基于單片機的電動智能超聲波避障小車設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 。 3 程序存儲器 由于受集成度限制，片內只讀存儲器一般容量較小，如果片內的只讀存儲器的容量不夠，則需用擴展片外的只讀存儲器，片外最多可外擴至 64k 字節。 4 中斷系統 具有 5 個中斷源， 2 級中斷優先權。 14 5 定時器 /計數器 片內有 2個 16位的定時器 /計數器， 具有四種工作方式。 6 串行口 1 個全雙工的串行口，具有四種工作方式。可用來進行串行通訊，擴展并行 I/O 口，甚至與多個單片機相連構成多機 系統，從而使單片機的功能更強且應用更廣。 7 P1 口、 P2 口、 P3 口、 P4口 為 4個并行 8位 I/O 口。 8 特殊功能寄存器 共有 21 個，用于對片內的個功能的部件進行管理、控制、監視。實際上是一些控制寄存器和狀態寄存器，是一個具有特殊功能的 RAM 區。 由上可見， 80C51 單片機的硬件結構具有功能部件種類全，功能強等特點。 （二）最小應用系統設計 80C51 是片內有 ROM/EPROM 的單片機，因此，這種芯片構成的最小系統簡單﹑可靠。用 80C51 單片機構成最小應用系統時，只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可，如 圖 80C51 單片機最小系統所示。由于集成度的限制，最小應用系統只能用作一些小型的控制單元。其應用特點： (1)有可供用戶使用的大量 I/O 口線。 (2)內部存儲器容量有限。 (3)應用系統開發具有特殊性。 圖 80C51單片機最小系統 時鐘電路 80C51 雖然有內部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。 80C51 單片機的時鐘產生方法有兩種。內部時鐘方式和外部時鐘方式。 本設計采用內部時鐘方式，利用芯片內部的振蕩電路，在 XTAL XTAL2 引 15 腳上外接定時元件，內部的振蕩電路便產生自激振蕩。本設計采用最常 用的內部時鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯諧振回路。振蕩晶體可在 到12MHZ 之間選擇。電容值無嚴格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響， CX CX2 可在 20pF 到 100pF 之間取值，但在 60pF 到 70pF 時振蕩器有較高的頻率穩定性。所以本設計中，振蕩晶體選擇6MHZ,電容選擇 65pF. 在設計印刷電路板時，晶體和電容應盡可能靠近單片機芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩定和可靠地工作。為了提高溫度穩定性，應采用NPO 電容。 復位電路 80C51的復位是由外部的復位電路來實現的。復位引腳 RST通過一個斯密特觸發器用來抑制噪聲，在每個機器周期的 S5P2,斯密特觸發器的輸出電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內部復位操作所需要的信號。 復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。 最簡單的上電自動復位電路如圖 80C51 復位電路所示。上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現的。只要 Vcc 的上升時間不超過 1ms,就可以實現自動上電復位。時鐘頻率用 6MHZ 時 C取 22uF,R 取 1KΩ。 除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。本設計就是用 的按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過 RST端經電阻與電源 Vcc 接通而實現的。按鍵手動復位電路見下圖。時鐘頻率選用 6MHZ 時， C取 22uF,Rs 取 200Ω， RK取 1KΩ。 圖 80C51復位電路 16 （三）前向通道設計 單片機用與測控系統時，總要有與被測對象相聯系的前向通道。因此，前向通道設計與被測對象的狀態、特征、所處環境密切相關。在前向通道設計時要考慮到傳感器或敏感元件選擇、通道結構、信號調節、電源配置、抗干擾設計等。在 通道電路設計中還涉及到模擬電路諸多問題。 1﹑前向通道的含義 當將單片機用作測﹑控系統時，系統中總要有被測信號輸入通道，有計算機拾取必要的輸入信息。