带有防撞预警功能的小车设计完整论文.docx
- 文档编号:9168298
- 上传时间:2023-05-17
- 格式:DOCX
- 页数:35
- 大小:399.56KB
带有防撞预警功能的小车设计完整论文.docx
《带有防撞预警功能的小车设计完整论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《带有防撞预警功能的小车设计完整论文.docx(35页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
带有防撞预警功能的小车设计完整论文
要
近年来随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断地走向深入,同时带动传统控制检测,日新月益更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中,单片机往往是作为一个核心部件来使用。
单片机是把主要计算机功能部件都集成在一块芯片上的微型计算机。
它是一种集计数和多中接口于一体的微控制器,被广泛应用在智能产品和工业自动化上,而51单片机是个单片机中最为典型和最有代表性的一种。
本设计主要应用AT89S51作为控制核心,与显示电路(八段数码管),检测电路(反射式红外发射-接收器),超声波电路,驱动电路(L298)等相结合的系统。
充分发挥了AT89S51单片机的性能。
本设计的优点是硬件电路应用模块化设计,方便简单;软件部分采用主程序-子程序的形式,模块简单,功能完善,控制系统可靠,具有一定的使用和参考价值。
关键词:
单片机;AT89S51;微控制器;红外
ABSTRACT
Inrecentyearswiththerapiddevelopmentoftechnology,SCMapplicationsarecontinuallydeepening,ledthetraditionalcontroloftheCrescentbenefitupdate.Inreal-timedetectionandcontroloftheMCUapplicationsystems,SCMisoftenasacorecomponenttouse,
SCMisthemainfunctionofthecomputercomponentsareintegratedinachipmicro-computer.Itisasetofinterfacesandmultiplecountsintegratesmicrocontrollers,arewidelyusedinindustrialautomationproductsandsmart,and51isamicrocontroller,themosttypicalandthemostrepresentativeone.
TakeingAT89S51asitscontrollingcore,thisdesigncombinesdisplaycircuit(Eight-bitnixietube),examminecircuit(ReflectiveIRReflection-Receiver),Ultrasonicwavecircuitanddrvingcircuit(L298)toawholesystem,givingfullscopetothesinglechipofAT89S51.Theadvantageofthisdesignisthatthehardwarecircuitusesadesignofmodularizedcircuitwhichisconvenientandquiteeasytoopearate;asthepartofsoftware,thedesignadoptsaformfrommaintosubprogram,whichhasacertainreferencesandusefulvaluethatisnotonlyeasybutalsohavingaperfectfunctionandstablecontrollingsystem.
KeyWords:
SCM;AT89S51;micro-compute;IR
引言
本课题组设计制作了一款具有超声波测距并报警的寻线小车,功能全面、系统稳定,操作方便。
小车具有以下两个功能:
超声波测距报警功能;寻迹功能(按路面上的黑色轨道自动行驶);本作品以两个电动机为主驱动,通过多类传感器件来采集各类信息,送入主控单元AT89S51单片机,经过数据处理后完成相应动作,以达到自身控制的目的。
电机驱动电路采用高电压,高电流,四通道驱动集成芯片L298。
其中超声波测距、报警模块利用超声波传感器来完成;黑带检测采用红外线接收二极管转换成数字信号,再送至单片机处理判别小车行驶方向。
由控制单元处理数据后完成相应动作,实现了无人控制即可完成一系列动作,相当于简易机器人。
也可以作为电子设计中的智能小车平台。
AT89S51芯片超声波简介
