基于微控制器的小车避障硬件系统的设计_毕业设计论文.doc

武汉理工大学毕业设计（论文） 基于微控制器的小车避障硬件系统的设计学院（系）： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 武汉理工大学毕业设计（论文）学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在 年解密后适用本授权书2、不保密囗 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 年 月 日导师签名： 年 月 日本科生毕业设计（论文）任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位：设计(论文)题目: 基于微控制器的小车避障硬件系统的设计 设计（论文）主要内容：在掌握半导体激光器、光电池和微控制器原理与应用的基础上，完成光发射系统、光接收探测系统以及防碰撞控制系统的设计。要求完成的主要任务:1、查阅不少于15篇的相关资料，其中英文文献不少于3篇，完成开题报告。2、设计一个光发射系统。3、设计一个光接收探测系统。4、完成不少于5000汉字的英文文献翻译。5、完成不少于12000字的论文。必读参考资料：1. 王庆友光电技术北京：电子工业出版社，20052. Jinghong.DuanDevelopment of Image Processing System Based on DSP and FPGA.Electronic Measurement and Instruments，Aug.16， 2007-July 18 20073. Bob Zeidman著, 赵宏图译基于FPGA&CPLD的数字IC设计方法北京：北京航空航天大学出版社指导教师签名： 系主任签名： 院长签名（章）武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）随着科学技术的飞速发展，人们对生活的要求越来越高，特别对电器或者交通工具的智能方面方面的要求，除此之外，随着在企业中越来越追求工作效率和生产成本，迫切的要求以最低的成本生产出所需要的产品，正是在这种种的社会的条件下，人们越来越重视机器智能方面的研究，在众多的研究当中，交通工具的智能研究就是其中的一个热点问题，而智能小车的研究就是一个很好的代表。所谓的智能小车，就是集路面环境探测、卫星导航、自动行驶和有自己的决策能力等功能为一体的小车，它综合运用了计算机、通信、导航和自动化控制等技术。正因为智能小车的功能强大和比较实用，同时对智能小车的研究有很大的发展空间，所以智能小车的研究得到了国内外科学家的重点关注。 国外很早就对智能小车进行了研究，大约是上世纪50年代开始的，并且是以很快的速度发展，大约是在90年代，智能小车的研究就比较成熟了，智能小车进入了深入的、系统的和大规模的研究，国外的智能小车的研究是以美国为主要的代表的，特别是美国卡内基-梅陇大学研究的Navlab系列无人驾驶车代表了当时全世界的智能小车研究方面的最高水平。跟国外比起来，我国对智能小车研究相对要晚很多。我国对智能小车的研究是从20世纪80年代开始的。虽然我国也投入了很大的人力和物力来研究智能小车，但是由于在研究的时间上比国外晚了很多，因而总体来说，在很多方面的技术研究跟国外比起来还是有很大的差距的，但是并不是所有的技术都比国外差，在某些技术方面上，国内的研究还是领先于世界的，例如清华大学研究的THMR-V系列智能车，最高时速达到150公里；一汽大众和国防科技大学改造的红旗小车，最高时速达170公里，平均时速达130公里，同时具有超车功能，这些研究成果在全世界都是领先的。智能小车的研究是一个很有意思的科研问题，得到了很多人的关注。现在不仅仅是科学家对智能小车研究很关注，很多在校的大学生也对智能小车的研究比较关注，他们在学校期间学习很多与之相关的知识，同时做很多与之相关的实验。现在国内的很多电子设计大赛都有与智能小车相关的题目，在大赛中设计出来的这些小车能实现很多方面的功能，例如避障、循迹等。2、基本内容和技术方案基本内容：在掌握半导体激光器、光电池和微控制器原理与应用的基础上，完成光发射系统、光接收探测系统以及防碰撞控制系统的设计。技术方案：整个系统主要的组成器件是：51系列单片机、各路的传感器件、红外发射二极管、红外接收二极管和运算放大器以及其它的一些器件。单片机系统是整个系统的核心部分，它对各路传感信号的采集、处理、分析及对各部分整体调整。避障系统：采用红外线避障方法，利用一管发射另一管接收，利用接收管接收外界红外线的情况来判断小车行驶的前方是否有障碍物和障碍物的远近、方向。在小车的行驶过程当中，红外发射二极管发射红外光，如果小车前方有障碍物，红外光就会反射回来，接收二极管接收反射回来的红外信号，接着给单片机输入一个高电平，引起单片机的中断，单片机响应中断，处理接收到的信号，从而决定小车的行驶方向，如果小车行驶的前方没有障碍物，小车将一直往前行走。