毕业设计-基于单片机的避障小车设计与实现.doc

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第ii页 毕业设计(论文)基于单片机的避障小车设计与实现系 别专 业班级学号姓 名指导教师摘 要避障智能小车，即轮式避障机器人，是移动机器人的一种。基于四轮移动小车为框架，以具有16kb系统内可编程flash的8位avr微控制器为核心，开发研制了一套智能小车所用的避障系统，该系统主要由控制模块、检测模块、供电模块和运动模块组成。本文使用了超声波传感器对智能小车周围的环境进行探测，在超声波测距中，采用循环发射的方式，有效避免了回波信号干扰，采用1个发射器发射、2个邻近的接收器接收的方法，为避障小车提供同一方向上的多个距离信息，并且给出了距离信息的多种表示方法。并且利用avr单片机技术对超声波传感器所探得的障碍物信息进行处理，如距离、角度等，最终通过一种新颖的控制算法来完成障碍物的识别，通过pwm调速来控制l298n的电机驱动从而实现了智能小车的自主避障。最后经过编码、调试及反复验证最终得出结论，即完成了基于单片机的避障小车的设计与实现。关键词：避障，atmega16单片机，超声波传感器，l298n电机驱动 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第79页design and implementation of smart car obstacle avoidance based on single-chip microcomputer author ：chenyandong tutor ：weiyongtao abstractsmart car obstacle avoidance, which is called wheeled robot obstacle avoidance, is one kind of mobile robot. based on the framework of a four-wheel mobile robot, and the core of 8-bit avr micro controller with programmable flash in 16 kb system, the thesis has developed a module of obstacle avoidance which is used in the smart car. the module mainly consists of the control part, detection part, power part and motor part. the thesis makes use of ultrasonic sensors to detect the environment around the smart car. in the ultrasonic ranging, it has effectively prevented the echo signal interference by the way of cyclic launch. and with a launcher and two neighboring receivers, it is provided with much information about distance in the same direction. the method also gives more ways to represent the distance. the thesis also uses avr single-chip microcomputer to process the obstacle information discovered by ultrasonic sensors, such as distance and angle. then the thesis completes the obstacle pattern recognition through a new control algorithm, and achieved autonomous obstacle avoidance with pwm controlling l298n motor driver. finally, the thesis makes the conclusion that it accomplishes the design and implementation of the obstacle avoidance car based on single-chip microcomputer is achieved through coding, debugging and repeatedly verification.key words: obstacle avoidance，atmega16 single-chip microcomputer，ultrasonic sensors，l298n motor driver 目 录1 绪论11.1 引言11.2 选题背景11.3 研究意义与目的21.4 避障小车研究现状31.4.1 国内避障小车研究现状31.4.2 国外避障小车研究现状31.5 论文研究的预期目标、主要内容41.5.1 论文研究预期目标41.5.2 论文的主要内容41.6 避障小车的关键技术51.6.1 避障技术51.6.2 