毕业设计智能超声波避障小车.docx
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毕业设计智能超声波避障小车
编号:
毕业设计(论文)说明书
题目:
智能超声波避障小车
系别:
电子工程系
专业:
电子信息工程
题目类型:
☐理论研究☐实验研究☑工程设计☐工程技术研究☐软件开发☐应用研究
摘要
随着现今社会智能化愈来愈高,智能性交通工具的改善是必不可确少的,由于交通工具的普及,由于驾驶员的长时刻驾驶引发精神注意力不集中而发生许多严峻的交通事故触目皆是,因此智能车的诞生是必然的,它致力于提高汽车的平安性、适应性、舒适性、和提升良好的人车交互界面。
自主智能寻迹避障小车是通过单片机、传感器、信号处置器、电机驱动和自动操纵等技术来实现环境感知和自动行驶相结合的高新技术综合体,随着不断提高企业生产技术和不断加深对自动化技术的要求,智能车已普遍的应用于许多工业部门。
能够说它已日趋深切到社会和工业的方方面面,例如:
智能车在物流运输方面的应用;智能车在军事领域的应用;智能车在社会生活中的应用;智能车在智能运输系统上的应用等等。
这些应用能够使社会上正在面临各类各样的问题得以有效解决,关于城市公共交通效劳质量的提高,减缓各地交通拥堵,减轻交通治理,道路建设压力起到踊跃的推动作用。
在我国高科技水平的日趋提高的同时,工业自动化进程也在不断地推动,智能小车能够通过自动采取一些躲避障碍物的方法,有效幸免交通事故的发生,同时也被普遍应用于各类玩具和其他产品的设计中,极大地丰硕了人们的生活。
本次设计主若是利用ATmega16单片机,超声波传感器、红外线传感器和L298N完成避障小车的制作。
以ATmega16为主控芯片,利用超声波传感器对距离的检测,将前方障碍探测出,而且通过超声波的传回数据和红外线传感器对小车双侧的障碍物位置的确信,进行判定,1602液晶显示所测距离,然后由ATmega16单片机发出指令,操纵电机转动,电机驱动采纳经常使用的PWM方式进行电机的调速操纵。
关键词:
智能小车;单片机;超声波;避障
Abstract
Asintelligentintoday'ssocietymoreandmorehigh,theimprovementoftheintelligenttransportationiswillnotdoless,duetothepopularityoftraffictools,becausethedriverfromdrivingforalongtimeofthespiritofinattentionandmanyserioustrafficaccidents,sothebirthofsmartcarsisinevitable,itaimstoimprovevehiclesafety,adaptability,comfort,andpromotegoodinteractiveinterface,autonomousintelligenttracingcarobstacleavoidanceisbysingle-chipcomputer,sensor,signalprocessors,motordriveandautomaticcontroltechnologytorealizeenvironmentalawarenessandthecombinationofautonomousdrivingtechnology,alongwiththecontinuouslyimproveenterpriseproductiontechnologyaswellasthegrowingdemandforautomationtechnology,intelligentvehiclehasbeenwidelyusedinmanyindustrialsectors.Ithasincreasinglydeepintothesocialandindustrialaspects,suchas:
intelligentcarapplicationsinlogistics;Smartcarinthefieldofmilitaryapplication;Smartcarintheapplicationofsociallife.
High-techlevelrisinginourcountryatthesametime,industrialprocessautomationisinconstantpropulsion,smartcarcanautomaticallytakesomemeasurestoavoidobstacles,effectivelyavoidthehappeningoftrafficaccident,butalsoarewidelyusedinthedesignofallkindsoftoysandotherproducts,greatlyenrichedpeople'slife.
ThisdesignmainlyuseATmega16singlechipmicrocomputer,ultrasonicsensors,infraredsensorsandL298Ncompleteobstacleavoidancecarproduction.ATmega16asmaincontrolchip,usingultrasonicsensorstothedetectionofthedistance,willbeinfrontoftheobstacledetection,andreturnedbyultrasonicandinfraredsensorsdatafordeterminingobstaclesoneithersideofthecarposition,judge,1602liquidcrystaldisplaymeasureddistance,andinstructionsissuedbytheATmega16singlechipmicrocomputertocontrolmotorrotation,themotordriverusesthecommonlyusedPWMmotorspeedcontrolintheformofcontrol.
