基于单片机的超声波避障小车设计方案

1 基于单片机的超声波避障小车设计方案 第一章 绪论 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 30 60%。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 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 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。 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 2 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。 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 (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 称为 全球定位系统 （ 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 智 能车、谷歌公司的大利帕尔马大学的 、 7联邦国防军大学的能驾驶系统 8等。图 谷歌研制的无人驾驶汽车。 图 歌无人驾驶汽车 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 40，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 40于 20单片机进行 速控制使得小车减速；当超声波检测到小车和障碍物的距 3 离小于 20，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 的平台搭建、 各个模块的选型、多传感器的组合应用、 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。 4 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、 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。 本次课题的核心就是现实超声波避障功能，为此超声波传感器发挥着重要的作用。通过运用相关知识把单片机和超声波模块连接起来就成了这次课题的出发点 10。只有找准了这个基本的出发点才能更好地的构思超声波小车的总体设计方案，下面是小车的总体设计方案。 在本次课题中选择用 于单片机的选型下文会做详细的论述。系统的动力由 动 5V 直流电机提供，传感器用的是 声波模块， 20线的光电编码器作为速度测量系统。声报警选用常用的蜂鸣器即可，至于光报警则只需要一个普通的发光二级管，显示部分则选用的是 搭建好各个模块和调试好各部分 程序之后小车应该能按照以下的流程去运行：首先按下电源开关小车的电机运转，此时的小车是不调速的，它的初始速度由程序中给定 11。此外在小车的 小车运动的过程中小车与障碍物的距离会实时更新，关于超声波采集和显示的周期都是由定时器中断函数去控制的，这个在下文的程序部分也会做详细的介绍，当小车检测到与障碍物的距离小于40个由 小车 5 与障碍物的距离小于 20个给定值的时候，单片机执行中断函数，中 断小车正常的直行改为转弯，同时小车的蜂鸣器发声，二极管发光。当小车转弯后超声波检测的距离 6 大于给定的 40，单片机退出报警中断执行主函数的程序，此时小车将正常行驶。总体方案框图如图 示。 单 片 机S T C 8 9 C 5 2超 声 波 测 距光 电 测 速L C D 1 6 0 2 显 示L 2 9 3 D 驱 动蜂 鸣 器 报 警电 机图 统的总体方案框图 体设计思路 本设计采用两驱车模，实质上小车有三个车轮，第三个车轮为活动轮，活动轮不参与小车驱动只作从动和支撑作用。以单片机 控制芯片，借用超声波模块进行测距，光电码盘模块进行速度测量，蜂鸣器进行报 警预告， 件控制系统进行调速， 具体实现过程：硬件方面小车的主板最终选用的是洞洞板焊接，当然小车的 是最终选型选择的是洞洞板，洞洞板的连线是根据小车的原理图连接的 12。主板包括几个部分：第一部分就是供电部分，因为要驱动两个 5V 的电机，需要一个供电路，同时加入稳压电路以保证电压的稳定。第二部分是小车的驱动电路，驱动电路是自行绘制并焊接的电路板。