识别技术61.6.3 驱动和结构技术61.6.4 传感器技术72 总体方案设计92.1 引言92.2 系统总体控制方案的确定92.2.1 系统任务描述92.2.2 控制系统要求92.2.3 控制对象与环境探测102.2.4 微机的作用102.3 系统总体方案论证102.3.1 参数输入方案102.3.2 直流电机方案112.3.3 电机驱动与调速方案112.3.4 障碍检测方案122.3.5 供电方案132.3.6 核心mcu方案132.3.7 车模及转向方案143 避障小车硬件系统设计153.1 引言153.2 供电模块设计153.2.1 供电模块设计总体思路153.2.2 电源设计163.2.3 保护部分电路163.2.4 滤波部分电路163.3 控制器模块设计173.3.1 控制器模块整体电路图173.3.2 atmega32-16主要性能173.3.3 功能特性描述193.3.4 时钟电路设计203.3.5 复位电路设计203.3.6 供电电路设计203.4 通信电路模块设计213.5 传感器模块设计213.6 电机驱动与调速模块设计263.6.1 电机驱动芯片选择263.6.2 电机驱动设计273.6.3 pwm调速274 避障小车软件系统设计294.1 引言294.2 避障小车软件总体设计思想294.3 副控制单片机stc12le5410的软件设计294.3.1 设置与传输304.3.2 超声波接收324.3.3 距离计算与数据存储334.3.4 副单片机的spi通信中断服务：344.4 主单片机atmega32l避障设计364.4.1 避障算法设计364.4.2 运动控制设计374.5spi通信设计394.5.1 spi通信基本原理394.5.2 spi通信时序395避障小车的调试415.1 spi通信的调试及常见错误415.2 避障小车运行时遇到的问题445.3 超声波检测模块的调试与测量44结 论46致 谢47参考文献48附 录a50附 录b69附 录c701 绪论1.1 引言机器人学科是一门迅速发展的综合性前沿学科。它涉及到机械工程学、运动学、数学、电气工程学、计算机、电子工程学、自动控制工程学、人工智能、传感器、机器视觉、模式识别与导航、仿生学和多种智能模拟技术，受到了工业界和学术界的高度重视。一些工业发达国家如美国、德国、日本的大学和研究所的有关专业都在讲授和研究机器人及其应用，我国也把机器人学科列入国家“863”高技术计划中。近年来，随着科学技术的发展，机器人技术已得到广泛应用，遍及工业、国防、农业、宇宙空间、海洋开发、抢险救灾、医疗康复、家庭服务、原子能电站的维护等领域1。1.2 选题背景机器人技术是在新技术革命中迅速发展起来的一门新兴学科，它在众多的科技领域与生产部门中得到了广泛的应用，并显示出强大的生命力。它是集精密机械、光学、电子学、检测、自动控制、计算机和人工智能等技术于一体，形成的一门综合性的新技术学科。机器人的发展有很长的历史，早在三国时代，诸葛亮造的“木牛流马”就是古代机器人的一种雏形。机器人(robot)一词来源于1920年捷克作家卡雷尔查培克所编写的戏剧中的人造劳动者，在那里机器人被描写成像奴隶那样进行劳动的机器。后来作为一种虚构的机械出现在许多作品中，代替人们去完成某些工作。20世纪60年代出现了作为可实用机械的机器人。为了把这种机器人同虚构的机器人及玩具机器人加以区别，称其为工业机器人2。目前所说的机器人大多指工业机器人。1962年，第一台工业机器人unimate在美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代机器人的诞生。第一代机器人，主要指只能以“示教再现”方式工作的机器人。示教内容为机器人操作机构的空间轨迹、作业条件、作业顺序等。第二代机器人具有一定的感觉装置，能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，机器人作出一定的推理，对动作进行反馈控制，表现出低级的智能。第三代机器人是指具有高度适应性的自治机器人，它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维，判断决策，在作业环境中独立行动。工业机器人自诞生以来已走过了50年历程，20世纪60年代初期到20世纪70年代初期机器人技术的发展较为缓慢，20世纪70年代中期逐渐投入实用，到20世纪80年代中期机器人制造业已成为发展最快和最好的经济部门之一，20世纪90年代机器人已活跃在世界工业的各个领域。我国对机器人技术的研究从70年代末期起步以来，经过“六五”、“七五”、“八五”期间的发展，在机器人理论、样机设计、研制及机器人应用工程等方面取得了一大批成果。许多研制项目被列入“863计划”和“火炬计划”。国家“七五”重点工程的“机器人示范工程”已由中科院沈阳自动化所完成，并逐步成为我国机器人研究、开发、人才培训、机器人性能测试和国内外机器人交流的基地，他们已经研制出各种型号的水下机器人、工业机器人通用控制器、移动式机器人等。80年代在国家高技术计划中安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人、高功能装配机器人和各类特种机器人的应用研究。90年代中期，国家已选择以焊接机器人的工程应用为重点进行开发研究。另外我国的高等院校也在机器人领域开展了广泛的研究，如长沙的国防科技大学、上海交通大学、北京航空航天大学、燕山大学等在步行机器人、精密装配机器人、自由度机器人及并联机器人等前沿领域取得了可喜的成绩，正在逐步缩短在机器人技术方面与世界先进水平的差距。