超聲波避障小車(chē)的設(shè)計(jì)書(shū)

1、<p>　　超聲波避障小車(chē)的設(shè)計(jì)書(shū)</p><p><b>　　立項(xiàng)目的</b></p><p>　　（1）設(shè)計(jì)一輛利用超聲波傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)避障功能的小車(chē)，使小車(chē)對(duì)其運(yùn)動(dòng)方向受到的阻礙作出各種躲避障礙的動(dòng)作。</p><p>　?。?）進(jìn)一步學(xué)習(xí)單片機(jī)原理及其應(yīng)用，了解超聲波傳感器的工作原理。</p><p>&

2、lt;b>　　立項(xiàng)意義</b></p><p>　　在科學(xué)探索及緊急搶險(xiǎn)中經(jīng)常要對(duì)一些危險(xiǎn)或人類(lèi)不能直接到達(dá)的地域進(jìn)行探測(cè)，這就需要用機(jī)器人來(lái)完成。而機(jī)器人在復(fù)雜地形行進(jìn)時(shí)自動(dòng)避障是一項(xiàng)必不可少也是最基本的功能。因此，自動(dòng)避障系統(tǒng)的研發(fā)也就應(yīng)運(yùn)而生。</p><p>　　自動(dòng)避障小車(chē)就是基于這一系統(tǒng)開(kāi)發(fā)而成的。隨著科技的發(fā)展，對(duì)于未知空間和人類(lèi)所不能直接到達(dá)的地域的探索逐

3、步成為熱門(mén)，這就使機(jī)器人自動(dòng)避障功能的研發(fā)有了重大意義。</p><p>　　通過(guò)對(duì)自動(dòng)避障小車(chē)的設(shè)計(jì)，我們可以將其運(yùn)用于自動(dòng)避障小車(chē)，以作為地域探索機(jī)器人和緊急搶險(xiǎn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，讓機(jī)器人在行進(jìn)中自動(dòng)避過(guò)障礙物。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　?。?）在車(chē)前方?jīng)]有障礙物時(shí)，小車(chē)沿直線(xiàn)向前走。</p&g

4、t;<p>　?。?）在車(chē)前方有障礙物時(shí)，小車(chē)能避開(kāi)障礙物，避障方法如下：</p><p>　?、傧认蜃筮呣D(zhuǎn)90度，如果前面沒(méi)有障礙物，再沿直線(xiàn)向前走；</p><p>　?、谌绻懊嫒杂姓系K物，則向右轉(zhuǎn)180度，如果前面沒(méi)有障礙物，則直線(xiàn)行走；</p><p>　?、廴绻懊嫒杂姓系K物，則向右90度，然后直線(xiàn)行走</p><p&g

5、t;<b>　　課題設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　該智能車(chē)系統(tǒng)可分為四個(gè)主要模塊：傳感器避障模塊，單片機(jī)主控核心模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，USB下載模塊。鑒于電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、USB下載模塊已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)室直接提供了，我們對(duì)于傳感器避障模塊和單片機(jī)主控核心模塊進(jìn)行了討論。</p><p>

6、;　?。?）傳感器避障模塊。智能車(chē)避障系統(tǒng)中的傳感器一般分為接觸型和非接觸型兩種，接觸型相對(duì)比較簡(jiǎn)單。這里我們使用了超聲波傳感器進(jìn)行測(cè)量，也即非接觸型傳感器。</p><p>　　超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生震動(dòng)產(chǎn)生的，在碰到雜質(zhì)獲分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射從而形成反射回波，超聲波傳感器就是根據(jù)超聲波在障礙物界面上的反射來(lái)判斷檢測(cè)物體的存在以及距離的。超聲波頻率高，波長(zhǎng)短，繞射現(xiàn)象

7、小，方向性好，再加上信息處理簡(jiǎn)單且價(jià)格低廉，所以這里我們使用28015-PING-v1.6超聲波傳感器對(duì)小車(chē)行進(jìn)前方路況進(jìn)行探測(cè)以及判斷，它能實(shí)現(xiàn)從3cm到1.8m距離的測(cè)量，從而識(shí)別出范圍內(nèi)的障礙物。我們將其作為傳感器避障模塊，利用其返回的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)小車(chē)避障的功能。</p><p>　　圖2.1.1超聲波傳感器</p><p>　?。?）單片機(jī)主控核心模塊。在這次設(shè)計(jì)中我們選用已經(jīng)學(xué)