第三部分超声波电路和测速电路，因为用的是现成的模块，所以焊接电路的时候只需要用排针把单片机的 四部 分是显示电路，这部分的电路在 件方面也就是程序部分，软件的思路也分为两个部分：第一部分就是小车的主程序，主程序的中包含了定时器程序 、 超声波采集程序 、 显示程序。第二部分就是中断程序：中断程序中含有调速程序，报警程序，这样的设计思路方便了程序的编写。总的来说在写程序的时候只需要考虑两个方面，第一方面就是小车在正常情况下能按照给定的速度运行和实现显示。第二方面就是小车在触发中断后立即执行中断程序，中断程序中包含小车调速程序和报警程序。中断是一个较为复杂的程序，中断程序要涉及到中断标志和中 断优先级问题 13。 7 制核心模块的选择方案论证 方案一：选用普通的 51系列单片机，该系列的单片机是有 51单片机公司最早推出的，这一型号的单片机网上有很多的历程可以用，因此用起来比较容易上手。其中 多功能的复用接口， 作为地址总线的输出1 口相似，第二功能可作为特殊功能的输入输出线线 14。 方案二：选用增强型 51 系列单片机，它比普通的 51 单片机多了一些外设，功能上更加丰富强大了，增大了 算速度是普通的 51 单片机的 8， I/O 口的驱动能力大概是 208051 系列的在 10右，增强型 51 系列单片机与嵌入式芯片如 但其内部框架依旧是 8051。 方案三：选用 15系列单片机，该系类的单片机是 了增大了 。芯片的封装也改为贴片式占用的面积小，除此之外 15 最大的优势在于在他内部装有可配置的时钟电路所以外接晶振 15。 起初在选择方案的时候就是本着简单易懂的心态去选的，所以首选的是方案一，考虑到程序的占用的内 存问题于是选择了增强型的 5 单片机的优势所在，而且 15单片机的历程从没有接触过，这是一次挺好的挑战机会，于是最终选定的方案是方案三。除此之外 15 不用外加晶振而且其的封装采用的是贴片式极大的节省了电路板的面积，普通的 51单片机用的功能 15都已经具备， 32 个 的 15 单片机也足以满足本次课设对单片机管脚的需求，加之 15 拥有与 16，为此最终选定了 电路板的方案论证 目前电路图的制作方式主要有两种：第一种是绘制电路原理图然后根据电路原理图制作绘制 二种就根据相关的电路知识在洞洞板上自行搭建电路图，电路中的线路一般是用焊锡焊接出来的。 方案一： 制作 要用的软件是0 简称 P 的界面风格为主，同时， 司独一无二的 术集成平台也为设计系统提供了所有工具和编辑器的相容 环境 17。 是需要 8 有一定的英文基础，绘制电路图主要分为两个部分，第一部分是电路的原理图，第二部分是 路原理图可以生成未布线的 路图，经过布线处理之后就是完整的 以检查电路中的错误。 方案二：自行搭建洞洞板；洞洞板顾名思义就是有很多个小洞组成的板子，这种板子一般有塑料制成，在每个小洞的的周围镀上焊盘。使用的时候将器件插上，用焊锡焊接固定即可，至于需要用线连接的器件可以用焊锡将两个器件间的一列焊盘 连接在一起。洞洞板的搭建的优点在于，比较灵活，需要增加硬件可以自行拓展电路，其缺点在于相对 18。 综合了两个方案的优缺点之后，在主板的制作上最终采用了洞洞板的，但是前期的调试采用的是 距避障传感器的方案论证 测距传感器是本次课题的核心传感器，测距传感器的选用关乎到小车的实际避障和测距情况，因此测距传感器的选型至关重要。目前测距传感器种类繁多，其中应用最广泛的莫过于声光测距传感器。常 见的声光测距传感器有、超声波传感器、雷达测距、激光测距传感器、光电管、 像传感器、光钎传感器和光栅传感器 19。通过查阅相关资论文中给出两种种测距方案进行论述。 方案一：超声波测距，超声波测距的原理是利用声反射的原理通过声速传播的时间来计算距离。需要注意的是超声波传感器不能直接测量距离，只能测量超声波传播的时间，距离可以根据声速传播的公式进行计算。声波抗高压能力强，不易受到可见光，外界温度的干扰，但是超声波检测存在盲区，其检测盲区为小于 20。 9 方案二：红外对管，红外对管是一种十 分常用的传感器其集发射与接收于一体的光电传感器 21， 检测范围 :3其安装方便，价格低廉，操作简单被应用于各行各业。红外对管的主要用了测距测温，测距的原理也很简单，就是利用光反射的原理，这个跟超声波测距很相似。因为光具有穿透性，因此红外对管不能用来检测透明物体，这也是其检测的局限性。 通过分析和具体的实践最终选定方案一的超声波传感器为测距传感器，选用的原因如下。 （ 1）超声波传的抗干扰能力比红外对管的强，小车在行驶过程中易受到可见光的干扰，降低了传感器的精度。红外对管属于光电传感器 ，其在检测自身发出的红外线时易受外界光线的影响。 （ 2）红外对管在检测障碍物的时候具有局限性，因为光线具有一定的穿透性，当前方的障碍物为可穿透的物体时，红外线是无法检测出的，这给小车的自动避障带来了局限性 22。 综合上面分析的原因，最终选定了超声波传感器为智能避障小车的测距传感器。 速模块的选择方案论证 测速模块选用的的是光电编码测速器，又称光电码盘。其因具有测量精度高，价格便宜，抗干扰能力强，可靠性高的特点而被广泛的使用。目前常用的光电编码测速器主要有两种类型，一 种是透光型光电编码测速器，一种是反光型编码测速器。根据编码器的型号本文给出了两种方案，并分析论述得出最终的方案。 方案一：透光 式 光电编码器，透光 式 光电编码器有两个部分组成第一部分是一个带有光栅的圆盘，在使用时这个圆盘被安装在直流电机的转轴上。第二部分是由光电二极管和光敏原件组成测量模块。透光 式 的测量原理是基于光是沿直线传播的原理，当光栅和光电二极管处于同一直线上时光线穿过光栅 21，此时光敏原件检测到发光源，则此时发出高电平，反之则为地低电平。当圆盘旋转一周时记下此时发出的高电平数，在通过圆盘的周 长就可以算出小车的转速。 例如：圆形旋转物体半径为 R,码线数为 M，单位时间内（ 1s）扫过 该旋转体的速度为 V=M/N* *2R。 方案二：反射式光电编码测速器，反射式光电编码器也是有两部分组成，第一部分也是一个圆盘，但是这个圆盘是一个能反射光线的圆盘，圆盘上均匀的分布着反光面，当圆盘旋转到合适的位置后就能反射由光电二极管发出的光线，光 电管将感受的光变化转换为电信号变化， 第二部分则是 将反光材料粘贴于被测轴的测量部位上构成反射面。 10 常用的反射材料为专用测速反射纸带 (胶带 )，也可用铝箔等反光材料代替 ，有时还可以在被测部位涂以白漆作为反射面。投光器与反射面需适当配置，通常两者之间距离为5被测轴旋转时，光电元件接受脉动光照，并输出相应的电信号送人电子计数器，从而测量出被测轴的转速 22。 通过具体的对分析以及结合小车车模的实际情况做种选定方案一，得出方案一的原因如下： （ 1） 小车的车模空间有限，在安装了圆盘后已经没有合适的位置安装反射式光电编码器的反射纸带。相反透光式的光电编码器需要的空间相对较小，不需要在车模上安装其他的硬件。 （ 2） 透光式编码器虽然易容机械震动的干扰，但是圆盘式安装在直流电机的转轴上 的，几乎不会产生太过剧烈的震动，因此这对于透光式编码器不会产生干扰。 机驱动选择方案论证 智能车常用驱动有两种： 293D。两者均为的电机为 5 方案一： 专用驱动集成电路，属于 H 桥集成电路，与 差别是起输出电流增大，功率增强。其输出电流为 2A，最高电流 4A，最高工作电压 50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机， 步进电机 ， 线圈等感性负载 23，特别是其输入端可以与单片机直接相连，从而很方便地受单片机控制。 驱动直流电机时是通过控制 要有电平差就会驱动电机旋转。 方案二： 持两路直流电机或一路步进电机的驱动，最高工作电压 25V，最大驱动电流 工作时控制引脚与核心控制芯片的 驱动直流电动机的方式与 在综合考虑后期的调试中可能要加入电机的正反转或者，紧急停车系统，为此选用性能更加稳定，但是价格相对贵的 示装置的选型方案论证 显示装置主要是用来显示小车当前的速度值和超声波采集到的数值，字符数在 6到8 位左右。在电子系统领域中跟单片机配套使用的显示装置主要有 码管 ,2864液晶显示屏。 方案一： 码管一般有 7 段或者 8段字段码，每段字段码其实就是一个发光二极管。数码管一般有两种，一种是共阴极数码，共阴极数码就是将数码管 11 的一端接地，给高电平时数码管点亮，反之则不点亮。共阳极数码管则是将数码管的一端与电源的正极相接，给低电平时数码管点亮，反之则不点亮 24。数码管的显示方式也分为两种，一种是静态显示，一种是动态扫描。所谓的静态显示是指将数码管的一端与单片机具有锁存功能的 连接，当给数码管合适电平时数码管点亮，只要一直给电平数码段就会一直点亮。动态扫描相对来说比较复杂，其原理就是将数码管的位段码和字段码分别接在单片机的不同 上，由单片机控制位段码和字段码的显示。由于单片机的扫描频率很高，人眼是无法识别数码管在扫描过程中的字符变换的，因此在人眼的观察下数码管是无变化的。 图 方案二： 示 ,顾名思义 1602 的意思就是 16*2 也就是说 显示16*2 个字符。