測控儀器課程設(shè)計小車智能自動避障系統(tǒng)

1、西安郵電學(xué)院測控儀器課程設(shè)計報告書系部名稱：自動化學(xué)院學(xué)生姓名：專業(yè)名稱：測控技術(shù)與儀器班 級：測控0804時間：2011年9月19日 至 2011 年9月 30日 小車智能自動避障系統(tǒng)一、 設(shè)計要求：以紅外傳感器st188或st178作為小車的測距傳感器，進行障礙物探測。當發(fā)現(xiàn)障礙物時，給出報警信號，自動適當改變行進方向繼續(xù)前行。二、設(shè)計方案分析2.1 方案設(shè)計：該系統(tǒng)中我們設(shè)計一個小車，以stc89c52單片機為主控制芯片，由l298n芯片控制直流電機轉(zhuǎn)動從而使小車向前跑動；通過一個紅外傳感器st188實現(xiàn)小車自動檢測障礙物。系統(tǒng)中主控制器的多個i/o口作為通用i/o口分別連接l298n輸

2、出控制信號、st188輸入信號，蜂鳴器報警。系統(tǒng)硬件總體設(shè)計框圖如圖1所示。st89c52微控制器st188傳感器l298n芯片通用i/o口直流電機轉(zhuǎn)動通用i/o口圖 1 系統(tǒng)硬件框圖2.2背景知識介紹：2.2.1主控制器介紹： 80c51單片機是把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、并行i/o口、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是cpu加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。

3、1 .微處理器該單片機中有一個8位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還可以進行位變量的處理。2 .數(shù)據(jù)存儲器片內(nèi)為128個字節(jié)，片外最多可外擴至64k字節(jié)，用來存儲程序在運行期間的工作變量、運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲器。3. 程序存儲器由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲器的容量不夠，則需用擴展片外的只讀存儲器，片外最多可外擴至64k字節(jié)。4. 中斷系統(tǒng)具有5個中斷源，2級中斷優(yōu)先權(quán)。5. 定時器/計數(shù)器片內(nèi)有2個16位的定時器/計數(shù)器， 具有四種工作

4、方式。6 .串行口1個全雙工的串行口，具有四種工作方式?？捎脕磉M行串行通訊，擴展并行i/o口，甚至與多個單片機相連構(gòu)成多機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且應(yīng)用更廣。7. p1口、p2口、p3口、p4口為4個并行8位i/o口。8 .特殊功能寄存器共有21個，用于對片內(nèi)的個功能的部件進行管理、控制、監(jiān)視。實際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個具有特殊功能的ram區(qū)。由上可見，80c51單片機的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強等特點。2.2.2電機調(diào)速方法方案一：串電阻調(diào)速系統(tǒng)。方案二：靜止可控整流器。簡稱v-m系統(tǒng)。方案三：脈寬調(diào)速系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機拖動直流電動機實現(xiàn)變流，由發(fā)電機

5、給需要調(diào)速的直流電動機供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。改變勵磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動機的轉(zhuǎn)向都隨著改變，所以g-m系統(tǒng)的可逆運行是很容易實現(xiàn)的。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機組，至少包含兩臺與調(diào)速電動機容量相當?shù)男D(zhuǎn)電機，還要一臺勵磁發(fā)電機，設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、維護不方便等缺點。且技術(shù)落后，因此擱置不用。v-m系統(tǒng)是當今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，可實現(xiàn)平滑調(diào)速。v-m系統(tǒng)的缺點是晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。它的另一個缺點是運行條件要求高，維護運行麻煩。最

6、后，當系統(tǒng)處于低速運行時，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流危害附近的用電設(shè)備。采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開關(guān)狀態(tài)。當晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時，電源電壓加到電動機上，當晶閘管關(guān)斷時，直流電源與電動機斷開，電動機經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation），簡稱pwm。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時間，即通過改變脈沖寬度來進行直流調(diào)速。與v-m系統(tǒng)相比，pwm調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點：（1）由于pwm調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)

