基于超声波测距的智能小车设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)

基于超声波测距的智能小车设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

波的测距原理 cosHS (21) arctan( )LH  (22) 式中 :L两探头之间中心距离的一半 . 又知道超声波传播的距离为 : 2S vt (23) 式中 :v— 超声波在介质中的传播速度。 t— 超声波从发射到接收所需要的时间 . 将（ 22）、 (23)代入 (21)中得： 1 c o s a rc ta n2 LH vt H  (24) 其中 ,超声波的传播速度 v 在一定的温度下是一个常数 (例如在温度 T=30 度时 ,V=349m/s)。 当需要测量的距离 H 远远大于 L时 ,则 (24)变为 : 12H vt (25) 所以 ,只要需要测量出超声波传播的时间 t,就可以得出测量的距离 H. 8 第三章 方案论证及选择 设计的任务要求 设计一个超声波测距报警系统，利用红外遥控来小车的运行状态。 主要的任务要求如下： (1) 能够实现超声波测距，并在数码管上予以显示实际距离。 (2) 通过遥控器能够对小车的前进、后退、左转、右转等运动状态加以控制。 (3) 采集系统采集距离信息 ,并根据不同的距离信息发出不同频率的声音。 系统初步设计及可行性论证 根据设计 要求，本文设计了一个基于超声波测距的红外遥控小车，设计框图如下： 图 系统框图 论证 1：本系统的设计是否合理 参考结构一：采用分离式结构，超声波数据采集和控制分开。 超声波测距、数码管显示和报警为一个独立的系统；红外遥控接收和电机驱动为一个独立的系统。 参考结构二：采用整体式结构，超声波数据采集和控制在一起。 超声波测距、数码管显示、报警、红外遥控接收和电机驱动是一个系统。 本系统超声波数据采集和控制既可分开也可 融合 到一个系统里面，超声波数据采集系统主要是采集距离信息，并根据不同的信息发出不同频率的 声音；控制系统主要负责控制小车。 通过红外遥控器向控制器发送控制命令以达到手动控制 9 小车的目的。 采用这种控制器 +数据采集独立式的结构，其优点是很明显的，具体表现为：分工明确，可以使各部分各司其责，工作效率高 ,设计方便，可移植性好。 本设计采用该独立式结构方案可行。 微处理器的选择 方案一：使用 51 单片机。 51 单片机是初学者首选的，具有指令多，编程易等优点。 典型代表为 AT89S5AT89S52，由美国 ATMEL 公司生产，后授权给中国台湾某公司生产和销售。 方案二：使用 AVR ATMEGA 系列单片机。 ATMEGA 系列是美国 ATMEL 公司生产的 AVR 8 位单片机中的高端产品，由于市场和技术原因，市场占有率挺高，采用精简指令集系统。 具有功耗低、处理速度快、性价比高等优点，但是其价格昂贵，目前市场上不易买到。 方案三：使用 MPS430，凌阳 61 单片机等 16 位单片机或者 ARM 系列单片机。 由于本系统控制功能简单，没有必要为了提高性能而增加成本和开发难度。 经过综合考虑，本题目采用第一套方案，选取 IO 口个数和 ROM 大小适合本系统的 AT89S52 单片机。 显示方式的选择 方案一：采用 LCD1602 液晶屏显示 LCD1602 能够显示两行字符或数字，每行 8 个，可视面积较小。 方案二：采用 LCD12864 液晶屏显示 LCD12864 能够显示 4行汉字，每行显示 8个汉字或 16 个字符。 可视面积大，但是价格昂贵，程序设计较为麻烦。 方案三：采用 NOKIA5110 LCD 液晶屏显示 NOKIA5110 LCD 具有 84*48 点阵图形显示能力，可同时显示 4行，每行 7个的12*12 汉字，或者显示 6 行，每行 14 个的 6*8 ASCII 码字符。 显示信息量一般，且不带字库，显示信息量过大时，需占用单片机大量 ROM 或 RAM 空间。 电路设计和 程序设计都较为复杂。 方案四：采用四位数码管显示 数码管只能够显示数据，不能够显示汉字，不过数码管显示直接数据，易懂，而且程序设计比较简单。 10 综合考虑：本系统采用数码显示，方便直接，性价比高，功耗低。 采用四位共阳极数码管，动态扫描。 位选采用三极管电流驱动和开关的选择。 小车电机驱动电路的选择 方案一：采用三极管组成的分立式 H桥电路。 每个电机都采用有四个三极管组成的 H 桥电路，三极管价格低廉，电路原理易懂。 实际使用的时候，用分立 元 件制作 H 桥式是很麻烦的。 方案二：采用集成电路 L298NH 桥电路。 L298N 是专用的驱动集成电路，属于 H桥集成电路，其输出电流大，功率大，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机等特别是器输入端可以与单片机之间相连，从而很方便地受单片机控制，可以之间驱动两个直流电机，并可以实现电机的正反转。 综合考虑：本系统采用集成电路 L298N,通过单片机输出逻辑电平就可以控制小车电机的运动状态。 遥控器的选择 红外遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。 由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空凋机以及玩具等其 它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。 工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。 方案一：采用自制矩阵遥控器 采用矩阵键盘、主控器和光电二极管设计一个遥控器，电路设计较为复杂，而且还得编程。 方案二：采用有 2262 和 2272 组成的四路遥控器 市场有销售的四路这样的遥控器，不过价格较为昂贵。 方案三：采用目前最为流行软包 9012 电视机遥控器 这种电视机遥控器，组成简单，应用方便，在主电路中用一个接收头，接受信号。 