基于微控制器的小车避障硬件系统的设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于微控制器的小车避障硬件系统的设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

测。 下面分别对这三种检测方法做详细的分析。 超声波检测系统 可听声波是指振动频率在 20Hz～ 20KHz 之间的声波，当声 波的频率大于 20KHz 或小于 20Hz 时，我们就听不见了。 超声波是频率高于 20xx0Hz 的声波，其方向性好，穿透力强，在医学、军事、工业、农业上有很多重要的应用。 在媒介中反射、折射、衍射、散射等的传播规律，超声波与可听声波没有什么本质上的区别。 但是由于超声波的频率很高，因而超声波的波长很短，这使得超声波与可听声波有很多不同的地方。 超声波有4 种不同的效应，分别是机械效应、空化作用、热效应和化学效应。 由于超声波有这 4种效应，超声波已经广泛应用于实际，主要有 3 方面的应用，分别是：超声检测、超声处理和基础研究。 障碍 物检测系统可以用超声波传感器来实现，超声波传感器的优点是：反应速度灵敏，距离远，受外界干扰小，缺点是：对天气变化比较敏感，特别是雷雨天气或大雾天气。 但是在本设计当中，并不是要求远距离的测距，而是短距离测障碍物。 在小范围内， 障碍物检测系统 单片机80c51 步进电机 信号传输 信号传输 武汉理工大学毕业设计（论文） 4 不同方位传感器发出的超声波经过多次反射后，会互相干扰，从而会对整个硬件系统造成很大的干扰。 红外对管检测系统 红外线是众多不可见的太阳光线的一种，又称红外辐射，波长范围是 至 400 微米，所有高于绝对零度的物体都能产生红外线。 红外线有热效应，同时又有很强的穿透云雾的能力。 正因为红外线有这两种特性，近年来，红外线在军事、人造卫星、工业、卫生和科研方面得到了很广泛的应用。 红外线的应用不受时间的限制，白天和晚上对红外线的应用没有什么影响，即使是到了晚上，太阳光都没有了，但是所有的物体都会辐射红外线，因而在晚上，红外线得到了很多的应用，特别是在现在军事上，有很多红外线的新型武器，很多这些新型的武器都是为了能更好的晚上作战而创造的。 同时红外线在测距，遥控方面也得到了很广泛的应用，现在市场上已经有很多以红外线为主导技术的传感器，本次毕业设计用到的红外对管就是其中的一分子。 红外对管是 红外发射管和红外线接收管的合称，是一种利用红外线的开关管，接受管在接受和不接受红外线时电阻发生明显的变化，利用外围电路可以输出明显变化高低电平，单片机能很好的识别这个变化的高低电平，从而就能很好的控制单片机的负载。 红外对管的优点是：对近距离的障碍物反应速度灵敏，不同方位的传感器之间信号不会相互干扰，造成误动作。 缺点是：近距离检测障碍物时，会受到自然光的干扰，对红外接收管的输出功率有一定的影响。 为了解决这个问题，可以在红外接收管之后加上一个功率放大电路，使红外接收管的输出功率增大。 雷达检测系统 雷达是用电磁波检测物体的电子设备，发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得检测物体的距离，速度的快慢，行走的方向等信息。 雷达是英文 radar 的音译，为 Radio Detection And Ranging 的缩写。 雷达能测量物体的距离、能测量目标的方位和测量物体的速度。 由于电磁波是以光速传播，所以测量物体的距离就是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差； 测量目标方位是利用天线的尖锐方位波束测量 ； 测量速度是雷达根据自身和目标之间有相对运动产生的频率多普勒效应原理。 雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同，两 者的差值称为多普勒频率。 雷达的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。 