1、基于51单片机的超声波智能避障小车论文基于51单片机的超声波智能避障小车所在院系：电气与控制工程学院作 者： 2015.7.7论文题目：基于51单片机的超声波智能避障小车专 业：微电子学1201学 生： 指导老师：刘晓荣 柴钰 王健 摘 要随着国内外智能小车的迅速发展，我们在本次课设中进行了超声波智能避障小车的设计，超声波避障小车主要是运用超声波测距进行数据传输，最后通过单片机控制电机进行避障，这次小车设计的意义在于探索智能小车的设计理念及设计方法，有些生活中的实际问题便是由于人的反应时间过长所引起，而智能车实现了自动应急，为生命保障做最后一道壁垒。关键词：智能小车，单片机，超声波，测距，避障
2、1绪论 二十一世纪是计算机技术、科学技术和汽车工业迅猛发展的时代，在此大环境下，汽车与电子信息产业逐渐的一体化，向电子化、多媒体化和智能化方向发展，智能超声波避障小车则是其中的代表，它的研究及应用无疑成为关注的焦点。 1.1概述本小车使用一台STC89C52单片机作为主控芯片，它通过超声波测距来获取小车距离障碍物的距离，在小车与障碍物的距离小于安全距离（用软件设定）时自动拐弯，以避开障碍物。在避开障碍物后，小车会沿直线前进。本系统设计的简易智能小车分为几个模块：单片机控制系统、超声波路面检测系统、前进、转弯控制电机。1.1.1 基于51单片机的超声波智能避障小车的发展随着社会的不断发展和科学技
3、术水平的不断提高，人类渴望创造出一种取代人力的劳动工具解放劳动力，于是出现了“机器人”这个代名词。1959年诞生世界上第一台机器人，至今已有50多年的历史，机器人技术在科学领域也取得了质的飞跃，目前已发展成一门机械、电子、计算机、自动控制、信号处理，传感器等多学科为一体的尖端技术。智能超声波避障小车经历了三代技术创新变革。 第一代超声波避障小车可编程的示教再现型，不需要装载任何传感器，只是采用简单的开关控制，通过编程来设置小车的路径与运动参数，在工作过程中不能根据环境的变化而改变自身的运动轨迹。第二代超声波避障小车支持离线编程，具有一定感知和适应环境的能力。这类小车装有简单的传感器，可以感觉到
4、自身的运动位置速度等其他物理量，电路是一个闭环反馈的控制系统，能适应一定的外部环境变化。第三代超声波避障小车是智能的，多种外部传感器构成感官系统，通过采集外部的环境信息，精确地描述环境的变化。智能小车能独立完成任务，有知识基础和多信息处理系统，在结构化或半结构化的工作环境中，根据环境变化做出决策，有一定的适应能力、自我学习能力和自我组织的能力。为了让小车能独立工作，一方面应具有较高的智慧和更广泛的应用，研究各种新机传感器，另一方面，也掌握多个多类传感器信息融合的技术，这样小车可以更准确，更全面的获得所处环境的信息1。1.2智能车国内外的研究现状1.2.1国内的研究我国开展智能车辆技术方面开始于
5、20世纪80年代，相比于国外研究起步比较晚。虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定得技术差距，但是我们也取得了一系列的成果。（1）中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程自动化学院于2003年研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。该自主驾驶轿车在正常交通情况下的高速公路上，行驶的最高稳定速度为13km/h,最高峰值速度达170km/h，并且具有超车功能，总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。（2）南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院校联合研制了7B.8军用室外自主车，该车装有彩色摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位等传感器。计算机系统采用两台
6、Sun10完成信息融合、路径规划，两台PC486完成路边抽取识别和激光信息处理，8098单片机完成定位计算和车辆自动驾驶。其体系结构以水平式结构为主，采用传统的“感知-建模-规划-执行”算法，其直线跟踪速度达到20km/h，避障速度达到5-10km/h。智能车辆研究也是智能交通系统ITS的关键技术。目前，国内的许多高校和科研院所都在进行ITS关键技术、设备的研究。随着ITS研究的兴起，我国已形成一支ITS技术研究开发的技术专业队伍。各交通、汽车企业越来越加大了对ITS及智能车辆技术研发的投入，整个社会的关注程度在不断提高。交通部已将ITS研究列入“十五”科技发展计划和2010年长期规划。相信经