AT89S51控制超声波信号的发送和接收,串行数据发送,及温度校正、采样频率的输入,并通过运算转换成温度数据。
校正不同温度下的距离误差后,在LED上显示所测距的离厘米数据并和已输入的预置数进行比较,如达到预置值则进行开或关的开关量信号输出。
LED显示为动态循环显示,共阴极接法。
DS18B20在本电路中取得外界温度值,以利于AT89S51的运算并校正不同温度下测距的回波数值,以及在LED上显示实时环境的温度值。
接收电路接收物体反射超声波回波信号,该芯片内部包括了前置放大,限幅放大,整形,输出数据信号以便MCU检测,判断回波的数据正确与否及时差,并计算出测距的距离数值。
该板接收可预置超声波控制器,发送的1200BIT串行数据信号,直接用导线和超声波控制器串口连接时,可传送几十米,如通过485串口发送可传送2千米以上。
1.1.1AT89S51芯片引脚结构
本次设计采用了常见的AT89S51单片机为核心处理器。
AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,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80S51引脚结构,AT89S51具有40个引脚,4kBytesFlash片内程序存储器,128Bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。
AT89S51单片机共有40个引脚,其引脚图如下:
图1AT89S51芯片引脚结构
超声波简介
由于超声波所具有的能量很大,就有可能使物质分子产生显著的声压作用、例如当水中通过一般强度的超声波时超声波流量计的基本原理及类型超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。
因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速,从而换算成流量。
根据检测的方式,可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。
起声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种
非接触式仪表,适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。
它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。
使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态,不产生附加阻力,仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。
众所周知,目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题,这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难,造价提高、能损加大、安装不仅这些缺点,超声波流量计均可避免。
因为各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流,仪表造价基本上与被测管道口径大小无关,而其它类型的流量计随着口径增加,造价大幅度增加,故口径越大超声波流量计比相同功能,其它类型流量计的功能价格比越优越。
被认为是较好的大管流量测量仪表,多普勒法超声波流量计可测双相介质的流量,故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。
在发电厂中,用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量,比过去的皮脱管流速计方便得多。
超声被流量汁也可用于气体测量。
管径的适用范围从2cm到5m,从几米宽的明渠、暗渠到500m宽的河流都可适用。
另外,超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响,又可制成非接触及便携式测量仪表,故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。
超声波具有较好的指向性频率越高,指向性越强。
这在诸如探伤和水下声通讯等应用场合是主要的考虑因素。
频率高时,相应地波长将变短,因而波长可与传播超声波的试样材料的尺寸相比拟,甚至波长可远小于试样材料的尺寸.这在厚度尺寸很小的测量应用中以及在高分辨率的探伤应用中是非常重要的。
超声波用起来很安静,人们听不到它。
这一点在高强度工作场合尤为重要。
这些高强度的工作用可闻频率的声波来完成时往往更有效,然而遗憾的是,可闻声波工作时所产生的噪声令人难以忍受,有时甚至是对人体有害的。
硬件设计
1.2硬件电路
本设计的硬件电路由主控部分(单片机AT89S51)、电机驱动电路(L298)、显示部分(八段数码管)、路面检测电路、电源部分(干电池供电)4个部分组成。