但从总体水平上看，我国机器人技术比起发达国家还有一定的差距3-5。1.3 研究意义与目的机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。因此上述学科的发展都不断的带动机器人学的发展或者被机器人的研究所带动。这些学科涉及世界每一角落，在经济和科学发展中都占有举足轻重的地位，越来越多的国家参与到机器人的研究中。避障智能小车，即轮式避障机器人，是移动机器人的一种。避障智能小车同遥控小车不同，后者需要操作员来控制其转向、启停和进退，比较先进的遥控车还能控制其速度。常见的模型小车，都属于这类遥控车；避障智能小车，则可以通过计算机编程来实现其对行驶方向、启停以及速度的控制，无需人工于预，操作员可以通过修改避障智能小车的计算机程序来改变它的行驶方式。避障智能小车是一个集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。关于避障智能小车的研究，始于上个世纪60年代末期，它们己在许多工业部门获得广泛应用，它们可以比人类工作得更好并目成本低廉。移动机器人的避障运动一直是一个重要课题，而且随着机器人技术的不断发展，其应用领域也越来越广泛，由于机器人所处环境往往是不可预测的，机器人所要完成的任务也越来越复杂，机器人感知环境的手段是不完备的，传感器给出的数据是不完全的、不连续的、不可靠的，如何确保机器人正确识别和躲避周围环境存在的障碍物，提高其实时性和准确性，就成为一个焦点问题和难点问题。安全避障具体的实现方法有很多种，主要有超声避障、视觉避障、红外传感器、激光避障、接近觉传感器、微波雷达等避障方法。另外，避障智能小车自动行驶功能的研究将有助于智能车辆的研究。智能车辆驾驶任务的自动完成将给人类社会的进步带来巨大的影响，例如能切实提高道路网络的利用率、降低车辆的燃油消耗量，尤其是在改进道路交通安全等方面提供了新的解决途径。1.4 避障小车研究现状1.4.1 国内避障小车研究现状（1）清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定。（2）中国科学院沈阳自动化研究所的agv和防暴机器人。（3）哈工大机器人技术有限公司开发研制成功了我国第一台智能型服务机器人。采用了先进的传感系统（ccd摄像机、超声波、红外等），智能水平很高，机器人带有的视觉系统、语音系统和运动系统使其言行举止更像人。（4）2003年1月，中科院自动化所成功研制开发了集多种传感器、视觉、语音识别与会话功能于一体的智能移动机器人。基本结构由传感器、控制器和运动机构构成10。1.4.2 国外避障小车研究现状（1）室外几种典型应用的移动机器人：由美国nasa资助研制的“丹蒂ii”八足行走机器人，是一个能提供对高移动性机器人运动的了解和远程机器人探险的行走机器人。美国nasa研制的火星探测机器人索杰那于1997年登上火星，这一事件向全世界进行了报道。德国研制了一种轮椅机器人，并在乌尔姆市中心车站的客流高峰期的环境和1998年汉诺威工业商品博览会的展览大厅环境中进行了实地现场表演。（2）高完整性机器人。意指机器人在工作时一定是正确的，并不一定要连续工作。（3）遥控移动机器人。（4）环境与机器人集成。像人需要道路、交通信号灯等一样，机器人为了在一个动态变化的环境中行动，也同样需要基础设施。（5）生态机器人学（生物机器人学）。（6）多机器人系统。主要是获取机器人团队协调和控制技术，并将其应用于战略重要情况6-8。1.5 论文研究的预期目标、主要内容1.5.1 论文研究预期目标研究开发出一套基于超声波传感器的轮式移动机器人避障模块，要实现的主要目标有：（1）多传感器组成的传感器网络的调理电路。（2）传感器信息的单片机采集，信息来源有超声波传感器及测试电机运转速度的编码器。（3）避障算法的研究，主要是选用合理算法，对多传感器给出的信息进行融合，以作出决策，控制机器人的行为。（4）实现对小功率直流电动机的闭环控制。1.5.2 论文的主要内容（1）传感器网络。将使用多个超声波传感器，使之形成一个多传感器系统或网络，技术关键在于如何确定各个传感器的安放位置才能准确地探测周围环境，因为超声波传感器之间也存在相互干扰，而且有探测盲区存在。另外，还要设计一套调理电路，实现多个传感器与微处理器的接口，因为微处理器的io口资源有限。（2）传感器信息处理。关键技术在于如何使用传感器的输出信息来表示周围环境情况，亦即让机器人知道周围的环境情况。在了解了周围环境后，基于事先预定的策略控制电机运行，完成相应的行为。这里，事先预定的策略也是非常重要的。（3）电机控制。如何有效地、安全地控制主驱动电机，使之完成给定避障行为，这其中包括电机的驱动电路选型、运动情况检测、安全运行保护。（4）抗干扰研究。这主要包括硬件和软件两个方面，在系统设计的过程中，要兼顾硬件抗干扰和软件抗干扰的难易、性价比，合理分配。（5）实验平台的搭建。需要一轮式小车，且需要与单片机相关的开发工具，例如仿真器、编程环境等。另外，需要开发一套单片机基础实验板，需要配备基本io接口芯片，外接计数器芯片，显示组件，以完成系统设计过程中的验证实验。1.6 避障小车的关键技术1.6.1 避障技术小车避障从可移动机器人的出现就开始研究，但一开始他并不作为一门单列的技术进行研究，人们通常在路径规划中实现。路径规划用于指导机器人的行为以达到它的长远目标。路径规划就是根据某些最优化的准则，在机器人的工作空间内找到一条从起始位姿到目标位姿的能避开障碍的最优路径，该路径具有最短的距离或最少的行走时间等低成本的特点。