7、过相关领域的共同努力，我国ITS及智能车辆的技术水平一定会得到很大提高。我国飞速发展的经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔的前景。我们要结合我国国情，在某一方面或某些方面，对智能车进行深入细致的研究，为它今后的发展及实际应用打下坚实的基础。 1.2.2国外的研究国外智能车辆的研究历史较长，开始于上世纪50年代。它的发展历程大体可以分成三个阶段。第一阶段：20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。1954年美国Barrett Electronics 公司研究开发了世界上第一台自主引导车系统AGVS（Automated Guided Vehicle System）。该系统只是一个运行在固定线
8、路上的拖车式运货平台，但它却具有了智能车辆最基本得特征即无人驾驶。早期研制AGVS的目的是为了提高仓库运输的自动化水平，应用领域仅局限于仓库内的物品运输。随着计算机的应用和传感技术的发展，智能车辆的研究不断得到新的发展。第二阶段：从80年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车辆开展了卓有成效的研究。在欧洲，普罗米修斯项目于1986年开始了在这个领域的探索。在美洲，美国于1995年成立了国家自动高速公路系统联盟（NAHSC），其目标之一就是研究发展智能车辆的可能性，并促进智能车辆技术进入实用化。在亚洲，日本于1996年成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶研究会，主要目的是研究自动车辆导航的方法，促进
9、日本智能车辆技术的整体进步。进入80年代中期，设计和制造智能车辆的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司开始研制智能车辆平台。第三阶段：从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段。最为突出的是，美国卡内基.梅隆大学机器人研究所一共完成了Navlab系列的10台自主车的研究，取得了显著的成就。目前，智能车辆的发展正处于第三阶段。这一阶段的研究成果代表了当前国外智能车辆的主要发展方向。在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构研发的智能车辆具有代表性的有：德意志联邦大学的研究1985年，第一辆VaMoRs智能原型车辆在户外高速公路上以100km/h的速度进行了测试，它使用了机器视觉来保
10、证横向和纵向的车辆控制。1988年，在都灵的PROMRTHEUS项目第一次委员会会议上，智能车辆维塔（VITA,7t）进行了展示，该车可以自动停车、行进，并可以向后车传送相关驾驶信息。这两种车辆都配备了UBM视觉系统。这是一个双目视觉系统，具有极高的稳定性。荷兰鹿特丹港口智能车辆的研究主要体现在工厂货物的运输。荷兰的Combi road系统，采用无人驾驶的车辆来往返运输货物，它行驶的路面上采用了磁性导航参照物，并利用一个光阵列传感器去探测障碍。荷兰南部目前正在讨论工业上利用这种系统的问题，政府正考虑已有的高速公路新建一条专用的车道，采用这种系统将货物从鹿特丹运往各地。日本大阪大学的研究 大阪大
11、学的Shirai实验室所研制的智能小车，采用了航位推测系统，分别利用旋转编码器和电位计来获取智能小车的转向角，从而完成了智能小车的定位。另外，斯特拉斯堡实验中心、英国国防部门的研究、美国卡内基梅隆大学、奔驰公司、美国麻省理工学院、韩国理工大学对智能车辆也有较多的研究。 1.3选题意义及目的1.3.1选题意义目前，智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。随着汽车工业的迅速发展，其与电子信息产业的融合速度也显著提高，汽车开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展，使其不仅作为一种代步工具、同时能具有交通、娱乐、办公和通讯等多种功能。智能汽车是一种高新技术密集的新型汽车，是在网络环境下利用
12、信息技术、 智能控制技术、 自动控制、 模式识别、 传感器技术、 汽车电子、 电气、计算机和机械等多个学科的最新科技成果，使汽车具有自动识别行驶道路、 自动驾驶等先进功能。随着控制技术、 计算机技术和信息技术的发展,智能车在工业生产和日常生活中已经扮演了非常重要的角色，已成为人工智能领域研究和发展的热点。关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列，全国各高校也都很重视该题目的研究。1.3.2选题目的智能小车的研究、开发和应用涉及、传感技术、电气控制工程、智能控制等学科，智能控制技术是一门跨学科的综合性技术
