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超声波寻迹避障小车（51单片机）.doc

发布时间：2022-06-25 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.58M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    总体设计
    2.1 各模块分析选择
    2.1.1 主控单元方案比较与选择
    2.1.2 避障单元方案比较与选择
    2.1.3 寻迹单元方案比较与选择
    2.1.4 遥控单元方案比较与选择
    2.1.5 语音控制单元方案比较与选择
    2.2 总体设计框图
    3 硬件设计
    3.1 单片机控制模块
    3.1.1 时钟电路
    3.1.2 复位电路
    3.1.3 烧写接口电路
    3.2 无线遥控模块
    3.2.1 无线遥控工作原理
    3.2.2 PT2262/2272 芯片
    3.3 红外对管寻迹模块
    3.3.1 模块系统分析
    3.3.2 LM393芯片介绍
    3.4 红外避障模块
    3.4.1 红外避障电路介绍
    3.4.2 555芯片工作原理
    3.5 电机驱动模块
    3.6 语音控制模块
    4 软件设计
    软件设计是实现小车智能运转的关键所在，相当于人类大脑思维活动，通过软件设计可将各个变化信号数据有效的
    4.1 模糊控制算法
    4.1.3 智能小车中的模糊控制算法
    4.2 软件设计框图
    4.3 软件程序设计部分源程序
    ORG 0000H
    LJMP START
    ORG 03H
    LJMP INT0 ;跳入中断程序，进行语音控制
    START: MOV IE,#81H
    SETB IT0 ;开放中断[11]
    JB P0.1,hou
    JB P0.0,qian ;查询判断按键，当有遥控按键按下出
    JB P0.3,zuo ;现高电平就跳转到相应子程序，运行
    JB P0.2,you ;小车
    JMP START
    INT0: SETB P3.5 ;中断语音控制子程序
    SETB P3.4
    SETB P3.6
    SETB P3.7
    CALL anjian ;中断停止后可由遥控重新启动
    CALL Delay1S
    JMP INT0
    RETI
    qian: CLR P3.4 ;前行子程序
    CLR P3.7
    LOOP1: SETB P3.5 ;左轮
    SETB P3.6 ;右轮
    CALL Delay1S
    CLR P3.5
    CLR P3.6 ;通过延时减慢电机转速
    CALL Delay1S
    JNB P2.6,Bting ;实现避障功能
    CALL anjian ;实现遥控按键控制，并不断执行寻迹
    JMP LOOP1
    hou: CLR P3.5 ;后退子程序
    CLR P3.6
    LOOP: SETB P3.4
    SETB P3.7
    CALL Delay1S
    CLR P3.4
    CLR P3.7
    CALL Delay1S
    CALL anjian
    JMP LOOP
    zuo: CLR P3.4 ;左转子程序
    CLR P3.7
    LOOP2:
    CLR P3.5
    SETB P3.6
    CALL Delay1S
    CLR P3.5
    CLR P3.6
    CALL Delay1S
    JNB P2.6,Bting
    CALL anjian
    JMP LOOP2
    you: CLR P3.4 ;右转子程序
    CLR P3.7
    LOOP3:
    SETB P3.5
    CLR P3.6
    CALL Delay1S
    CLR P3.5
    CLR P3.6
    CALL Delay1S
    JNB P2.6,Bting
    CALL anjian
    JMP LOOP3
    Bting: SETB P3.5 ;停止子程序，电机两端都置
    SETB P3.4
    SETB P3.6
    SETB P3.7
    CALL Delay1S
    CALL anjian
    JMP Bting
    anjian: JB P0.1,hou ;按键子程序，包括遥控，寻
    JB P0.0,qian
    JB P0.3,zuo
    JB P0.2,you
    JB P2.4,zuo
    JB P2.5,you
    RET
    Delay1S:MOV R1,#10H ;延时子程序
    del0: MOV R2,#10H
    del1: MOV R3,#100H
    kk : DJNZ R3,kk
    DJNZ R2,del1
    DJNZ R1,del0
    RET
    END
    5.3系统调试
    5.3.1硬件调试
    5.3.2 软件调试
    5.3.3 联合调试
    实验原理图