在 1602 的字符寄存器中含有 192 个字符，除了平假名外其他的均是常用的字符。用户在使用字符时只需要调出相应的字符代码便可让其显示，操作是十分方便的。 通过对比分析 案较为合适，原因如下： （ 1） 码管显示一个字符需要一位数码管，而要显示速度和距离至少需要 8位的数码管，加之如果要在前后分别加上被测量的公式符号和单位则需要至少 16 位的数码管，这种显示太繁琐了 25。 （ 2） 选用 安装时只需要在洞洞板上焊接上排母，再将 入排母内即可，而 上，需要的占用空间大，焊接繁琐。 （ 3） 从视觉角度分析， 示也方便。 12 图 602 模型图 章小结 本章主要论述了课题的总体思路和各个模块的选型方案，以及在选型过程中会遇到的问题。这些问题有些可以通过查阅资料解决，有些必须要通过实践才能得出结论。当遇到两个方案都适用的时候此时应该从节约成本的角度出发，尽可能的减少成本。小车核心控制器的选型以及测距传感器的选型是本次课题的关键点，其关乎着本次课题的成功与否，因此在核 心控制器以及测距传感器的选型上应该做出充分的论证。 13 第三章 硬件 电路 设计 上文主要论述了小车的设计的整体思路和各个模块的选型，关于小车的硬件电路也做了简单的介绍。小车的硬件电路并不复杂，主要包括供电电路，驱动电路和 文会逐一对各个部分的硬件及电路进行详细的论述。 片机简介 本次课题采用的 机器周期（ 1T）的单片机。其代码完全兼容传统的 51单片机，在 的开发环境中，选择 052 编译，头文件包含 即可完成程序的编译 26。除此外 15 单片机还具有一下特点： （ 1） 增强型 8051 1T，单时钟 /机器周期，速度比普通的 8051 快 8 （ 2） 不需要外部晶振和外部复位电路这是其最大的优势和特点，还可对外输出时钟和低电平复位信号。 （ 3） 封装比传统的 51 小，本次课设用的 15 其封装为 m*5m)，将其引脚由排针引出来后也比传统单片小的多。 脚说明 本次课题用到的引脚功能及其用法如表 表 引脚 功能 外接 备注 据总线接口 与 0 振接口 /普通 其他 与传统 51差别不大 其中 下载器可用 14 图 别管脚说明 列单片机的所有 I/0 口上电复位后均为准双向口 /弱上拉模式 , 还可以分别作外部品体或时钟电路的引脚 以 7/电复位后的模式不一定就是准双向口 /弱上拉模式 27。当 作为外部晶体或时钟电路的引脚 用时 , 电复位后的模式是高阻输入 单片机对 单片机短时间 (十个时钟 )内会将 置成高阻输入 27。 单片机会白动判 断上一次用户 录程序时是将 6/。 录程序时是将 置成普通 I/0口 ,则单片机会将 弱上拉。 程时是将 置成 27。 断说明 1个中断请求源它们分别是 :外部中断 0(定时器 0 中断、外部中断 1(定时器 1 中断、中口 1 中断、 A/D 转换中断、低压检测 (断、 断、中口 2 中断、 断、外部中断 2(外部中断 3(定时器 2中断、外部中断 4(中口 3中断、串口 4中断定时器 3中断、 15 定时器 4中断、比较器中断、 除外部中断 2(外部中断 3(定时器 2中断、串口 3中断、串口 4中断、定时器 3 中断、定时器 4中断及比救器中断固定是最低优先级中断外 ,其它的中断都具有 2个中断优先级 28。 钟电路和复位电路 在传统的 51 单片机中，需要加入时钟电路和复位电路，这两个电路组成了单片机的最小系统。在 15 单片机中因其内部含有时钟电路和复位电路，所以本次课题就不加入时钟电路和复位电路。 本次课题所采用的是电池盒供电，电池盒中有 6 节 干电池，在满电状态下能为小车提供 9面具体分析一下小车的供电 电路，供电电路如图 源模块由一个电源插孔，一个六角自锁开关和一块 7805稳压芯片组成。当开光按后，电路接通，的电源指示灯被点亮， 9805稳压后变成 5V。驱动 V 电压，单片机、 声波传感器等的供电使用的是 5V 电压，这也是图中出现两个输出电压的原因，这是前期调试用到的电路图，到后期小车成型后巧妙的运用了 此只需要输入 9 图 超声波传感器是小车的核心传感器，本次课题采 用的传感器为 声波测距模块。主要技术参数如表 表 电气参数 16 工作电压 V 工作电流 15作频率 40远射程 4m 最近射程 2量角度 15度 输入触发信号 10冲 输出触发信号 输出 射程成 比例 规格尺寸 45*20*15 超声波测距的物理性质 超声波是频率大于 2 万 机械振动在弹性介质中传播而形成的一种机械波 。