超声波避障小车设计新

辽宁工程技术大学 控制电机综合训练项目项 目 名 称 超声波避障小车组 别 第十组专 业 班 级 测控14-1，2，3班院（系、部） 电气与控制工程学院姓 名 学 号 王娜 武艳秋 郝怡 齐旭 马雨薇 胡玉婷 日 期 2016年5月8日 超声波避障小车摘 要80C51单片机是一款八位单片机，他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。这里介绍的是如何用80C51单片机来实现控制电机综合训练项目，该综合训练项目是结合科研项目而确定的设计类课题。本系统以设计题目的要求为目的，采用80C51单片机为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，以及红外接收管的应用。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。采用的技术主要有：传感器的有效应用，红外接收管的应用。关键词 ：80C51单片机；电动小车；超声波传感器Ultrasonic obstacle avoidance vehicleAbstract80C51 is a 8 bit single chip computer.Its easily useing and multi-function suffer large users. This article introduce the control electric machine design with the 80C51 single chip copmuter.This design combines with scientific research object. This system regard the request of the topic, adopting 80C51 for controling core,super sonic sensor for test the hinder. The electric circuit construction of whole system is simple, the function is dependable. Experiment test result satisfy the request, this text emphasizes introduced the hardware system designs and the result analyse.The adoption of technique as:efficient application of the sensor;.Keywords ：80C51 single chip computer；light electricity detector； electric wheeled machine目 录第一章 前言1第二章 方案设计与论证5（一）检测系统5（二）系统原理图5（一）80C51单片机硬件结构6（二）最小应用系统设计7（二）前向通道设计9（一）主程序设计13（二）避障子程序设计18第五章 测试数据、测试结果分析及结论27致 谢28参 考 文 献29第一章 前言随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。故本设计是在这样的背景下提出的。本题目是结合实际而确定的设计类课题。设计的智能电动小车具有避障功能。根据题目的要求，确定如下方案：在现有电动车模型的基础上，应用超声波传感器，实现对电动车的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，此外，红外接收管根据光线再利用分压原理改变转速。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。本设计采用MCS-51系列中的80C51单片机。以80C51为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障。80C51是一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。下面就简要的介绍一下单片机及其典型应用方式： “单片机”一词是Single-Chip Microcomputer较准确的译法，但最能准确反映单片机设计思想并且具有技术眼光的词汇是Microcomputer（微处理器）。之所以出现了Sigle-chip Microcomputer一词，实在是因为早期，甚至到MCS-51时期，单片机准确地体现了Sigle-chip Microcomputer的形态和内容。然而发展到MCS-96，发展到新一代80C51M68HC05M68HC11系列单片机时，在单片机中着力扩展了各种控制功能。如A/DPWMPCA计数器捕获/比较逻辑高速I/O口WDT等，已突破了Microcomputer的传统内容，朝Microcomputer的内涵发展。因此，目前已到了该给单片机正名的时候了，国外已逐渐统一成Microcomputer。(1)从最初的单片机发展到如今的新一代单片机。大致经历了三个年代。如以Intel8位单片机为例，这三个年代划大致是：第一代：以1976年推出的MCS-48系列为代表，其主要的技术特征是将CPU和计算机外围电路集成到了一个芯片上，作为与通用 CPU分道扬镳构成新型工业微控制器取得了成功，为单片机的进一步发展开辟了成功之路。第二代：以MCS-51的80518052为代表，其主要的技术特征是为片机配置了完善的外部并行总线（ABDBCB）和具有多机识别功能的串行通讯接口（UART）,规范了功能单元的SFR控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统，为发展具有良好的兼容性的新一代单片机奠定了良好的基础。