Keywords:
intelligentcar;Singlechipmicrocomputer;Ultrasound;Obstacleavoidance
引言
智能,是指在非结构环境下运作并能够自动预先设定模式,不需要人为的操作就能够达到预期或是更高的目标,为人类提供必要效劳的集成智能扮装备。
作为现今社会的新产物,智能对咱们的实际工作生活具有专门大的有效性。
超声波避障的研究关于我国智能车的普及有必然的指导作用而且有着深远的意义,同时小车也成为现代智能玩具的一种良好的进展对象,为中国玩具市场技术含量的缺乏进行必然的弥补,实现经济收益,形成商业价值。
此题目设计的是具有自动避障功能的智能小车。
要紧开发一个能依照红外线和超声波检测结果,自动躲开障碍物的智能小车操纵系统。
设计选择通用、价廉的ATmega16单片机作为主控芯片,选择通用的电机模型车为机械平台,系统通过搜集超声波传感器和光电传感器的数据,通过相应的比较计算来对PWM波的输出进行操纵操作,对电机的转速实现实时调剂;通过超声波传感器接收回的数据来计算小车与障碍物之间的距离,从而实现小车的避障功能。
通过细化要求,本系统以ATmega16为核心操纵器,要紧由电源模块、电机驱动模块、显示模块、避障模块组成。
通过电机操纵技术和传感器技术相关知识的结合,设计完成以由超声波前方测距、避障与红外线左右自动避障组成的硬件模块,结合软件程序设计组成智能避障小车,一起实现了小车的前进、后退、左转、右转,通过超声波自动依照前方距离范围内障碍物测距,检测障碍物停止再绕行,达到设计目标。
智能小车系统的设计思路采纳了模块化的方式,电路结构简单,系统本钱低,调试方便,系统反映快速、灵活,小车调速滑腻,功耗低,设计方案正确、实施性强,各项指标靠得住、稳固,大体知足设计要求。
略加改动即可应用于简单的实际生产生活中,也可作为高校学生和广大机械人爱好者学习研究利用。
1系统设计
任务要求
(1)检测障碍物而且避障:
由超声波和红外探头一起实现;
(2)小车电机由L298N驱动;
(3)速度由单片机输出的PWM波操纵;
(4)超声波能实现对障碍物的测距,LCD屏显示了超声波检测到前方的距离。
整体设计
硬件电路系统的设计通过采纳模块化的设计方式,由单片机最小系统模块,超声波避障、红外线避障模块,电机驱动,电源模块,显示模块和光报警模块七部份组成。
其中小车利用AVR单片机为主控芯片,它通过小车前端超声波返回的数据来获取小车距离障碍物的距离,而且用LCD1602显示出来,当小车与障碍物的距离大于某设定的距离时,小车会沿直线前进,当小车与障碍物的距离小于某设定的距离时,小车左转或右转以躲开障碍物;车头双侧由红外线对管自动避障组成的硬件模块组成,实现小车左转和右转功能;而且现在LED闪烁。
在躲开障碍物后,小车会沿直线前进。
系统硬件组成框图如图1-1所示。
图1-1系统硬件组成框图
2方案论证
系统操纵模块设计方案论证
AT89S52单片机与ATmega16单片机的选择。
方案一:
AT89S52单片机具有十分完备的功能,不仅能够对片内某些特殊功能寄放器的某位进行传送、置位、清零、测试等处置,还能进行位的逻辑运算,利用起来驾轻就熟。
特点是操纵简单、价钱廉价,具有完整的输出输入、端口操纵、和内部程序的存储空间,程序烧写方便,支持USB口或是串口两种下载程序方式,而且是咱们平常上课学习与利用的。
能够利用外接A/D,D/A转换电路与运放芯片来实现搜集传感器传送信息的功能,且能够通过以点阵或LCD液晶和外接按键实现人机交互[1],能通过内部众多I/O端口与步进电机连接来对外围设备进行精准操控。
方案二:
ATmega16单片机,特点是取指周期短,有可预取指令,实现于流水作业,故可高速执行指令。
采纳精简指令集,克服了瓶颈现象,指令执行速度(1Mips/MHz)得以提高,功能增强;由于硬件结构取得了简化了,降低了对外设治理的开销和本钱。
ATmega16单片机的I/O口功能壮大,因为它具有能够单独设定为输入或输出的功能,设置上拉电阻,而且有高阻输入、驱动能力强等特性,这使的得I/O口取得充分的利用。
片内集成多种频率的RC振荡器,能够自动上电复位、而且有看门狗和启动延时等功能,因此ATmega16单片机外围电路相对AT89S52简单,系统加倍稳固靠得住。
