基于arduino单片机的智能小车设计学士学位论文

基于arduino单片机的智能小车设计学士学位论文内容摘要：

的大概行驶距离，根据单位时间内的计数值，也可求得转速。 单片机通过分别对两个轮子的转速值，进行比较，即可判断出左、右轮的转速快慢程度。 图 轮子结构 为实现可逆记数功能，我们在测距仪中并列放置了两个槽型光电耦合器，遮光盘先后通过凹槽可产生两个脉冲信号。 根据两个脉冲信号发生的先后顺序与两个光电耦合器的位置关系，即可计算出玩具车的行驶方向（前进或后退）。 遮光盘及槽型光电耦合器均安装在不透光的盒子里，以避免外界光线的干扰，使电路不能正常工作。 图 实际电路 板 遮光 盘 正面 背面 直射型光电晶体管 江海职业技术学院学位论文 第 10 页 测距原理：将 遮光 码盘 安装在电机轴上，当电机转动时， 遮光 码盘 也随之转动，同时安装在 码盘 一侧的红外发光二极管点亮，在 码盘 的另一侧设有红外三极管，用于接收红外发光二极管发出的红外线信号。 由于光栅随电机高速转动，则红外线三极管接收到的就是一系列脉冲信号。 将该信号传输到单片机的内部计数器计数，根据预先实测的数据换算关系即可计算出电动机车的行车距离。 具体电路同图 行车距离检测电路所示： 图 码盘 检测电路 为了避免在变换状态时产生“毛刺”， 整形电路 是利用运放设计了“施密特”电路，用回差消除之。 之所以用运放，而不是直接使用施密特触发器，是因为这样可以方便的改变回差大小。 电机电流、电压检测 电流检测电路： 江海职业技术学院学位论文 第 11 页 图 电流 检测电路 电流的取样电阻为 欧姆（见 H 桥驱动电路的 R5），按上图参数，放大倍数 11 倍，电机电流最大 左右，所以实际的输出信号应在 0 – ，如使用 供电的单片机，其 AD 输入范围为 0 ‐ ，考虑电机的电流偏差和器件的偏差，留些余量。 电路中 C2作用是减小电机电流波动的影响，是针对 125Hz 的 PWM频率设计的，如提高 PWM 的频率，此参数应该相应修改。 本设计中未采用，简述之。 电压检测电路： 江海职业技术学院学位论文 第 12 页 图 电压 检测电路 电压采用简单的分压处理，设计了一个跟随器以减少 AD 输入阻抗对分压的影响。 电池的电压应在 4– 6V， 分压后为 2– 3V，符合 AD 输入不大于 的要求。 本设计中未采用，简述之。 超声波测距 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如 测距仪 和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。 利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。 为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。 超声波测距 原理 超声波发生器 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。 总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机江海职业技术学院学位论文 第 13 页 械方式产生超声波。 电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔 统笛、液哨和气流旋笛等。 它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。 目前较为常用的是压电式超声波 发生器。 压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。 超声波发生器内部结构如图 1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。 当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。 反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 超声波测距原理 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到 障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。 超声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据 计时器 记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离 (s)，即： s=340t/2。 这就是所谓的 时间差 测距法。 超声波测距的原理是利用超声波 在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。 由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。 测距的公式表示为： L=CT 式中 L为测量的距离长度； C为超声波在空气中的传播速度； T为测量距离传播的时间差 (T为发射到接收时间数值的一半 )。 超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的 距离测量 ，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。 由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。 在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距 专用集成电路 都是只有厘米级的测量精度。 