基于51单片机的超声波智能避障小车论文.doc

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基于51单片机的超声波智能避障小车

基于51单片机的超声波智能避障小车

所在院系：

电气与控制工程学院

作者：

2015.7.7

18

论文题目：

基于51单片机的超声波智能避障小车

专业：

微电子学1201

学生：

指导老师：

刘晓荣柴钰王健

摘要

随着国内外智能小车的迅速发展，我们在本次课设中进行了超声波智能避障小车的设计，超声波避障小车主要是运用超声波测距进行数据传输，最后通过单片机控制电机进行避障，这次小车设计的意义在于探索智能小车的设计理念及设计方法，有些生活中的实际问题便是由于人的反应时间过长所引起，而智能车实现了自动应急，为生命保障做最后一道壁垒。

关键词：

智能小车，单片机，超声波，测距，避障

1绪论

二十一世纪是计算机技术、科学技术和汽车工业迅猛发展的时代，在此大环境下，汽车与电子信息产业逐渐的一体化，向电子化、多媒体化和智能化方向发展，智能超声波避障小车则是其中的代表，它的研究及应用无疑成为关注的焦点。

1.1概述

本小车使用一台STC89C52单片机作为主控芯片，它通过超声波测距来获取小车距离障碍物的距离，在小车与障碍物的距离小于安全距离（用软件设定）时自动拐弯，以避开障碍物。

在避开障碍物后，小车会沿直线前进。

本系统设计的简易智能小车分为几个模块：

单片机控制系统、超声波路面检测系统、前进、转弯控制电机。

1.1.1基于51单片机的超声波智能避障小车的发展

随着社会的不断发展和科学技术水平的不断提高，人类渴望创造出一种取代人力的劳动工具解放劳动力，于是出现了“机器人”这个代名词。

1959年诞生世界上第一台机器人，至今已有50多年的历史，机器人技术在科学领域也取得了质的飞跃，目前已发展成一门机械、电子、计算机、自动控制、信号处理，传感器等多学科为一体的尖端技术。

智能超声波避障小车经历了三代技术创新变革。

第一代超声波避障小车可编程的示教再现型，不需要装载任何传感器，只是采用简单的开关控制，通过编程来设置小车的路径与运动参数，在工作过程中不能根据环境的变化而改变自身的运动轨迹。

第二代超声波避障小车支持离线编程，具有一定感知和适应环境的能力。

这类小车装有简单的传感器，可以感觉到自身的运动位置速度等其他物理量，电路是一个闭环反馈的控制系统，能适应一定的外部环境变化。

第三代超声波避障小车是智能的，多种外部传感器构成感官系统，通过采集外部的环境信息，精确地描述环境的变化。

智能小车能独立完成任务，有知识基础和多信息处理系统，在结构化或半结构化的工作环境中，根据环境变化做出决策，有一定的适应能力、自我学习能力和自我组织的能力。

为了让小车能独立工作，一方面应具有较高的智慧和更广泛的应用，研究各种新机传感器，另一方面，也掌握多个多类传感器信息融合的技术，这样小车可以更准确，更全面的获得所处环境的信息[1]。

1.2智能车国内外的研究现状

1.2.1国内的研究

我国开展智能车辆技术方面开始于20世纪80年代，相比于国外研究起步比较晚。

虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定得技术差距，但是我们也取得了一系列的成果。

（1）中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程自动化学院于2003年研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。

该自主驾驶轿车在正常交通情况下的高速公路上，行驶的最高稳定速度为13km/h,最高峰值速度达170km/h，并且具有超车功能，总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。

（2）南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院校联合研制了7B.8军用室外自主车，该车装有彩色摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位等传感器。

