基于单片机控制的智能小车.doc

学 年 论 文 设 计题目 基于单片机控制的智能小车 Based on single-chip microcomputercontrol of the car姓 名 学 号 所 在 系 专业班级 指导教师 日 期 学年论文（论文）学生开题报告课题名称基于单片机控制的智能小车课题来源课题类型指导教师学生姓名学 号专业班级本课题的研究背景、现状和研究目的及意义1.1 课题背景智能小车是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的一种智能移动机器人。移动机器人作为现代高科技的集成体，是21世纪的科技制高点之一。移动机器人技术的发展，应该说它是科学技术发展的一个综合性的结果。同时，它为社会经济发展产生了一门有着重大影响的科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战后各国加强了经济的投入，而移动对机器人的研究成果又提高了本国的经济的发展水平。比如说日本，战后以后开始进行汽车工业，这时候由于它人力的缺乏，它迫切需要一种机器人来进行大批量的制造，提高生产效率降低人的劳动强度，这是社会发展需求本身的一个需求。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，人们在不断探讨自然、认识自然、改造自然过程中，需求一种能够解放人的自动化装置。那么这种自动化装置就是代替人们能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达到的世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。但另一方面，尽管人们有各种各样的好的想法，但是它也归功于电子技术，计算机技术及制造技术等相关技术的发展而产生提供了强大的技术保证。1.2 智能小车机器人技术在国内外的研究现状机器人技术是一个国家高技术实力的一个重要标准，它涉及到多个学科，机械、电工、自动控制、计算机测量、人工智能、传感技术等等，是众多领域的高科技。而移动机器人比赛就是机器人技术的一个重要研究方向，目前许多国家己经把移动机器人比赛作为创新教育的战略性手段。移动机器人比赛是一种高科技对抗活动，各国专家学者通过移动机器人竞赛，不断推进了在竞赛型移动机器人方面的研究，不断改进机器人寻址速度和算法研究，试图让机器人更接近智能化，它集高科技、娱乐和比赛于一体，引起了各国的广泛关注和极大兴趣，从而推动了移动机器人研究的热潮.1.3 智能小车研究目的和意义通过独立设计并制作一辆具有简单智能化的简易小车，获得项目整体设计的能力，并掌握多通道多样化传感器综合控制的方法。所以立“基于单片机控制的智能小车”一题作为尝试。课题类型：（1）A工程实践型；B理论研究型；C科研装置研制型；D计算机软件型；E综合应用型（2）X真实课题；Y模拟课题； （1）、（2）均要填，如AY、BX等。本课题的研究内容（1）分析目前单片机控制的小车技术以及各种方案，并以此为基础提出自己的小车制作初步方案。（2）确定智能小车的总体设计，包括 控制核心的选择，小车驱动方式的选择，语音播放和语音识别模块，障碍检测模块 （3）进行智能小车电机驱动电路、语音控制电路等的设计和对各器件的选择及连接，大体分配各个器件及模块的基本功能要求。（4）进行软件系统的设计，对于本系统，本人采用单片机C语言和汇编语言编写，对单片机内部结构和工作情况做了充足的研究，了解电机驱动的芯片原理，总体上完成了软件的编写。本课题研究的实施方案、进度安排实施方案: 智能小车为四轮结构，其中前面两个车轮由前轮电机控制，在连杆和支点作用下控制前轮左右摆动，来调节小车的前进方向。在自然状态下，前轮弹簧作用下保持中间位置。后面两个车轮由后轮电机驱动，为整个小车提供动力。所以又称前面的轮子为方向轮，后面的两个轮子为驱动轮。在软件方面运用C语言编写程序来控制单片机以达到控制小车的前后左右的基本变化，同时实时处理外界声音输入数据。进度安排：第一阶段：撰写开题报告。第二阶段：着手进行方案的实施，并开始撰写论文初稿。第三阶段：在朱老师的指导下进行论文初稿的修改。第四阶段：将修改后的论文交给朱老师进行审阅。第五阶段：准备论文答辩工作。已查阅的主要参考文献【1】王晓明. 电动机的单片机控制 北京航空航天大学出版社2007年8月第2版【2】吴红星. 电机驱动与控制专用集成电路及应用 中国电力出版社2006年6月第1版【3】李仁定. 电机的微机控制 机械工业出版社2004年1月第1版【4】赵亮，侯国锐. 单片机c 语言编程与实例 人民邮电出版社2003年9月第1版【5】陈永甫. 红外探测与控制电路 人民邮电出版社2004年6月第1版【6】欧阳杰. 红外电子学 北京理工大学出版社1997年1月第1版【7】韩纪庆, 张磊, 郑铁然.语音信号处理 清华大学出版社2004年9月第1版【8】黄智伟. 全国大学生电子设计大赛 北京航空航天大学出版社2007年2月第1版【9】吴文虎. 程序设计基础 清华大学出版社2003年9月第1版【10】谭浩强. C语言程序设计 清华大学出版社2008年11月第2版【11】Lawrence Rabiner，Biing-Hwang Juang. fundamentals of speech recognition 清华大学出版社，1999年9月第1版 纯英文版指导教师意见指导教师签名： 年 月 日摘 要课题的主要任务是设计并制作一辆基于单片机控制的智能小车，要求实现小车的声控和避障两大功能。