由于红外光受外界可见光的影响，红外接收二极管可能只接收到很微弱的红外信号，这个微弱的信号不足以引起单片机的中断，所以在红外接收二极管与单片机之间连接一个运算放大器，放大接收到的红外信号，使这个信号能引起单片机的中断，这样就减少外界的一些干扰。3、进度安排第13周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需电子器件。确定方案，完成开题报告。第49周：学习单片机的相关知识，了解并掌握传感器的原理。第1011周：设计电路图，并根据电路图进行仿真设计，同时编写程序，对整个系统进行软件的仿真。第1214周：完成并修改毕业论文。第15周: 准备论文答辩。4、指导教师意见 指导教师签名： 2011 年 3 月 13 日目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1智能小车的现状11.2智能小车研究的意义11.3 论文的主要内容22小车避障硬件系统22.1障碍物检测系统32.2由80c51单片机组成的最小系统52.3步进电机的简介93 小车避障系统的硬件电路设计113.1.硬件仿真软件proteus113.2障碍物检测系统的电路设计133.3 单片机最小系统的电路设计144软件设计164.1软件仿真软件keil164.2程序流程图174.3程序编写18参考文献22致 谢23武汉理工大学毕业设计（论文）摘 要本文主要对小车避障硬件系统进行了设计，所设计出来的方案能很好的对整个小车避障硬件系统进行了模拟，实现小车避障的目的，对智能小车的理论研究有一定的理论指导意义。文中首先对整个小车避障硬件系统结构做了详细的介绍，接着讨论了系统的设计过程。在整个小车避障硬件系统中，利用红外对管检测障碍物，判断小车行驶的前方的路面情况，并以信号的形式将路面情况传送给控制芯片80c51单片机，单片机处理接收到的信号，将处理后的信号传输给步进电机，控制步进电机的转速和转向，从而控制小车的速度和行走的方向，实现小车的避障功能。除了进行理论上的分析之外，还借助proteus和keil软件对整个系统进行了仿真，仿真得出的结果显示，本设计方案有一定的可行性。关键词：小车避障硬件系统，80c51单片机，红外对管。AbstractWith the help of ISIS 7 Professonialand keil , I make the hardware design and software simulation to the obstacle avoidance hardware system for car, I use the diode of infrared to detect the obstacle.Inorder to control the speed and direction of the car,I use the sigle-chip microcomputer 80c51 to control the speed and direction of the stepper motor,in this case,the car can avoid the obstacle.This paper mades a detailed analysis of obstacle detection on which sensor to use.By comparaing to ultrasonic sensors,infrared sensors and radar sensors,I select the most appropriate sensor,the results has important significance for the study of smart car.Paper studies the obstacle avoidance hardware system for smart car ,mades a detailed analysis and a software simulation of the entire hardware system.The results show that: the design of this paper is well controlled to the stepper motor speed and direction with a microcontroller, enabling the moving car to avoid obstacles.This feature of the paper is:inder to to select the most appropriate sensor,I made a detailed analysis of different sensors .Key Words：the obstacle avoidance hardware system for car,sigle-chip microcomputer 80c51，the diode of infrared I武汉理工大学毕业设计（论文）1 绪论随着科学的飞速发展，人们对很多东西的要求越来越高，在生活当中，很多电子产品都向着智能化的方向发展，智能小车的研究就是一个热门的课题。