超声波避障小车课题报告.doc

超声波避障小车课题报告超声波避障小车课题报告一 课题背景及意义 从我们选题开始，此后的一个月，我们都在紧张的进行着课题的研究。针对超声波传感器，我们决定制作一个超声波避障智能小车。我们通过在网上找资料对超声波避障方面的知识有了进一步的了解。 超声波传感器主要发射高频超声波，在遇到障碍物时发生像光一样的反射和散射，在经过多次发射之后再回到超声波检测端口。但经过多次反射会产生较严重的路程差，从而影响对距离的检测进而影响对障碍物的较准确定位。通过软件内部校准优化可消除外部物理条件造成的误差，从而达到对障碍物的较准确定位。 在这个智能时代，汽车也向着智能化方向发展。超声波作为智能车避障的一种重要手段，其避障实现方便，计算简单，易于做到实时控制，测量精度也能达到实用的要求。相信在未来汽车智能化进程中必将得到广泛应用。二 总体方案设计本超声波避障小车的设计基于单片机原理和传感器原理，以51单片机为主控芯片，采用直流电机为驱动元件，通过软件编程制作了一整套结构完整，功能模块化，反应较为灵敏的超声波避障小车。主要模块：小车车体（万向轮、两轮驱动） 主控模块（STC89C52） 电源模块（KA7805） 电机驱动模块（L298N） 超声波模块（HC-SR04） 各模块连接示意图如下：预期的目标是：（1）在车前方没有障碍物时，小车沿直线向前走。（2）在车前方有障碍物时，小车能避开障碍物，避障方法如下：先向左边转90度，如果前面没有障碍物，再沿直线向前走；如果前面仍有障碍物，则向右转180度，如果前面没有障碍物，则沿直线向前行走；如果前面仍有障碍物，则向右90度，然后直线行。三 各模块方案设计 3.1 小车主体 前轮为两个万向轮，后轮为两个直径约为6cm的车轮。其中，后轮分别由两个直流减速电机控制，小车为后轮驱动，差速转向。 3.2 主控模块 主控系统主要采用STC89C52单片机作为中央处理器，拥有8k字节Flash，512字节RAM,32位I/O口线。其引脚应用情况如下：VCC、GND：KA7805模块（电源）P1.2-P1.6：L298N模块（电机）P1.0：TRIG （超声波模块控制端）；P3.3：ECHO（超声波模块接收端）； 3.3 电源模块电源部分的设计主要采用KA7805芯片，使用7805芯片搭建的电路的优点是简单、实用，并且完全能够满足壁障小车单片机控制系统和L298N芯片的逻辑供电的供电需要。7805芯片有3个引脚，分别为输入IN端、输出OUT端和接地GND端，通常情况下可以提供1.5A的电流，在散热足够的情况下可以提供大于1.5A的电流。7805芯片的输入电压可以为9V、12V、15V不等，输出电压稳定在5V，正负误差不超过0.2V。基于这样的情况再结合电机的工作电压，选取了12电源作为7805的输入电源。 3.4 电机驱动模块 电机驱动部分主要采用一片L298N和主控芯片STC89C52直接相连够成驱动电路。L298N芯片直插式有15个引脚，其中有两个使能端ENA和ENB，两个反馈端SA和SB，四个输入端IN1、IN2、IN3和IN4，四个输出端OUT1、OUT2、OUT3和OUT4，一个接地端GND，一个VSS逻辑电源电压输入端和一个VS功率电源电压输入端(最大承载电压46V，鉴于7805和电机电压，选取12电源供电)。L298N可同时驱动两个电机，最大输出电流为2A，L298N芯片如图。 STC89C52的P1.6端口作为pwm脉冲输出，同时与L298N的两个使能端ENA、ENB相连，达到控制小车速度目的。P12P15端口分别与L298N的引脚IN1、IN2、IN3、IN4相连通过电平变化控制电机在持续高速状态下的转向。L298N的四个输出端直接与两个电机相连驱动电机。 3.5 超声波模块 超声波模块采用现成的超声波模块。主要参数：使用电压：DC-5V 静态电流：小于2mA 电平输出：高5V 电平输出：底0V 感应角度：不大于15度 探测距离：2cm-450cm 探测精度：0.3cm 引脚：1.Vcc：电源端；2.TRIG：控制端；3.ECHO：接收端； 4.GND：电源接地端。 该模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。 基本工作原理：采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号;模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。 测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2。三 问题及解决方案 1、测距时，如何减小车自身在超声波发送与接受时间内小车所有的距离？ 超声波发送与接收所用时间已知，即转化为如何去测量小车速度？ 本组人思考讨论后觉得可实行方案：方案： 系统为了达到小车速的精确测量，采用的是光电码盘设计的方法，基本的原理：当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。为此，将制作好的码盘安装在转轴上，当码盘上扇叶经过时便会产生脉冲信号，送到单片机进行处理并且计算，即可测出小车的速度。测速电路原理图如下图所示编码盘如下图所示：测速码盘思考：通过测量码盘的直径d、转的圈数N与所用时间t即可测量车速 V=Nd/t 测速程序 转速测量程序：测速是否为高电平，如果是就置标志位为1，不是则判断标志位是否为高电平，如果是，标志位清零，脉冲数加1，不是则返回。定时1S储存脉冲数，脉冲数清零，速度计算处理。智能小车两轮同轴上装有一个12个齿的机械齿轮。车轮的周长L可以测得，因为一周有12个齿产生12个脉冲，所以可算得接收到一个脉冲车轮实际走的长度L1=L/12。如果1秒后单片机接收到脉冲的个数为N，就可以计算智能小车行驶了的距离S=N*L1。因为是1秒走过的距离，所以S的值也就等于速度V的值,实现小车转速测量，即：V=S/T=N*L1=N*L/12=N*d/12 方案优点：红外反射式光电传感器RPR220对电机测速，能够快速反应电机轴上码盘的黑白线，从555定时器输出比较完美的方波，通过单片机编写测速程序，与实际值相符。方案缺点：系统整体性能能满足一般小电机的测速，适合于玩具车的，循迹小车的测速，但在大型电机上还有很大要改进的地方。2 如何克服保证输入电压的稳定？ 小车主要采用四节干电池作为电源,所以我们认为只需采用7805芯片对其稳压，稳压电路如下图所示：五 心得及体会在这次的课题中，我们有许多不足之处，开始我们选择传感器就出了很大的失误，然后我们并没有弄懂程序就直接套用，最后导致了我们课题中断，加上复杂的电路图，我们课题才没有在规定的时间内完成，我们从一开始的信心满满到后来的垂头丧气，其中我们的原因很多。但是不足中还是有许多需要表扬的优点，我们花费许多时间去收集资料，然后敢于尝试（虽然失败了），我们遇到问题也敢于自己动手去解决，尽管我们此次课题没有成功，但是我们通过这次课题的研究都学到了很多。通过这次的课题，我们学习到了很多的电子知识，提高了我们对于陌生硬件的学习能力。超声波传感器在此之前我们没有接触过，对我们来说非常的陌生，从一无所知慢慢查资料到能够熟练应用，让我们知道了面对新的硬件应该怎么学习。这次课题还加强了我们们实践动手能力，特别培养了分析问题、解决问题的能力。同时给我们一种模块化的思想，将系统按我们所需的功能和系统所能提供的功能进