遥控小车运动系统设计(硬件部分).doc

本 科 生 毕 业 设 计（论 文）论文题目：遥控小车运动系统设计（硬件部分）姓名：XXXXX学号：09043108班级：090431班年级：2009级专业：自动化学院：机械与电子工程学院指导教师：XXXXX完成时间：2013年 5 月30日作 者 声 明本人以信誉郑重声明：所呈交的学位毕业设计（论文），是本人在指导教师指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，不包含他人成果及为获得东华理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。本毕业设计（论文）成果归东华理工大学所有。特此声明。毕业设计（论文）作者（签字）： 签字日期： 年 月 日 本人声明：该学位论文是本人指导学生完成的研究成果，已经审阅过论文的全部内容，并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性。 学位论文指导教师签名： 年 月 日遥控小车运动系统设计（硬件部分）Design of remote control vehicle movement system (hardware)2013年 5 月30日东华理工大学（论文） 摘要摘 要根据要求，采用STC89C52单片机作为本设计主控芯片。按动操作器上的不同按键可以控制小车的左转、右转、前进、后退、寻光和避障等动作。遥控部分采用315M无线发射接收模块，通过PT2262/PT2272编码解码，提高控制的可靠性。采用一休化对射红外发射接收管WYC H206并结合测速编码盘测量行程；超声波US-020模块进行障碍识别；通过光敏二极管辅以直流减速电机控制的转动机构进行光源方向的检测，通过软件控制小车行驶到光源附近。采用直流减速电机对小车的转向进行精确的控制。此外，采用四位LED数码管和若干LED发光二极管显示小车的里程以及电机的正反转状态。关键词：智能小车； 无线遥控； 自动寻光； 超声波避障； 测行程东华理工大学（论文） ABSTRACTABSTRACTAccording to the topic, this design uses the STC89C52 as main control chip.Different key pressing operation on the device can control the car turn left, turn right, forward and backward, search light and obstacle avoidance action.Remote control part adopts 315M wireless transmitting and receiving module,Through the PT2262/PT2272 coding and decoding,To improve the reliability of control.The integration of shoot infrared transmitting and receiving tubes WYC H206 combined with the coding disc measurement travel speed;Ultrasonic US-020 module for obstacle recognition;Detection by photodiode with DC motor control of the rotating mechanism is the direction of the light source,Through software control the car near the light source.Dc gear motor for precise control of the car steering.In addition, the light emitting diode four-LED digital tube and a plurality of LED mileage and