近年来，机器人工作在未知环境下的情况越来越多，传统的基于感知建模规划动作的方法不易建立准确的环境地图模型，而且很难适应动态的未知环境的路径规划。因此人们提出了基于行为的移动机器人路径规划方法，又叫做反应式的控制方法。反映结构是一种从感知到动作的直接映射，机器人能够对外界环境变化作出快速响应。基于动作将动作分为若干基本行为，复杂的行为刻有几个简单行为按次序构成。简单说，就是把以前的导航问题分解成相对独立的导航单元，如避障、跟踪、目标制导等。于是避障技术从此越来越多的被单独研究。因为方式的不同，避障技术通常从两个方面来实现。一种就是障碍物已知，环境也已知，我们采取传统的全局路径规划，又称静态或离线路经规划。全局路径规划的方法主要有：拓扑法、可视图法和栅格法。拓扑法的基本思想是降维法，即将高维几何空间中求路径的问题转化为低维拓扑空间中辨别连通性问题。优点是大大缩小搜索空间，缺点是建立拓扑网络的过程相当复杂。可视图法将小车视为一点，将小车、目标点和多变形障碍物的各顶点进行组合连接。优点是能够求得最短路径，但因为机器人尺寸大小忽略，过障碍时离障碍太近甚至接触，并且搜索时间长。栅格法将机器人的工作环境分解成一系列的具有二值信息的网格单元，工作空间中障碍物的位置和大小一致，并且在小车运动过程中，障碍物的位置和大小不发生变化。该方法精确度、容量、速度都取决于栅格粒度的大小。避障技术在应用是通常会面对以下四种类型：1已知环境下的静态障碍物，其环境中障碍物的形状、大小和位置对规划系统都是精确已知的，其障碍物是静止不动的。2已知环境下的动态障碍物，其环境中障碍物的形状、大小对规划系统都是精确已知的，但其位置是动态的。3未知环境下的静态障碍物，对机器人系统而言，环境事先是未知的或部分未知的，其障碍物的形状和大小是未知的，但其障碍物是静止不动的。4未知环境下的动态障碍物，对机器人系统而言，环境事先是未知的或部分未知的，其障碍物的形状和大小是未知的，同时其位置是动态的。1.6.2 识别技术识别技术是从智能机器人研究开始出现的，自1961年美国unimation公司研制出世界上第一台往复式工业机器人以来，机器人的发展经历了三个阶段：第一代示教/再现(teaching/playback)机器人，主要是指按事先示教的位置和姿态进行重复动作的机械。第二代传感控制(sensory controlled)机器人，指具有如视觉和触觉等外部感觉功能的机器人。这种机器人由于具有外部的感觉功能，因此可以根据外界的情况来修改自身的动作，从而完成较为复杂的作业。第三代智能(inteligent)机器人。除了具有外部感觉的功能外，还具有规划和决策的功能，从而可以适应周围环境的变化而自主地进行工作。自主式移动机器人的智能体现为具有感知(sensing)、决策(decision-making)和行为(acting)等基本功能。而这一系列基本功能的组合我通常称之为识别，它是一切智能化表现的基础。感知就是获取关于其环境的知识，这是通过各类传感器来测量实现的。机器人中的传感器除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，还应用了视觉、声觉、光学、力觉、触觉等传感器。然后在收集各种传感器的数据基础上进行分析，做出判断、决策并做出相应的行为。其中精确度最高，效果最好的是基于视觉传感器数据的识别，但其设计算法复杂，反应时间不快，在竞赛机器人这个高速、多变、灵活的环境下效果并不明显，所以我们通常采用声觉、光觉配合其他传感器共同实现。1.6.3 驱动和结构技术避障小车的驱动及结构技术是机动性和灵活性的最基本保障，在良好的驱动和结构的基础上，控制、算法的改进才有意义。目前小车的驱动控制多采用液压驱动和电机驱动两种动力源。液压驱动功率大重量轻，力和力矩的输出都很好，运行平稳，响应快，对无级调速过载保护都有非常出色的表现。但其体积大，配套设施多且容易出现污染并不适合比赛的环境。电机由于其控制方便，易于实现关节驱动，噪音小等优点已日益在竞赛机器人中成为主流。从能源供给角度移动机器人驱动形式主要分为拖缆运行和电池供电驱动两种，电池驱动控制具有更大的能动空间，但受到电池、驱动器质量的限制，所以目前大多数研究人员在研制移动机器人的过程中多采用拖缆运行形式。因考虑到需要附带执行机构，移动机器人一般设计功率较大，然而目前市场上，高功率伺服电机的控制与驱动产品体积质量均较大，且价格昂贵，这大大限制了移动机器人的负载空间。小车运动方法的选择是移动机器人结构设计基准的最重要方面。机器人在地面上移动的方式通常有三种：车轮式、履带式和步行式。步行移动方式模仿人类或动物的行走机理，用腿脚走路，对环境适应性好，智能程度也相对较高。正因如此，步行移动方式在机构和控制上是最复杂的，技术上也还不成熟，不适于在要求灵活和可靠性高的比赛中。履带式实际是一种自己为自己铺路的轮式车辆。它是将环状循环轨道履带卷绕在若干滚轮外，使车轮不直接与地面接触。履带式的优点是着地面积比车轮式大，所以着地压强小；另外与路面黏着力强，能吸收较小的凸凹不平，适于松软不平的地面。车轮式移动是最常见的一种地面行进方式。车轮式移动的优点是：能高速稳定的移动，能量利用效率高，机构和控制简单，而且技术比较成熟。它的缺点是对路面要求较高，适于平整硬质路面。目前，轮式机器人由于控制简单，运动稳定和能源利用率高等特点，得到了普遍的应用发展。1.6.4 传感器技术人是通过视觉、嗅觉、听觉及触觉等感官来感知外界的信息，感知的信息输入大脑进行分析判断（即人的思维）和处理，再指挥人做出相应的动作，这是人类认识世界和改造世界具有的最基本的本能。