设计以凌阳16位单片机为控制核心，应用超声波传感器。语音处理技术是一门新兴的技术，它不仅包括语音的录制和播放，还涉及语音的压缩编码和解码，语音的识别等各种处理技术。以往做这方面的设计，一般有两个途径：一种方案是单片机扩展设计，另一种就是借助于专门的语音处理芯片。普通的单片机往往不能实现这么复杂的过程和算法，即使勉强实现也要加很多的外围器件。专门的语音处理芯片也比较多，如ISD 系列、PM50 系列等，但是专门的语音处理芯片功能比较单一，想在语音之外的其他方面应用基本是不可能的。SPCE061A 是一款16位nSP结构的微控制器。该芯片带有硬件乘法器，能够实现乘法运算、内积运算等复杂的运算。它不仅运算能力强，而且处理速度快，单周期最高可以达到 49MHz。 SPCE061A 内嵌32K 字节的FLASH 程序存储器以及2K 的SRAM。同时该SOC 芯片具有ADC 和DAC 功能，其MIC_ADC 通道带有AGC自动增益环节，能够很轻松的将语音信号采集到芯片内部，两路10位的电流输出型DAC，只要外接一个功放就可以完成声音的播放。以上介绍的这些硬件资源使得该SPCE061A 能够单芯片实现语音处理功能。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波。超声传感器的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。超声波传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅(PZT)等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器,它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波,同时它接收到超声波时,也能转变成电能,所以它可以分成发送器或接收器。课题完成了超声波传感器的选择、采购、各传感器的接口电路设计和制作，以及各传感器和电路的安装位置和方式的安排，并完成了整个硬件的制作工作。此外，对整个控制软件进行设计和程序的编制以及程序的调试，并最终完成软件和硬件的融合，实现小车的预期功能。关键词：智能小车，单片机，语音识别和播放，超声波传感器AbstractSubject of major task is to design and produce a revivification control of the car for the implementation of the car from the great barrier voice control and functions. Designed to lingyang 16 monolithic integrated circuits to control the use of ultrasonic sensors.For dealing with technology is a new technology, it includes not only the sound recording and play, but also involves voice compression encoding and decoding, the voice of the past such as processing. do the design, there are two channels ： a monolithic integrated circuits design scheme is expanded, the other is specialized for the processing.16 monolithic integrated circuits are not able to achieve such a complicated process and algorithms, even just to many of the peripheral device to add special handling. the voice of the chips are also many isd, special pm50 series, but the voice capabilities to chip in a single voice in addition to the other aspects of the application is basically impossible.Spce061a is a 16-bit nsp structure of the controller. The chip with a hardware multiplication, can achieve in a multiplication operation, such as complex operations. it is not only of operation, and processing speed and a cycle. The highest attainable 49 MHz.Spce061a built-in flash memory 32k of procedure and 2k