vehicle motor reversible state.Key words:Intelligent car; Wireless remote control; Automatic search light; Ultrasonic obstacle avoidance; Measuring range目 录绪论1第1章 方案设计与论证21.1 总体设计思路21.2 设计方案论证与比较21.2.1 车体设计31.2.2 遥控方案41.2.3 电机的论证与分析41.2.4 驱动芯片的选择51.2.5 感光传感器的选择51.2.6 测行程模块的选择51.2.7 显示方案51.2.8 避障模块6第2章 硬件设计72.1 单片机模块72.2 电源模块72.2.1 无线发射端72.2.2 小车端72.3 无线遥控模块82.3.1 编译码芯片的选择82.3.2 无线发射接收模块92.3.3 电路原理图102.4 电机驱动电路的设计112.5 寻光模块122.6 测行程模块132.7 显示模块152.8 超声波避障模块的设计162.8.1 超声波发射电路162.8.2 超声接收电路172.8.3 报警电路18第3章 软件设计193.1 编写程序语言的选择193.2 设计课题的流程图193.3 单片机的资源分配223.3.1 I/O口的分配223.3.2 定时计数器的分配233.3.3 外部中断的分配233.4 单片机初始化233.5 单片机主程序24第4章 调试部分254.1 调试方案254.2 测试方法和仪器25结论26致谢27参考文献28附录29东华理工大学（论文） 绪论绪论随着汽车行业的迅速发展，有关智能汽车的研究也越来越受人关注。全国电子大赛及省内电子大赛曾多次出现智能小车这方面的题目，全国各高校也很重视该题目的研究。对智能汽车的研究，国内外都有很大的成果，谷歌研发的无人驾驶汽车，已能够在高速公路上安全的行驶数千公里。人类探索太空的步伐也一直没有停止，火星、月球上也有着智能小车的身影，木星的探测器也在积极的研发中，预计2016年将会到达木星。日本的福岛核危机，也使用了智能小车去检测岛内的核辐射值。智能泊车系统，现在已经进入了民用领域，市场上已有很多车型也装配了该系统。本设计的智能小车采用无线遥控技术，通过遥控命令对小汽车行驶状态进行控制，如前进、后退、左转和右转等。控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。本设计以STC89C52单片机为控制核心，实现了自动寻光、测行程和显示及自动避障。遥控部分采用315M无线发射接收模块，通过PT2262/PT2272编码解码，提高控制的可靠性。采用一休化对射红外发射接收管WYC H206并结合测速编码盘测量行程并送至数码管显示；超声波US-020模块进行障碍识别；通过光敏二极管辅以直流减速电机控制的转动机构进行光源方向的检测并最终行驶到光源处。通过对本小车研究，我们可以初步构建智能汽车的模型与理论基础。0东华理工大学（论文） 第1章 方案设计与论证第1章 方案设计与论证1.1 总体设计思路本设计主采用STC89C52单片机作为小车系统的主控芯片。采用无线遥控技术，通过遥控命令对小汽车行驶状态进行控制，如前进、后退、左转和右转，通过桥式开关电路驱动电机。并配合超声波传感器实现小汽车的自动避障，当小汽车检测到前方有障碍物时，能够实现自动停车。同时采用光敏二极管实现小车的自动寻光，当小车检测的周围光线时，能够自动向光源行驶最终停止。在小车运行过程中，小车通过对射红外发射接收管和测速编码盘进行行程测量。其中，主要研究内容为：电机驱动、发射与接收电路、超声波传感器、红外传感器和感光传感器的应用等。设计结果应符合以下指标：（1）通过无线遥控操作实现小汽车的前进、后退、左转、右转；（2）在行走过程中可以改变小车的运动状态，实现小汽车的自动避障；（3）在寻光模式下，小车能够自动寻光；（4）在小车运行时小车能够自动测行程并显示。总体方案设计结构图如图 1-1：图 1-1 总体方案设计结构图1.2 设计方案论证与比较根据小车的设计要求，本系统主要有电机驱动与控制模块、无线遥控模块、寻光模块、测行程模块、避障模块、LED显示模块等组成，为了的到最优的设计方案，分别设计了几种方案进行论证。