无论是第一代还是第二代单片机都还未突破单片计算机的内涵。第三代：以80C51系列为代表，它包括了Intel公司发展MCS-51系列的一代产品，如8C15280C51FA/FB80C51GA/GB8C4518C452,还包括了PhilipsSiemensADMFujutsuOKIHarria-MetraATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色与80C51兼容的单片机。新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以实现Microcomputer完善的控制功能为己任，将一些外部接口功能单元如A/DPWMPCA(可编程计数器阵列)WDT(监视定时器)高速I/O口计数器的捕获比较逻辑等。这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。Philips公司还为这一代单片机80C51系列8C592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线-CAN(Controller Area Network BUS).新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础。Microcontroller并没有过分强调“单片”，因为向单片形式发展是一切先进电子系统都在追求的理想，并不为单片机所专有。单片机的应用方式随对象、环境、规模不同而大相径庭，不必独崇一宗。按照所使用单片机的类型不同，单片机应用系统结构可分成总线方式和非总线方式。总线方式的应用系统中，单片机都具有完善的外部扩展总线，如并行三总线（AB、DB、CB）、串行通讯总线（如UART）,通过这些总线可方便地扩展外围单元、外设接口等。采用总线方式的应用系统多属复杂的工控系统、智能仪表、监测系统，或满足这些应用系统而构成的多机与网络系统。非总线方式的应用系统省去了外部并行总线，可构成各种小封装芯片，有限的引脚可提供更多的用户I/O口，可使应用系统的芯片数量最少。非总线方式的应用系统多属小型控制器、测控单元、单元仪表等。2总线方式的单片机在不使用外部并行总线时，外部并行总线引脚可作为I/O口用。在掩摸用户程序时，还可要求将这些I/O口改造成具有各种驱动能力的I/O口。3本设计就采用了比较先进的80C51为控制核心，80C51采用CHOMS工艺，功耗很低，易控制。29超声波避障小车成品图第二章 方案设计与论证 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，加装超声波模块和红外接收管，实现对电动车的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。（一）检测系统检测系统主要实现超声波测距及红外接收管的应用，且利用超声波传感器模块对电动车的避障。（二）系统原理图电动车采用80C51单片机进行智能控制。开始由手动启动小车，并复位，当经过障碍物时，由超声波传感器检测，通过单片机控制小车避障；系统的自动避障功能通过超声波传感器正前方检测由单片机控制实现。系统原理图如图2.4所示：图2.4 系统原理图第三章 硬件设计一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROMRAMI/O口定时/记数器中断系统等能量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器A/DD/A转换器等，要设计合适的接口电路。（一）80C51单片机硬件结构80C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。41 微处理器该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。2 数据存储器片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。3 程序存储器由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。4 中断系统具有5个中断源，2级中断优先权。5 定时器/计数器片内有2个16位的定时器/计数器， 具有四种工作方式。6 串行口1个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。7 P1口、P2口、P3口、P4口为4个并行8位I/O口。8 特殊功能寄存器共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。由上可见，80C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。（二）最小应用系统设计80C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单可靠。用80C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图3.1 80C51单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点：（1）有可供用户使用的大量I/O口线。（2）内部存储器容量有限。（3）应用系统开发具有特殊性。图3.1 80C51单片机最小系统 80C51 1、时钟电路80C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。