module, and add light code disc speed measuring module and function of speed of the car drive by L298N drive circuit is completed, through LCD1602 display of measured data.Keywords: STC15;Ultrasonic sensors; avoidance; speed内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）II目录摘要 .IAbstract .II1.1 课题研究背景和意义 .11.2 智能汽车的发展概述 .11.3 课题研究技术要求与主要内容 .2第二章 总体方案设计 .42.1 总体方案设计 .42.1.1 具体设计思路 .52.2 系统各模块的设计方案 .62.2.1 控制核心模块的选择方案论证 .62.2.2 主电路板的方案论证 .62.2.3 测距避障传感器的方案论证 .72.2.4 测速模块的选择方案论证 .82.2.5 电机驱动选择方案论证 .92.2.6 显示装置的选型方案论证 .92.3 本章小结 .11第三章 硬件电路设计 .123.1 STC15 单片机简介 .123.1.1 引脚说明 .123.1.2 特别管脚说明 .133.1.3 中断说明 .143.2 时钟电路和复位电路 .143.3 电源电路部分 .143.4 超声波传感器 .153.4.1 超声波测距的物理性质 .153.4.2 超声波测距的原理 .153.4.3 超声波测距过程分析 .163.5 电机驱动电路 .17内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）III3.5.1 电机驱动电路分析 .183.5.2 PWMD 调速分析 .183.6 LCD1602 显示电路设计 .193.6.1 LCD1602 显示 .193.6.2 LCD1602 引脚功能说明 .203.6.3 1602LCD 的指令说明及时序： .203.7 光电测速模块 .223.8 报警电路设计 .23第四章 软件设计部分 .244.1 主程序的设计 .244.2 超声波测距程序设计 .254.3 避障程序设计 .264.4 PWM 程序设计 .274.5 显示子程序设计 .284.7 报警程序设计 .29第五章 系统调试 .305.1 概述 .305.2 各模块的调试 .305.2.1 LCD 的调试 .305.2.2 光电码盘调试 .315.2.3 蜂鸣器报警调试 .315.2.4 电机及驱动调试 .325.2.5 超声波模块调试 .32总结 .33参考文献 .34附录 A 实物图 .36附录 B 源程序 .38致谢 .57内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）0第一章 绪论1.1 课题研究背景和意义随着 21 世纪的到来科学技术的发展步入了一个高速发展的阶段，智能化也普及了各个领域。汽车作为 21 世纪最为热门的交通工具，其在全球的使用率达到一个较高的水平，为了满足人们的需求，汽车在产量、种类上的剧增以及行驶速度的大大提升，然而由此带来了很多问题，比如说交通拥堵、交通事故、环境污染以及能源浪费 1。据有关专家统计，到 21 世纪初，汽车排放的尾气占了大气污染的3060%。随着机动车的增加，尾气污染有愈演愈烈之势，由局部性转变成连续性和累积性，而各国市民则成为汽车尾气污染的直接受害者，为此解决汽车污染已迫在眉睫。除此之外随着汽车速度的提高，发生交通意外的几率也大大的提高了。2014 年 1 月至 10 月，全国共发生道路交通事故 426378 起，造成 87218 人死亡、391752 人受伤，直接财产损失 20.2 亿元。交通事故严重影响人们的家庭幸福，引发相关的社会问题，我国每年交通事故致死率一直位居世界首位，各级政府都相当重视交通安全问题。智能汽车的出现很好的解决了上述的两个问题，为此世界各国都在致力于智能汽车的研究，至今为止科学家们在智能车的研究上已经取得了很大的成果。疲劳驾驶容易引发交通事故，从而对人身安全和财产损失造成不必要的威胁，为此科学家们设计出了自动驾驶汽车。通过在手动驾驶的汽车上安装智能控制器也能使汽车达到自动行驶的效果，从而极大缓解了汽车驾驶员长时间踩踏油门所带来的疲劳，降低了因疲劳驾驶而引发交通事故的概率。