1.2.1 车体设计常见的小车模型如图 1-2所示： 图 1-2分别分析上述四种模式，当小车发生偏向时小车的受力情况：1号车：此小车模型使用两个驱动轮外加一个导向轮，若导向轮使用万向轮或球形轮，当小车驱动轮产生运动偏差时，导向轮轴向将受力，由于万向轮或球形轮阻力很小，小车很容易偏向。故只能使用定向轮，其轴向移动阻力较大，偏向力被抵消或减弱，使小车更易于走直线，由此带来的弊端是转向不灵活，尤其是当地面阻力很大时。2号车：道理与1号车类似，但还有几点差别。一：由于这样布置，导向轮作为支点一般不会同时受力，类似于跷跷板，任意时刻仅有一个受力，比1号车导向轮的垂直压力要小，故其运动阻力就小，抑制偏向的能力也就弱。二：由于导向轮距驱动轮比1号车近，阻止偏向的力矩小于1号车，因此相对于1号车，2号车更容易偏向。3号车：与1号车相比，它存在2个导向轮，通常情况这类结构的导向轮不会使用万向轮和球形为支点，多数情况下使用定向轮，2个定向轮的轴向阻力大于1个，因此这个结构很容易走直线，但其转向就非常困难了，转弯半径极大，转弯十分麻烦。4号车：与三号的差别在于4个车轮都是主动轮，使转向的中心从后轮移至小车中心，其偏向阻力大小和3号车一样，只是因中心变化，导致偏向阻力的力矩减小，从这上看，4号车应该比3号容易偏向，但是由于4号车采用四驱方式，其偏差更加离散，同侧的偏差方向不一定一致，因此很难偏向，走直线较容易，同时可以实现原地打转。因为本次毕业设计需要小车有较强的运动能力，且为方便控制，故选用4号车模型，用四个电机驱动。1.2.2 遥控方案方案一：红外遥控红外遥控技术采用红外线来传送控制信号，红外遥控的特点是具有方向性、遥控距离近、容易被阻挡、电路调试简单，编解码容易，可进行多路遥控。方案二：无线电遥控无线电遥控技术采用无线电波来传送控制信号，它具有无方向性、距离远（可达数十米，甚至数公里）、可穿透障碍物、可以不“面对面”控制的特点，但是容易受电磁干扰。因红外遥控遥控距离近且易被阻挡，故选择无线电遥控，而非红外遥控。1.2.3 电机的论证与分析工作电压DC 3VDC 6VDC 6V工作电流100mA100mA120mA减速箱减速比48:1空载（加轮子）100转/分190转/分转/240分轮胎直径6.5cm空载速度20米/分39米/分48米/分噪声65db表1-1方案一：采用直流电机直流电机速度较快，价格便宜，通过调节驱动电流来改变电机速度，驱动电路较简单，调速范围广，调速特性平滑。但由于其转距小，带大负载时很容易堵转。且由于其速度较快，不易控制，精确度低。方案二：采用步进电机步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的装置，采用控制脉冲个数来控制角位移量，控制脉冲频率来控制电机的速度与加速度，其精确度高，但其驱动电路更复杂，控制相对较繁琐。方案三：采用减速电机减速电机是通过控制电流来实现调速的，而且其内部包含减速齿轮箱，转距大，非常适合爬坡等，而且易控制，速度比步进电机快，价格适中，控制相对简单。综上所述，本设计决定采用减速电机，电机参数如表1-1：1.2.4 驱动芯片的选择方案一：L298NL298N为双H桥直流电机驱动芯片,输出电流大，持续工作电流为2A，瞬间峰值电流可达3A。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以驱动两台直流电机。该芯片采用15脚封装，使用时需要安装散热片。方案二：L293DL293D为双H桥直流电机驱动芯片，持续工作电流为1A，峰值可达2A，内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可同时驱动两台直流电机。封装为16脚双列直插，使用方便。由于L293D的工作电流也能满足设计需求，且L298N需要安装散热片，使用时比较麻烦，故选用L293D作为电机驱动芯片。1.2.5 感光传感器的选择光敏传感器包含光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电管、光电倍增管等类型。由于光敏二极管结构简单，使用方便，且价格便宜故选择光敏二极管。