它具有能量大、穿透力强且在异动界面易产生反射、折射及波形转换等特点，超声波测距的物理基础如下： （ 1）障碍物引发超声场的变化（反射和折射），测距正是利用反射这一点。 （ 2）传感器能采集到超声场的变化。 声波测距的原理 超声波测距的原理正是基于其物理基础，当超声波模块产生超声波后，单片机的计时器开始计时。超声波在遇到障碍物后会被反射，超声波模块接收到反射波后，单片机的计时器停止计时。根据收发超声波所产生的时间差，便可计算出超声波模块与障碍物的距离。超声波模块在接收超声波时存在能量转化，当超声波接 收到反射波后，声信号转换为电信号，从而使单片机的停止计时。设超声波的声速为 v，时间差为 S=v 式（ 17 入 射 波反 射 波换能器s = c * t / 2障碍物图 P触 发 信 号1 0 u S 的 T T 发 出 8 个 4 0 K H z 脉 冲模 块 内 部发 出 信 号输 出 回 响 信 号回 响 电 平 输 出 与检 测 距 离 成 比 例图 超声波避障的主要部分如表 示： 表 声波主要组成部分 序号 简介 1 供应电能的脉冲发生器（发射电路）； 2 转换电能为声能，且将声能透射到介质中的发射传感器； 3 接收反射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器； 4 接收放大器可以使微弱的回声放大到一定幅度，并使回声激发记录设备； 5 记录 /控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射到记。 6 录回波的时间，存储所要求的数据，并将时间间隔转换成距离 18 在超声波测量系统中，频率取得过 高或是过低都不合适，最常使用 40超声波。发射部分包含两个组成部分：振荡和功放，主要负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由其内部结构模块转换成声能发出去；接收放大器用来放大回声信号，收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号 29；记录 /控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。 电机驱动电路 驱动电路采用的是 电路原理图如图 298实物图如图 19 图 298N 实物图 机驱动电路分析 内部含有桥式电路，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载 10；控制原理采用采逻辑电平信号进行控制具有 个使能控制端，在无信号信号影响的情况下只允许或禁止器件由一个电源信号输入，在使用 个二极管并联到电路中，这 8个二极管可做续流保护的作用，电机在断电后由于惯性作用会产生有可能会发生自感，为了防止电源关闭时自 感电压击穿开关元件，同时也是防止电机受外力作用运转时发电造成芯片损坏。电路中 个输出端，两两一组分别跟两个直流电机的正负极相接，两个使能控制端分别跟单片机的两个 表 流电机控制表 电机 旋转方式 控制端 制端制端制端A B 转 高 低 / / 高 / 反转 低 高 / / 高 / 停止 低 低 / / 高 / 转 / / 高 低 / 高 反转 / / 低 高 / 高 停 止 低 低 / / / 高 20 速分析 脉冲宽度调制（ 固定了一个输出信号的时间周期，通过调整基本周期内工作时间的大小来调整脉冲的占空比 29，在课题中 固定的周期高电平和低电平分别作用于直流电机，如果高电平左右的时间长，低电平作用的短则电机转速相对较高，反之则转速较慢。 图 设电机始终接通电源时，电机转速最大为 占空比为 D=t/T,则电机的平均速度为 30： mD （ 式中： D=t/T 表示占空比。 由公式（ 见，当改变占空比 D 时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。 速工作方式有 2 种：一种是单极性工作制一种是双极性工作制。两种工作方式都是根据电压差来工作，单极性就是只有一端接 一端接 双极性就是接 2路 于单极性工作制电流的最大波动比双极性工作制的小，古采用了单极性工作制 。 示电路设计 示 液晶显示器利用的是液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示。具有显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低等优点。 