基于这样的背景本次课题设计了一台可以自动避障，自动减速的智能小车，小车采用 STC15 单片机来模拟智能汽车的智能控制器，可以说智能避障小车是未来智能汽车发展的一个雏形。未来的智能汽车也可以通过传感器对前方的障碍物，汽车，行人等进行检测。当靠近障碍物时汽车自动减速，当汽车跟障碍物的距离超过安全距离时进行紧急刹车。智能汽车的功能和研究意义远不止这些，人们只有通过不断的探索和研究才能更好地发掘和利用智能汽车的价值。 1.2 智能汽车的发展概述智能汽车是一种正在研制的，集成了智能控制器，执行器和多种传感器的高科技新型汽车。智能汽车的发展根据国际的标准可以分为两个阶段，第一个阶段是辅助驾驶阶段，第二个阶段是无人驾驶阶段 2。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）1辅助驾驶阶段经过多年的发展现在已经基本成熟，辅助驾驶是指驾驶员通过汽车上安装的辅助驾驶设备来控制汽车，常见的辅助驾驶系统有车道保持辅助系统、自动泊车辅助系统、刹车辅助系统、倒车辅助系统和行车辅助系统 2。其中较为常见的就是倒车辅助系统(Parking Assist System)，倒车辅助系统，通常是用显示器以图片的形式告知驾驶员汽车和障碍物的相对位置，消除驾驶员观察不到的视野盲区，从而为驾驶者倒车泊车提供方便，消除安全隐患。除了倒车辅助系统之外 GPS 定位系统是最广为人知的行车辅助驾驶系统，GPS 又称为全球定位系统（Global Positioning System GPS），是美国从 20 世纪 70 年代开始研制，于 1994 年全面建成，具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统 3。自动驾驶系统的运用主要体现在无人驾驶汽车上，近年来关于无人汽车的研究屡见不鲜，目前在社会也已经出现了几款无人驾驶汽车，主要包括美国卡耐基梅隆大学的 NavLab-54Boss5 智能车、谷歌公司的 Google Driverless Car、意大利帕尔马大学的 The ARGO vehicle6、7 联邦国防军大学的 VaMP 智能驾驶系统 8等。图 1.1 是谷歌研制的无人驾驶汽车。图 1.1 谷歌无人驾驶汽车1.3 课题研究技术要求与主要内容课题的技术要求：本次课题最终要求小车能在无人操作的条件下实现自动避障，避障基于超声波测距的原理实现的，当超声波检测到小车与障碍物的距离大于 40cm 时，小车按照原先设定的速度正常行驶；当超声波检测到小车与障碍物的距离小于 40cm 大于 20cm 时单片机进行 PWM 调速控制使得小车减速；当超声波检测到小车和障碍物的距离小于 20cm 时，单片机控制蜂鸣器发声和发光二极管发声同时控制小车进行减速并转弯。因为本次设计的小车时两轮驱动的小车，也没有安装舵机，所以小车的转弯通过内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）2控制两个车轮间的转速差实现。课题研究的主要内容：本次设计以超声波避障为研究对象，以自动避障为核心控制功能。要研究内容包括：以 STC15 为控制核心的智能系统的平台搭建、各个模块的选型、多传感器的组合应用、PWM 控制电机驱动的相应动作、测速及调速系统的选择与搭建、测距系统的选择与搭建、报警与显示系统的选择与搭建等。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）3第二章 总体方案设计设计一个完整的电子系统其实并不简单，首先要化整为零，就是从局部做起，先了解并掌握各部分的硬件和软件。接着就是化零为整，把各部分的硬件和软件联系到一起得出整体的电子系统 9。在划分系统的各个子模块前，需要掌握每个模块的间的联系，这样在进行模块组合的时候就相对的方便了。在子模块没有掌握的情况下，不能将模块轻易的组合在一起，这样对整个系统来说是有害而无益的。据此，可以把该智能小车分成两个部分，第一部分是硬件模块部分，其中硬件模块包括：测距模块、光电编码器模块、报警模块、显示模块、电源模块等。软件模块包括：超声测距波模块、光电码盘测速模块、PWM 调速、蜂鸣器模块、液晶显示模块。针对上述的各个软件模块和硬件模块，本章将逐一对其选型方案进行论述。通过分析每个方案的可行性，可靠性，以及经济性从而可出最终的最优方案。2.1 总体方案设计本次课题的核心就是现实超声波避障功能，为此超声波传感器