同样，利用电子仪器特别是用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，那么计算机类似于人的大脑，而仅有大脑而没有感知外界信息的“五官”显然是不足够的，中央处理系统也还需要它们的“五官”即传感器。传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术等，计算机相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感观。从广义上讲，传感器就是能感受外界信息并能按一定规律将这些信息转化成可用信号的装置；从狭义上讲，传感器就是将外界信息转化成电信号的装置。对于机器人技术而言，传感器技术的重要性相当明显。因为各种各样的传感器与人的感观一一对应，它能够把自然界的各种物理量和化学量等精确地变换为电信号，再经过电子电路或计算机进行处理，从而对这些量进行检测或控制。举例来说，相当于人眼（视觉）的光敏传感器，如半导体传感器、ccd传感器、光敏晶体管、光电倍增管等；相当于人耳（听觉）的是力敏传感器，如电容式话筒、陶瓷传感器、电动式话筒等；相当于人皮肤（触觉）的是力敏传感器和温敏传感器，力敏传感器有应变仪、半导体传感器等，温敏传感器有热敏电阻、半导体传感器、热电阻等；相当于人鼻子（嗅觉）的是气敏传感器，如半导体传感器、燃烧式传感器；相当于人舌头（味觉）的是味觉传感器，如离子传感器。这些传感器都能作为机器人获得外部信息的有效工具，从而使机器人具有感知环境、对象状态的能力，使之具备智能化的特征11-14。2 总体方案设计2.1 引言实验的机械载体是四轮小车，车体中部安装2个主驱动直流电机，前端和后端安装万向轮。避障小车是一个机电一体化系统，选用微机作为控制器，系统设计就是选用微机、设计接口、选用控制形式和动作控制方式的问题。其系统设计的一般步骤为：确定系统总体控制方案；选用微型计算机；系统总体设计；确定控制算法；软件设计等。2.2 系统总体控制方案的确定本设计系统主要由四个模块组成，分别是供电模块、检测模块、控制模块、运动模块。对于总体方案的图解如图2.1所示避障小车供电模块检测模块控制模块运动模块图2.1 总体方案图解2.2.1 系统任务描述题目要求基于单片机及传感器，完成自主式避障小车的设计。单片机作为系统检测和控制的核心，实现对机器人小车的控制。传感器检测障碍物，使机器人能穿越障碍物到达目的地。2.2.2 控制系统要求该控制系统要满足以下几点要求：（1）能对车体四周的环境进行探测以获得障碍物的存在情况。（2）实时性要求。（3）交互功能。主要是设定小车正常行进、转弯时驱动电机的速度；初始化系统时的一些参数设定；显示驱动电机运行速度；功能调用时，显示参数设定情况。（4）故障检测及报警功能。能实时检测到控制系统的一些故障，并通过指示灯和蜂鸣器来报警。（5）驱动电机稳速运行要求。（6）控制系统工作可靠、耐用，抗干扰能力强。2.2.3 控制对象与环境探测该系统的控制对象是车体中部的2个主驱动直流电机，要求驱动电机稳速运行，采用闭环控制，速度反馈可以采用数字式或模拟式，待实验后决定。电机驱动方式应能高效率地使用电源，而且能实现正反转。该系统要求对车体四周环境进行探测，显然，单一传感器是不能满足要求的。考虑到传感器价位和技术水平的实际情况，用多个超声波传感器组成传感器网络对周围环境进行探测是较好的选择。利用超声波探测距离远的优点可以及早发现远处存在的障碍物，依据一定的算法，对传感器给出的不确定信息融合，可以得出较为真实的环境状况，从而有利于小车作出正确的判断。2.2.4 微机的作用在该系统中，微机要完成的任务有：实时采集传感器网络的输出信息；依据采集到信息，按照一定的算法对环境进行估计，指导避障行为；实时控制驱动电机，使其稳速运转；微机还要完成一些交互功能，如报警显示、功能调用等。基于上述任务，可以看出微机必须具备的功能有二：一是数据处理、计算功能，且速度要快；二是中断功能。2.3 系统总体方案论证2.3.1 参数输入方案增加输入和显示模块的目的是能在脱离上位机的情况下，仍能进行较复杂的小车控制系统的控制策略、控制参数的改变。把输入的内容存到ram单元中，根据相应ram单元的不同内容可以调用不同的子函数；调用同一子函数时根据ram内不同的内容采用不同的入口参数。这样便于小车的调试和性能的提高。方案一：键盘输入(44或 33)。4x4按键扫描检测原理，即判断键盘中有无键按下，将全部行线置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与四根行线相交叉的4个按键之中。若所有的列线均为高电平，则键盘中无键按下。判断闭合键所在的位置在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：一次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其他线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的案件就是闭合的按键。方案二：拨码开关。特性：接点容量 ，切换25ma，24vdc ，接通时100ma，50vdc ；接触电阻，初始值50m 24vdc/100ma ，绝缘电阻100m，500vdc 。 通过综合分析以上各个方案的优缺点及考虑性价比等客观因素，本文选择了方案二，即使用了拨码开关。2.3.2 直流电机方案方案一：步进电机。 