7、，系統(tǒng)的低速運行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達1：10000左右。由于電流波形比v-m系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動機的損耗和發(fā)熱都比較小。（2）同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力強。（3）由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。根據(jù)以上綜合比較，以及本設(shè)計中受控電機的容量和直流電機調(diào)速的發(fā)展方向，本設(shè)計采用了h型單極型可逆pwm變換器進行調(diào)速。脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱pwm變換器。脈寬調(diào)速也可通過單片機控制繼電器的閉合來實現(xiàn)，但是驅(qū)動能力有限。為順利實現(xiàn)電動小汽車的前行與倒車，本設(shè)計

8、采用了可逆pwm變換器?？赡鎝wm變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有h型、t型等類型。我們在設(shè)計中采用了常用的雙極式h型變換器，它是由4個三極電力晶體管和4各續(xù)流二極管組成的橋式電路。三、硬件設(shè)計：3.1總體設(shè)計智能小車采用雙輪同時驅(qū)動，左右輪兩邊各用一個電機，控制兩個輪子的轉(zhuǎn)速起停從而達到避障的目的。將紅外傳感器分別裝在車體上面主板的前方中間位置。當其檢測到障礙物時，主控芯片給出信號報警（蜂鳴器響或綠燈亮）并控制車子減速停止倒退轉(zhuǎn)向直走加速，從而避開障礙物實現(xiàn)小車自動避障功能的實現(xiàn)。系統(tǒng)硬件電路主要分為：主控制器（51單片機），電機驅(qū)動模塊，信號檢測模塊。3.2單片機最小系統(tǒng)控制模塊設(shè)計方案一：采用ms

9、p430系列的16位單片機，它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動能力強、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、具有語音處理、運算速度快等優(yōu)點，但考慮到我們小組對這個方案采用的微處理器并不熟悉，使用起來并不是很方便。因此我們決定不再使用此方案，考慮其他方案。方案二：采用stc51單片機控制。stc51單片機是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有 8kb的系統(tǒng)可編程flash 存儲器。at89s52具有以下標準功能： 8k字節(jié)flash，256字節(jié)ram， 32 位i/o 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時鐘電路，能夠

10、滿足題目設(shè)計的所有要求，而且我們對stc51單片機也比較熟悉，因此我們選擇方案二。最小系統(tǒng)電路圖如圖3.1所示圖3.1 單片機最小系統(tǒng)3.3電機驅(qū)動模塊方案一：采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制,通過開關(guān)的切換對小車的速度進行調(diào)整.此方案的優(yōu)點是電路較為簡單,缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。方案二：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)節(jié)電動機的分壓，從而達到分壓的目的。但電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般的電動機電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實現(xiàn)很困難。方案三：采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅(qū)動的

11、電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，加速能力強，采用由達林頓管組成的 h型橋式電路。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高，h型橋式電路保證了簡單的實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也極強，是一種廣泛采用的 pwm調(diào)速技術(shù)?，F(xiàn)市面上有很多此種芯片，我們選用了l298n(如圖3.2)。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。電機驅(qū)動一般采用h橋式驅(qū)動電路，l29

12、8n內(nèi)部集成了h橋式驅(qū)動電路，從而可以采用l298n電路來驅(qū)動電機。通過單片機給予l298n電路pwm信號來控制小車的速度，起停。其引腳圖如3.2，驅(qū)動原理圖如圖3.3。圖3.2 l298n引腳圖 圖3.3 電機驅(qū)動電路3.4信號檢測模塊該系統(tǒng)中的信號檢測模塊我們采用的是st188傳感器。st188是一個無限紅外模塊，它有一個發(fā)射管（白色）和一個接收管（黑色），一般情況下接收管能收到發(fā)射管發(fā)送的紅外光，但當遇到吸光介質(zhì)（如黑色物體）時接收管便不能收到發(fā)射管的紅外光。由于這種現(xiàn)象，加上合適的硬件電路（下圖3.4），我們可以引出一條信號線，當一切正常時，信號線處于一種狀態(tài)，但當遇到吸光介質(zhì)時信號線

