基于单片机的电动智能超声波避障小车设计

基于单片机的电动智能超声波避障小车设计内容摘要：

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。 14 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 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 80C51单片机最小系统 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 XTAL XTAL2 引 15 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 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， CX 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。 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 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 1KΩ。 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 200Ω， RK取 1KΩ。 图 80C51复位电路 16 （三）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 ）。 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 17 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 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。 本设计采用 T/R4012 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 18 电平，送 80C51 单片机处理。 超声波检测如图 超声波检测电路所示。 图 超声波检测电路 （四）后向通道设计 在工业控制系统中，单片机总要对控制对象实现操作，因此，在这样的系统中，总要有后向通道。 后向通道是计算机实现控制运算处理后，对控制对象的输出通道接口。 根据单片机的输出和控制对象实现控制信号的要求，后向通道具有以下特点： （ 1） 小信号输出、大功率控制。 根据目前单片机输出功率的限制，不能输出控制对象所要求的功率信号。 （ 2） 是一个输出通道。 输出伺 服驱动系统控制信号，而伺服驱动系统中的状态反馈信号通常是作为检测信号输入前向通道。 （ 3） 接近控制对象，环境恶劣。 控制对象多为大功率伺服驱动机构，电磁、机械干扰较为严重。 但后向通道是一个输出通道，而且输出电平较高，不易受到直接损害。 但这些干扰易从系统的前向通道窜入。 单片机在完成控制处理后，总是以数字信号通过 I/O口或数据总线送给控制对象。 这些数字信号形态主要有开关量、二进制数字量和频率量，可直接用于开关量、数字量系统及频率调制系统，但对于一些模拟量控制系统，则应通过数／模转换成模拟量控制信号。 根据单 片机输出信号形态及控制对象要求，后向通道应解决： （ 1） 功率驱动。 将单片机输出信号进行功率放大，以满足伺服驱动的功率要求。 （ 2） 干扰防治。 主要防治伺服驱动系统通过信号通道﹑电源以及空间电磁场对计算机系统的干扰。 通常采用信号隔离﹑电源隔离和对功率开关实现过零切换等方法进行干扰防治。 （ 3） 数 /模转换。 对于二进制输出的数字量采用 D/A 变换器；对于频率量输出则可以采用 19 本设计调速采用 PWM 调速： 为顺利实现电动小汽车的左转和右转，本设计采用了可逆 PWM 变换器。 可逆PWM 变换器主电路的结构式有 H 型、 T 型等类型。 我们在设计中采用了常 用的双极式 H型变换器，它是由 4个三极电力晶体管和 4个续流二极管组成的桥式电路。 图 为双极式 H 型可逆 PWM 变换器的电路原理图。 图 双极式 H 型可逆 PWM 变换器电路原理图 4 个电力晶体管的基极驱动电压分为两组。 VT1 和 VT4 同时导通和关断，其驱动电路中 Ub1=Ub4； VT2和 VT3 同时动作，其驱动电压 Ub2=Ub3= Ub1。 双极式 PWM 变换器的优点如下： （ 1）电流一定连续； （ 2）可使电动机在四象限中运行； （ 3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区； （ 4）低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍 较宽，有利于保证晶体管可靠导通； （ 5）低速平稳性好，调速范围可达 20200 左右。 脉宽调制原理： 脉宽调制器本身是一个由运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器。 运算放大器工作在开换状态，稍微有一点输入信号就可使其输出电压达到饱和值，当输入电压极性改变时，输出电压就在正、负饱和值之间变化，这样就完成了把连续电压变成脉冲电压的转换作用。 加在运算放大器反相输入端上的有三个输入信号。 一个输入信号是锯齿波调制信号，另一个是控制电压，其极性大小可随时改变，与锯齿波调制信号相减，从而在运算放大器的输出端得到周期不 变、脉宽q48050q28050q18550q38550r110kr210kr4r3M1 2A74L S 061 2A74L S 0612A74L S 0612A74L S 061K1KV C C D1 D3D2 D410K10K 20 可变的调制输出电压。 只要改变控制电压的极性 ,也就改变了 PWM 变换器输出平均电压的极性 ,因而改变了电动机的转向 .改变控制电压的大小 ,则调节了输出脉冲电压的宽度 ,从而调节电动机的转速 .只要锯齿波的线性度足够好 ,输出脉冲的宽度是和控制电压的大小成正比的 . 逻辑延时环节： 在可逆 PWM变换器中 ,跨接在电源两端的上下两个晶体管经常交替工作 .由于晶体管的关断过程中有一段存储时间和电流下降时间 ,总称关断时间 ,在这段时间内晶体管并未完全关断 .如果在此期间另一个晶体管已经导通 ,则将造成上下两管之通 ,从而使电源正负 极短路 .为避免发生这种情况 ,设置了由 RC电路构成的延时环节 . 3 电源的设计 本设计的电源为车载电源。 为保证电源工作可靠，单片机系统与动力伺服系统的电源采用了大功率、大容量的蓄电池；而传感器的工作电源则采用了小巧轻便的干电池。 （五）显示电路设计 本设计中用两片 4 位八段数码管 5461 作显示器 ,并具有双重功能 ,在小车不行驶时其中一片显示年月 ,另一片显示时 .分 . 当小车行驶时 ,分别显示时间和行驶距离原理图如图 1. 本设计 中采用新型芯片 EM78P458 作为显示驱动器 ,它的管脚如图 EM78P458管脚介绍所示 ,用单片机的。