各部分之间相互协作,构成一个统一的有机整体,实现功能。
各部分的硬件电路设计如下。
1.3单片机复位电路
单片机AT89S51作为主控芯片,控制整个电路的运行。
单片机外围需要一个复位电路,复位电路的功能是:
系统上电时提供复位信号,直至系统电源稳定后,撤消复位信号。
为可靠起见,电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号,以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。
该设计采用含有电阻的复位电路,复位电路可以有效的解决电源毛刺和电源缓慢下降(电池电压不足)等引起的问题,在电源电压瞬间下降时可以使电容迅速放电,一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位。
复位电路的设计图如图2示:
图2复位电路
复位是单片机的初始化操作,使CPU及各专用存储器处于一个确定的初始状态,其中把PC的内容初始化为0000H,使单片机从0000H单元开始执行程序,除了系统的正常开机(上电)复位外,当程序运行出错或操作错误使系统处于死循环状态时,为摆脱困境,可按复位键进行复位,复位电路由片外和片内两部分电路组成。
AT89S51的RST引脚为复位引脚,只要在RST引脚上出现两个机器周期以上的高电平,即可实现复位。
复位通常有上电复位和按键复位两种方法。
本设计采用的是按键复位,当按下按键后,电容被短路,RST引脚就处于高电平,就可以达到复位的目的。
电路如图3所示。
图3复位电路
1.4显示电路
四段数码显示管有两种,一种是共阳极数码管,其内部是由八个阳极相连接的发光二极管组成;另一种是共阳极数码管,其内部是由四个阴极相连接的发光二极管组成。
二者原理不同但功能相同。
本设计的距离显示选用四个共阴极八段数码管LED,其外形和内部结构如图4所示:
图4显示电路
而LED显示电路就像单片机系统的眼睛,实时地向人们传递着系统工作的各种状态信息和处理结果。
因此,高效、方便的LED显示驱动电路是构成完善的单片机系统必不可少的元素。
常用的LED显示驱动电路有并行译码方式、串行—并行转换方式、显示驱动接口芯片方式等。
图5驱动电路
1.5电机驱动电路
本电路采用集成芯片L298N来驱动直流电机。
L298N是双H桥高电压大电流功率集成电路。
它是ST公司的产品,内部集成了两个H桥以及桥臂上开关管的推动电路,还有防止桥臂直通的控制逻辑电路。
如图6中L298N包含了推动级和驱动级两部分功能,与由分立元件构成的桥式驱动电路相比,既可使电路结构大大简化,又可以提高电路的可靠性,且能满足对中小型电动机驱动的需要。
集成芯片L298N内部电路是PHW原理的H型驱动电路。
由图6可见,每个H桥的下侧桥臂晶体管发射极连在一起,其输出脚(1和15)用来连接电流检测电阻。
9脚接逻辑控制部分的电源,常用+5V。
4脚为电机驱动电源Vs。
5、7、10、12脚输入标准TTL逻辑电平信号,用来控制H桥的开与关。
6、11脚则为使能端控制。
主要数据:
Vs(电源)50V;Vss(逻辑电源)7V;Vi\Vinh(输入或禁止信号)-0.3—0.7V;P(总功耗)25W等等。
图6L298原理框图
L298N直接输入TTL电平的控制信号,与单片机控制电路接口很方便。
具体电路见图7所示:
图7驱动电路
由于L298内部包含4通道逻辑驱动电路。
所以能够控制电动机有不同的转动状态,电动机转动状态编码表,如下表所示:
表1状态转换表
右电机
左电机
左电机
右电机
智能小车的运行状态
IN1
IN2
IN3
IN4
1
0
1
0
正转
正转
向前行
1
0
0
1
反转
正转
向左传
1
0
0
0
停
正转
左电机为中心原地向左传
0
1
1
0
正转
反转
向右转
0
0
1
0
正转
停
右电机为中心原地向右转
0
1
0
1
反转
反转
向后退
从以上看出:
电流从PD7(PD5)、流向PD6(PD4),电机正转;反之电机反转;00为无电流通过电机,电机停止转动电源电压选择插座,根据实际需要可选择+12V(发力时)或5V(精确行走)。
本设计电路中采用功率驱动电路对两电动机进行控制,通过主CPU软件产生高低电平(电机定子电压接通和断开的时间的比值)控制功率晶体管的开关时间,即可将直流电压转换成某一频率的矩形波电压加到直流电动机的电枢两端,通过对矩形脉冲宽度的控制,改变电枢两端的平均电压,从而达到调节电动机转动的目的。
1.6555定时器产生PWM脉宽电机调制电路
脉宽调制器(PWM)常常用在开关电源(稳压)中,要使开关电源稳压范围宽(即输入电压范围大),可利用555定时器构成宽范围PWM。
将1个二极管和电位计添加到异步模式运转的555定时器上,就产生了一个带有可调效率系数为1%到99%的脉宽调制器(下图8)。
它的应用包括高功率开关驱动的电动机速度控制。
这个电路的输出可以驱动L298去控制通过电动机的电流,达到平滑控制电动机速度90%左右。