    总体设计 本课题设计主要是制作一款能进行智能判断并能做出正确反应的小车。小车 具有以下几个功能：自动避障功能；寻迹功能（按路面的黑色轨道行驶）；无线 遥控功能和语音控制。作品既可以对高端智能化进行剖析，也可以作为高级智能 玩具发展对象，同时可成为大学生学习嵌入式控制系统的应用实例。 作品以两直流电动机为主驱动，通过各类传感器件来采集各类信息，送入主 控单元 AT89S51 单片机，处理数据后完成相应动作，以达到自身控制。电机驱动 电路采用高电压，高电流，四通道驱动集成芯片 L293D；避障采用红外线收发来 完成，自动寻迹采用红外线接收二极管完成；无线遥控则是采用带有 PT2272 解 码的 TDL-9915 接收模块和带有 PT2262 编码的 TDL9988-4 发送模块完成以及附加 功能的语音模块是以柱极式话筒脉冲波经过处理后完成。最后由控制单元处理数 据后通过汇编程序有序合理的将各模块信号整合在一起并完成相应动作，实现了 智能控制，相当于简易机器人[2]。 2.1 各模块分析选择 通过收集各硬件模块资料信息，对其进行有效的分析选择，最终选出最合理 的设计方案。 2.1.1 主控单元方案比较与选择 方案一：采用各类数字电路来组成小车的控制系统，对外围避障信号，自动 寻迹信号，无线遥控信号，语音控制信号进行处理。本方案电路复杂，灵活性不 高，效率低，不利于小车智能化的扩展，对各路信号处理比较困难。 方案二：采用 AT89S51 单片机来作为整机的控制单元。红外线探头采用市面 上通用的发射管与及接收头，经过比较芯片调制处理后由控制系统接收。路线寻 找采用红外线管对路面信号采集，送到单片机系统处理，同样包括无线遥控信号 和语音控制信号。此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分， 使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求[3]。 比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，更能达到题
    目的设计要求，因此采用方案二来实现。 2.1.2 避障单元方案比较与选择 方案一：采用超声波避障，超声波受环境影响较大，电路复杂，而且地面对 超声波的反射，会影响系统对障碍物的判断。 方案二：采用红外线避障，利用单片机来产生 38KHz 信号对红外线发射管进 行调制发射，发射出去的红外线遇到避障物的时候反射回来，红外线接收管对反 射回来信号进行解调，输出比较电平。外界对红外信号的干扰比较小，且易于实 现，价格也比较便宜，故采用方案二。 红外线避障方法，利用一管发射另一管接收，接收管对外界红外线的接收强 弱来判断障碍物的远近，由于红外线受外界可见光的影响较大，因此通过调制信 号产生 38KHz 的载波来减少外界的一些干扰。只要障碍物在限定范围内就会产生 相对的电平供单片机控制，实现避障功能。 2.1.3 寻迹单元方案比较与选择 方案一：采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。由于光敏二极管受可见 光的影响较大，稳定性差。 方案二：利用集成型红外对管作为寻迹单元的传感器，其中红外线发射管发 射红外线，红外线二极管进行接收。采用红外线发射，外面可见光对接收信号的 影响较小，再用射极输出器对信号进行隔离。本方案也易于实现，比较可靠，因 此采用方案二。 当小车底部的某边红外线收发对管遇到黑带时，可以检测到输入电平为高电 平，反之为低电平。结合单片机查询方式，通过程序控制小车哪边轮胎转动来改 变方向。这样不断循环检测，方向控制，使小车按黑线行走。 2.1.4 遥控单元方案比较与选择 方案一：由发射和接收两大部分组成红外遥控系统，应用编/解码专用集成 电路芯片来进行控制操作，发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED 红外发送器； 接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路等。相对结构比较复杂，而且 使用的时候必须将遥控器前的红外发射孔对准接收管才可以。
    方案二：无线电遥控也由发射和接收两大部分组成，由于无线电遥控模块在 市场上非常普及，加上无线电遥控有传输距离远、抗干扰能力强、无方向性等优 点，对于小车的控制是一个不错的选择[4]。 方案三：超声波遥控是利用超声波来传送指令的遥控，可以应用于需要遥控、 遥测的场合。采用 AX5326 与 AX5327 等构成的遥控系统具有体积小、功耗低、功 能强大、抗干扰能力强等优点。但由于超声波遥控价格相对上面两种价格较贵， 而且对于小车的遥控也太过于夸大化。 结合三种方案，最终选择用电量、发射、接受功率都不大，一般的小障碍也 可以穿越，而且遥控无方向性的无线电遥控。采用带有 PT2272 解码的 TDL-9915 接收模块和带有 PT2262 编码的 TDL9988-4 发送模块完成。 2.1.5 语音控制单元方案比较与选择 方案一：采用柱极式话筒产生不同的频率信号来完成声音提示，经放大整形 后产生一个脉冲电平输入给单片机完成声音提示功能。但方案给人以提示的可懂 性比较差，但在一定程度上能满足要求，而且易于实现，成本也不高。 方案二：采用 DS1420 可分段录放音模块，能够给人以直观的提示，也可以 实现更多电平转换以让单片机控制，但 DS1420 录放音模块价格比较高，程序编 制过程过于复杂，所以方案二性价比不如方案一。 柱极式话筒接收声波信号，通过三极管放大信号，使信号通过整流的二极管 得到一个脉冲信号，并经过 74HC04 取反后供单片机控制，实现语音控制。 2.2 总体设计框图 此系统是以单片机为控制核心，处理执行各个外部传感器检测得到的电平信 号，其中外部信号有四部分得到：寻迹模块，避障模块，遥控模块和语音模块。 最后把处理结果传递给小车电机，使得到相应效果。如图 2-1 总体设计框图