sram the soc. The chip is the DAC ADC and function, mic with enormous ADC channel agc automatically gain, can easily be a signal to chip in, two ten of the current type of output, as long as the dac a power amplifier can finish the sound. The above information wills of the hardware resources that spce061a to chip with the voice capabilities.Ultrasound is a use of ultrasonic the characteristics of the development of sensors. ultrasound tests, as a means to generate supersonic wave and receive an ultrasound. ultrasound at the core is the plastic jacket or coat of metal a piezoelectric crystal.Ultrasonic sensors of the major materials have a piezoelectric crystal (electricity to nickel and iron expansion) aluminium (magnetic) two types of expansion. The result of the materials have the titanium sour zirconium (pzt), etc. a piezoelectric crystal of ultrasonic sensor is a reversible sensors, and it can be transformed into electricity mechanical vibration and generate supersonic wave. It receives of ultrasonic, can also be transformed into electricity, so it can be divided into transmitters and receivers.Key words ： intelligent car single-chip microcomputer voice recognition and play an ultrasound sensors 目录摘 要5Abstract6目录81 绪 论91.1选题背景及意义91.2国内外研究现状及其发展91.3拓展部分101.4单片机控制系统主要研究的内容102 系统硬件电路的设计102.1单片机102.2语音声控142.3电机选择和电机芯片152.3.1电机模块152.3.2电机芯片模块152.3.3直流调速系统172.3.4H桥驱动电路202.4红外避障222.4.1障碍检测模块222.4.2障碍检测模块程序设计232.5电源模块253 系统程序设计253.1看门狗263.2 小车行驶过程结构总324 智能车的调试335 外文文献34结论40参考文献41致谢42附录421 主程序设计422 避障子程序设计511 绪 论1.1选题背景及意义通过独立设计并制作一辆具有简单智能化的简易小车，获得项目整体设计的能力，并掌握多通道多样化传感器综合控制的方法。所以立“基于单片机控制的智能小车”一题作为尝试。无容置疑，机电一体化人才的培养不论是在国外还是国内，都开始重视起来，主要表现在大学生的各种大型的创新比赛，比如：亚洲广播电视联盟亚太地区机器人大赛（ABU ROBCON）、全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛等众多重要竞赛都能很好的培养大学生对于机电一体化的兴趣与强化机电一体化的相关知识。但很现实的状况是，国内不论是在机械还是电气领域，与国外的差距还是很明显的，所以作为机电一体化学生，必须加倍努力，为逐步赶上国外先进水平并超过之而努力。1.2国内外研究现状及其发展当今世界，传感器技术和自动控制技术正在飞速发展，机械、电气和电子信息已经不再明显分家，自动控制在工业领域中的地位已经越来越重要，“智能”这个词也已经成为了热门词汇。机器人技术是一个国家高技术实力的一个重要标准，它涉及到多个学科，机械、电工、自动控制、计算机测量、人工智能、传感技术等等，是众多领域的高科技。而移动机器人比赛就是机器人技术的一个重要研究方向，目前许多国家己经把移动机器人比赛作为创新教育的战略性手段。移动机器人比赛是一种高科技对抗活动，各国专家学者通过移动机器人竞赛，不断推进了在竞赛型移动机器人方面的研究，不断改进机器人寻址速度和算法研究，试图让机器人更接近智能化，它集高科技、娱乐和比赛于一体，引起了各国的广泛关注和极大兴趣，从而推动了移动机器人研究的热潮.1.3拓展部分智能语音识别：能判断是否主人的声音 能达到远程声控1.4单片机控制系统主要研究的内容一是确定智能小车的总体设计小车的运动控制采用语音控制和中断定时控制相结合，通过语音触发小车动作，小车动作之后，随时可以通过语音指令改变小车的运动状态。