这也应用于灯光的控制,灯光的强度可得以有效控制。
对于周期因子(DF):
(2-1)
其中,
(2-2)
而a是终端2和终端1之间电阻与终端3和终端1之间电阻的比值。
选R3=R1,R2=100×R1,这时DF为1%至99%。
标准二极管可在递减线性下当作D来使用。
对于理想的二极管,k=0.693,则有:
(2-3)
图8脉宽调制器
DF和α之间为线性关系。
图9显示了VOUT的波形。
图9VOUT的波形
1.7超声波模块设计
超声波测距的原理是,通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波,从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T,然后求出距离S=C×T/2,其中,C为超声波波速,常温下取为344m/s。
声速确定后,只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。
图10超声波发射电路
以下为超声波的接收电路
图11超声波接收电路
在图11中,R4和C3是控制CX20106内部放大增益,R5控制带通滤波器的中心频率。
一般取R4=4欧,C3=1Uf。
其余元件按图2取值。
US-T为超声波接收头,OUT-INT当收到超声波是产生一个下降沿,接到单片机的外部中断上。
一些资料表示,在CX20106的1脚输入0.2mV的信号。
在5脚将会输出滤波后放大的有用信号。
在实测中,5脚并没有一个放大的信号输出。
实际调试的时候只关心芯片的7脚在收到信号是是否有一个下降沿产生。
在本电路的调试中,如果一直发射超声波,在7脚将会有周期的低电平产生。
不会像通常认为的那样,即一直发射信号时,7脚一直为低电平。
这是刚用CX20106时的一个常见错误。
只要通过单片机来来计算发射信号时到收到信号是产生下降沿这段时间的长度,再通过数学计算,转化为距离,然后在显示器上显示。
关于CX20106的调试。
其内部结构如图12
图12CX20106内部结构
1.8按键控制电路
键盘实质上是一级按键开关的集合。
通常,按键所用的开关为机械弹性开关,利用机械触点的合、断作用工作。
其有效控制要由硬件和软件两方面提供保证。
硬件提供的保证是确保键盘控制信号和键盘输入信号的正常转换,这首先要求接口电路具有相应的电气特性,其次还要求接口电路和键盘电路的逻辑和时序关系正确。
软件保证是要求系统键盘操作和控制逻辑电路正确,并能够得到硬件电路的完全支持,同时也要求键盘控制程序有相应的容错能力,以防硬件电路发生错误操作而引起全系统错误。
键盘人机接口的按键在一般电路设计中,按键按下闭合后,应产生一负的矩形脉冲。
但由于在启动按键时总有一些手指的抖动,因此在负脉冲的开始和末尾部位总要出现一些毛刺波。
如图13所示:
图13按键脉冲
1.9路面检测模块的设计
探测路面黑线的大致原理是:
光线照射到路面并反射,由于黑线和地面的反射系数不同,可以根据接收到的反射光强弱判断是否走在黑线上。
方案一:
可见发光二极管与光敏二极管组成的发射-接收电路。
这种方案的缺点在于其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰,一旦外界光亮条件改变,很可能造成误判和漏洞;虽然采取超高亮发光管可以降低一定的干扰,但这增加额外的功率损耗。
方案二:
不调制的反射式红外发射-接收器。
由于采用红外管代替普通可见光管,可以降低环境光源干扰;但如果直接用直流电压对管子进行供电,限于管子的平均功率要求,工作电流只能在10mA左右,仍然容易受到干扰。
方案三:
采用光电开关(光电传感器)。
它是一种集发射器和接收器于一体的传感器,当有被检测物体经过时,物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器,于是光电开关就产生了开关信号。
当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时,漫反射式的光电开关是首选的检测模式。
还有它可大幅度减少外界干扰,信号也特别易于调理。
基于上述考虑,拟采用方案二。
路面黑线,在车底的前部安装了反射式红外发射-接收器,它是利用被检测物对光束的遮挡或反射,由同步回路选通电路,从而检测物体有无的。
物体不限于金属,所有能反射光线的物体均可被检测。
反射式红外发射-接收器将输入电流在发射器上转换为光信号射出,接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。
由于跑道是白色的,在某些规定区域有黑色线条标志,根据颜色对光的吸收和反射特性,光接收管在黑白区域的导通状态不相同。
当小车在规定的跑道行使时,装在小车底部的反射式红外发射-接收器就会做出不同的反应,对检测到黑线时的数据进行采集,把变化的光信号转换为电信号,此信号经过施密特触发电路进行整形后得到的TTL电平送入单片机。
如图14所示.