    语音控制 单片机核心控制 电机转动 自动寻迹 避障模块 无线遥控 图 2-1 总体设计框图 3 硬件设计 本系统硬件主要有六大模块组成：单片机控制模块、无线遥控模块、红外对 管寻迹模块、红外线避障模块、电机控制模块和语音控制模块。 3.1 单片机控制模块 本模块采用 51 系列单片机作为核心处理器。单片机控制系统基本由最小系 统和外围信号 I/O 口组成，其中最小系统包括电源（地），CPU 时序电路（一般 使用 11.0592M 或者 12M 和 30P 电容组成），复位电路。有了以上三块，单片机 就能够正常工作。 AT89S51 是 一个 低 功 耗， 高 性 能 CMOS 8 位 单片 机 ， 片内 含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器 件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令 系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单 元，功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性 价比的解决方案。其应用范围广，性能良好，可用于解决复杂的控制问题。利用 AT89S51 的 I／O 端口对传感器信号进行实时判断监控来控制步进电机做出相应 的反映。如图 3-1 是较为常见的带烧录接口的单片机最小系统图。
    图 3-1 带烧录接口的单片机最小系统 3.1.1 时钟电路 单片机的时钟产生有两种方法：内部时钟方式和外部时钟方式。 系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振 器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容 C1 和 C2 构成并联谐振电 路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的 大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。 因此，此系统电路的晶体振荡器的值为 12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容， 电容值通常取 30PF。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与 单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。 3.1.2 复位电路 复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚 RST 通过一 个触发器与复位电路相连，触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期中由 复位电路采样一次。 复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。所谓上电复位，是 指计算机加电瞬间，要在 RST 引脚出现大于 10MS 的正脉冲，使单片机进入复位
    状态。按钮复位是指用户按下“复位”按钮，使单片机进入复位状态[5]。如图 3-2 是上电复位及按钮复位的一种实用电路。 上电时，+5V 电源立即对单片机芯片供电，同时经电阻 R 对电容 C3 充电。 C3 上电压建立的规程就产生一定宽度的负脉冲，经反向后，RST 上出现正脉冲使 单片机实现了上电复位。按钮按下时，RST 上同样出现高电平，实现了按钮复位。 在应用系统中，有些外围芯片也需要复位。如果这些芯片复位端的复位电平和单 片机一致，则可以与单片机复位脚相连，因此，非门在这里不仅起了反向作用， 还增大了驱动能力，电容 C1，C2 起虑波作用，防止干扰窜入复位端产生误动作[5]。 3.1.3 烧写接口电路 RST 置高电平，然后向单片机串行发送编程命令。P1.7(SCK)输入移位脉冲， P1.6(MISO)串行输出，P1.5(MOSI)串行输入。被烧写的单片机一定是最小系统（单 片机已经接好电源，晶振，可以运行）。如图 3-3 烧写接口电路。 图 3-3 烧写接口电路
    3.2 无线遥控模块 此模块实现了无线电远距离控制小车的停启、方向行驶的功能，在整个小车 系统中起到不可忽视的作用。 3.2.1 无线遥控工作原理 图 3-4 是无线电遥控设备方框图，由发射机、接收机及执行机构三部分组成。 发射机主要包括编码电路和发射电路。编码电路由操纵器(操纵开关或电位器等) 控制，操纵者通过操纵器；使编码电路产生所需要的控制指令。这些控制指令是 具有某些特征的、相互间易于区分的电信号，例如：用频率为 270Hz 的正弦信号 作为控制左舵的指令，用频率为 350Hz 的正弦信号作为控制右舵的指令，即不同 频率的正弦信号代表不同的控制指令。除了可利用频率特征外，还可用正弦信号 的幅度及相位特征、脉冲信号的幅度、宽度及相位特征以及码组特征等表示各种 指令。 图 3-4 无线电遥控设备方框图 编码电路产生的指令信号都是频率较低的电信号，无法直接传送到遥控目标 上去，还要将指令信号送到发射电路，使它载在高频信号(载波)上，才能由发射 天线发送出去。我们把指令信号载到载波上去的过程叫调制，调制作用由发射电 路的调制器完成。发射电路的主要作用是产生载波，并由调制器将指令信号调制 在载波上，经天线将已调载波发送出去。接收机由接收电路及译码电路组成。接 收电路又包括高频部分及解调器部分。由接收天线送来的微弱信号经接收机高频 部分的选择和放大后，送到解调器。由于“卸”下来的各种指令信号是混杂在一 起的、还要送到译码电路译码。译码电路的工作就象把卸下来的货物鉴别分类， 再分别送到使用场地一样，它对各种指令信号进行签别，送到相应的执行放大电
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