步进电动机的一个显著的特点就是具有快速启动和停止能力，并且易于测量电机转动的角度或圈数。如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。其转换灵敏度比较高。正转、反转控制灵活，运用于智能小车上，能很方便的测量出小车进行的距离。其转速最高能超过1000r/min。价格较为昂贵。方案二：直流减速电机。 直流减速电机，即齿轮减速电机,是在普通直流电机的基础上,加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是，提供较低的转速,较大的力矩。齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。选用减速电机可省去设计复杂减速机构的麻烦，且输出力矩大，速度反馈相对易于设计。其转速一般在15100r/min 。方案三：普通直流电机，一般转速较高,力矩较小，具有优良的调速特性，调速平滑、方便。调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转。能满足各种特殊运行要求。在上述电机当中，该类电机具有最高的转速上限。方案四：伺服电动机，又称执行电动机。其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。通过综合分析以上各个方案的优缺点及考虑性价比等客观因素，本文选择方案三，即普通直流电机。2.3.3 电机驱动与调速方案方案一：采用电阻网络或数控电位器调整电动机的分压，从而达到调整速度目的。但是电阻网络只能是有极调速，而数控电阻的元器件价格比较昂贵，且可能存在干扰。此外，一般电动机的电阻比较小但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现起来比较困难。方案二：基于pwm脉宽调速的思想，采用pwm整流的方法改变直流电机的端电压。采用功率器件或集成芯片构成pwm变换器，具有开关频率高，脉动电流小，开关状态功耗小的优点。(可采用l293d、l298、lmd18200等pwm调速集成芯片)方案三：继电器输出。基于pwm脉宽调速的思想，通过单片机控制继电器（含固态继电器）的开合来实现脉宽调速，通过控制继电器开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，寿命较短；电机端电压不易准确控制。（主触点24v固态继电器 ）17通过综合分析以上各个方案的优缺点及考虑性价比等客观因素，本文选择方案二，即pwm调速。2.3.4 障碍检测方案方案一：脉冲调制的反射式红外线发射接受器。若接收到反射回来的红外线，则通知单片机前方有障碍物。由于采用该有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外红外线接受官的最大工作电流取决于平均电流。如果采用占空比小的调制信号，再品均电流不变的情况下，顺势电流很大（50100ma），则大大提高了信噪比。并且其反应灵敏，外围电路也很简单。它的优点是消除了外界光线的干扰提高了灵敏度，但是难以凭低成本完成小车到障碍物的距离的测量。方案二：采用超声波传感器。如果传感器接收到反射的超声波，则通知单片机前方有障碍物，根据单片机发出超声波和接收到返回的超声波的时间差，可以计算出小车距离障碍物的距离；这是超声波传感相比红外传感的优势。但是，超声波受环境影响较大，电路复杂，而且地面对超声波的反射，会影响系统对障碍物的判断。方案三：ccd。ccd图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：1、体积小重量轻；2、功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3、灵敏度高，噪声低，动态范围大；4、响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5、应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把ccd器件作为光电接收器16。通过综合分析以上各个方案的优缺点及考虑性价比等客观因素，本文选择方案二，即采用超声波传感器。2.3.5 供电方案驱动部分与控制部分的供电：方案一：采用两个电源供电，将电动机驱动电源与电片机以及其周边电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。这样可以使电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性。但是，多一组电池，增加了小车的重量，即小车的惯性变大，降低了灵敏度。而且，设计显得累赘、不够简洁。方案二：采用单一电源供电。电源直接给电动机供电，因电动机起动瞬间电流较大，会造成电源电压波动，因而控制与检测部分电路通过集成稳压块供电，将电压稳定在一定数值范围内，以免有波动电压造成电路的损毁。通过综合分析以上各个方案的优缺点及考虑性价比等客观因素，即采用单一电源结合稳压芯片和滤波电路。2.3.6 核心mcu方案方案一：stc89s58。ram容量只有256b，且运算速度较慢，难以实现复杂功能。方案二：凌阳16位单片机（spce061a精简板）。针对大学生实践学习的一款带语音功能的单片机。有丰富的参考资料；利用凌阳自带的软件模拟即可实现在线调试，无需额外成本。