作為測試系統，對被測對象拾取必要的原始參量信號是系統的核心任務，對控制系統來說，對被控對象狀態的測試以及對控制條件的監測也是不可缺少的環節。 對被測對象狀態的測試一般都離不開傳感器或敏感元件，這是因為被測對象的狀態參數常常是一些非電物理量，如溫度、壓力、載荷、位移等，而計算機是一個數字電路系統。因此，在前向通道中，傳感器、敏感元件及其相關電路占有重要地位。 對被 測對象的信號的拾取其主要任務就是最忠實地反映被測對象的真實狀態，它包括實時性與測量精度。同時使這些測量信號能滿足計算機輸入接口的電平要求。 因此，單片機應用系統中的前向通道體現了被測對象與系統相互聯系的信號輸入通道，原始參數輸入通道。由于在該通道中主要是傳感器與傳感器有關的信號調節、變換電路， 故也可稱為傳感器接口通道。 在單片機應用系統中，對信號輸入、傳感、變換應作廣義理解，例如開關量的檢測及信號輸入，在單片機的各種應用系統中有著廣泛的應用。最簡單的開關量輸入通道就是一個具有 TTL 電平的狀態開關，如水銀溫 度觸點、溫度晶閘管、時間繼電器、限位開關等。故只要反映外界狀態的信號輸入通道都可稱為前向通道。 并不是所有單片機應用系統都有前向通道，例如時序控制系統，只根據系統內部的時間序列來控制外部的運行狀態；分布式測控系統中的智能控制總站完成上級主計算機與現場測、控子站計算機之間的指令、數據傳送。這些應用系統沒有被測對象，故不需要前向通道。 2﹑前向通道的設計 （ 1）傳感器的比較 識別障礙的首要問題是傳感器的選擇，下面對幾種傳感器的優缺點進行說明（見表 ）。探測障礙的最簡單的方法是使用超聲波傳感器，它 是利用向目標 17 發射超聲波脈沖，計算其往返時間來判定距離的。該方法被廣泛應用于移動機器人的研究上。其優點是價格便宜，易于使用，且在 10m 以內能給出精確的測量。不過在 ITS 系統中除了上文提出的場景限制外，還有以下問題。首先因其只能在10m 以內有效使用，所以并不適合 ITS 系統。另外超聲波傳感器的工作原理基于聲，即使可以使之測達 100m 遠，但其更新頻率為 2Hz，而且還有可能在傳輸中受到它信號的干擾，所以在 CW/ICC 系統中使用是不實際的。 表 傳感器性能比較 傳感器類型 優 點 缺 點 超聲波 視覺 激光 雷達 MMW 雷達 價格合理，夜間不受影響。 易于多目標測量和分類，分辨率好。 價格相合理，夜間不受影響 不受燈光、天氣影響。 測量范圍小，對天氣變化敏感。 不能直接測量距離，算法復雜，處理速度慢。 對水、灰塵、燈光敏感。 價格貴 視覺傳感器在 CW系統中使用得非常廣泛。其優點是尺寸小，價格合理，在一定的寬度和視覺域內可以測量定多個目標，并且可以利用測量的圖像根據外形和大小對目標進行分類。但是算法復雜，處理速度慢。雷達傳感器在軍事和航空領域已經使用了幾十年。主要優點是可以魯棒地探測到障礙而不受天氣或燈光條件限 制。近十年來隨著尺寸及價格的降低，在汽車行業開始被使用。但是仍存在性價比的問題 。 （ 2）超聲波障礙檢測 超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩，其頻率超過 20KHz，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。它有折射和反射現象，且在傳播過程中有衰減。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器，結合不同的電路，可以制成超聲波儀器及裝置，在通訊、醫療及家電中獲得廣泛應用。 作為超聲波傳感器的材料，主要為壓電晶體。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆傳感器，它可以將電能轉變成機械振蕩 而產生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉變成電能，故它分為發送器和接收器。超聲波傳感器有透射型、反射型兩種類型，常用于防盜報警器、接近開關、測距及材料探傷、測厚等。 本設計采用 T/R4012 小型超聲波傳感器作為探測前方障礙物體的檢測元件，其中心頻率為 40Hz，由 80C51 發出的 40KHz 脈沖信號驅動超聲波傳感器發送器發出 40KHz 的脈沖超聲波，如電動車前方遇到有障礙物時，此超聲波信號被障礙物反射回來，由接收器接收，經 LM318 兩級放大，再經帶有鎖相環的音頻解碼芯片 LM567 解碼，當 LM567 的輸入信號 大于 25mV 時，輸出端由高電平變為低 18 電平，送 80C51 單片機處理。超聲波檢測如圖 超聲波檢測電路所示。 