1.1智能小车的研究意义所谓的智能小车，就是集路面环境探测、卫星导航、自动行驶和有自己的决策能力等功能为一体的小车，它综合运用了计算机、通信、导航和自动化控制等技术。智能化的研究成为当代研究的热点问题，对小车的智能化进行深入的研究有利于推动智能化的研究，同时小车与人们的生活息息相关，小车的智能化有利于提高人们的生活水平，正是这种种原因，智能小车成为了现在科学研究的热门。智能小车的研究是一个很有意思的科研问题，得到了很多人的关注。现在不仅仅是科学家对智能小车研究很关注，很多在校的大学生也对智能小车的研究比较关注，他们在学校期间学习很多与之相关的知识，同时做很多与之相关的实验。现在国内的很多电子设计大赛都有与智能小车相关的题目，在大赛中设计出来的这些小车能实现很多方面的功能，例如避障、循迹等。总的来说，对智能小车进行深入的研究，有利于推动自动化技术的发展和科学的进步，提高人们的生活水平和生活质量，减少产品的生产成本，提高企业中工人的工作效率。1.2智能小车国内外研究现状随着科学技术的飞速发展，人们对生活的要求越来越高，特别对电器或者交通工具的智能方面方面的要求，除此之外，随着在企业中越来越追求工作效率和生产成本，迫切的要求以最低的成本生产出所需要的产品，正是在这种种的社会的条件下，人们越来越重视机器智能方面的研究，在众多的研究当中，交通工具的智能研究就是其中的一个热点问题，而智能小车的研究就是一个很好的代表。所谓的智能小车，就是集路面环境探测、卫星导航、自动行驶和有自己的决策能力等功能为一体的小车，它综合运用了计算机、通信、导航和自动化控制等技术。正因为智能小车的功能强大和比较实用，同时对智能小车的研究有很大的发展空间，所以智能小车的研究得到了国内外科学家的重点关注。 国外很早就对智能小车进行了研究，大约是上世纪50年代开始的，并且是以很快的速度发展，大约是在90年代，智能小车的研究就比较成熟了，智能小车进入了深入的、系统的和大规模的研究，国外的智能小车的研究是以美国为主要的代表的，特别是美国卡内基-梅陇大学研究的Navlab系列无人驾驶车代表了当时全世界的智能小车研究方面的最高水平。跟国外比起来，我国对智能小车研究相对要晚很多。我国对智能小车的研究是从20世纪80年代开始的。虽然我国也投入了很大的人力和物力来研究智能小车，但是由于在研究的时间上比国外晚了很多，因而总体来说，在很多方面的技术研究跟国外比起来还是有很大的差距的，但是并不是所有的技术都比国外差，在某些技术方面上，国内的研究还是领先于世界的，例如清华大学研究的THMR-V系列智能车，最高时速达到150公里；一汽大众和国防科技大学改造的红旗小车，最高时速达170公里，平均时速达130公里，同时具有超车功能，这些研究成果在全世界都是领先的。1.3 论文的主要内容本论文主要对避障小车的硬件系统进行了研究，并对整个小车避障系统进行了硬件和软件的仿真。整个硬件系统由障碍物检测系统和单片机最小系统组成。论文首先对障碍物检测系统是用哪种传感器作了详细的分析，经过对超声波传感器、红外传感器和雷达进行各方面的比较之后，决定选用红外传感器，接着对单片机最小系统的各个组成部分作了详细的说明，同时在论文中对所用到的步进电机进行了描述，详细分析了步进电机的结构、工作方式和工作原理，最后是对自己这段时间所做的工作的一个总结。除此之外，在论文中还用软件proteus和keil对整个系统进行了硬件、软件的仿真，仿真结果表明本设计方案利用红外对管检测障碍物，以80c51单片机为控制芯片，控制步进电机的转速和转向，从而控制小车的速度和行走的方向，能很好的实现小车的避障功能。2小车避障硬件系统整个硬件系统由障碍物检测系统和单片机最小系统组成，障碍物检测系统检测小车行走的前方的路面情况，把路面情况以信号的形式传送给单片机，单片机最小系统接收并处理障碍物检测系统传送过来的信号，把处理好的信号传输给不仅电机，控制步进电机的转速和转向，从而控制小车的行驶和避障。小车避障硬件系统的整体结构如下图所示，其中单片机和步进电机以及一些外围电路器件构成单片机的最小系统。障碍物检测系统单片机80c51步进电机信号传输信号传输图2-1 小车避障硬件系统总体框架图2.1障碍物检测系统小车避障硬件系统包括障碍物检测系统和由80c51单片机组成的最小系统。障碍物检测系统是整个小车避障硬件系统前端部分，是比较重要的一部分，不可缺少的。在整个系统中，障碍物检测部分能否准确的检测到小车前进方向的障碍物，对小车的行驶来说是很重要的。如果障碍物检测系统能够准确的检测到小车前进的各个方向上的障碍物，并且及时的反馈给单片机系统，这样的话，单片机系统就能及时的处理所接收到的信号，同时将所处理好的信号传输给步进电机，控制步进电机的转速和转向，从而控制小车避开前进方向所遇到的障碍物。