8、過(guò)的MCS-51單片機(jī)為核心作為控制模塊。MCS-51系列單片機(jī)是美國(guó)Intel公司于1980年推出的產(chǎn)品，MCS-51系列單片機(jī)的影響及其深遠(yuǎn)，許多公司都推出了兼容系列單片機(jī)，使MCS-51內(nèi)核成為一個(gè)8位單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，其典型產(chǎn)品有8031、8051、8751等等。</p><p>　　（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是由兩個(gè)伺服電機(jī)組成，伺服電機(jī)控制原理如下所示：控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速的是高電平持續(xù)的時(shí)間，當(dāng)高電平

9、持續(xù)時(shí)間為1.3ms時(shí)，電機(jī)順時(shí)針全速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)高電平持續(xù)時(shí)間1.7ms時(shí)，電機(jī)逆時(shí)針?biāo)傩D(zhuǎn)。</p><p>　　圖2.1.2伺服電機(jī)控制時(shí)序圖</p><p><b>　　2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p>　　系統(tǒng)主要原理是：通過(guò)超聲波避障模塊（即感測(cè)模塊）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路面情況并及時(shí)傳輸給單片機(jī)。由單片機(jī)主控核心模塊根據(jù)感測(cè)模塊給予的信息控

10、制小車(chē)兩電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)工作狀態(tài)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)兩電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)或者左、右轉(zhuǎn)。</p><p>　　小車(chē)的避障流程如下：</p><p>　?。?）在車(chē)前方?jīng)]有障礙物時(shí)，小車(chē)沿直線(xiàn)向前走。</p><p>　?。?）在車(chē)前方有障礙物時(shí)，小車(chē)能避開(kāi)障礙物，避障方法如下：</p><p>　?、傧认蜃筮呣D(zhuǎn)90度，如果前面沒(méi)有障礙物，再沿直線(xiàn)向前走；

11、</p><p>　　②如果前面仍有障礙物，則向右轉(zhuǎn)180度，如果前面沒(méi)有障礙物，則沿直線(xiàn)向前行走；</p><p>　　③如果前面仍有障礙物，則向右90度，然后直線(xiàn)行走</p><p>　　根據(jù)小車(chē)的避障流程畫(huà)出小車(chē)避障程序的程序流程圖如下：</p><p>　　根據(jù)程序流程圖編寫(xiě)單片機(jī)控制程序（見(jiàn)附錄）</p><p&

12、gt;<b>　　2.3設(shè)計(jì)結(jié)果</b></p><p>　　組裝出來(lái)的避障小車(chē)圖2.3.1所示。將編寫(xiě)好的C語(yǔ)言程序轉(zhuǎn)換成.hex文件，將.hex文件“燒入”單片機(jī)中，接通電源，小車(chē)向前沿直線(xiàn)行走，把手放在傳感器前，小車(chē)立即向左旋轉(zhuǎn)90度；放開(kāi)手，小車(chē)又沿直線(xiàn)向前走。把手一直放在傳感器前面，小車(chē)會(huì)先向左轉(zhuǎn)90度，再右旋轉(zhuǎn)180度，再接著向右旋轉(zhuǎn)90度，再向左旋轉(zhuǎn)90度，然后一直循環(huán)……通過(guò)

13、不同的測(cè)試發(fā)現(xiàn)下車(chē)完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　圖2.3.1</b></p><p><b>　　結(jié)題報(bào)告</b></p><p>　　1、課題完成情況介紹</p><p>　　將編寫(xiě)好的C語(yǔ)言程序轉(zhuǎn)換成.hex文件，將.hex文件“燒入”單片機(jī)中，接通電源，小車(chē)向前沿直線(xiàn)行走，把

14、手放在傳感器前，小車(chē)立即向左旋轉(zhuǎn)90度；放開(kāi)手，小車(chē)又沿直線(xiàn)向前走。把手一直放在傳感器前面，小車(chē)會(huì)先向左轉(zhuǎn)90度，再右旋轉(zhuǎn)180度，再接著向右旋轉(zhuǎn)90度，再向左旋轉(zhuǎn)90度，然后一直循環(huán)……通過(guò)不同的測(cè)試發(fā)現(xiàn)下車(chē)完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　2、設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及相應(yīng)的解決情況</p><p><b>　　2.1、發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題</b></p>&l