1.2.6 测行程模块的选择方案一：采用霍尔开关元器件A44E检测轮子上的小磁铁从而给单片机中断脉冲，达到测量行程的作用。霍尔元件体积小，频率响应宽度大，动态特性较好，外围电路简单，但其安装起来较为麻烦。测试示意图如图 1-3： 图 1-3 图 1-4方案二：采用一休化对射红外发射接收管WYC H206并结合测速编码盘产生脉冲，最后使用74HC14（带施密特触发器反向器）对脉冲整形，防止临界输出抖动造成测量误差。此方案虽电路稍复杂，但其稳定性高且安装方便。测试示意图如图 1-4：方案二电路虽然稍微复杂但由于其安装方便故选择方案二。1.2.7 显示方案方案一：LCD液晶显示器LCD利用了液晶的电光效应，通过电路控制液晶单元的透射率及反射率，从而产生不同灰度层次及图像，LCD具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等特点。但其亮度较暗可视角度小。方案二：LED数码管显示LED数码管是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管显示具有亮度强，可视角度广等特点。由于小车在运行过程中远离人类视线，需要较强的亮度和较大的可视角度，故选择LED数码管显示。1.2.8 避障模块方案一：红外传感器红外传感器利用物体的反射性质，如果没有障碍物，发射出去的红外线因为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。如果有障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到传感器接收头，通过判断接收端的电平即可判定前方是否有障碍物。方案二：超声波传感器超声波传感器利用向目标发射超声波脉冲，当遇到障碍物时，超声波经反射被超声波接收头接收，计算其往返时间来计算小车与障碍物距离的。其优点是价格便宜，易于使用，且在10m以内能给出精确的测量。由于方案二能很方便的计算出小车与障碍物的距离可以很方便的设定安全距离，故选择方案二。5东华理工大学（论文） 第2章 硬件设计第2章 硬件设计2.1 单片机模块本设计使用的是STC89C52单片机，它是STC公司的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。STC89C52采用经典的MCS-51内核，同时具有如下标准功能： 8KB程序存储空间，512B数据存储空间，内4KB EEPROM,32位通用I/O口，看门狗定时器，MAX810复位电路,3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。指令代码完全兼容传统8051。单片机模块电路图如图 2-1所示，其中时钟电路采用12MHZ晶振和30pF电容。P1.0P1.3用于控制电机的正反转，P1.4P1.7用于输入接收到的无线信号，P2.4P2.7用于输入寻光检测信号，P3.3P3.5、P2.3由于数码管动态扫描，P0口用于点亮数码管对应段码，P2.0用于超声波发射控制端，P2.1用于超声波接收端，P2.2为避障报警输出端，P3.2外部中断0用于小车测行程。图 2-12.2 电源模块2.2.1 无线发射端无线发射模块工作电压在59V之间时已能达到较理想的发射距离，考虑到使用和携带方便，采用4节干电池串联给发射端供电。2.2.2 小车端小车电机需要较大的驱动电压和电流，且小车在运行过程中耗电量较大，普通干电池电量较小且不能循环使用，不能满足设计需求，故采用7.2V容量为1300mAh的镍氢（NI-MH）可充电电池为系统供电。由于单片机和无线接收模块的工作电压为5V，因此需要从NI-MH电池稳压出5V电压，稳压芯片用LM7805。LM7805为三端集成稳压器，仅需很少的外围元件即可稳压出+5V电压。电路图如图 2-2所示：图 2-2NI-MH电池7.2V电压先通过C3滤除纹波，然后送到7805进行稳压，输出电压再通过C4滤波最后输出。D1为电压指示灯，通过R1进行限流。2.3 无线遥控模块2.3.1 编译码芯片的选择PT2262/PT2272是采用CMOS工艺制造的低功耗、低价位的专用数字编码译码器。