通过比较,因为AT89S52单片机,具有位运算,能较方便的应用I/O口。
但PWM利用按时器中断函数,模拟产生PWM脉冲,由于PWM频率较高,必将致使按时器中断被频繁触发。
现在,若是有其他对时序要求较高的模块被同一单片机操纵的话,有可能致使时序紊乱,无法操纵。
关于超声波模块,频繁的中断触发,会致使计时不准,使得换算出来的距离具有必然的误差。
而AVR单片机,由于采纳的是精简指令集,其不支持位操作,但具有较高的效率,抗干扰性和靠得住性。
它的4通道PWM,具有硬PWM时序功能,利历时只需设置相关寄放器即可实现PWM的产生。
其PWM的产生为硬件生成,可不能占用CPU的资源。
即可不能对其他驱动程序产生阻碍。
但缺点是PWM必需利用一个按时器,关于一样三轮车,要消耗两个按时器。
ATmega16单片机不用考虑按时器做PWM引发的资源分派问题。
因此选择方案二。
电机的选择方案论证
直流电机与步进电机的选择:
电机是系统的动力来源,电机有着不同的类型,其中步进电机和直流电机最为经常使用。
直流电机的特点是加上适合的电压通过电机驱动即可进行转动,但转圈精度不高;步进电机的工作方式与直流电机不同,通过脉冲操纵电机依照节拍进行转动,依照电机不同转动的角度也各有不同,精准度高,但速度慢。
电机的驱动方式各有不同,一样小型步进电性能够通过ULN2003进行驱动,直流电机需要的工作电流与步进电机相较较大,需要利用L298N这种专用的驱动芯片操纵,操纵时单片机通过输出PWM波调剂转动速度。
直流电机和步进电机都能够用于小车驱动。
故有两种方案。
方案一:
直流电机。
直流电机由于加上了适当减速比的减速器,具有良好的调速性能[2],通上电源即可持续不断的转动,因此操纵起来也相对简单。
调剂电压的大小能够改变电机的速度。
L298N模块做成的驱动电路可实现直流电机的操纵,可配合PWM调速机制(即脉冲宽度调制方式)调速。
此方案电路和操纵都相对容易,相对性能比较好。
方案二:
步进电机。
步进电机之因此能够精准的实现位置操纵,是因为它是通过输入一个电脉冲信号就能够使电机的输出轴转动必然的角度,通过持续不断的输入点脉冲信号,步进电机持续的转动,外加的脉冲频率的不同,转速的大小也不一样[2]。
步进电机的转动并非受电压波动和负载转变和温度、气压等环境因素的阻碍,仅与操纵脉冲有关,但步进电机的速度十分缓慢,且消耗I/O资源过量,不适合本作品。
具体不同见表2-1。
表2-1电机操纵方式对照
直流电机
步进电机
调速性能
较好
较差
位置控制精度
较差
好
驱动
简单
简单
稳定性
较好
好,仅与控制脉冲有关
速度
较快
缓慢
单片机资源消耗
小
大
如表2-1所示,步进电机和直流电机都有各自的特点。
步进电机尽管能够进行精准的位置操纵,但行动缓慢;鉴于直流电机易于操纵、驱动电路相对简单,足以知足本设计位置操纵的精度。
故本设计选择利用直流电机。
避障模块设计方案论证
超声波传感器与光电传感器的选择。
方案一:
利用一个超声波探头。
超声波传感器价钱廉价,不容易受到粉尘、光线、电磁类的干扰,而且自带温度补偿。
但由于时刻关系没有添加温度补偿方法因此易受到环境中温度的阻碍。
但它不受光照强弱和能见度的阻碍,能耗低、灵敏度高,即便在较复杂的环境内也能够工作。
超声波的发射器能够不断发射声脉冲,由于频率越高反射能力越强,接收换能器接收到碰到障碍物就反射回来的超声波信号,依照回声探测法,通过对声速和时刻的计算,实现超声波的测距及避障功能[3]。
利用一个红外线探头。
红外线具有可见光直线传播、反射、折射等特性。
红别传感器发光管发出具有可见光直线传播、反射、折射等特性的红外光,通常阈值的设定及判定模块是由电压比较器与可调电位器组成的[1],由于接收管接收的光强依照反射物体的距离而转变,接收管的电压与障碍物的距离成反比,通过判定发射光的强弱,实现红外线测距和避障的功能。
方案二:
利用舵机带动一对超声波探头进行180度旋转。
由于方案一单个探头会有检测不到车头双侧的障碍物,当障碍物多时,会致使前方避障以后撞到双侧的障碍物。
而当利用舵机带动探头的方案时,通过扫描检测到各个方向的障碍物,过单片机对各方向返回的数据通对照,能够专门好的分析出障碍物方向,通过调剂小车双侧左右电机转速差操纵行驶方向实现小车避障功能。