13、，通过独立设计并制作一辆具有简单智能化的简易小车，获得项目整体设计的能力，并掌握多通道多样化传感器综合控制的方法。智能控制小车模拟机器人的运作，可以通过自己的动手排除故障，更加可以给学生一个实践操作的空间，加强学生的动手能力和思维能力。由于单片机教学例子有限，因此，单片机智能车能综合学生课堂上的知识来实践，使学习者更好的了解单片机的发展。通过此次的单片机制作，使学生从理论到实践，初步体会单片机项目的设计、制作、调试和成功完成项目的过程及困难，以此学会用理论联系实际。通过对实践中出现的不足与学习来补充教学上的盲点。在制作中提高自身对社会需求方向的灵敏度，发现商机，为自己以后实现创业这个宏伟的目标
14、中打下一个坚实的基础。2 硬件系统设计2.1 整体设计方案系统的总体方案是系统实现的基础，本次课程设计主要研究智能超声波避障小车，采用8051单片机系列中的STC89C52为主芯片，由单片机的IO端口控制L298N芯片来驱动两个电机正反转，完成电动机的前进、后退、左转、右转等基本操作，信号输入电路，控制电路，执行电路送入单片机的32个IO端口加以完成智能小车的各项功能。2.2 方案可行性分析本次课程设计方案如下：（1）采用STC89C52单片机作为主控制器。（2）采用操作方便、稳定性好的直流电机作为两个前轮的动力驱动，用电机驱动芯片L298N控制直流电机。（3）车身正前方的超声波模块实现壁障。
15、 综上所述，可以看出系统方案的可行性，进而先查阅相关资料设计硬件电路原理图，通过Protues软件仿真进一步确定电路的可行性。2.3系统框图智能超声波避障小车主要由主芯片单片机STC89C52、电源模块、超声波避障模块、电机模块等组成，实现智能小车的超声波避障等各项功能。系统原理框图如图2.1所示。图2.1系统的原理框图2.4硬件原理图根据系统的结构图设计硬件电路原理图见附录1，有单片机模块、电源模块、超声波避障模块、电机模块等组成，可用Protues软件仿真电路图的可行性。以下对各模块进行说明。2.5各模块的介绍2.5.1单片机STC89C52单片机全称单片微型计算机（Single Chip
16、 Microcomputer），简称SCM，又称微控制器或嵌入式控制器，把一个计算机系统集成到一个芯片上，体积小、质量轻、价格便宜。单片机内部也有和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件。单片机为集成电路芯片，采用了超大规模的集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、多种I/O端口、中断系统、定时器/计时器、显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。MCS-51系列单片机的内部含有九个功能部件：CPU（运算器、控制器和专用寄存器）、程序存储
17、器（ROM和Flash存储器）、数据存储器、定时/计数器、并行输入/输出（I/O）接口（P0-P3口）、全双工串行接口、中断系统、时钟电路和内部总线。（1）中央处理器（CPU)CPU是单片机的核心部件，是一个8位的二进制的中央处理单元，主要负责控制、指挥和调度整个单片机系统的协调工作，完成运算功能并控制输入/输出等操作。（2） 程序存储器（ROM）程序存储器主要用于存放用户程序、原始数据和表格等。51系列单片机的程序存储器包括片内和片外程序存储器。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。（3） 数据存
18、储器（RAM） 数据存储器主要用来存储程序运算的中间结果、进行数据暂存和缓冲、标志位等。51系列单片机的数据存储器为片内和片外数据存储器。片内存储器为128个字节的用户存储单元和128字节的专用寄存器单元，专用寄存器单元只能用于存放控制指令的数据，用户可以访问但不能存放用户数据。片外存储器最多可外扩至64k字节，（4） 中断系统中断是指CPU暂停正在执行的程序转而处理中断源服务程序，在执行完中断服务程序之后再回到原来正在执行的程序继续执行。MCS-51系列单片机具有5个中断源，其中有两个外部中断、两个内部定时/计数器中断和一个串行口中断。中断系统有2级中断优先权，可以实现两级嵌套。（5） 定时
19、器/计数器MCS-51系列单片机有2个16位的可编程定时器/计数器， 具有四种工作方式。（6）全双工串行口MCS-51系列单片机有1个全双工的串行口，用于与外部电路进行串行信息传送。该串口可编程，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） 并行输入/输出（I/O）接口单片机对外部电路进行控制和交换信息是通过输入/输出（I/O）接口完成的，MCS-51系列单片机有四组8位的并行输入/输出（I/O）接口，分别为P0口、P1口、P2口和P3口，它们都是准双向口，每次可以并行输入或输出8位二进制信息，也可以按位进行