工作电压范围宽，采用RC振荡，可靠性高，外围元件少，设计方便，和他数字编译码器相比，最突出特点是地址编码容量特别大。故选择PT2262/PT2272。 PT2262/PT2272最多有12位(A0-A11)三态地址端引脚（f、1、0三个状态）,任意组合可提供地址码,PT2262最多有6位(D0-D5)数据端引脚,设定的地址码与数据码从第17号引脚串行输出，可以应用于无线遥控发射电路。编码芯片PT2262发出的编码信号是由地址码、数据码、同步码构成一个完整的编码，解码芯片PT2272接收到遥控信号后，其地址码需要经过两次比较核对无误后，VT引脚才输出高电平，同时对应的数据引脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。当没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，因此315MHz的高频发射电路不工作，当有按键时，PT2262得电工作，第17号引脚将经过调制的串行数据信号输出，当第17号引脚为高电平时发射电路起振并发射等幅高频信号，当第17号引脚为低平时发射电路停止振荡，因此高频发射电路完全受控于PT2262的第17号引脚输出的编码信号，从而对高频电路完成ASK调制相当于调制度为100的调幅。T2262 引脚图: PT2272 引脚图: 图 2-3 图 2-4A0A7为地址管脚，只有当T2262和PT2272地址码相同时才进行编码；D0-D4为数据管脚；DOUT为编码输出端，正常时为低电平；DIN为数据信号输入端，来自接收模块输出端；OSC1为振荡电阻输入端，OSC2为振荡电阻振荡器输出端，振荡频率取决于OSC1与OSC2两端所接电阻。PT2262 和 PT2272 除地址编码必须完全一致外，振荡电阻还必须匹配，否则接收距离会变近甚至无法接收在具体的应用中，外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大振荡频率越低，编码的宽度越大，发码一帧的时间越长。本设计选择2.2M390K振荡电阻选择表如表2-1所示：PT2262PT22721.2M200K1.5M270K2.2M390K3.3M680K4.7M820K 表2-12.3.2 无线发射接收模块无线发射接收模块选择常见的315M无线模块。发射头通讯方式为调幅AM，工作电压为DC312V，发射功率小于500MW。接收头工作电压为DC5V，接收灵敏度为-103dBm。数据发射模块使用声表谐振器SAW稳频，频率具有极高稳定度。发射模块使用了数据调制三极管,此结构使其可以很方便的与其他电路相连接，而无需考虑编码电路工作电压与输出信号幅度值的大小。数据发射模块工作电压为DC312V，当工作电压发生变化时其发射频率基本不变,与发射模块配套的接收模块不需要任何调整即可能稳定地接收。当工作电压为3V时，传输距离约为2050米，此时发射功率较小；当工作电压5V时，传输距离约为约100200米；当工作电压9V时，传输距离300500米；当工作电压为12V时，此时到达最佳工作电压，可得到较好的发射效果，当工作电压大于l2V时,功耗增大，有效发射功率却无明显提高。此模块的特点是发射功率较大，传输距离较远，适合在比较适合恶劣条件下进行通讯。无线电的遥控距离主要受发射功率、接收灵敏度、天线长度和阻挡物因素影响。发射功率越大则距离越远，但耗电大且易对其他设备产生干扰；接收器的敏度越高，则遥控距离越大，但引干扰而导致误动或失控；天线长度过短会影响遥控距离；由于无线电的播特性为直线传播，对障碍物的穿透能力弱，如果发射器与接收器之间有障碍物阻挡，其传播距离将受很大影响。2.3.3 电路原理图发射模块电路原理图如图 2-5：图 2-5小车需要4个方向键（前进、后退、左转、右转）及1个模式键，至少需要5个按键，而PT2262编码芯片只有4个数据码端口，不能满足设计需求，同时为方便以后对小车进行功能升级，因此采用8线3线优先编码器74LS148进行扩展。8线3线优先编码器74LS148允许同时输入两个以上的编码信号，当有多个信号输入时，编码器仅对其中优先权最高的进行编码。为编码信号输入端，对高电平进行编码；为编码信号输出端，数值对应于编码信号。