虽然雷达有很多优点，但是雷达比较昂贵，所以用起来不是很划算。 检测系统的选择 经过前面的讨论，同时结合毕业设计的要求，我发现相比于红外线，超声波的缺点比较明显，特别是近距离检测障碍物时，不同的超声波传感器发出的超声波回互相干扰，武汉理工大学毕业设计（论文） 5 最终会影响本设计的结果，而红外对管却没有这方面的缺点，同时，红外线受天气和时间的影响很小，虽然雷达也有很多优点，但是价格比较昂贵，如果选择 雷达作为检测系统的话不够经济，所以最终决定选择红外对管作为小车避障硬件系统的障碍物检测系统。 由 80c51 单片机组成的最小系统 单片机 80c51 的简介 微处理器用一片或少数几片大规模集成 电路 组成的中央处理器 ， 能完成取 指令 、执行 指令，以及与外界 存储器 和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算机的运算控制部分。 微处理器包括中央处理器 CPU、数据存储器 RAM、程序存储器 ROM,定时器 /计数器和多种 I/O 接口电路。 微处理器有体积小，重量轻，容易模块化等优点。 80c51 就是一款很流行的微处理器。 80c51 单片机属于 MCS51 系列单片机 中的一个产品 ， 是 由 Intel公司开发 通用型单片机。 它的基本型产品是 805 8031 和 8071，除片内 ROM 类型不同外， 805 8031和 8071 的其他性能完全相同。 其结构包括： 8 位的 CPU，片内振荡器及时钟电路， 32根 I/O 线，外部存储器 ROM 和 RAM 寻址范围各 64KB,2 个 16 位的定时器 /计数器， 5个中断源和 2 个中断优先级，全双工串行口，布尔处理器。 单片机信号处理能力很强，单片机可以处理很多不同类型的数据信号，如 字符型、整型、单精度实型、双精度实型和空类型等，还可以处理数组，指针，列表等，同时单片机能兼容多种语言，其中 c 语言和汇编就是两种比较常见的单片机的编程语言，但是由于汇编 语言没有 c 语言那样通俗易懂，加上没有 c 语言的移植能力强，所以现在单片机的编程一般都是用 c 语言。 80c51单片机有很多特殊功能寄存器，包括累加器 ACC、乘法寄存器 B、程序状态字 PSW、堆栈指针 SP、数据存储器指针（低 8 位） DPL、数据存储器指针（高 8 位） DPH、中断允许控制器 IE、中断优先级控制器 IP、通道 0P0、通道 1P通道 2P2。 8051 单片机系列指的是 MCS51 和其他公司的 8051 派生产品，这些派生产品是在基本类型上增强了各种功能的产品，如高级语言型、 Flash 型、 A/D 型等。 目前使用的8051 系列单片机都是增强型的单片机，所谓的增强型单片机是指单片机的处理速度跟快，使用具有更大的灵活性。 这些增强型的 8051 系列产品都基于 CMOS 工艺，因而又称为 80c51 系列。 80c51 系列单片机给 8 位单片机注入了新的活力，为它的开发应用开拓了更广泛的前景。 80c51 单片机功能强大，大到无人驾驶飞机的导航系统，小到一个数字时钟，都能用它来控制，正因为 80c51 单片机有如此强大的功能，同时单片机操纵起来有比较简单，所以现在的很多控制系统都是以它为主要的控制芯片。 武汉理工大学毕业设计（论文） 6 80c51 单片机最小系统的组成 单 片机最小系统包括电源电路，时钟电路，复位电路和输入输出电路。 （ 1）电源电路 任何一个电子器件的运行，都要有电源来驱动，单片机的标准工作电压是 5v，要驱动单片机的话，也要在单片机的电源引脚，即引脚 40 上接上 5v 的电源，同时还要将引脚 20 接地。 （ 2）时钟电路 时钟是时序的基础，决定单片机的工作速度。 单片机有 4 中基本的时序周期，分别是振荡周期，时钟周期，机器周期和指令周期。 