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式 设计用的是 16*2的模块。其实物如图 21 图 脚功能说明 6 脚（带背光）的封装接口，各个引脚的功能说明如表 表 脚接口说明 表 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 源地 9 据 2 源正极 10 据 3 晶显示偏压 11 据 4 据 /命令选择 12 据 5 R/W 读 /写选择 13 据 6 E 使能信号 14 据 7 据 15 光源正极 其中 电平时对比度最弱，反之最强。 电平选择数据寄存器、反之选中指令寄存器。 R/电读取，反之写入。14。 602指令说明及时序： 1602液晶模块内部的控制器共有 11条控制指令，如表 22 表 序号 指令 R/ S R/ W 6 4 2 0 1 清显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 光标返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * 3 置输入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 4 显示开 /关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光标或 字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 6 置功能 0 0 0 0 1 F * * 7 置字符发生存贮器地址 0 0 0 1 字符发生存贮器地址 8 置数据存贮器地址 0 0 1 显示数据存贮器地址 9 读忙标志或地址 0 1 数器地址 10 写数到 1 0 要写的数据内容 11 从 1 1 读出的数据内容 对 标的操作时都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、 0为低电 平）各指令具体含义如下表所示。 23 表 令含义表 指令 1 清显示，指令码 01H,光标复位到地址 00H 位置。 指令 2 光标复位，光标返回到地址 00H。 指令 3 光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。 指令 4 显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 指令 5 光标或显 示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。 指令 6 功能设置命令 电平时为 4 位总线，低电平时为 8 位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示 5点阵字符 . 指令 7 字符发生器 址设置。 指令 8 址设置。 指令 9 读忙信号和光标地址 忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。 指令 10 读数据。 指令 11 电测速模块 光电测速模块的信号线接在外部中断口，其原理如图 。 图 电测速模块 24 模块参数： 5V。 平，当检测到码盘无缝隙时输出高电平，反之低电平，转一周输出的脉冲数由码盘线数决定。 色接 +5V，黑色接 色接 20线光码盘如 图 码盘 码线数决定了测速的精度，一般常用码线为 100 的码盘，这里采用 20 码线的码盘进行测速，精度相对较低，但已经满足本系统的需求。 警电路设计 报警采用的是声光报警，声报警就是在单片机指 定的引脚上接一个蜂鸣器。通过实践发现将蜂鸣器直接接在电路中时蜂鸣器不能发声，原因在于电流太小无法驱动蜂鸣器，解决方案 6是串联一个三级管。三极管是模拟电子技术中一个非常重要的电子元件，其作用是将电路中的微弱信号进行放大 31。要实现光报警只需要在蜂鸣器的电路上并联一个发光二极管即可，需要注意的是二极管要串联一个电阻从而起到限流保护的作用31。原理图如图 示。 图 警电路设计 25 第四章 软件设计部分 小 车程序的编写时整个课题的重点也是难点，程序的编写采用的是模块化结构，就是将 整个大程序模块化的划分开。首先将程序分成两大部分，第一部分是主程序，第二部分是中断程序。主程序是指小车在正常行使的情况下所执行的程序，中断程序是指小车受到中断的触发后跳入中断程序，待中断程序结束后再执行主程序。 