当没有按键按下时二极管不导通，则PT2262未上电，PT2262和无线发射模块不工作，此时功耗极小，只有当有按键按下时PT2262和无线发射模块才工作，此时进行遥控信号的调制和发射。接收模块电路原理图如图 2-6:图 2-6无线接收模块接收发射模块的信号，并送至PT2272第14脚，PT2272对接收的信号的地址码进行两次校验，确认无误后进行解码，数据码对应管脚输出高电平点亮对应指示灯，同时第17较输出高电平点亮解码指示灯，表示解码成功。解码后的数据被送至单片机进行处理。2.4 电机驱动电路的设计L293D为双H桥直流电机驱动芯片，持续工作电流为1A，峰值可达2A，内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可同时驱动两个电机。其控制信号输入端可直接与单片机相连，外围元件少，使用非常方便。因为本小车采用四电机驱动，故使用两片L293D驱动电机。L293D引脚图如图 2-7所示：EN1A2A电机状态HHL正转HLH反转HLL停止HHH停止LXX停止 图2-7 表2-2P1、P9为使能引脚，P2、P7、P10、P15为电机控制信号输入引脚，P3、P6、P11、P14为电机驱动信号输出引脚，P4、P5、P12、P13为接地脚，P16为芯片供电脚，P8为电机供电输入脚。L293D功能表如表2-2所示：小车前进时四个电机同时正转，小车后退时四个电机同时反转，小车左转时小车左侧电机反转右侧电机正转，小车右转时小车左侧电机正转右侧电机反转。电路原理图如图 2-8所示：图 2-8为节省I/O口，同侧电机共用一对I/O口。单片机通过P1.0P1.3口产生电机控制信号并输至L293D，L293D产生对应的驱动电压，使电机正反转，同时点亮指示灯，显示电机的运行状态。2.5 寻光模块本系统共使用四路光敏传感器来检测光强，需使用四个比较器，LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，满足系统需求，故选择LM339。LM339管脚图如图 2-9所示：图 2-91IN-、2IN-、3IN-、4IN-分别为四个比较器的反相输入端，1IN+、2IN+、3IN+、4IN+分别为四个比较器的正相输入端，1OUT、2OUT、3OUT、4OUT分别为四个比较器的输出端。电路原理图如图 2-10所示：图 2-10当未检测到光源时，光敏二极管截止，IN+处电压为高电平，大于IN-处电压，比较器输出电压为正，寻光指示灯灭；当检测到光源时，光敏二极管导通，IN+处电压为低电平，小于IN-处电压，比较器输出电压为负，寻光指示灯被点亮。同时检测结果被送至单片机，单片机根据检测结果做出相应结果，IN-接在电位器上，通过调节电位器可以调节寻光灵敏度。2.6 测行程模块本模块使用对射红外发射接收管WYC H206结合测速码盘将小车行程量化为脉冲数，并通过反相施密特触发器74HC14D最终输入至外部中断0处，单片机对脉冲进行计算，最终计出行程。74HC14D引脚图如图 2-11所示：图 2-111A、2A、3A、4A、5A、6A分别为六个反相施密特触发器的输入端，1Y、2Y、3Y、4Y、5Y、6Y分别为六个反相施密特触发器的输出端，VCC、GND分别为芯片的电源和地脚。经过测量可知小车直径D=6.5cm，已知测速码盘共20格，一个脉冲对应的行程为，取3.14，则计算公式如下：=cm=1.02cm1cm (2-1)单片机通过外部中断0对脉冲计算，计数结果存储在变量count1中，小车行程S计算公式如下： (2-2)电路图如图 2-12：图 2-12当测速码盘未挡住红外发射管时，接收管导通，输出低电平；当测速码盘挡住红外发射管时，接收管截止，输出高电平。若不加施密特触发器，可能会出现临界输出抖动，导致误计数，从而使测行程出现误差。为保证输出电平不反相，串联两个反相施密特触发器。最终输至单片机，每一个上升沿计数一次，同时，输出为低电平时点亮指示灯。2.7 显示模块LED数码管是常用的显示器件，每一段相当于一个发光二极管，各个发光二极管的阳极或阴极接在一起，分别称作共阳极数码管和共阴极数码管。本设计中采用的是共阳极数码管。对于多个数码管的显示，有静态显示方式和动态显示方式。