~2.5ms的脉宽调制信号作为操纵信号的,相对对应舵盘的位置是0~180度,呈持续线性转变。
也确实是说,给它提供特定宽度的脉冲信号,它的输出轴就会转动到一个与之相对应的角度上,不管外界转矩如何改变,直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号,它才会将输出角度转动到新的对应的位置上。
舵机有一个内置的基准电路,其不断产生周期的20ms,宽度1.5ms的基准信号;还有一个比较器,将外加信号与基准信号进行比较,判定出转动方向和转动角度大小,进而产生电机的转动信号。
由此可见,舵机是一种精度很高的位置伺服的驱动器,转动最大角度不能超过180度,适用于那些需要角度不断转变并能够停滞的驱动当中。
但此方案具有编程复杂,占用资源多,判别速度慢等缺点。
方案三:
采纳多方向超声波测距分析来实现避障。
由于方案二的舵机在避障进程中不能及时的转会前方继续探测,一样也会有撞到障碍物的情形发生[3]。
因此,在小车的车身前端左、中、右三方向放置超声波探头,单片机通过对三个方向超声波返回的测距数据进行对照分析,确信障碍物位置,再通过调剂小车左右电机转速差操纵小车行驶方向实现避障。
可是考虑到可能会有一发射端发射的超声波会被另外一端的接收端接收的问题,为了避免3对超声波探头信号的彼此干扰,因此各个超声波发送信号都要彼此距离,为了排除上一次发出的超声波阻碍,两次测量时刻应为20ms,这就使小车的反映变得超级迟缓。
综上所述,超声波传感器测距范围一样在30~300cm之间,设定测量的周期为20ms一次才能避免彼此干扰;而红外测距传感器的测量速度十分快,能够在必然程度上弥补超声波传感器的缺点,大大增加了小车的反映速度。
因此,本设计采纳多路红外和超声波传感器进行距离信息的测量和搜集。
显示模块设计方案论证
方案一:
采纳七段LED数码管显示相关数据。
数码管简易且经常使用,显示具有高亮、光虚弱少、可视距离远、寿命长的优势。
但数码管一样只适合数字显示,一名数码管能显示一名数据,且占用的I/O多,编程相对复杂。
由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余晖效应,尽管事实上四位显示器并非同时点亮,但只要扫描的速度足够快,给人的印象确实是一组稳固的显示而可不能有闪烁感[4]。
方案二:
采纳LCD1602液晶显示。
液晶显示界面较为友好,本钱较低,具有耗能少、可同时显示数据多、电路简单、占用I/O口少、PCB布线简单、操纵指令简单、编程简单等优势[4]。
通过对两种显示方案优缺点的衡量,本设计决定采纳方案二。
直流调速方案设计
在智能避障小汽车的研制开发进程中,智能小车要能够依照周围障碍物的具体位置情形自动操纵行驶方向是超级关键的。
要紧功能是单片机当接收到避障模块返回的数据时,通过驱动两个车轮调剂小车的行驶速度,然后改变两个车轮的转速差,利用万向轮,调剂行驶方向。
本设计依照PWM脉宽调制原理,电机速度的改变是通过改变输出方波的占空比使负载上的平均电流功率从零到百分之百转变而实现的,它的优势是电源的输出电压在工作条件转变时能够维持恒定,能量功率、能取得充分利用,电路的效率高。
电机操纵采纳的脉冲宽度调制(PWM)技术,单片机输出的方波的频率是恒定的,该脉冲宽度调制,用于改变电机的旋转速度,输出电压的平均值的方波,当输出低电平常,电机停止时,输出电平高,电机最高速。
在软件实现上,采纳按时器中断来实现方波的产生,使电机速度的操纵不受其他阻碍。
当按时器按时到固定的时刻便产生中断,将输出电平取反,不断循环计时便能产生稳固的方波,可不能因为其他程序的延时而改变输出频率。
电源模块设计方案论证
第一种方案能够用双电源,7.5V和5V单独供电,如此具有专门好的抗干扰能力,可是,本钱很高,做出来的东西比较笨重。
第二种方案是利用7.5V电池,第一输出给电机供电,然后通过7805稳压管稳压出5V的电压给传感器和单片机供电。
考虑的确实是小车的带负载能力,通过实验得知,小车在运行时质量越大,避障的靠得住性越差。
通过电容进行滤波,而且安置拨码开关,使小车运行的开关加倍方便、稳固。
通过对照两种显示方案的优缺点,本次设计决定采纳方案二。