振荡周期就是晶振周期，决定着单片机的工作速度；时钟周期又称 S 周期，为振荡周期的两倍；机器周期包括 6 个时钟周期；指令周期是指完成一条指令占用 的全部时间，其中多数为单指令周期，还有 2 指令周期和 4 指令周期， 8051 单片机的指令周期含 1 到 4 个机器周期。 时钟的产生有两种方式，即内部方式和外部方式，内部方式是比较常用的连接方式。 ①内部方式：在 XTAL1 和 XTAL2 端外接石英晶体作为定时元件，内部放大器自激振荡，产生时钟，电容 C1 和 C2 的作用是稳定频率和快速起振，晶振的振荡频率范围为～ 12MHz， 80c51 系列单片机一般选择晶振频率为 的晶振，与晶振相接的两个电容一般取 5～ 30pF，典型值为 30pF。 内部方式的晶振连接电路 图如图 22所示。 图 22 内部方式 ②外部方式：这种方式常用于多片单片机同时工作，以使各单片机同步。 一般要求频率低于 12MHz 的方波，一般单片机的外部时钟电路的连接方式如图 2 所示，通过武汉理工大学毕业设计（论文） 7 XTAL2 接入外部时钟，但是对于 CHMOS 工艺的单片机，外部时钟要由 XTAL1 端引入，而 XTAL2 引脚应该悬空。 外部方式的晶振连接电路图如图 23 所示。 图 23 外部方式 （ 3）复位电路 RST 引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间应为 24 个振荡周期以上，所以 80c51 系列单片机的复位 信号至少应持续 4μs 以上，因为80c51 单片机的时钟频率是晶振频率的 一半 ，即是 6MHz。 单片机复位后，程序计数器PC 和其他特殊功能寄存器 SFR 全部清零。 单片机的复位方式有上电自动复位和手工复位两种。 ①上电自动复位：顾名思义，接上电源后单片机自动复位，电路不用外加按钮，接上电源后，单片机自动的复位，将程序计数器 PC 和特殊功能寄存器 SFR 全部清零。 上电复位的工作原理是，通电时电容两端相当于短路，于是 RST 引脚为高电平，然后电源通过电阻对电容充电， RST 端电压慢慢下降，降到一定程度，即低电平，单片机开始工作。 放 电二极管 D1 的作用是加速电容 C1 放电，二极管 D1 只有在单片机断电的瞬间正向导通，平时一直处于反向截止状态。 上电自动复位的电路连接图如图 24 所示。 武汉理工大学毕业设计（论文） 8 图 24 上电自动复位电路 ②手工复位：手动复位原理：在按键没有按下的情况下，整个电路没有通电，电容将电源跟复位引脚 RST 断开，当按钮按下的瞬间，因为电阻 Rk 比电阻 R 大得多，电源跟电阻 Rk 对电容充电，电容两端变为高电平，单片机复位，按键松开后，电容放电，电容两端的电压慢慢减小，最终变为低电平，这是单片机复位完成。 图 25 所示电路为按钮复位电路，图中 C=22μF， R=200Ω， Rk=1kΩ。 图 25 按钮复位电路 （ 4）输入输出电路 输入电路一般是指各种传感器，按钮输入等，输出电路就是单片机所接的负载，一般为单片机所要控制的器件，本设计的输出电路的主要器件是步进电机。 武汉理工大学毕业设计（论文） 9 由 80c51 单片机组成的最小系统是整个小车避障硬件系统的最重要的组成部分，单片机 对各路传感信号的采集、处理、分析及对各部分整体调整。 单片机对从红外接收管那里接收到的信号，进行分析，处理，把得到的结果传送给步进电机，控制步进电机的转速和转向，从而实现小车的避障功能。 步进电机的简介 步进电动机 是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。 步进电动机 的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动，每给步进电机输入一个脉冲信号，步进电机就转相应的角度，不给脉冲信号的话，步进电机就不工作，通过改变输入脉冲信号频率，就 能控制步进电机的工作频率，改变脉冲的顺序，就能改变步进电机的转向，步进电机工作所需要的脉冲信号有单片机产生。 步进电机的分类 目前常用的步进电机有三类：。