通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以江海职业技术学院学位论文 第 14 页 及用 LM92 温度传感器进行声 波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。 超声波传感器简介 本毕业设计超声波传感器为外购件，其硬件原理仅作简要说明： 图 超声波 检测 原理 电路 框图中，单片机为核心控制部分，根据设定的工作方式，产生 40kHz 方波，经过驱动电路驱动超声波发生器发出一簇信号。 单片机此时开始计时。 接收回路为谐振回路，将收到的微弱回波信号检出，送信号放大电路放大，收到产生脉冲输出送单片机中断端，单片机收到中断信号后停止计时，计算出距离值，保存等待读出或直接经 UART 送出。 接收过程中，单片机定时控制放大电路的增益，逐渐提高，以适应距离越远越弱的回波信号。 超声波传感器接口说明 核心器件为 STC12LE405 TL85 16mm 超声波收、发器。 采用 5V供电，因为 5V 是最常见的工作电压，便于日后将传感器应用于装置中。 为了减小干扰，选用了 供电的单片机，使用目前常用的 三端稳压器将 5V降到 ，减小电源扰动的影响，增加可靠性。 江海职业技术学院学位论文 第 15 页 小车利用超声波传感器测距，测量值采用的是小车主控芯片与该智能传感器串行通讯获得，以下为 串行通讯的有关协议、命令说明。 传感器的工作由通讯命令控制，上电状态为待命状态。 工作分为“自动测量”和“单轮测量”两种模式。 “自动测量”时，传感器按一定周期自动完成测量过程，并保存测量数据。 “自动测量”又分为“被动数据返回”和“主动数据返回”两种方式。 “被动数据返回”方式下，传感器只将测量结果保存下来，等待系统读取。 “主动数据返回”方式下，传感器每完成一次测量均立即将数据发送给系统。 “自动测量”可以设置测量周期。 “单轮测量”为接收到命令后开始测量，并返回数据，测量命令可设置测量次数 、数据处理方式，传感器按要求返回，增加测量的可靠性。 通讯协议及命令定义： 基本通讯格式：（和圆梦小车及无线接口兼容） 标准 UART 格式 —— 19200 8 N 1 帧格式： 帧头（ 2 字节） 接收方地址（ 1 字节） 发送方地址（ 1 字节） 帧长（ 1字节） 命令（ 1 字节） 数据域（ N 字节） 校验和（ 1 字节） 其中： 帧头 —— 由 2 个特殊的字节 0x55 0xAA 构成； 江海职业技术学院学位论文 第 16 页 接收方地址 —— 通讯对象的“名字”，在有线通讯时也许多余，但无线时就需要了。 发送方地址 —— 告诉接收方，便于接收方回答。 帧长 —— 命令和数据域字节之和， 命令 —— 说明操作内容，详见下面的定义 数据域 —— 与命令配合，表达一个完整的含义。 校验和 —— 从命令开始到数据域结束所有字节的算术和，取最低字节的反码。 命令定义： 为了便于调试，保留小车中设计的读写内存命令。 — 命令一 ：读内存，实现读指定地址开始的 N 个字节，地址用两字节表示。 命令字 —— 0x01 数据域 —— 低地址（ 1 字节） 高地址（ 1 字节） 读字节数（ 1字节） 地址与硬件的对应关系： 0x0000 — 0x00FF —— 对应 STC12LE4052 的 256字节内部 RAM（ idata）； 0x0100 — 0x7FFF —— 保留，为大 RAM 的单片机预留； 0x7F80 — 0x7FFF —— 对应 STC12LE2052 的 128 字节 SFR； 0x8000 — 0x87FF —— 对应 STC12LE2052 的 2K FlashROM（ Code）； 0x8700 — 0xFFFF —— 保留，为大 ROM 的单片机预留； 例：要读地址 0x56 起始的 3字节内部 RAM 数据，命令帧如下： 江海职业技术学院学位论文 第 17 页 0x55 0xAA XX XX 0x04 0x01 0x56 0x00 0x03 0xA5 返回数据帧为 : 帧头 发送方地址 自己的地址 帧长 命令 低地址 高地址 读字节数 N字节数据 校验和 返回帧中将命令及附属信息（地址、读字节数 ）包含在内，虽然有些冗余，但保证了信息 的完备性，不需要接收时还要查找原来读的是什么。 为通讯需求日渐复杂提供方便。 — 命令二：写内存，实现写指定地址开始的 N 个字节，地址用两字节表示。 命令字 —— 0x02 数据域 —— 低地址（ 1 字节） 高地址（ 1 字节） 写字节数（ 1字节）数据（ N 字节） 其地址与硬件的关系与读命令相同。 返回数据帧为： 帧头 发送方地址 自己的地址 帧长 命令 低地址 高地址 写成功字节数 校验和 通过“写成功字节数”来告之发送方是否写成功，如果为“ 0”，表示写操作失败。 — 命令三：设置工作模式，设置测量模式，并启动测量。 命令字 —— 0x03 数据域 —— 工作模式（ 1字节） 工作参数（ 1 字节） 江海职业技术学院学位论文 第 18 页 其中： 工作模式 —— 高 4位为主模式， 低 4位为子模式； 工作参数 —— 与工作模式对应，自动测量时为测量周期，单位 10ms；单轮测量时为测量的次数，暂定最多为 8次。 返回数据帧为： 帧头 发送方地址 自己的地址 帧长 命令 测量数据 校验和 对于自动模式，测量数据返回一个字节“ 0”，说明 OK。 对于单轮测量模式，测量数据为工作模式中所要求的数据。 自动模式对应的子模式： a) 自动数据返回 —— 每测完一个数据都返回，命令位置返回工作模式； b) 被动数据返回 —— 内部只是测量、保存数据，等待读数据命令读回，读数 据命令实际 上只对自动模式的被动数据返回有效。 单轮测量对应的子模式：。