在每一次动作触发的同时启动定时器，如果小车由于某些原因不能正常的接收语音指令，则只要定时时间一到，中断服务程序就会发出指令让小车停下来。二是进行单片机及电机的硬件电路的设计单片机是小车的核心，单片机的选择和运用直接影响小车的反应速度，电机控制系统和语音系统都是在单片机的控制下运行的要使它们之间配合运作则要求单片机的运算速度足够快和RAM够大，达到运作协调效果。三是进行软件系统的设计（1） 时序管理：采用时间控制的方法，在程序中设定各种时间参数值（这些参数值由反复实际测量得到），通过比较是否已达到或超过预定时间，来控制各段运行。（2） 中断管理：采用多中断方式，因为优先级的设置，避免了多级中断的相互干扰。其中，T0中断的优先级最高。（3） 多种控制方式复合：用时间信号与各种检测信号共同控制车的运行。2 系统硬件电路的设计2.1单片机当今世界上单片机的种类繁多：8051 单片机，凌阳单片机，STC 单片，Atmel 单片，Motorola 单片机（现在为飞思卡尔）等等。凌阳单片机：SPCE061A 是一款 16 位nSP结构的微控制器。该芯片带有硬件乘法器，能够实现乘法运算、内积运算等复杂的运算。它不仅运算能力强，而且处理速度快，单周期最高可以达到 49MHz。 SPCE061A 内嵌 32K 字的 FLASH 程序存储器以及 2K 的SRAM。同时该 SOC 芯片具有 ADC 和 DAC 功能，其 MIC_ADC 通道带有AGC自动增益环节，能够很轻松的将语音信号采集到芯片内部，两路 10 位的电流输出型DAC，只要外接一个功放就可以完成声音的播放。以上介绍的这些硬件资源使得该SPCE061A 能够单芯片实现语音处理功能。 借助于 SPCE061A 的语音特色，“基于单片机的智能小车”实现了对小车前进、后退、左转、右转、停车等语音控制功能. SPCE061A特性： 16位nSP微处理器工作电压：VDD为2.6V3.6V（CPU）VDDH为VDD5.5V（I/O）CPU时钟：0.32MHZ49.152MHZ内置SRAM：2K字 内置FLASH:32K字可编程音频处理晶体振荡器2个16位可编程定时器/计时器2个10位DAC32位通用可编程输入输出端口14个中断源具有触键唤醒功能使用凌阳语音编码时钟信号32768HZ实时时钟7通道10位ADC内置麦克风放大器和自动增益控制功能串口具有低电压复位和低电压监测功能内置在线仿真电路ICE接口具有保密能力具有看门狗功能耗电量低Motorola 单片机（现在为飞思卡尔）:Motorola 是世界上最大的单片机厂商,品种全,选择余地大,新产品多,在8 位机方面有68HC05 和升级产品68HC08,68HC05 有30 多个系列200 多个品种,产量超过20 亿片。8 位增强型单片机68HC11 也有30 多个品种,年产量1 亿片以上,升级产品有68HC12.16 位单片机68HC16 也有十多个品种。32 位单片机683XX 系列也有几十个品种。近年来以PowerPC,Codfire,M.CORE 等作为 CPU,用 DSP 作为辅助模块集成的单片机也纷纷推出。目前仍是单片机的首选品牌。Motorola 单片机特点之一是在同样的速度下所用的时钟较Intel 类单片机低的多因而使得高频噪声低,抗干扰能力强,更适合用于工控领域以及恶劣环境。Motorola 8 位单片机过去策略是掩膜为主,最近推出OTP 计划以适应单片机的发展,在32 位机上,M.CORE 在性能和功耗上都胜过 ARM7。Atmel 单片机:ATMEL 公司是世界上著名的高性能低功耗非易失性存储器和数字集成电路的一流半导体制造公司。ATMEL 公司最令人注目的是它的EEPROM 电可擦除技术闪速存储器技术和质量高可靠性的生产技术。在CMOS 器件生产领域中，ATMEL 的先进设计水平优秀的生产工艺及封装技术一直处于世界的领先地位，这些技术用于单片机生产使单片机也具有优秀的品质在结构性能和功能等方面都有明显的优势。ATMEL 公司的单片机是目前世界上一种独具特色，而性能卓越的单片机它在计算机外部设备通讯设备自动化工业控制宇航设备仪器仪表和各种消费类产品中都有着广泛的应用前景。其生产的AT90 系列是增强型RISC 内载FLASH 单片机,通常称AVR 系列。AT91M 系列是基于ARM7TDMI 嵌入式处理器的ATMEL 16/32 微处理器系列中的一个新成员该处理器用高密度的16 位指令集实现了高效的32 位 RISC 结构且功耗很低。另外ATMAL的增强型51 系列单片机目前在市场上仍然十分流行,其中AT89S51 十分活跃。8051 单片机：最早有Intel 公司推出8051/31 类单片机,也是世界上使用量最大的几种单片机之一。由于Intel 公司将重点放在186,386,奔腾等与PC 类兼容的高档芯片开发上,8051 类单片机主要有Philips,三星,华帮等公司接手。这些公司在保持与8051 单片机兼容基础改善了8051 的许多特点。提高了速度,降低了时钟频率,放宽了电源电压的动态范围,降低了产品价格。STC 单片机:STC 单片机完全兼容51 单片机,并有其独到之处,其抗干扰性强,加密性强,超低功耗,可以远程升级,内部有 MAX810 专用复位电路,价格也较便宜,由于这些特点使得 STC 系列单片机的应用日趋广泛.