因而障碍物检测系统中传感器的选择是很重要的，传感器选择的好的话，会对设计的结果有很大的帮助。最常见的障碍物的检测方法有红外检测、超声波检测和雷达检测。下面分别对这三种检测方法做详细的分析。2.1.1超声波检测系统可听声波是指振动频率在20Hz20KHz之间的声波，当声波的频率大于20KHz或小于20Hz时，我们就听不见了。超声波是频率高于20000Hz的声波，其方向性好，穿透力强，在医学、军事、工业、农业上有很多重要的应用。在媒介中反射、折射、衍射、散射等的传播规律，超声波与可听声波没有什么本质上的区别。但是由于超声波的频率很高，因而超声波的波长很短，这使得超声波与可听声波有很多不同的地方。超声波有4种不同的效应，分别是机械效应、空化作用、热效应和化学效应。由于超声波有这4种效应，超声波已经广泛应用于实际，主要有3方面的应用，分别是：超声检测、超声处理和基础研究。障碍物检测系统可以用超声波传感器来实现，超声波传感器的优点是：反应速度灵敏，距离远，受外界干扰小，缺点是：对天气变化比较敏感，特别是雷雨天气或大雾天气。但是在本设计当中，并不是要求远距离的测距，而是短距离测障碍物。在小范围内，不同方位传感器发出的超声波经过多次反射后，会互相干扰，从而会对整个硬件系统造成很大的干扰。2.1.2 红外对管检测系统 红外线是众多不可见的太阳光线的一种，又称红外辐射，波长范围是0.76至400微米，所有高于绝对零度的物体都能产生红外线。红外线有热效应，同时又有很强的穿透云雾的能力。正因为红外线有这两种特性，近年来，红外线在军事、人造卫星、工业、卫生和科研方面得到了很广泛的应用。红外线的应用不受时间的限制，白天和晚上对红外线的应用没有什么影响，即使是到了晚上，太阳光都没有了，但是所有的物体都会辐射红外线，因而在晚上，红外线得到了很多的应用，特别是在现在军事上，有很多红外线的新型武器，很多这些新型的武器都是为了能更好的晚上作战而创造的。同时红外线在测距，遥控方面也得到了很广泛的应用，现在市场上已经有很多以红外线为主导技术的传感器，本次毕业设计用到的红外对管就是其中的一分子。红外对管是红外发射管和红外线接收管的合称，是一种利用红外线的开关管，接受管在接受和不接受红外线时电阻发生明显的变化，利用外围电路可以输出明显变化高低电平，单片机能很好的识别这个变化的高低电平，从而就能很好的控制单片机的负载。红外对管的优点是：对近距离的障碍物反应速度灵敏，不同方位的传感器之间信号不会相互干扰，造成误动作。缺点是：近距离检测障碍物时，会受到自然光的干扰，对红外接收管的输出功率有一定的影响。为了解决这个问题，可以在红外接收管之后加上一个功率放大电路，使红外接收管的输出功率增大。2.1.3 雷达检测系统雷达是用电磁波检测物体的电子设备，发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得检测物体的距离，速度的快慢，行走的方向等信息。雷达是英文radar的音译，为Radio Detection And Ranging的缩写。雷达能测量物体的距离、能测量目标的方位和测量物体的速度。由于电磁波是以光速传播，所以测量物体的距离就是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差；测量目标方位是利用天线的尖锐方位波束测量；测量速度是雷达根据自身和目标之间有相对运动产生的频率多普勒效应原理。雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同，两者的差值称为多普勒频率。雷达的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。虽然雷达有很多优点，但是雷达比较昂贵，所以用起来不是很划算。2.1.4检测系统的选择经过前面的讨论，同时结合毕业设计的要求，我发现相比于红外线，超声波的缺点比较明显，特别是近距离检测障碍物时，不同的超声波传感器发出的超声波回互相干扰，最终会影响本设计的结果，而红外对管却没有这方面的缺点，同时，红外线受天气和时间的影响很小，虽然雷达也有很多优点，但是价格比较昂贵，如果选择雷达作为检测系统的话不够经济，所以最终决定选择红外对管作为小车避障硬件系统的障碍物检测系统。2.2由80c51单片机组成的最小系统2.2.1 单片机80c51的简介微处理器用一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器，能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算机的运算控制部分。微处理器包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM,定时器/计数器和多种I/O接口电路。微处理器有体积小，重量轻，容易模块化等优点。80c51就是一款很流行的微处理器。80c51单片机属于MCS-51系列单片机中的一个产品，是由Intel公司开发通用型单片机。