20、输入或输出信息操作。（8）特殊功能寄存器MCS-51系列单片机有21个特殊功能寄存器，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。6因此，本次设计选择了STC公司的生产的STC89C52单片机。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，是带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器。一个芯片上拥有8位CPU，并且在系统可编程Flash。STC89C52提供给为众多嵌入式控制应用系统高灵活、超有效的解决方案。 STC89C52具有以下标准功8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KB
21、EEPROM，两个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。此外，空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。2.5.2电源模块采用5伏直流电源作为供电模块。 2.5.3电机驱动模块 L298N的两个H桥的控制方式相同高电平有效。2.5.4直流电机采用两个直流电动机，直流电动机的控制方法比异步电动机简单，只需给电机两条控制线加上适当的电压就能使电机旋转，在正常工作电压范围，电压越高直流电机转速越高。直流电动机的参数：额定功率为0.75W，额定电压
22、为5V，额定电流为0.15A。2.5.5超声波避障模块首先利用单片机输出一个40kHz的触发信号，把触发信号通过TRIG管脚输入到超声波测距模块，再由超声波测距模块的发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时单片机通过软件开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物返回，超声波测距模块的接收器收到反射波后通过产生一个回应信号并通过ECHO脚反馈给单片机，此时单片机就立即停止计时。时序图如图2.2所示。由于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，即：S=VT/2，通过单片机来算出距离。3系统的软件设计一个单片机应用系统，硬件电路设计完后
23、，便是软件编写及仿真调试。3.1 软件工具的简单介绍单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件。在系统软件设计过程中，涉及到Keil软件编译程序、STC_ISP_V480下载程序软件、Protues仿真软件，下面对用到软件做一简单的介绍。3.1.1Keil C51编译器的简介C语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了，机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是
24、目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。 Keil C51单片机软件开发系统可用于编辑C或汇编源文件。然后分别由C51编译器编译生成目标文件（.OBJ）。目标文件与库文件一起经LIB51连接定位生成绝对目标文件（.ABS）。AB
25、S文件由OH51转换成标准的Hex文件，由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM 中。3.1.2 STC_ISP_V394编程器的简介在运行STC_ISP_V394下载软件之前，应该先给出ISP的C程序源代码ISP.C.要注意的是:此程序是在Keil-C中要建立工程文件,包含IAP.C函数,并且在IAP.C和ISP.C中都要保留STC的定义.传入用户代码时,需要与计算机进行通信,一般采用RS232串行通信,数据协议采用简单协议。3.1.3 protues的简介Protues软件是英国Lab center electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其
26、它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。Protues软件具有功能是原理布图、PCB自动或人工布线、SPICE电路仿真。支持当前的主流单片机，如51系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列、68000系列等。软件仿真功能如下：1）提供软件调试功能 2）提供丰富的外围接口器件及其仿真RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。3）提供丰富的虚拟仪器，利用虚拟仪器在仿真过程中可以测量外围电路的特性，培养学生实际硬件的调试能力。4）具有强大的原理图绘制功能。电路功能仿真特点在PROTUES绘制