经过以上单片机的比较最后决定采用凌阳单片机：（1）体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展（2）具有较强的中断处理能力 （3）高性能价格比 （4）功能强、效率高的指令系统 （5）低功耗、低电压 2.2语音声控语音处理技术是一门新兴的技术，它不仅包括语音的录制和播放，还涉及语音的压缩编码和解码，语音的识别等各种处理技术。以往做这方面的设计，一般有两个途径：一种方案是单片机扩展设计，另一种就是借助于专门的语音处理芯片。普通的单片机往往不能实现这么复杂的过程和算法，即使勉强实现也要加很多的外围器件。语音识别的原理简介：语音识别主要分为“训练”和“识别”两个阶段。在训练阶段，单片机对采集到的语音样本进行分析处理，从中提取出语音特征信息，建立一个特征模型；在识别阶段，单片机对采集到的语音样本也进行类似的分析处理，提取出语音的特征信息，然后将这个特征信息模型与已有的特征模型进行对比，如果二者达到了一定的匹配度，则输入的语音被识别。语音识别的具体流程如下图所示：SPCE061A具有内置自动增益控制功能的麦克风输入方式,双通道10位DAC方式的音频输出功能。专门的语音处理芯片也比较多，如ISD 系列、PM50 系列等，但是专门的语音处理芯片功能比较单一，想在语音之外的其他方面应用基本是不可能的。SPCE061A是数字声音和语音识别产品的一种非常经济的应用基于单片机和语音系统综合考虑所以选择：SPCE061A凌阳单片机2.3电机选择和电机芯片2.3.1电机模块本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本实验要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑了一下两种方案。方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。经综合比较考虑，我们放弃了此方案。方案2：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。我们所选用的直流电机减速比为1：74，减速后电机的转速为100r/min。我们的车轮直径为6cm，因此我们的小车的最大速度可以达到V=2rv=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案。2.3.2电机芯片模块方案1：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。方案2：对于直流电机用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。因此我们选用了方案1。下图3所示是L298N驱动模块的电路连接图。L298N作为电机驱动芯片，是一款高电压大电流全桥驱动芯片，它的频率高，可控制两个直流电机，而且具有控制使能端，工作电压可通过4、9引脚分别输入9V、5V电压。ENA、ENB引脚是两个使能端口，而INT、OUT则为电机驱动引脚，通过改变OUT端的逻辑电平可控制电机的正、反、停止状态，表1所列是直流电机控制逻辑。L298N的5、6、7、10、11、12六个引脚可直接与单片机的PD端口相连，而通过对单片机的编程则可以实现直流电机PWM调速。2.3.3直流调速系统根据题目的要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装光电检测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。方案一：串电阻调速系统。方案二：静止可控整流器。简称V-M系统。方案三：脉宽调速系统。简称PWM。旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。脉宽调制器本身是一个由运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器。运算放大器工作在开换状态，稍微有一点输入信号就可使其输出电压达到饱和值，当输入电压极性改变时，输出电压就在正、负饱和值之间变化，这样就完成了把连续电压变成脉冲电压的转换作用。加在运算放大器反相输入端上的有三个输入信号。一个输入信号是锯齿波调制信号，另一个是控制电压，其极性大小可随时改变，与锯齿波调制信号相减，从而在运算放大器的输出端得到周期不变、脉宽可变的调制输出电压。只要改变控制电压的极性,也就改变了PWM 变换器输出平均电压的极性,因而改变了电动机的转向。改变控制电压的大小,则调节了输出脉冲电压的宽度,从而调节电动机的转速。只要锯齿波的线性度足够好,输出脉冲的宽度是和控制电压的大小成正比的。在可逆PWM 变换器中,跨接在电源两端的上下两个晶体管经常交替工作。由于晶体管的关断过程中有一段存储时间和电流下降时间,总称关断时间,在这段时间内晶体管并未完全关断。如果在此期间另一个晶体管已经导通,则将造成上下两管之通,从而使电源正负极短路。为避免发生这种情况,设置了由RC 电路构成的延时环节。PWM是调节脉冲波占空比的一种方式。如图1所示，脉冲的占空比可以用脉冲周期、On-time、Off-time表示，如下公式：占空比On-time（脉冲的High时间）/ 脉冲的一个周期（On-time + Off-time）图1 Pulse Width Modulation (PWM) 与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：（1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。