它的基本型产品是8051、8031和8071，除片内ROM类型不同外，8051、8031和8071的其他性能完全相同。其结构包括：8位的CPU，片内振荡器及时钟电路，32根I/O线，外部存储器ROM和RAM寻址范围各64KB,2个16位的定时器/计数器，5个中断源和2个中断优先级，全双工串行口，布尔处理器。单片机信号处理能力很强，单片机可以处理很多不同类型的数据信号，如字符型、整型、单精度实型、双精度实型和空类型等，还可以处理数组，指针，列表等，同时单片机能兼容多种语言，其中c语言和汇编就是两种比较常见的单片机的编程语言，但是由于汇编语言没有c语言那样通俗易懂，加上没有c语言的移植能力强，所以现在单片机的编程一般都是用c语言。80c51单片机有很多特殊功能寄存器，包括累加器ACC、乘法寄存器B、程序状态字PSW、堆栈指针SP、数据存储器指针（低8位）DPL、数据存储器指针（高8位）DPH、中断允许控制器IE、中断优先级控制器IP、通道0P0、通道1P1、通道2P2。8051单片机系列指的是MCS-51和其他公司的8051派生产品，这些派生产品是在基本类型上增强了各种功能的产品，如高级语言型、Flash型、A/D型等。目前使用的8051系列单片机都是增强型的单片机，所谓的增强型单片机是指单片机的处理速度跟快，使用具有更大的灵活性。这些增强型的8051系列产品都基于CMOS工艺，因而又称为80c51系列。80c51系列单片机给8位单片机注入了新的活力，为它的开发应用开拓了更广泛的前景。80c51单片机功能强大，大到无人驾驶飞机的导航系统，小到一个数字时钟，都能用它来控制，正因为80c51单片机有如此强大的功能，同时单片机操纵起来有比较简单，所以现在的很多控制系统都是以它为主要的控制芯片。 2.2.2 80c51单片机最小系统的组成单片机最小系统包括电源电路，时钟电路，复位电路和输入输出电路。（1）电源电路任何一个电子器件的运行，都要有电源来驱动，单片机的标准工作电压是5v，要驱动单片机的话，也要在单片机的电源引脚，即引脚40上接上5v的电源，同时还要将引脚20接地。（2）时钟电路时钟是时序的基础，决定单片机的工作速度。单片机有4中基本的时序周期，分别是振荡周期，时钟周期，机器周期和指令周期。振荡周期就是晶振周期，决定着单片机的工作速度；时钟周期又称S周期，为振荡周期的两倍；机器周期包括6个时钟周期；指令周期是指完成一条指令占用的全部时间，其中多数为单指令周期，还有2指令周期和4指令周期，8051单片机的指令周期含1到4个机器周期。时钟的产生有两种方式，即内部方式和外部方式，内部方式是比较常用的连接方式。内部方式：在XTAL1和XTAL2端外接石英晶体作为定时元件，内部放大器自激振荡，产生时钟，电容C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，晶振的振荡频率范围为1.2MHz12MHz，80c51系列单片机一般选择晶振频率为11.0592MHz的晶振，与晶振相接的两个电容一般取530pF，典型值为30pF。内部方式的晶振连接电路图如图2-2所示。图2-2 内部方式外部方式：这种方式常用于多片单片机同时工作，以使各单片机同步。一般要求频率低于12MHz的方波，一般单片机的外部时钟电路的连接方式如图2所示，通过XTAL2接入外部时钟，但是对于CHMOS工艺的单片机，外部时钟要由XTAL1端引入，而XTAL2引脚应该悬空。外部方式的晶振连接电路图如图2-3所示。图2-3 外部方式（3）复位电路RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间应为24个振荡周期以上，所以80c51系列单片机的复位信号至少应持续4s以上，因为80c51单片机的时钟频率是晶振频率的一半，即是6MHz。单片机复位后，程序计数器PC和其他特殊功能寄存器SFR全部清零。单片机的复位方式有上电自动复位和手工复位两种。上电自动复位：顾名思义，接上电源后单片机自动复位，电路不用外加按钮，接上电源后，单片机自动的复位，将程序计数器PC和特殊功能寄存器SFR全部清零。上电复位的工作原理是，通电时电容两端相当于短路，于是RST引脚为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，RST端电压慢慢下降，降到一定程度，即低电平，单片机开始工作。放电二极管D1的作用是加速电容C1放电，二极管D1只有在单片机断电的瞬间正向导通，平时一直处于反向截止状态。上电自动复位的电路连接图如图2-4所示。图2-4 上电自动复位电路手工复位：手动复位原理：在按键没有按下的情况下，整个电路没有通电，电容将电源跟复位引脚RST断开，当按钮按下的瞬间，因为电阻Rk比电阻R大得多，电源跟电阻Rk对电容充电，电容两端变为高电平，单片机复位，按键松开后，电容放电，电容两端的电压慢慢减小，最终变为低电平，这是单片机复位完成。图2-5所示电路为按钮复位电路，图中C=22F，R=200，Rk=1k。