然而这款单片机用于控制方面有致命的弱点：不能进行中断嵌套；没有位寻址功能；没有外扩的三总线结构。方案三：risc的8位avr单片机。选用avr单片机在性价比上有明显优势。依靠其快速的运算能力丰富的片内资源，能胜任小车的控制任务。然而，选用该单片机在开发软件方面可能会受到限制，并且难以实现低成本的在线调试；此外，其参考资料不如其他方案丰富。方案四：飞思卡尔16位单片机。丰富的参考资料，优秀的性能与丰富的片内资源。但是学习起来较为复杂，而且价格也相对昂贵。方案五：双stc89s52+双口ram。采用两片51系列单片机配合工作；双口ram用于扩展单片机的ram容量，并且可供两单片机通讯。15,18-19通过综合分析以上各个方案的优缺点及考虑性价比等客观因素，本文选择方案三，即采用risc的8位avr单片机。2.3.7 车模及转向方案根据小车转向方式的不同，有以下两种方案。方案一：舵机转向车模。该方案具有转向精准的优点，但是缺乏灵活性，不便于大角度的转向。方案二：双轮差速转向车模。通过分别对左右两侧的电机进行电压控制，使左右两侧车轮产生不同的转速，从而实现转向。该方案转向具有高度的灵活性，能实现大角度转向，甚至能使车模原地打转。通过综合分析以上各个方案的优缺点及考虑性价比等客观因素，本文选择方案二，即双轮差速转向车模。综上分析可得，本设计应用8位的avr单片机作为主控制器，采用单一电源结合稳压芯片和滤波电路进行供电，采用超声波传感器进行障碍检测，采用带有普通直流电动机的双轮差速转向车模，采用l298n进行电机驱动和pwm调速以及拨码开关进行参数输入为主体的方案进行设计。3 避障小车硬件系统设计3.1 引言本章将对系统硬件情况进行详细介绍，着重介绍传感器的布局、传感器应用电路、电源供电电路设计、微处理器基本电路设计、通信电路设计、电机闭环控制电路。 硬件系统主要由主单片机atmega32、副单片机stc12le5410、超声波收发电路、电机驱动模块及供电模块组成。为了更清晰的表示硬件总体设计，做了硬件总体框图如图3.1所示。主控单片机atmega32副控单片机stc12le5410超声波发送、接收电路电机驱动模块（h桥电路，功率放大）左轮电机右轮电机spi传输pwm波40khz方波供电模块图3.1 硬件总体框图3.2 供电模块设计3.2.1 供电模块设计总体思路本设计总体供电由6节1.5v碱性电池共9v整体供电，本设计四个模块所需电压不同，运动模块需要5v以上电压进行驱动，检测模块需要5v进行供电，控制模块则需要3.3v进行供电，由于检测模块所应用的传感器整体会产生3.3v电压，故控制部分电压可由检测部分供给，则只需要将9v电压降至5v即可，由于电机驱动和检测模块都需5v供电，故产生两路5v低压电源。电路原理图如图3.2所示22。3.2.2 电源设计本设计主要将9v电压通过lm7805将其降到5v，其中加入了in4148的保护还有一些电容来进行整流和滤波。图3.2 供电模块总体电路图3.2.3 保护部分电路二极管的工作原理一般二极管按材料分有硅二极管与锗二极管两种，它具有单向导电性。二极管由p型半导体与n型半导体构成，在p型、n型半导体之间接触面形成一个pn结，通过pn结对不同方向电压的不同导电性来达到导通与截止的作用。当通以正向电压时，电流流过：通以反向电压时，二极管截止，电流不能通过。3.2.4 滤波部分电路通过整流后，电源的脉动成分较大。滤波电路的作用就是在降低整流后输出电压中的脉动成分的同时，尽量保持其中的直流成分。一般典型而有效的滤波电路就是使用电容滤波、电感滤波，利用电抗元件在电路中有储能的作用，滤去电源中的脉动成分，从而得到比较平滑的电源波形。若将电容与电感合理的安排在电路中，则可以有效的降低交流成分，保持直流成分。电容的参数及特性如下标称容量与允许偏差：一般电容的允许偏差有5%、10%、20%。额定电压：额定电压是指在规定温度范围内，可以连续加在电容器上的最大直流电压或交流电压的有效值电容温度系数：有正温度系数的电容，亦有负温度系数的电容。在使用中，希望温度系数越小越好。漏电流：是指在正常工作时，电容两端的泄漏电流。使用中，希望漏电流越小越好。频率特性：大容量的电解电容的高频特性不好。大电解电容的等效电路为一电容与电感串联。在频率较高时，它的感抗较大，这样大的电解电容的阻抗在高频时，是随着频率的增大而增大的。电解电容的选取：在所使用的小功率线性低压稳压电源电路中，大部分使用的为电容滤波，通过其放电特性来实现。放电的时间常数为=rc，越大，放电过程越慢，则输出电压越稳定，滤波效果越好，所以一般而言，采用电解电容或瓷片电容。电容的容值依照所带的负载电流的大小而定：经验公式一般要求：（35）t/2 把=rc，r= ur /ir，t=1/f ，代入公式5，并取f=50hz，得出 c（0.030.05）ir / ur 3.3 控制器模块设计3.3.1 控制器模块整体电路图本设计控制器主要采用了atmega32-16为主控制芯片，围绕此芯片设计了时钟电路、复位电路和供电电路，控制器模块整体电路图如图3.3所示。