（4）对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的一大优点。根据以上综合比较，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用了H型单极型可逆PWM变换器进行调速。脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。为顺利实现电动小汽车的前行与倒车，本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。2.3.4H桥驱动电路 图4.12中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图4.12及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。图4.12 H桥驱动电路 要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图4.13所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。图4.13 H桥电路驱动电机顺时针转动图4.14所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。图4.14 H桥驱动电机逆时针转动双极式PWM 变换器的优点如下：（1）电流一定连续；（2）可使电动机在四象限中运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通；（5）低速平稳性好，调速范围可达20000 左右。2.4红外避障2.4.1障碍检测模块智能小车既然智能，至少要求其在行走的过程中不能碰到障碍物，所以其必须具有避障的功能。避障的基本原理为小车不断发射某种东西（比如光或波），并不断检测这种东西的反射情况来判断前面有无障碍。一般障碍检测传感器的选择有两种：A利用光电开关。这种方法简单实用，也很稳定，而且接口电路简单，甚至不用单独设计接口电路。但是其体积较大，而且检测距离不够远，对障碍的要求也比较高，比如遇到玻璃之类的透明物体就不能有效识别了。B利用超声波。这种方法较为复杂，特别是接口电路的设计，有一定的难度，但其具有体积小、灵敏度高、检测距离远、对障碍物要求不高等优点。光电开关避障比较简单，就是在一定距离内有反射就认为遇到障碍，可以适当调节接收灵敏度来小幅度调节避障距离，这种方式不需要单片机参与计算，所以可以为单片机节省资源；而超声波的避障原理则相对复杂一些：超声波发射器向某一方向发射波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到发射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播图2.4.1 TCT40-16T/R1速度为340m/s，根据计时器记录时间t，就可以计算出发射点距离障碍物的距离（s），即：s=340t/2。当计算的距离小于程序中设定的障碍安全距离时，则认为遇到障碍。所以这个距离可以方便的在程序中调节，但是这种避障方式需要单片机参与计算，占用了资源。综合对比两种方案的优略，最终采用超声波避障，从网络上查得一种比较合适的超声波传感器，型号为TCT40-16T/R1，其实物图如图2.4.1所示。 2.4.2障碍检测模块程序设计障碍检测模块的程序是在小车执行语音命令前进、左拐、右拐时在前进、左拐、右拐的子程序中调用的，障碍检测其实是个测距的过程，图2.4.2是避障程序的流程图。进入否退出是否返回没处理结果并置标志位关外部中断初始化发波开中断是否超时没进入退出记下时间值否是是延时主程序流程图 中断程序流程图图2.4.2 避障程序流程图流程描述：在调用避障程序的时候，首先进行初始化，然后发射几个40KHz的波，同时开始计时，延时一断时间再开中断，延时的作用是避开余波信号的干扰，在中断中记录相关数据，然后返回主程序对数据进行处理，再得出距离并与安全距离比较，如果小于安全距离，则认为遇到障碍，将障碍标志位置1，反之置0。避障程序其实是个测距的程序，在小车前进、左拐、右拐的过程中不断的调用，不断检测障碍标志位，当障碍标志位为1时就认为遇到障碍了，下面以前进程序的流程图（图2.4.3）为例进行说明，左拐、右拐的程序很相似。进入退出是否有障没前进关识别器并初始化开识别器并停车是否有障没是否超时急停否是是否是否图2.4.3 前进程序流程图流程描述：在接到前进命令时，调用小车的前进命令，首先关闭识别器，防止干扰，然后初始化相关端口，然后调用避障程序，看看是否小车前面本来就有障碍，如果有，则不前进并播放遇到障碍语音提示，没有的话就开始前进，前进的过程中不断的调用避障程序，并检测障碍标志，当障碍标志为1时立即停车，并播放遇到障碍的语音提示。如果小车一直没有遇到障碍，在前进一段设定的时间后会自然停止。问题讨论：由小车的避障程序和前进程序可以看出，避障程序在等待回波中断的时候浪费了不少时间，所以在循线中没法实现避障，在此，提出一个解决方案：把数据处理程序都放到中断程序里，这样就能节省大量的时间而使得避障功能能在循线时实现了。