图14路面探测电路
软件设计
1.10软件编译环境
随着单片机开发技术的不断发展,目前已有越来越多的人从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发,其中主要是以C语言为主,市场上几种常见的单片机均有其C语言开发环境。
这里以最为流行的51单片机为例来学习单片机的C语言编程技术。
大家都有C语言基础,但是编单片机程序,大家还得找专门的书来学习一下。
这里我们只介绍Keil这种工具软件的用法。
学习一种编程语言,最重要的是建立一个练习环境,边学边练才能学好。
Keil软件是目最流行开51系列单片机的软件,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(μVision)将这些部份组合在一起。
1.11程序流程图
图15程序流程
1.12超声波软件设计
在超声测距中,一般采用40KHz的信号。
可以通过硬件来产生,比如555,CMOS电路CD4046。
还可以通过软件来产生。
本方案中采用弹片机软件产生。
关于40KHz信号的产生。
如果用单片机定时器中断产生,要特别注意中断服务程序的编写。
中断服务不能过长,如果过长,单片机在前一个中断服务程序还没执行完之前,又会有下一个中断产生。
所以,单片机将会产生一个错误频率的信号。
往往这个错误的频率会比预期的值偏低。
比如程序原本要产生一个40KHz的信号。
实际单片机只能产生一个20KHz左右的信号。
40KHz的信号可以用一个汇编语言子程序来产生。
程序如下:
NAMECS_T
?
PR?
CS_T?
CS_TSEGMENTCODE
PUBLICCS_T
RSEG?
PR?
CS_T?
CS_T
CS_T:
PUSHACC
MOVTH0,#00H
MOVTL0,#00H
MOVA,#4D
SETBTR0
CST_1:
CPLP1.0
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
DJNZACC,CS_T1
POPACC
RET
;
END
平常C语言用的很多,我个人觉得C语言更富有亲切感。
40KHz的信号可以用一个汇编语言子程序来产生。
程序如下
/************************************
*输入整型i,从p3_5端口产生i/2个方波
*************************************
*/
cs_t(unsignedchari)
{
while(i--)
{
P3_5=!
P3_5;
Some_Nop_T();
}
}
1.13检测软件设计
小车在行使过程中,由于车底部装有光电传感器,一检测到黑线后,则有一个信号送入单片机。
单片机则从外部扫描查询程序中读取路程并进行处理。
程序如下:
if(lan==1||fag0==1)
{
j_zuoA=0;
j_zuoB=1;
j_youA=0;
j_youB=0;
fag0=1;
fag2=0;
fag1=0;
}
if((lan==0&&hei==1&&hui==0)||fag2==1)/////中点
{
j_zuoA=0;
j_zuoB=1;
j_youA=1;
j_youB=0;
fag0=0;
fag1=0;
fag2=1;
}
if(hui==1||fag1==1)
{
j_zuoA=0;
j_zuoB=0;
j_youA=1;
j_youB=0;
fag0=0;
fag1=1;
fag2=0;
}
结论
毕业设计是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会,通过这次带有防撞预警功能的小车设计,使我锻炼了我对所学的专业知识的综合运用能力。
我设计的这个小车模型具有防撞预警、自控寻找轨道的功能。
防撞预警系统主要通过超声波测距原理来测量小车行驶的安全距离,当障碍物在小于警告距离时自动报警。
主要原理是用单片机产生40K的信号给超声波发射电路,超声波发射40K的超声波,当遇到障碍物时,超声波发生反射。
超声波接收电路接收到信号,经过CX20106处理后送至单片机AT89S51,再经过AT89S51的分析处理后,产生相应的报警功能。
同时,单片机还控制着小车的行驶。
路线处理采用了寻线电路,判断黑白线来控制小车的行驶。
探测路面黑线的原理是:
光线照射到路面并反射,由于黑线和地面的反射系数不同,根据接收到的反射光强弱判断小车行驶是否正确(黑线)。
在这部分的设计中,先后用了三种方法来实验:
可见发光二极管与光敏二极管组成的发射-接收电路;不调制的反射式红外发射-接收器;采用光电传感器。
在经过不断实际验证后,采用了光电传感器来进行检测。
被检测物对光束的遮挡或反射,由同步回路选通电路,从而检测物体有无。
物体不限于金属,所有能反射光线的物体均可被检
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 带有 预警 功能 小车 设计 完整 论文
![提示](https://static.bingdoc.com/images/bang_tan.gif)