图2-5 按钮复位电路（4）输入输出电路输入电路一般是指各种传感器，按钮输入等，输出电路就是单片机所接的负载，一般为单片机所要控制的器件，本设计的输出电路的主要器件是步进电机。由80c51单片机组成的最小系统是整个小车避障硬件系统的最重要的组成部分，单片机对各路传感信号的采集、处理、分析及对各部分整体调整。单片机对从红外接收管那里接收到的信号，进行分析，处理，把得到的结果传送给步进电机，控制步进电机的转速和转向，从而实现小车的避障功能。2.3步进电机的简介步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动，每给步进电机输入一个脉冲信号，步进电机就转相应的角度，不给脉冲信号的话，步进电机就不工作，通过改变输入脉冲信号频率，就能控制步进电机的工作频率，改变脉冲的顺序，就能改变步进电机的转向，步进电机工作所需要的脉冲信号有单片机产生。2.3.1步进电机的分类目前常用的步进电机有三类：反应式步进电机：结构简单，生产成本低，步距角小，动态性能差；永磁式步进电机：出力大，动态性能好，步距角大；混合式步进电机：综合了反应式步进电机和永磁式步进电机的优点，出力大，步距角小，动态性能好。2.3.2 步进电机的结构根据步进电机相数的不同，步进电机可分为四类：二相步进电机、三相步进电机、四相电机和五相步进电机。因为不同相数的步进电机的结构都差不多，下面以三相步进电机为例来描述一下步进电机的结构，下图就是三相步进电机的结构图。图2-6 三相步进电机的结构图如图所示，三相步进电机主要有定子和转子组成，都是由磁性材料构成，定子和转子上各有30个小齿。定子上有六个磁极，定子定子磁极上套有星形连接的三相控制绕组，每两个相对的磁极为一相，组成一相控制绕组,转子上没有绕组，因为该步进电机只有三相绕组，所以称之为三相步进电机。2.3.3 步进电机的工作方式以三相步进电机为例，根据每相通电通电顺序的先后，三相步进电机有三种不同的工作方式：三相单三拍、三相单双六拍和三相双三拍，每种工作方式都有正转和反转两种不同的情况。三相单三拍：步进电机绕组的正向通电方式为：A-B-C-A,反向通电方式为：A-C-B-A;三相单双六拍：步进电机绕组的正向通电方式为：A-AB-B-BC-C-CA-A,反向通电方式为：A-AC-C-CB-B-BA-A;三相双三拍：步进电机绕组的正向通电方式为：AB-BC-CA-AB,反向通电方式为：AB-AC-CB-BA。2.3.4 步进电机的工作原理因为不同的步进电机的工作原理大同小异，因而以三相步进电机为主要的分析对象。步进电机有一个分重要的概念，步距角。步距角是步进电机通过一个电脉冲转子转过的角度，用s来表示。s=360/Zr*N,Zr是转子齿数，N是一个周期运行的拍数。步进电机有三种不同的工作方式，每种工作方式总体上来说是大同小异，但还是有的方面不太一样，下面就来一一分析三种不同的工作方式下步进电机的工作原理。图2-7 C磁极通电的情况下步进电机的工作方式三相单三拍步进电机绕组的通电方式是：A-B-C-A，A相通电时，A磁极的绕组和转子组成闭合回路，产生磁场，使得转子磁化，转子转动，转子的1、3齿和AA磁极对齐；当B相通电时， 转子2、4齿极与BB磁极对齐，相对于A相通电的情况，转子转了30；同理当C相通电时转子1、3齿与CC磁极对齐，如上图所示，转子相对于B相通电的情况，又转了30，所以一个通电周期，转子转了90。在三相单三拍的工作方式中，一个通电的循环周期只有3个脉冲，而且每次只有一相通电，每来一个脉冲，转子转30，这个角度就是此工作方式下的步距脚。步进电机以三相单双六拍的方式工作时，步进电机绕组的通电方式为：A-AB-B-BC-C-CA-A,A相通电时，转子1、3齿和AA磁极对齐，当AB同时通电时，磁极AA对转子1、3齿有拉力，磁极BB对转子2、4齿有拉力，这两个力的相互作用使得转子相当于磁极A通电的情况下，转子转了15，因为步距角为15，一个周期有6个脉冲，所以转子一共转了90，三相双三拍的工作方式跟三相单双六拍的工作方式比较相似，只不过在三相双三拍的工作方式中，每来一个脉冲，步进电机的转子转30，即步距角为30。3 小车避障系统的硬件电路设计前面已经对小车避障的整个硬件系统做了详细的分析，对每部分所要用到的电子器件有了清楚的了解，下面就来对整个系统的进行电路的设计、仿真。电路仿真所用到的软件是proteus，proteus是一种比较热门的硬件电路仿真软件，在电路仿真时经常用到。3.1.硬件仿真软件proteusProteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件，是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。Proteus软件具有其它EDA工具软件的功能。这些功能是： 原理布图 、PCB自动或人工布线 和SPICE电路仿真。Proteus有丰富的器件库，超过27000种元器件，可方便的创建新元件。元件的搜索非常智能，通过模糊的搜索可以快速的定位所需要的元件。