圖 超聲波檢測電路 （四）后向通道設計 在工業控制系統中，單片機總要對控制對象實現操作，因此，在這樣的系統中，總要有后向通道。后向通道是計算機實現控制運算處理后，對控制對象的輸出通道接口。 根據單片機的輸出和控制對象實現控制信號的要求，后向通道具有以下特點： （ 1） 小信號輸出、大功率控制。根據目前單片機輸出功率的限制，不能輸出控制對象所要求的功率信號。 （ 2） 是一個輸出通道。輸出伺 服驅動系統控制信號，而伺服驅動系統中的狀態反饋信號通常是作為檢測信號輸入前向通道。 （ 3） 接近控制對象，環境惡劣。控制對象多為大功率伺服驅動機構，電磁、機械干擾較為嚴重。但后向通道是一個輸出通道，而且輸出電平較高，不易受到直接損害。但這些干擾易從系統的前向通道竄入。 單片機在完成控制處理后，總是以數字信號通過 I/O口或數據總線送給控制對象。這些數字信號形態主要有開關量、二進制數字量和頻率量，可直接用于開關量、數字量系統及頻率調制系統，但對于一些模擬量控制系統，則應通過數／模轉換成模擬量控制信號。 根據單 片機輸出信號形態及控制對象要求，后向通道應解決： （ 1） 功率驅動。將單片機輸出信號進行功率放大，以滿足伺服驅動的功率要求。 （ 2） 干擾防治。主要防治伺服驅動系統通過信號通道﹑電源以及空間電磁場對計算機系統的干擾。通常采用信號隔離﹑電源隔離和對功率開關實現過零切換等方法進行干擾防治。 （ 3） 數 /模轉換。對于二進制輸出的數字量采用 D/A 變換器；對于頻率量輸出則可以采用 19 本設計調速采用 PWM 調速： 為順利實現電動小汽車的左轉和右轉，本設計采用了可逆 PWM 變換器。可逆PWM 變換器主電路的結構式有 H 型、 T 型等類型。我們在設計中采用了常 用的雙極式 H型變換器，它是由 4個三極電力晶體管和 4個續流二極管組成的橋式電路。圖 為雙極式 H 型可逆 PWM 變換器的電路原理圖。 圖 雙極式 H 型可逆 PWM 變換器電路原理圖 4 個電力晶體管的基極驅動電壓分為兩組。 VT1 和 VT4 同時導通和關斷，其驅動電路中 Ub1=Ub4； VT2和 VT3 同時動作，其驅動電壓 Ub2=Ub3= Ub1。 雙極式 PWM 變換器的優點如下： （ 1）電流一定連續； （ 2）可使電動機在四象限中運行； （ 3）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區； （ 4）低速時，每個晶體管的驅動脈沖仍 較寬，有利于保證晶體管可靠導通； （ 5）低速平穩性好，調速范圍可達 20200 左右。 脈寬調制原理： 脈寬調制器本身是一個由運算放大器和幾個輸入信號組成的電壓比較器。運算放大器工作在開換狀態，稍微有一點輸入信號就可使其輸出電壓達到飽和值，當輸入電壓極性改變時，輸出電壓就在正、負飽和值之間變化，這樣就完成了把連續電壓變成脈沖電壓的轉換作用。加在運算放大器反相輸入端上的有三個輸入信號。一個輸入信號是鋸齒波調制信號，另一個是控制電壓，其極性大小可隨時改變，與鋸齒波調制信號相減，從而在運算放大器的輸出端得到周期不 變、脈寬q48050q28050q18550q38550r110kr210kr4r3M1 2A74L S 061 2A74L S 0612A74L S 0612A74L S 061K1KV C C D1 D3D2 D410K10K 20 可變的調制輸出電壓。只要改變控制電壓的極性 ,也就改變了 PWM 變換器輸出平均電壓的極性 ,因而改變了電動機的轉向 .改變控制電壓的大小 ,則調節了輸出脈沖電壓的寬度 ,從而調節電動機的轉速 .只要鋸齒波的線性度足夠好 ,輸出脈沖的寬度是和控制電壓的大小成正比的 . 邏輯延時環節： 在可逆 PWM變換器中 ,跨接在電源兩端的上下兩個晶體管經常交替工作 .由于晶體管的關斷過程中有一段存儲時間和電流下降時間 ,總稱關斷時間 ,在這段時間內晶體管并未完全關斷 .如果在此期間另一個晶體管已經導通 ,則將造成上下兩管之通 ,從而使電源正負 極短路 .為避免發生這種情況 ,設置了由 RC電路構成的延時環節 . 3 電源的設計 本設計的電源為車載電源。為保證電源工作可靠，單片機系統與動力伺服系統的電源采用了大功率、大容量的蓄電池；而傳感器的工作電源則采用了小巧輕便的干電池 。 （五）顯示電路設計 本設計中用兩片 4 位八段數碼管 5461 作顯示器 ,并具有雙重功能 ,在小車不行駛時其中一片顯示年月 ,另一片顯示時 .分 . 當小車行駛時 ,分別顯示時間和行駛距離原理圖如圖 1. 本設計 中采用新型芯片 EM78P458 作為顯示驅動器 ,它的管腳如圖 EM78P458管腳介紹所示 ,用單片機的