通过单片机进行数据的处理，实现解码， 予以控制。 综合考虑：本系统采用采用 9012 电视机遥控器，方便简单，而且市场上较多，价格便宜。 11 第四章 硬件电路的设计 硬件系统主要有超声波数据采集模块、红外遥控接收模块、小车驱动模块、距离显示模块、报警模块和主控器组成。 系统硬件部分的整体框图 如下所示： 超 声 波 数 据采 集 主 控 器小 车 运 动 状态 主 控 器超 声 波 数 据采 集 模 块红 外 遥 控 模块报 警 系 统 模块超 声 波 数 据显 示 模 块L 2 9 8 N 电 机 驱动 模 块直 流 稳 压 电源 模 块 模 块 系统硬件部分的整体框图 控制器 本设计经过第三章的论证，选用了 ATMEl 公司生产的 AT89S52 单片机， AT89S52是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8kB 的 可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 128 B 的随机存取数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS51指令系统，片内置通用 8位中央处理器和 Flash 存储单元，内置功能强大的微型计算机的 AT89S52 提供了高性价比的解决方案。 AT89S52 是一个低功耗高性能单片机， 40 个引脚， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时内含 2 个外中断口， 2 个 16 位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信口， AT89S52 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。 其将通 用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。 I/O 端口的编程实际上就是根据应用电路的具体功能和要求对 I/O 寄存器进行编程。 具体步骤如下： (1) 根据实际电路的要求，选择要使用哪些 I/O 端口，用 EQU 伪指令定义 12 其相应的寄存器； (2) 初始化端口的数据输出寄存器，应避免端口作为输出时的开始阶段出现不确定状态，影响外围电路正常工作； (3) 根据外围电路功能，确定 I/O 端口的方向，初始化端口的数据方向寄存器。 对于用作输入的端口可以不考 虑方向初始化，因为 I/O 的复位缺省值为输入； (4) 用作输入的 I/O 管脚，如需上拉，再通过输入上拉使能寄存器为其内部配置上拉电阻； (5) 最后对 I/O 端口进行输出 (写数据输出寄存器 )和输入 (读端口 )编程，完成对外围电路的相应功能。 图 AT89S52 单片机芯片 XTAL1：接外部晶振的一个引脚。 在单片机内部，它是一个反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。 它采用外部振荡器时，此引脚应接地。 XTAL2：接外部晶振的一个引脚。 在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输 入端。 当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。 RST： AT89S52 的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片复位时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间， AT89S52 便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。 具体的硬件原理图如图 ： 13 EA/VPP31X119X218RESET9RD/P3717WR/P3616P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/PRDG30P31/TXD11P30/RXD10VCC40GND20JP6AT89C52GNDVCCP10P11P12P13P14P15INT0VCCP30RSTP16P20P21P22P23P24P25P26P27INT1P00P01P02P03P04P05P06P07P31P34P35P36P37P1712345678JP5Header 812345678JP312345678JP4XTAL1XTAL212345678JP2Header 8单片机系统 图 最小系统硬件原理图 超声波测距模块 本系统采用 深圳市捷深科技 生产 URF04 模块 ， 本模块性能稳定，测度距离精确。 能和国外的 SRF05,SRF02 等超声波测距模块相媲美。 模块高精度， 盲区（ 2cm）超近。 该模块的 主要技术参数： (1) 使用电压： DC5V (2) 静态电流：小于 2mA (3) 电平输出：高 5V (4) 电平输出：底 0V (5) 感应角度：不大于 15度 (6) 探测距离： 2cm500cm 该模块的外形图如下： 14 图 超声波测距模块的外形图 板上接线方式 如表 ， 表 接线图 Pin 名称 注释 1 VCC 供电 5V 2 Trig 控制端 3 echo 接收端 4 out 空脚，请悬空 5 GND 地 该超声波 模块 的 工作原理： (1) 采用 IO 触发测距，给至少 10us 的高电平信号 ； (2) 模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回； (3) 有信号返回，通过 IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。 超声波发射电路如图 所示： 12U1AHCC4069UBF34U1BHCC4069UBF10 11U1EHCC4069UBF。