静态显示无需定时扫描，节省了CPU时间，显示稳定，但是静态显示需要消耗大量的I/O口资源，而采用动态显示可以大大节省单片机硬件资源。为节省I/O口，本设计采用动态显示，选择4位一体数码管，管脚图及对应段码如图 2-13所示： 图2-13单片机将测行程模块所检测的数据经运算输出至显示模块，将所测数据输出到数码管计数公式如下所示：千位 disbuff0=S/1000 (2-3)百位 disbuff1=S%1000/100 (2-4)十位 disbuff2=V%1000%100/10 (2-5)个位 disbuff3=V %1000%100%10 (2-6)由于单片机I/O口驱动电流太小，不能直接驱动数码管，故需加上三极管进行驱动，显示原理图如图 2-14所示：图 2-14当数码管公共端为高电平时，对应数码管工作，此时若段码端为低电平，则对应段被点亮。2.8 超声波避障模块的设计超声波避障是通过超声波进行测距，然后所测距离与设定值进行比较，当测量值小于设定值时表示小车遇到障碍物，此时单片机做出避障动作即停车。超声波测距示意图如图2-15所示，其原理是超声波发射传感器发射超声波，超声波以一定的速度V在空气中传播，遇到障碍后被反射回来，被超声波接收传感器检测到，单片机对此过程进行计时t，根据发射和接收到超声波之间的时间差t即可以计算出与障碍的距离。图 2-152.8.1 超声波发射电路发射电路要求能产生40KHz的方波，可以由硬件电路振荡生成，也可以用软件生成，本设计中采用硬件方式，即使用NE555定时器接成多谐振荡器，产生频率为40KHZ占空比为50%的方波，最后输出到发射端。电路图如图2-16所示，单片机只需控制P2.0的高低电平即可控制555定时器的清零引脚从而控制发射超声波。当需要发射超声波时，P2.0输出高电平，555定时器有输出，发射超声波；当不需要发射超声波时，P2.0输出低电平，555定时器被清零。555定时器1脚GND为接地端；2脚TR为低触发端；3脚Vo为输出端；4脚R为清零端，当此端接低电平时，不论TR、TH处于何电平，3脚输出为低电平，此引脚接单片机P2.0，用于控制超声波的发射；5脚CT为控制电压端。若此端外接电压，可改变其内部的两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地或悬空；6脚TH为高触发端；7脚D为放电端，该端与放电管集电极相连，用于定时器时电容的放电；8脚VCC为外接电源，一般接5V电压。图 2-16经分析可知，电容C13充电时，三脚输出高电平，充电回路为VCC-R40-D33-C13-GND；电容C13放电时，三脚输出低电平，放电回路为C13-D32-R57-第7号引脚。555定时器接成多谐振荡器产生40KHZ超声波电阻、电容计算方法如下，设C13取1000pf，已知=40KHZ,则： (2-7) (2-8)因为占空比为50%，故 (2-9)由公式(2-7)、(2-8)、(2-9)可得 (2-10)2.8.2 超声接收电路图 2-17由于超声波接收传感器接收到的信号比较微弱，需要进行放大，运算放大器采用LM324，进行多级放大，LM324引脚图如图 2-17所示：超声接收电路如图 2-18所示：图 2-18第一级运算放大器放大倍数计算方法如下所示： （2-11） (2-12) (2-13) 由公式（2-11）、（2-12）、（2-13）可计算出第一级运算放大器放大倍数。2.8.3 报警电路报警电路可以采用蜂鸣器进行声音报警或使用发光二极管进行指示报警，蜂鸣器报警特点是音量大较容易引起注意，同时带来的缺点是产生了噪音，容易影响到其他人的正常生活，用指示灯进行报警虽然报警效果不如蜂鸣器，但是由于其报警方式并不会给他人带来任何不便，故选用发光二极管进行指示报警，报警电路如图 2-19所示，单片机通过P2.2口控制三极管的导通与截止来点亮报警指示灯。非报警状态指示灯灭，报警状态指示灯闪烁。图 2-1918东华理工大学（论文） 第3章 软件设计第3章 软件设计3.1 编写程序语言的选择汇编语言是一种面向机器的语言，能够直接管理和控制硬件设备，占用的存储空间小，运行效率高，属于低级语言，脱离不开具体的的机器硬件，因此缺乏通用性，可移植性差。