3元器件介绍
3.1AVR单片机主控芯片介绍
ATmega16是全静态的基于增强的AVRRISC结构的高性能、低功耗8位CMOS微操纵器。
由于其大多数指令执行时刻为单个时钟周期,ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,拥有只需两个时钟周期的硬件乘法器、非易失性程序和数据存储器。
16K字节的系统内可编Flash,擦写寿命为一万次,同步进行读与写的操作,擦写寿命为十万次。
同时Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程是由SPI接话柄现的。
从而能够减缓系统在功耗和处置速度之间的矛盾和通过锁定位的编程来加密用户程序[5]。
ATmega16微操纵器的特点是:
掉电检测上可电复位并可编程,片内通过标定的RC振荡器,片内或片外有中断源,有32个可编程的I/O口,PDIP封装的40引脚,TQFP封装的44引脚和MLF封装的44引脚。
~5.5V,速度品级是0~16MHz,在1MHz,3V,25℃时的功耗:
在正常模式下是1.1mA,空闲模式下为0.35mA,掉电模式那么小于1μA。
3.2L298N驱动芯片
L298N是ST公司开发的一种尺寸为8cm×4.5cm的采纳15脚封装、高电压、大电流电机驱动芯片。
L298N有可达46V最高工作电压和可达3A刹时峰值电流,2A的持续工作电流,最大工作电流为2.5A,25W的额定功率。
L298N信号操纵采纳的是逻辑电平标准,操纵信号直流工作电压是5V,电机的直流电压是3V~46V,一样建议利用小于36V。
L298N内有两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器,能够用来驱动步进电动机和直流电动机、继电器线圈等感性负载[2]。
L298N驱动芯片具有信号指示、转速可调抗干扰能力强、PWM滑腻调速,可实现正反转等特点,由于过电压和过电流的爱惜,L298N芯片驱动电性能够单独操纵两台直流电机,因此,关于本设计起到了相当重要的作用。
3.3直流电机
咱们通常将能够把直流电能与几点能彼此转换的电机称为直流电机,当它将电能转换为机械能时是直流电动机,而将机械能转换为电能的时候称为直流发电机。
由于直流/步进两用驱动器L298N能够直接操纵两台直流电机。
别离为M1和M2,引脚A,B用于操纵电机的速度通过PWM脉宽调制信号的输入。
当不需要改变速度时,将两引脚接5V电压,使电机工作在最高速状态,即可通太短接帽短接来实现电机正反转。
输入信号端IN1接高电平输入端IN2接低电平,电机M1正转,反之IN1接低电平输入端IN2接高电平,那么反转。
而另一台电机的操纵方式一样是输入信号端IN3接高电平,输入端IN4接低电平,电机M2正转,反之那么反转。
PWM信号端A操纵M1调速,PWM信号端B操纵M2调速。
驱动器驱动直流电机方式见表3-1。
表3-1驱动器驱动直流电机方式
超声波传感器
~5.5V,在稳固靠得住的工作环境下,能够实现0m~4.5m的测距,静态功耗低于2mA,在测距的进程中,传感器并非用接触到物体,在-20到+70度的工作环境下,能够通过自带温度传感器对超声波模块的测距结果进行校正。
有两种输出方式,别离是电平方式和UART(跳线帽选择)方式,无奇偶校验的UART模式下串口配置的波特率为9600,起始位为1位,停止位为1位,数据位为8位[8]。
低于15度的感应角度,探测距离为0.02m到4.5m,探测精度维持在0.3cm+1%。
本模块实物图的正面图与反面图如图3-一、3-2所示:
图3-1US-100正面图
图3-2US-100反面图
3.4.2接口说明
本模块共有两个接口,一个是模式选择跳线接口,如图3-1所示,他的间距是2.54mm,当插上跳线帽时为UART(串口)模式,拔掉时为电平触发模式。
另一个是间距弯排针的5Pin接口,如图3-4所示。
从左到右排针依次的编号为1,2,3,4,5。
1号Pin接VCC电源(供电范围V~5.5V)。
2号Pin脚当为UART模式时,接外部电路U
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