连线智能化，自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间。支持总线结构，使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰。Proteus资源丰富，proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库； proteus可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用；除了现实存在的仪器外，proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多；proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。Proteus的仿真效果非常明显，在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化，同时它的元器件、连接线路等和传统的单片机实验硬件高度对应。图3-1 proteus的主界面图3-2 proteus的元件搜索界面图3-3 proteus例程仿真界面3.2障碍物检测系统的电路设计障碍物检测系统最主要的组成部分是红外对管。本次设计一共用到3对红外对管，小车的左右两侧分别装上一对，剩下的一对装在小车的正中间，左右两侧的红外对管分别检测小车前进方向左右两侧的障碍物，中间的红外对管检测小车前方的障碍物。图3-4就是红外发射和接受模块，图中左边的电路为红外发射模块，红外发射模块由红外发射二极管D1、电阻R2组成,采用直流电源供电的方式，减少电源对红外发射二级管的影响；右边为红外接收模块，红外接收模块由红外接收二极管、三极管Q1和Q3、电阻R4、5和6组成，两个三极管组成两级放大电路，将红外接收二极管接收到的信号进行放大，红外接收模块的输出端接单片机的P1.0引脚。图3-4 红外发射接收模块在上图中，左边的电路是红外发射部分，红外发射二极管是电光二极管，右边是红外接收部分，红外接收二极管是光电二极管。红外发射接收原理：系统通电之后，红外发射二极管将电能转换为光能，发射红外线，光电接收二极管接收红外线，将光信号转换为电信号，经过三极管Q1进行第一级放大，放大后的信号送入三极管Q3进行第二级放大，通过Rx就可以得到放大后的红外接收信号，即红外接收模块给单片机输入一个高电平。3.3 单片机最小系统的电路设计图3-5 单片机最小系统 上图就是单片机最小系统的电路连接图，其中XTAL1和XTAL2两个引脚连接的是单片机的时钟电路，在时钟电路中，晶振为11.0592MHz，电容C1、2都是30pF。RST引脚连接的是单片机的复位电路，在复位电路中，R1为100，R2为1K。P2口接的是步进电机，红外接收模块的输出端接在单片机的P1口得P1.0、P1.1和P1.3这三个管脚上。连好如上图所示的电路之后，点击单片机，加入编好的HEX文件，点击proteus主界面的开始仿真按键，就可以进行仿真，仿真时，步进电机就会转过编程控制的角度。图3-6 HEX文件的添加图3-7 HEX文件的添加4软件设计前面已经用proteus软件对硬件电路进行了仿真，接下来就对整个系统进行软件仿真，软件仿真所用的的软件是keil，下面的keil软件和软件设计过程一一进行描述。4.1软件仿真软件keilVision2是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统C语言的语法来开发，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入汇编，您可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。Vision2集成开发环境IDE是一个基于Windows、功能强大的的软件开发平台，Vision2支持8051的所有keil工具，包括C编译器、宏汇编器、链接器/定位器和目标文件至HEX格式的转换器。Keil Cx51支持所有8051的派生产品。Cx51编译器所提供的新的输出文件格式（OMF2），可以直接支持多达16MB的代码空间和数据空间。Cx51编译器是一种支持行Philips 80C51MX体系结构单片机的C51编译器。Cx51编译器通常指的是：C51和Cx51两种编译器。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。Cx51工具包的整体结构，uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。Cx51编译器为适用8051木标而对c编译器进行了改编，因而它不是一种通用的C编译器。Cx51可为8051单片机产生极其快速和简洁的代码，因而它既具有C语言编程的灵活性，又具有汇编语言的代码效率和速度。Keil Cx51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面，生成目标代码的效率非常高，是一种非常实用的软件。