27、好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在PROTUES的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。PROTUES 是单片机课堂教学的先进助手。PROTUES不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。由于PROTUES提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上
28、难以相比的虚拟仪器、仪表。随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中PROTUES也能获得愈来愈广泛的应用。3.2软件设计的思路目前，52系列单片机使用的编程语言主要有汇编语言和C语言这两种。最接近机器的语言是汇编语言，常用来编制与系统硬件相关的程序，如访问I/O口、中断处理程序等，它是一种最快而又最有效的语言,然而汇编语言程序的可读性和可移植性较差，采用汇编语言编写单片机应用系统的周期长6 。在程序设计过程中C语言编程设计思想被称为模块化程序
29、设计思想。有的时候为了有效地完成任务，把所要完成的任务分割成若干个相互独立但相互又仍然有所联系的模块，这些模块使得任务变得相对简单，对外的数据交换相对简单、容易编写、容易检测，容易阅读和维护。用C语言来编写目标系统软件会大大的缩短开发周期，增加软件的可读性，可以直接操作计算机硬件。本设计采用C语言来编译程序。模块化结构程序的设计，可以使系统软件便于调试与优化，也使其他人更好地理解和阅读系统的程序设计。因此，软件的设计上，运用了模块化程序的结构对软件进行设计，使得程序变得更加直观易懂。 在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集等。过程控制程序主要是
30、使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。所谓“模块”，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。模块程序设计法的主要优点是：单个模块比起一个完整的程序易编写及调试；模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用；模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。 一个计算机高级语言程序均有一个主程序和若干个子程序组成，程序的运行从主程序开始，子程序由主程序调用执行5。因此，主程序主要起到导向和决策作用，决定何时小车该做何动作，小车的各种功能
31、主要通过调用具体的子程序。3.2.1主程序模块智能小车是以8051单片机系列中的STC89C52为主芯片，40脚的DIP封装使它拥有32个完全IO端口，通过给单片机的这些端口加以信号输入电路实现功能。系统主程序流程图如图3.1所示。 否 是图3.1主程序流程图 4 系统的总体调试在软件调试中，使用Microcontroller ISP Software及其配套的单片机对程序进行烧录。软件调试的流程是这样的：先分别对主要的功能程序模块进行模拟仿真调试；然后再将各程序模块组织起来进行统调4。软件的烧录：第一步安装并运行Microcontroller ISP Software软件；第二步点击Opti
32、ons栏的select device选项；这时出现一个对话窗口，按图选择后，点击OK按键，如出现所示窗口，则说明电脑与开发板没连接好或单片机没插好等，需重装检查硬件连接，如果没有出现则说明初始化成功。第三步点击File栏的Load Buffer选项打开已经编译好的HEX文件。点击载入，出现对话框点确定，再点击图“A”字图标，出现对话框后，按软件默认选项，点击“OK”“OK”“OK”烧录完成；否则重新检查硬件连接后再重新烧录。通过软件检查出程序中出现了许多的问题。首先我们设计的软件不能使车子转弯，只能直行，在插入超声波模块后不能实现自动转弯，而且在插入超声波模块后车子不能行使，后来发现是由于对电机驱动板内部H桥没能认识清楚，经过重新设计连线解决了问题，在解决这一问题后又出现了新的问题，车子只能在原地打转，这个问题困扰了我们好久，经过多次调试发现是由于超声波模块软件距离单位不统一，测试距离过远，主程序和壁障程序无法配合运行，经过多次的修改，一步一步的完善程序，来解决