由于时间问题，没有对此方案进行验证。2.5电源模块由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。方案1： 采用10节1.5V干电池供电，电压达到15V，经7812稳压后给支流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。但干电池电量有限，使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便，因此，我们放弃了这种方案。方案2：采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6V给直流电机供电，经过7812的电压变换后给支流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。锂电池的电量比较足，并且可以充电，重复利用，因此，这种方案比较可行。但锂电池的价格过于昂贵，使用锂电池会大大超出我们的预算，因此，我们放弃了这种方案。方案3：采用12V蓄电池为直流电机供电，将12V电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。虽然蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便，但由于我们的车体设计时留出了足够的空间，并且蓄电池的价格比较低。因此我们选择了此方案。综上考虑，我们选择了方案3。3 系统程序设计系统软件设计说明：在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件更为重要。在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。所谓“模块”，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。3.1看门狗在工业现场运行的单片机应用系统，由于坏境恶劣，常有强磁场、电源尖峰、电火花等外界干扰，这些干扰可能造成仪表中单片机的程序运行出现“跑飞”现象，引起程序混乱，输出或显示不正确，甚至“死机”。系统无法继续正常的运行，处在一种瘫痪状态，它的硬件电路并没有损坏，只是内部程序运行出现了错误，这时，即使干扰消失，系统也不会恢复正常，这就需要采取一些措施来保障系统失控后能自动恢复正常，“程序运行几天来视系统”（Watchdog看门狗）就是常用的一种抗干扰措施，用以保证系统因干扰失控后能自动复位。为使程序脱离“死循环”，通常采用“看门狗技术”。看门狗电路它实质上是一个可由CPU复位的定时器，它的定时时间是固定不变的，一旦定时时间到，电路就产生复位信号或中断信号。当程序正常运行时，在小于定时时间隔内，单片机输出一信号刷新定时器，定时器处于不断的重新定时过程，因此看门狗电路就不会产生复位信号或中断信号，反之，当程序因出现干扰而“跑飞”时，单片机不能刷新定时器，产生复位信号或产生中断信号使单片机复位或中断，在中断程序中使其返回到起始程序，恢复正常。它的工作原理如同（图3-1）所示的两个计时周期不同的定时器T1和T2是两个时钟源相同的定时器，设T1=1.0s，T2=1.1s，而用T1定时器的溢出脉冲P1同时对T1和T2定时器清零，只要T1定时器工作正常，则定时器T2永远不可能计时溢出。当T1定时器不在计时，定时器T2则会计时溢出，并产生溢出脉冲P2。一旦产生溢出脉冲P2，则表明T1出了故障。这里的T2即是看门狗。利用溢出脉冲P2并进行巧妙的程序设计，可以检测系统的出错，而后使“飞掉”的程序重新恢复运行。图3-1 看门狗工作原理示意图看门狗电路的应用，使单片机可以在无人关态下实现连续工作。看门狗芯片和单片机的一个I/O引脚相连，该I/O引脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平（或低电平），这一程序语句是分散地放在单片机其它控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段不进入死循环状态时，写看门狗引脚的程序便不能被执行，这个时候，看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号，便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号，使单片机发生复位，即程序存储器的起始位置开始执行，这样便实现了单片机的自动复位。“看门狗”技术可由硬件实现，可由软件实现，也可由两者结合实现。本系统采用硬件“看门狗”电路。实现硬件“看门狗”电路方案较多，目前采用较多的方案有以下几种：1、采用微处理器监控器；2、采用单稳态电路来实现“看门狗”，单稳定电路可采用74LS123;3、采用内带震荡器的记数芯片。本设计采用第三种方案实现“看门狗”电路，下面就对该方案作以介绍。本系统采用MAX813L看门狗电路监控单片机的工作，如果单片机工作不正常，看门狗电路在规定时是内得不到刷新复位，就输出信号强制单片机复位重新启动工作，保证仪器正常工作。MAX813L主要有以下几个功能：（1）上电、掉电以及降压情况下具有RESET输出。（2）独立的“看门狗”电路。“看门狗”定时时间为1.6s。（3）1.25V门限检测器，用于低压报警，适时监视+5V以外的电源电压。（4） 具有手工复位输入端。MAX813L是