13、便處于另一種狀態(tài)，利用這種不同狀態(tài)的差異我們便可以通過微控制器來實現(xiàn)小車躲避障礙物。圖3.4是該系統(tǒng)中st188應(yīng)用電路圖。圖 2.4 st188應(yīng)用電路圖實際硬件中我們可以通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的r5電阻值來選取理想的反射距離，從而提高st188傳感器的靈敏度。四、軟件設(shè)計：主程序流程圖如下： 上電運行后，放到?jīng)]有障礙物的空地上，小車直走。當前方?jīng)]有障礙物的的時候車就一直直走。如果前方遇到障礙物，則小車做左轉(zhuǎn)運動。直至前方?jīng)]有障礙物，這時小車恢復(fù)直走。 如果前方有障礙物的時候，左邊同時也有障礙物，則小車右轉(zhuǎn)。直至左邊沒有障礙物或者前方?jīng)]有障礙物。這時小車恢復(fù)左轉(zhuǎn)，或者直走。如果前面沒有障礙物，則

14、先執(zhí)行直走。五、測試數(shù)據(jù)及設(shè)計結(jié)果：本設(shè)計制作完成了題目要求的基本部分，達到了預(yù)期的目標。我們通過各種方案的討論及嘗試，再經(jīng)過多次的整體軟硬件結(jié)合的調(diào)試，不斷地對系統(tǒng)進行優(yōu)化，小車實現(xiàn)了避障功能。圖5.1為主體電路實物圖，圖5.2為智能避障小車實物圖。 圖5.1 主體電路實物圖 圖5.2 智能避障小車實物圖附錄 小車智能自動避障系統(tǒng)電路原理圖 由于無法實際仿真障礙物的存在，我們采用開關(guān)進行模擬，當p2.0口的開關(guān)打開，表示st188檢測到障礙物的存在，進行直流電機的控制。附錄：程序代碼#include #include #define uchar unsigned char #define u

15、int unsigned int sbiten1=p16;/左電機使能端sbiten2=p17;/右電機使能端 sbitin1_1=p10;/l298_1的input 1 *左* sbitin1_2=p11;/l298_1的input 2 sbitin2_1=p12;/l298_2的input 1 *右* sbitin2_2=p13;/l298_2的input 2 sbitsign=p27;/主傳感器信號sbit beep=p20;sbit deng=p26;ucharnum=0;/ pwm調(diào)速中斷計數(shù)器 ucharpwm_left=30;/ 電機速度值 參數(shù)：0100 ucharpwm_ri

16、ght=30;ucharq=0;voidrun_1();voidgo();/前進voidback();/后退voidstop();/停止voidleft();/微調(diào)左voidright();/微調(diào)右voidleft_90();/左轉(zhuǎn)90voidright_90();/右轉(zhuǎn)90voidinit();/終端初始化，定時器初始化voiddus(uchar);/小延時voiddelay(uint); /大延時voidtimer0();void xiang();/*/void go()/前進in1_1=1;in1_2=0;in2_1=1;in2_2=0;void back()/后退in1_1=0;in1

17、_2=1;in2_1=0;in2_2=1;void stop() /停止in1_1=0;in1_2=0;in2_1=0;in2_2=0;void left() /微調(diào)左in1_1=0;in1_2=1;in2_1=1;in2_2=0; dus(100);/更改參數(shù)可調(diào)節(jié)角度void right()/微調(diào)右 in1_1=1;in1_2=0;in2_1=0;in2_2=1;dus(100);/更改參數(shù)可調(diào)節(jié)角度void left_90() /左90in1_1=0;in1_2=0;in2_1=1;in2_2=0;delay(80);/更改參數(shù)可調(diào)節(jié)角度void right_90() /右90in1_1

18、=0;in1_2=0;in2_1=0;in2_2=1;delay(80);/更改參數(shù)可調(diào)節(jié)角度void delay2(uint z)uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);/*中斷初始化*/void init()tmod=0x22; / 設(shè)定t0和t1的工作模式為2 th0=0x9b; / 裝入定時器的初值 tl0=0x9b;ea=1; / 開中斷 et0=1; / 定時器0允許中斷tr0=1; /*大延時，其中夾雜小判斷函數(shù)，這樣可以實現(xiàn)類似掃描的功能*/void delay(uint i)/大延時uint j; for(;i0;i-)for(j=0;j0;s-);/*定時器中斷函數(shù)：用于產(chǎn)生pwm信號*/void timer0() interrupt 1 /* t0中斷服務(wù)程序 */ if(numpwm_right) en1=1;else en1=0;/* 產(chǎn)生電機1的pwm信號 */ if(num=100) num=0;/* 1個pwm信號由100次中斷產(chǎn)生 */ /*避障函數(shù)*/v