15、t;p>　?。?）通電之后，小車(chē)不停地旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)次序與設(shè)計(jì)的避障旋轉(zhuǎn)次序一致，說(shuō)明子函數(shù)“getx（）”返回的Dis 的值一直小于10.</p><p>　　（2）小車(chē)通電之后，小車(chē)在避障功能上完全滿(mǎn)足要求，但是前進(jìn)時(shí)，小車(chē)卻每行進(jìn)兩三厘米就停頓一下，然后再行進(jìn)兩三厘米就停頓。</p><p><b>　　2.2、解決情況</b></p><

16、p>　?。?）出現(xiàn)這個(gè)結(jié)果的問(wèn)題是子函數(shù)“getx（）”里面的子函數(shù)delay_nus(1)，因?yàn)閐elay_nus(1)的實(shí)現(xiàn)的延時(shí)時(shí)間實(shí)際上不是1us，因?yàn)閐elay_nus()函數(shù)里面有這樣的語(yǔ)句“i=i/10”，這樣實(shí)際上i就等于0；為了解決這個(gè)問(wèn)題我們重新編寫(xiě)了一個(gè)延時(shí)函數(shù)delay_nus1(1)，結(jié)果小車(chē)正常運(yùn)行。</p><p>　?。?）出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題的原因是程序每循環(huán)一次時(shí)都應(yīng)該初始化Si

17、g口，我們?cè)诔绦蛑屑由狭恕癲elay_nus(20000);Sig=0;” 結(jié)果小車(chē)正常運(yùn)行。</p><p>　　3、課程設(shè)計(jì)的心得體會(huì)</p><p>　　通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)單片機(jī)的原理和應(yīng)用有了更深的理解。在這次課程設(shè)計(jì)中，我重新學(xué)習(xí)了一遍張毅剛老師編寫(xiě)的教材《單片機(jī)原理及應(yīng)用》，將以前學(xué)習(xí)的知識(shí)重新看了一遍，加深了我對(duì)單片機(jī)知識(shí)的印象。最重要的是，我知道如何在實(shí)際設(shè)計(jì)中使用單片

18、機(jī)，這個(gè)是在課本上學(xué)不來(lái)的。</p><p>　　在這次課程設(shè)計(jì)中我們遇到了很多問(wèn)題，尤其是在調(diào)試程序的時(shí)候，雖然我們嚴(yán)格的按照程序流程圖的邏輯來(lái)編寫(xiě)程序，編譯也沒(méi)有出錯(cuò)，但是把程序“燒入”單片機(jī)運(yùn)行時(shí)小車(chē)總是不能按照預(yù)想的情況運(yùn)行，經(jīng)過(guò)我們耐心的調(diào)試和修改，以及在胡瑞強(qiáng)老師的耐心指導(dǎo)下，我們最終還是成功了。</p><p><b>　　4、參考文獻(xiàn)</b></

19、p><p>　　【1】張毅剛.《單片機(jī)原理及應(yīng)用》.高等教育出版社。</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　#include <reg51.h></p><p>　　int dis,ltime,htime,time;//dis代表距離，time代表時(shí)間</p><p

20、>　　sbit SIG=P3^4;//P3^4控制和讀取傳感器IO口狀態(tài)</p><p>　　sbit left=P1^0;//左輪</p><p>　　sbit right=P1^1;//右輪</p><p><b>　　//延時(shí)程序</b></p><p>　　void delay

21、(int i)//用于延時(shí)i微秒</p><p><b>　　{</b></p><p>　　i=i/10-14;//這里減去14因?yàn)橥ㄟ^(guò)debug得到精確時(shí)間</p><p>　　while(i--);</p><p><b>　　}</b></p><p

22、>　　void delay1(int i)//用于產(chǎn)生脈沖，激發(fā)超聲波</p><p><b>　　{</b></p><p>　　while(i--);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　//初始化</b></p>

23、<p>　　void init()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TMOD=0x01;//T0方式1</p><p>　　TH0=0;TL0=0;//計(jì)時(shí)器清零</p><p>　　ET0=1;//定時(shí)器0中斷允許</p><

24、;p>　　EA=1;//總中斷允許</p><p>　　TR0=0;//定時(shí)器0先不開(kāi)始計(jì)時(shí)</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　//行車(chē)程序</b></p><p>　　void xingjin(int l,int r)//方便