Keil软件的优点：人性化的编程界面使得编程变得比较简单；keil支持许多内部函数，内部函数产生再现嵌入代码来完成库函数，在线代码与库函数产生的代码相比，执行速度更快，效率也更高。图4-1 keil的主界面4.2程序流程图开始判断是否有障碍物否是向前走向左拐向右拐左遇到向后退前遇到右遇到图4-2 程序流程图单片机上电复位之后，在单片机的控制下，小车向前行走，在行走的过程中，如果检测到小车的左边有障碍物，小车向右拐，直到小车的左边没有障碍物为止，小车恢复向前行走；如果检测到小车的右边有障碍物，小车向左拐，直到小车的右边没有障碍物为止，小车恢复向前行走；如果检测到小车的左边，右边和前方都有障碍物，小车向后退，直至小车的前方、左边和右边都没有障碍物为止，小车向左拐或向右拐。4.3程序编写在前面已经对整个系统的硬件部分进行了很详细的分析，并在proteus软件上进行了仿真，下面就在keil软件上对整个硬件系统进行软件的仿真。4.3.1单片机硬件描述语言的选择学习单片机之后知道适用于单片机的硬件描述语言有很多，有两种语言是经常用到的，分别是C语言和汇编语言。下面分别对这两种语言做一些简单的介绍。汇编语言：是一种面向机器的程序设计语言，是一种功能很强的程序设计语言，是利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件的语言，汇编语言的长处在于编写高效且需要对机器硬件精确控制的程序。在汇编语合中，用助记符(Memoni)代替操作码，用地址符号(Symbol)或标号(Label)代替地址码。这样用符号代替机器语言的二进制码，就把机器语言变成了汇编语言。于是汇编语言亦称为符号语言。用汇编语言编写的程序，计算机不能直接识别，要通过特定的软件转换成机器语言才能够被计算机识别。汇编语言的优点：能够直接访问与硬件相关的存储器或I/O端口，不受编译器的限制，能最大限度的发挥硬件的功能；缺点：汇编语言比较难懂，不好编写，难于维护，同时开发效率很低。C语言：是一种计算机程序设计语言，既具有高级语言的特点，有具有汇编语言的特点，是一种中级语言。它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。C语言发展非常迅速，成为现在最受欢迎的编程语言之一，是因为c语言的功能很强大。C语言有以下优点：C语言是结构化语言，结构化使得程序层次清晰，便于使用、维护以及调试；C语言功能齐全，具有多种数据类型，使得程序效率更高；C语言有很好的移植性，编好的C语言程序，能很好的下载到不同的芯片，没有兼容性的问题，不需要重新再编写程序。总的来说，就是C语言功能比较强大，又通俗易懂，所以在编程的时候，选择C语言来编程。4.3.2程序编写在硬件电路中，用到了三个红外对管，分别装在小车的左右两边和正中间，红外接收模块的输出端口的接法如下：正中间的红外对管的输出端口接单片机的P1.0引脚，左边的红外对管的输出端口接单片机的P1.1引脚，右边的红外对管的输出端口接单片机的P1.2引脚，小车左轮的步进电机接单片机的P3口，右轮的步进电机接单片机的P2口。在程序中，case语句中的，0 x00代表小车的前面、左边和右边都没有障碍物，0 x01代表小车的前面没有障碍物,0 x02代表小车的左边有障碍物,0 x04代表小车的右边有障碍物,0 x03代表小车的前面和左边有障碍物,0 x05代表小车的前面和右边有障碍物,0 x07代表小车的前面和左右两边都有障碍物，函数turnleft()代表小车向左转，turnright()代表小车向右转，turnback()代表小车向后退，qianzou()代表小车向前走。所编写的程序见附录。5总结上个学期毕业设计选题的时候，因为自己对单片机方面的东西比较感兴趣，所以就选了这个设计，选了这个设计之后，发现原来这个设计并不像自己当初想的那么简单，这个设计当中有很多东西是以前自己没有想到的，完成这个设计要花很多的时间。经过3个月的时间，终于把毕业设计弄完了，在完成这个设计的过程中，遇到了很多困难，为了解决这些困难，除了积极向周围的同学请教之外，自己还在网上查找了很多与设计相关的资料，看了很多与之相关的书籍。完成这个毕业设计，自己真的学到了很多东西，例如对很多电子器件有了更深一层的认识，以前都是学习这些器件理论方面的知识，很少关注到它们的实际应用，同时对单片机的应用更加熟练。总的来说是在毕业设计的过程中，加强了自己专业方面知识的应用。参考文献1 马德俊，张建宏，汤练兵计算机程序设计基础C语言程序设计北京：科学出版社，20062 马忠梅籍顺心张凯马岩单片机的C语言应用程序设计北京：航空航天大学出版社，20083 张永林狄红卫光电子技术北京：高等教育出版社，20104 王庆友光电技术北京：电子工业出版社，20055 Jinghong.DuanDevelopment of Image Processing System Based on DSP and FPGA.Electronic Measureme