80C51单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值，但在60pF到70pF时振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中，振荡晶体选择6MHZ,电容选择65pF.在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。2、复位电路80C51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路如图3.2 80C51复位电路所示。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。时钟频率用6MHZ时C取22uF,R取1K。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。按键手动复位电路见下图。时钟频率选用6MHZ时，C取22uF,Rs取200，RK取1K。图3.2 80C51复位电路 80C51 （二）前向通道设计 单片机用与测控系统时，总要有与被测对象相联系的前向通道。因此，前向通道设计与被测对象的状态、特征、所处环境密切相关。在前向通道设计时要考虑到传感器或敏感元件选择、通道结构、信号调节、电源配置、抗干扰设计等。在通道电路设计中还涉及到模拟电路诸多问题。1前向通道的含义当将单片机用作测控系统时，系统中总要有被测信号输入通道，有计算机拾取必要的输入信息。作为测试系统，对被测对象拾取必要的原始参量信号是系统的核心任务，对控制系统来说，对被控对象状态的测试以及对控制条件的监测也是不可缺少的环节。对被测对象状态的测试一般都离不开传感器或敏感元件，这是因为被测对象的状态参数常常是一些非电物理量，如温度、压力、载荷、位移等，而计算机是一个数字电路系统。因此，在前向通道中，传感器、敏感元件及其相关电路占有重要地位。对被测对象的信号的拾取其主要任务就是最忠实地反映被测对象的真实状态，它包括实时性与测量精度。同时使这些测量信号能满足计算机输入接口的电平要求。因此，单片机应用系统中的前向通道体现了被测对象与系统相互联系的信号输入通道，原始参数输入通道。由于在该通道中主要是传感器与传感器有关的信号调节、变换电路，故也可称为传感器接口通道。在单片机应用系统中，对信号输入、传感、变换应作广义理解，例如开关量的检测及信号输入，在单片机的各种应用系统中有着广泛的应用。最简单的开关量输入通道就是一个具有TTL电平的状态开关，如水银温度触点、温度晶闸管、时间继电器、限位开关等。故只要反映外界状态的信号输入通道都可称为前向通道。 并不是所有单片机应用系统都有前向通道，例如时序控制系统，只根据系统内部的时间序列来控制外部的运行状态；分布式测控系统中的智能控制总站完成上级主计算机与现场测、控子站计算机之间的指令、数据传送。这些应用系统没有被测对象，故不需要前向通道。2前向通道的设计（1）传感器的比较识别障碍的首要问题是传感器的选择，下面对几种传感器的优缺点进行说明（见表3.1）。探测障碍的最简单的方法是使用超声波传感器，它是利用向目标发射超声波脉冲，计算其往返时间来判定距离的。该方法被广泛应用于移动机器人的研究上。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。不过在ITS系统中除了上文提出的场景限制外，还有以下问题。首先因其只能在10m以内有效使用，所以并不适合ITS系统。另外超声波传感器的工作原理基于声，即使可以使之测达100m远，但其更新频率为2Hz，而且还有可能在传输中受到它信号的干扰，所以在CW/ICC系统中使用是不实际的。表3.1 传感器性能比较 传感器类型优 点缺 点超声波视觉激光雷达MMW雷达价格合理，夜间不受影响。易于多目标测量和分类，分辨率好。价格相合理，夜间不受影响不受灯光、天气影响。测量范围小，对天气变化敏感。不能直接测量距离，算法复杂，处理速度慢。对水、灰尘、灯光敏感。价格贵视觉传感器在CW系统中使用得非常广泛。其优点是尺寸小，价格合理，在一定的宽度和视觉域内可以测量定多个目标，并且可以利用测量的图像根据外形和大小对目标进行分类。但是算法复杂，处理速度慢。雷达传感器在军事和航空领域已经使用了几十年。主要优点是可以鲁棒地探测到障碍而不受天气或灯光条件限制。近十年来随着尺寸及价格的降低，在汽车行业开始被使用。但是仍存在性价比的问题。（2）超声波障碍检测超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，结合不同的电路，可以制成超声波仪器及装置，在通讯、医疗及家电中获得广泛应用。作为超声波传感器的材料，主要为压电晶体。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，故它分为发送器和接收器。超声波传感器有透射型、反射型两种类型，常用于防盗报警器、接近开关、测距及材料探伤、测厚等。4本设计采用T/R-40-12小型超声波传感器作为探测前方障碍物体的检测元件，其中心频率为40Hz，由80C51发出的40KHz脉冲信号驱动超声波传感器发送器发出40KHz的脉冲超声波，如电动车前方遇到有障碍物时，此超声波信号被障碍物反射回来，由接收器接收，经LM318两级放大，再经带有锁相环的音频解码芯片LM567解码，当LM567的输入信号大于25mV时，输出端由高电平变为低电平，送80C51单片机处理。超声波检测如图3.3超声波检测电路所示：图 3.3 超声波检测电路 第四章 软件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。模块程序设计法的主要优点是：1.单个模块比起一个完整的程序易编写及调试；2.模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用；3.