通过整体的思路分析主程序中应该含有几个部分的程序，分别为小车测距程序，小车测速程序，显示程序，中断程序中包含的程序为：小车报警程序，小车避障程序。当小车进入中断后是否还显示小车的车速要在具体的调试中进行对比分析，还有小车的中断程序应该加入中断保护程序，所谓的中断保护是指：当中断触发时，中断前一时刻所执行的程序受到保护，当中断接收程序从进入中断前的那个程序开始执行 9。在用流水灯模拟生产流水线时用到的就是中断保护，当故障发生时暂定作业，当故障排除后流水线要从故障发生前的那一步继续进行，而不是重新开始执行流水线。 程序的设计 本设计采用了 列的单片机，其程序的编写跟传统的 51单片机没有太大的区别。因此完全可以参照 51 的一些典型的学习例程对程序进行编写，主程序部分包括距离，速度的测量以及显示，其中超声波的采集需要用到中断程序，因此在主程序中应该加入定时器中断。具体编写时通过定义定时器 断来确定超声波传感器的采集周期和测速的采集周期，这两个周期可以使一致的，定时器是一个非常重要的程序，因为 15没有外接时钟电路，所以通过查阅 15 单片机的用户手册可了解其内部的机械周期。除此以外定时器还用作计算超声波从发射到返回的需要的时间 ;定时器 部中断 于累计光电码盘扫过的码线数，将传感器采集回来的参数通过单片机运算处理后的结果与给定值进行对比，当超声波采集到的值小于给定值时，单片机通过 能端控制 而控制两个个驱动轮的动作，小车的整个运行过程中超 声波的采集值和光电编码器的采集值通过 10。小车的主程序虽然包含了很多程序，但是只要通过模块化的调试，最终将小车的程序整合到一起便可实现小车的测速、测距、避障报警灯功能。小车主程序流程如图 26 超 声 波 测 距码 盘 测 速L C D 显 示系 统 初 始 换返 回距 离 是 否 大 于 给定 值避 障 及 报 警程序 流程图 声波测距程序设计 本课题是采用超声波模块进行测距，在编写超声波程序时先要从超声波模块的硬件出发，超声波模块一共四个引脚，上面分别标有 别是超声波信号的收发引脚，因此需要给单片机相连。通过给控制 计数并等待，关闭计数，最后调用计算距离函数，得出所测距离。具体设计如图 27 开 始T 0 、 T 1 初 始化 并 开 启 T 1发 射 超 声 波延 时 2 0 u 发 射E C H O = 0 ?关 闭 T 0E C H O = 1 ?计 算 距 离开 启 T 0图 声波测距流程图 障程序设计 避障程序时基于超声波测距程序，当超声波采集到的距离小于程序中的预设值时，触发单片机的中断，因此超声波避障的程序应该放在中断程序中。超声波避障的程序可以用一个 句设 定距离的预设值（阈值）当检测到的距离小于阈值执行进行避障操作（转弯）。 超声波传感器发射超声波测量障碍物距离，决定电机的输出状态。 28 蜂 鸣 器 报 警是 否 有 障 碍 物 ？转 弯检 测 C E H O 端口 反 馈 值 并计 算 距 离返 回关 闭 T 声波避障流程图 出的信号接在驱动板 ， 管脚从而实现调速。 置定时器 14；在实际编程设定一个 50周期，具体实现过程：每到 114，在用 函数定义一个变量，这个函数用于累加进定时器 样用 设置阈值，当累加到的次数达到阈值时就会给相应的电机管脚高电平，否则给低电平，就能输出方波从而达到脉宽调制的目的。经过反复的调式，调节高电平占用 要注意的是 为我用的车模是两驱车，因此需要通过两轮的速度差来进行转弯，从而实现避障功能。 29 示子程序设计 在对 S, 个在硬件部分已经做了详细的介绍。在编写程序的时候要围绕这三个引脚展开，其编写步骤如下； （ 1） 定义 1602的相关引脚，包括 N。 （ 2） 显示的初始化（显示初始化包括设置显示方式、延时、清缓存和设置模式等） （ 3） 设置显示地址（写显示字符的位置） （ 4） 写显示字符的数据 给 地 址L C D 1 6 0 2 是 否 忙 ？写 显 示 内 容初 始 化开 始图 30 警程序设计 报警程序放入到中断程序中，只要超声波测得的距离小于阈值，单片机立即执行声光报警程序，此时只要将高电平输出给指定 的 ，蜂鸣器就能发声，二极管也会随之被点亮。蜂鸣器的的声音频率是可调的，这个在下文的调试部分会做详细的介绍。 程序流程图如图 示。 声 光 报 警是 否 有 障 碍 物延 时关 闭 报 警 器返 回图 警程序流程图 31 第五章 系统调试 在调试时的软件调试平台借助的是 为 1 的升级版 ,其比前者拥有更加完善的编译功能。 为美国司推出的兼容 51 系列单片机的 C 语言开发环