25、下面程序的編寫(xiě)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　left=1;//給左輪提供長(zhǎng)度為l微秒的脈沖</p><p><b>　　delay(l);</b></p><p><b>　　left=0;</b></p><p&

26、gt;　　right=1; //給右輪提供長(zhǎng)度為r微秒的脈沖</p><p><b>　　delay(r);</b></p><p><b>　　right=0;</b></p><p>　　delay(18000);</p><p><b>　　}</b><

27、/p><p>　　void left_90()//原地左轉(zhuǎn)90度，兩輪均為順時(shí)針</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　inti=30;</b></p><p><b>　　while(i)</b></p><p>

28、<b>　　{</b></p><p>　　xingjin(1300,1300);</p><p><b>　　i--;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　v

29、oid right_90()//原地右轉(zhuǎn)90度，兩輪均為逆時(shí)針</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　inti=30;</b></p><p><b>　　while(i)</b></p><p><b>　　{</b&

30、gt;</p><p>　　xingjin(1700,1700);</p><p><b>　　i--;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void right_180()

31、//原地右轉(zhuǎn)180度，兩輪均為逆時(shí)針</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　inti=60;</b></p><p><b>　　while(i)</b></p><p><b>　　{</b></p>&l

32、t;p>　　xingjin(1700,1700);</p><p><b>　　i--;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void forward()//前行，左輪逆時(shí)針，右輪順時(shí)針&l

33、t;/p><p><b>　　{</b></p><p>　　xingjin(1700,1300);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　//測(cè)距子程序</b></p><p>　　int getx(int a)</p&

34、gt;<p><b>　　{</b></p><p>　　TH0=TL0=0;</p><p>　　if(a)//通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，使發(fā)出超聲波</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　SIG=0;</b></p&g

35、t;<p><b>　　SIG=1;</b></p><p>　　delay1(1); </p><p><b>　　SIG=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　while(SIG);//除噪</p&

36、gt;<p>　　while(!SIG);//當(dāng)超聲波發(fā)出時(shí)低電平結(jié)束</p><p>　　TR0=1;//定時(shí)器0開(kāi)始計(jì)時(shí)</p><p>　　while(SIG);//當(dāng)收到回波或超時(shí)時(shí)高電平結(jié)束</p><p>　　TR0=0;//定時(shí)器0停止計(jì)時(shí)</p><p>　　lti

37、me=TL0;//分別存儲(chǔ)定時(shí)器高低位的數(shù)據(jù)</p><p>　　htime=TH0;//經(jīng)過(guò)debug可知每次計(jì)時(shí)約為1.085us</p><p>　　time=htime*256+ltime;//將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為時(shí)間，單位為微秒</p><p>　　dis=time/(2*29);//將時(shí)間轉(zhuǎn)化為距離，單位為厘米</p&g

38、t;<p><b>　　}</b></p><p><b>　　//主程序</b></p><p>　　void main()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　init();//對(duì)定時(shí)器進(jìn)行初始化，為計(jì)時(shí)測(cè)距做準(zhǔn)備</

39、p><p>　　while(1)//保證小車(chē)始終進(jìn)行下面的判斷</p><p><b>　　{</b></p><p>　　getx(1);//獲得小車(chē)行進(jìn)方向的障礙物信息</p><p>　　if(dis>=10)//若距離大于10cm則繼續(xù)前行，結(jié)束本循環(huán)</p><

40、;p><b>　　{</b></p><p>　　forward();</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　left

41、_90();//否則左轉(zhuǎn)90度，并進(jìn)行下一次判斷</p><p><b>　　getx(1);</b></p><p>　　if(dis>=10)//若距離大于10cm則繼續(xù)前行，結(jié)束本循環(huán)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　forward();<

42、/p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　right_180();//否則右轉(zhuǎn)180度，并進(jìn)行下一次判斷</p><p><b>　　getx

43、(1);</b></p><p>　　if(dis>=10)//若距離大于10cm則繼續(xù)前行，結(jié)束本循環(huán)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　forward();</p><p><b>　　}</b></p><p><b

44、>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　right_90();//否則右轉(zhuǎn)90度，結(jié)束本循環(huán)</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　} </b></p><p>

45、;<b>　　}</b></p><p>　　delay(20000);//這里考慮到有時(shí)會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行出錯(cuò)的現(xiàn)象</p><p>　　SIG=0;//加入了一個(gè)延時(shí)與清零的過(guò)程</p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　}</b>