模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。本系统软件采用模块化结构，由主程序定时子程序、避障子程序中断子程序算法子程序构成。（一）主程序设计 主程序清单如下：limiw equ 30h ;厘米位 miao equ 31h ;秒位 fenmi equ 32h ;分米位 fmiao equ 33h ;分秒位 meter equ 34h ;米位 fenzh equ 35h ;分位 point equ 36h ;小数点位 shimi equ 37h ;十米位 shifn equ 38h ;十分位 sudu equ 39h ;速度控制 jishk equ 3ah ;记时开始 zhond equ 3bh zhodu equ 3ch zhon equ 3eh maicho equ 3fh jinweb equ 40h bhcs equ 41h dpan equ 42h fenchu equ 43h fencun equ 44h pand equ 45h fenmc equ 51h org 0000h ajmp main org 000bh ajmp st0 org 001bh ajmp st1 org 0100h main: mov limiw,#00h mov miao,#00h mov fenmi,#00h mov fmiao,#00h mov meter,#00h mov fenzh,#00h mov point,#0bh mov shimi,#00h mov shifn,#00h mov jishk,#00h mov zhond,#00h mov zhodu,#00h mov zhon,#00h mov maicho,#00h mov jinweb,#03h mov bhcs,#00h mov sp,#6fh mov tmod,#21h mov th0,#3ch mov tl0,#0b0h mov th1,#9ch mov tl1,#9ch setb ea setb et0 setb et1 mov p1,#0aah acall xianshi软件流程如图4.1流程图所示：开关是否按下 若无障碍是否有障碍是否有光源初 始 化正常行驶停车高速行驶计时开始计里程开始转向躲避驶向光源直行否是否是否遇到障碍线是是否是否是否 是 否 是否 是否 图4.1 流程图 （二）避障子程序设计程序清单如下：#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int/定义超声波传感器及直流电机引脚接口sbit TRIG = P10 ;sbit ECHO = P11 ;sbit in1 = P14;sbit in2 = P15;sbit in3 = P16;sbit in4 = P17; sbit in5 = P20;sbit in6 = P21;sbit in7 = P22;sbit in8 = P23;uchar n,count,angle,left,right; /距离标志位，0.5ms次数，角度标识float S; /距离变量void DelayUs2x(uchar t) while(-t);void DelayMs(uchar t)while(t-) /大致延时1mS DelayUs2x(245); DelayUs2x(245); void go () in1=1; in2=0; in3=1; in4=0; in5=1; in6=0; in7=1; in8=0; void back () in1=0; in2=1; in3=0; in4=1; in5=0; in6=1; in7=0; in8=1; void turnleft () in1=0; in2=1; in3=1; in4=0; in5=0; in6=1; in7=1; in8=0; void turnright () in1=1; in2=0; in3=0; in4=1; in5=1; in6=0; in7=0; in8=1; void stop() in1=0; in2=0; in3=0; in4=0; in5=0; in6=0; in7=0; in8=0; /*- 定时器0初始化-*/void TIM0init(void) TMOD=0x11; /定时器1工作方式1 (超声波) TH1=0x00; TL1=0x00; TH0=0xff; TL0=0xa3; /11.0592MHz晶振，0.5ms ET1=1; ET0=1; EA=1; TR0=1; /定时器开始 IE=0x82; void chaoshengbo () TRIG=1; /触发信号是高电平脉冲，宽度大于10us DelayUs2x(10); TRIG=0; while(!ECHO); /等待高电平 TR1=1; while(ECHO); /等待低电平 TR1=0; S=TH1*256+TL1;/取出定时器值高8位和低8位合并 S=S/58; /为什么除以58等于厘米， Y米=（X秒*344）/2 / X秒=（ 2*Y米）/344 - X秒=0.0058*Y米 - 厘米=微秒/58 if(S=65) n=1; if(S65) n=0; TH1=0; TL1=0; /清除定时器0寄存器中的值 /*- 主函数-*/void main() TMOD=0X20;TH1=0XFD;TL1=0XFD;TR1=1;REN=1;SM0=0;SM1=1;EA=1;ES=1; count=0; TIM0init(); /初始化定时器 while(1) chaoshengbo(); DelayMs(20); if(n=1) go(); else stop(); turnright(); DelayMs(400); /*- 定时器中断子程序-*/void Time0_0