即使完成较简单的工作也需要大量汇编语言代码，易产生bug，难于调试，同时编程人员必需对对单片机的硬件和指令有深入的了解。C语言是一种高级语言，具有可移植性好和硬件控制能力高等特点，表达和运算能力强，更符合人们思考习惯。由于C语言程序比用汇编程序更符合人们的思考习惯，且较易调试，故本系统采用C语言编写方法。3.2 设计课题的流程图本系统主要分为无线信号接收模块，电机驱动模块，寻光模块，避障模块，测行程模块及显示模块。程序流程图如下所示。主流程图如图 3-1所示：图 3-1主程序完成的工作主要是对单片机初始化，定义定时/计数器的工作方式，开启各个中断以及对遥控信号进行扫描并做相应动作。主程序流程图如上图。无线遥控模块程序流程图如图 3-2所示：图 3-2寻光模块程序流程图如图 3-3所示：图 3-3测行程模块流程图如图 3-4所示：图 3-4避障模块流程图如图 3-5所示：图 3-53.3 单片机的资源分配3.3.1 I/O口的分配P1.0P1.3用于控制电机的正反转，P1.4P1.7用于输入接收到的无线信号，P2.4P2.7用于输入寻光检测信号，P3.3P3.5、P2.3由于数码管动态扫描，P0口用于点亮数码管对应段码，P2.0用于超声波发射控制端，P2.1用于超声波接收端，P2.2用于避障报警输出端，P3.2外部中断0用于小车测行程。3.3.2 定时计数器的分配定时/计数器0：工作方式为16位定时器（定时器方式，方式1）。用于显示模块，定时2MS，每隔2MS扫描数一次码管。定时/计数器1：工作方式为16位定时器（定时器方式，方式1）。用于避障模块，定时2MS，定时/计算器每溢出400次启动一次超声波模块，超声波模块发出超声波，进行障碍检测。定时/计数器2：工作在定时模式，用于避障模块，发射超声波时开启定时/计数器2，接收到超声波时关闭定时/计数器2,从而对超声波发射与接收时间差进行定时。最后通过算法算出小车与障碍物的距离。定时/计数器初值计算公式如下所示：机器周期：已知,则初值：定时/计算器初值为：TH0=TH1=(65536-2000)/256； TL0=TL1=(65536-2000)%256。工作方式控制寄存器初值为：TMOD=0x113.3.3 外部中断的分配外部中断0（）：定义为跳变触发方式，下降沿有效。用于测行程模块，每中断一次记数一次，通过对应算法计算出小车行程。3.4 单片机初始化TMOD=0x11; /设T0，T1为定时方式，方式1T2CON.1=0; /设T2为定时方式TH0=(65536-2000)/256;/2MS定时TL0=(65536-2000)%256;TH1=(65536-2000)/256;/2MS定时TL1=(65536-2000)%256;TL2=0;TH2=0;EA=1; /开启总中断ET0=1; /允许T0中断ET1=1; /允许T1中断ET2=1; /允许T2中断TR0=1; /开启定时器0TR1=1; /开启定时器1EX0=1; /开启外部中断0IT0=1; /下降沿有效IE0=0; /外部中断0请求标志位3.5 单片机主程序while(1) /*如果P1_7口为低电平，小车由按键控制*/*如果P1_7口为高电平，小车自动寻光*/if(P1_7=0)/如果P1_7为低电平，则小车由键盘控制 GO(); else /否则小车自动寻光 XG(); 24东华理工大学（论文） 第4章 调试部分第4章 调试部分4.1 调试方案系统的调试包括模块调试和系统统调。其中模块调试是将各个模块单独调试，主要在各模块的设计过程中完成。调试步骤为先设计，设计确认无误后进行调试，然后将调试中出现的问题进行修改，修改后再重新调试，如此反复直到满足要求。模块调试阶段需要达到各个模块都单独实现功能，只有模块调试阶段通过了才能进入统调阶段。系统的统调主要是系统软件的调试。由于模块调试阶段是将各个模块隔离出来单独调试，并不涉及其他模块，而设计需要将各个功能模块整合起来，在整合的过程中还需要考虑单片机的资源冲突及中断优先级排序等问题。4.2 测试方法和仪器测试仪器包括数字万用表、示波器、单片机开发板、直流稳压电源、卷尺和手电筒等。 数字万用表主要用于检测电路板通电前各线路的连通性和焊接时可能造成的短路，同时万用表用于检测电路通电后各元件的压降和三极管的导通截止；示波器用于测试测行程