3.3.2 atmega32-16主要性能131 条指令 大多数指令执行时间为单个时钟周期；32 个 8 位通用工作寄存器；全静态工作；工作于 16 mhz 时性能高达 16 mips；只需两个时钟周期的硬件乘法器；16k 字节的系统内可编程 flash 擦写寿命：10,000 次；具有独立锁定位的可选 boot 代码区 通过片上 boot 程序实现系统内编程正的同时读写操作； 图3.3 控制模块整体电路图512 字节的 eeprom 擦写寿命：100000 次；1k 字节的片内 sram；可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 jtag 接口 ( 与 ieee 1149.1 标准兼容 )；符合 jtag 标准的边界扫描功能；支持扩展的片内调试功能； 通过 jtag 接口实现对 flash、 eeprom、熔丝位和锁定位的编程atmega16/ atmega16l 外设特点；两个具有独立预分频器和比较器功能的 8 位定时器 / 计数器；一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16 位定时器 / 计数器；具有独立振荡器的实时计数器 rtc； 四通道 pwm； 8 路 10 位 adc； 8 个单端通道；tqfp 封装的 7 个差分通道；2 个具有可编程增益 （1x, 10 x, 或 200 x）的差分通道；面向字节的两线接口；两个可编程的串行 usart； 可工作于主机 / 从机模式的 spi 串行接口； 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器； 片内模拟比较器atmega16/ atmega16l 特殊的处理器特点； 上电复位以及可编程的掉电检测； 片内经过标定的 rc 振荡器； 片内 / 片外中断源。 6 种睡眠模式：空闲模式、adc 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、standby 模式以及 扩展的 standby 模式atmega16/ atmega16l i/o 和封装32 个可编程的 i/o 口40 引脚 pdip 封装，44 引脚 tqfp 封装，与 44 引脚 mlf 封装。 工作电压：atmega16l：2.7 - 5.5v atmega16：4.5 - 5.5v atmega16/ atmega16l 速度等级 0 - 8 mhz atmega16l 0 - 16 mhz atmega16 atmega16/ atmega16l 在 1 mhz， 3v，25c 时的功耗 正常模式：1.1 ma 空闲模式：0.35 ma 掉电模式： 通信需求标志 0 = 通信使能标志 工作状态分支（swich）yncase停止停止超声波发射case自动测量1 =超声波发射标志待发射脉冲个数=0？10 = 待脉冲发射个数 结束nnnyyy图4.3 2当“工作状态”处于“设置与传输”时流程图4.3.2 超声波接收当“工作状态”处于“超声波接收”时，需完成的任务有：tl852的增益控制，超声波余波信号的抑制，反射干扰信号的抑制，回波时间的计算。流程图如图4.3所示。p10= 1使能tl852 输出tl852增益档位 = 增益档位 +1“工作状态” 超声波接收完成标志结束yny开始计算回波时间 p35 = 0p35 = 1导通三极管p1，使变压器输入端短路yntl852增益控制标志 = 0nyn回波时间余波屏蔽时间？超声波信号返回标志判断tl852增益控制标志=1？tl852增益档位=0？y图4.3 当“工作状态”处于“超声波接收”时4.3.3 距离计算与数据存储当“工作状态”处于“距离计算与数据存储”时，需完成的任务有：计算出障碍物相对于单侧接收探头的距离，然后把多次测量的此类距离进行打包，装入循环队列当中。流程图如图4.4所示：tl852增益档位 = 0开始数组meadataji= 障碍物距离局部变量 i = 0ccon =0,停止pca计数计算回波时间计算障碍物距离i 2 ？“工作状态”=“设置与传输”存取指针j 通信使能标志左右通道切换i = i+1n图4.4 当“工作状态”处于“距离计算与数据存储”时流程图4.3.4 副单片机的spi通信中断服务：副单片机的spi通信中断服务程序如下图示意。程序中，主要任务是根据主单片机的命令字，改变自身的“工作模式”，以适应主单片机需求。“工作模式”包括以下五种：连续测量被动返回数据、单次测量主动返回数据；连续测量被动返回数据、单次测量主动返回数据；停止测量被动返回数据。流程图如图4.5所示。spi中断清零开始读取mstr位的值局部变量spi_temp 通信需求标志1 = 发送完成标志1 = 选通引脚sslast_temp = spi_tempnnnyyyymstr=1？（swich）last_temp = 0 x55?last_temp = 0 x56?last_temp = 0 x57?case 0 x55case 0 x56case 0 x57nnnyyy图4.5 副单片机的spi通信中断服务流程图在定时器0的中断服务程序中，实现的功能有：超声波接收时的时间计数，超声波接收时的tl852增益控制，以及超声波发射时的40khz方波的产生。这三个功能共享定时器0。在定时器0的中断服务子程序中，通过对不同标志位的判断，选择执行不同的代码段。流程图如图4.6所示： 计数器溢出标志位cf =1溢出标志cf = 0 溢出次数cnt=溢出次数cnt + 1tl852增益使能=1比较匹配标志ccf1 = 1？输出方波电平取反结束yny开始比较匹配标志ccf1 = 0 加载下一次匹配比较值带发射脉冲个数 = 0？超声波接收状态tl852增益档位 = 0tl852输出使能 = 1yynnn超声波发送状态？图4.6 定时器设计流程图4.4 主单片机atmega32l避障设计单片机atmega32l为系统的主单片机，对副单片机stc12le5410发出控制命令，负责l298n芯片的控制、障碍物定位的运算