计算机系统采用两台Sun10完成信息融合、路径规划，两台PC486完成路边抽取识别和激光信息处理，8098单片机完成定位计算和车辆自动驾驶。

其体系结构以水平式结构为主，采用传统的“感知-建模-规划-执行”算法，其直线跟踪速度达到20km/h，避障速度达到5-10km/h。

智能车辆研究也是智能交通系统ITS的关键技术。

目前，国内的许多高校和科研院所都在进行ITS关键技术、设备的研究。

随着ITS研究的兴起，我国已形成一支ITS技术研究开发的技术专业队伍。

各交通、汽车企业越来越加大了对ITS及智能车辆技术研发的投入，整个社会的关注程度在不断提高。

交通部已将ITS研究列入“十五”科技发展计划和2010年长期规划。

相信经过相关领域的共同努力，我国ITS及智能车辆的技术水平一定会得到很大提高。

我国飞速发展的经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔的前景。

我们要结合我国国情，在某一方面或某些方面，对智能车进行深入细致的研究，为它今后的发展及实际应用打下坚实的基础。

1.2.2国外的研究

国外智能车辆的研究历史较长，开始于上世纪50年代。

它的发展历程大体可以分成三个阶段。

第一阶段：

20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。

1954年美国BarrettElectronics公司研究开发了世界上第一台自主引导车系统AGVS（AutomatedGuidedVehicleSystem）。

该系统只是一个运行在固定线路上的拖车式运货平台，但它却具有了智能车辆最基本得特征即无人驾驶。

早期研制AGVS的目的是为了提高仓库运输的自动化水平，应用领域仅局限于仓库内的物品运输。

随着计算机的应用和传感技术的发展，智能车辆的研究不断得到新的发展。

第二阶段：

从80年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车辆开展了卓有成效的研究。

在欧洲，普罗米修斯项目于1986年开始了在这个领域的探索。

在美洲，美国于1995年成立了国家自动高速公路系统联盟（NAHSC），其目标之一就是研究发展智能车辆的可能性，并促进智能车辆技术进入实用化。

在亚洲，日本于1996年成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶研究会，主要目的是研究自动车辆导航的方法，促进日本智能车辆技术的整体进步。

进入80年代中期，设计和制造智能车辆的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司开始研制智能车辆平台。

第三阶段：

从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段。

最为突出的是，美国卡内基.梅隆大学机器人研究所一共完成了Navlab系列的10台自主车的研究，取得了显著的成就。

目前，智能车辆的发展正处于第三阶段。

这一阶段的研究成果代表了当前国外智能车辆的主要发展方向。

在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构研发的智能车辆具有代表性的有：

德意志联邦大学的研究1985年，第一辆VaMoRs智能原型车辆在户外高速公路上以100km/h的速度进行了测试，它使用了机器视觉来保证横向和纵向的车辆控制。

1988年，在都灵的PROMRTHEUS项目第一次委员会会议上，智能车辆维塔（VITA,7t）进行了展示，该车可以自动停车、行进，并可以向后车传送相关驾驶信息。

这两种车辆都配备了UBM视觉系统。

这是一个双目视觉系统，具有极高的稳定性。

荷兰鹿特丹港口智能车辆的研究主要体现在工厂货物的运输。

荷兰的Combiroad系统，采用无人驾驶的车辆来往返运输货物，它行驶的路面上采用了磁性导航参照物，并利用一个光阵列传感器去探测障碍。

荷兰南部目前正在讨论工业上利用这种系统的问题，政府正考虑已有的高速公路新建一条专用的车道，采用这种系统将货物从鹿特丹运往各地。

日本大阪大学的研究大阪大学的Shirai实验室所研制的智能小车，采用了航位推测系统，分别利用旋转编码器和电位计来获取智能小车的转向角，从而完成了智能小车的定位。

另外，斯特拉斯堡实验中心、英国国防部门的研究、美国卡内基梅隆大学、奔驰公司、美国麻省理工学院、韩国理工大学对智能车辆也有较多的研究。

1.3选题意义及目的

1.3.1选题意义

目前，智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。

随着汽车工业的迅速发展，其与电子信息产业的融合速度也显著提高，汽车开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展，使其不仅作为一种代步工具、同时能具有交通、娱乐、办公和通讯等多种功能。

智能汽车是一种高新技术密集的新型汽车，是在网络环境下利用信息技术、智能控制技术、自动控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机和机械等多个学科的最新科技成果，使汽车具有自动识别行驶道路、自动驾驶等先进功能。

随着控制技术、计算机技术和信息技术的发展,智能车在工业生产和日常生活中已经扮演了非常重要的角色，已成为人工智能领域研究和发展的热点。

关于汽车的研究也就越来越受人关注。

全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列，全国各高校也都很重视该题目的研究。

1.3.2选题目的

智能小车的研究、开发和应用涉及、传感技术、电气控制工程、智能控制等学科，智能控制技术是一门跨学科的综合性技术，通过独立设计并制作一辆具有简单智能化的简易小车，获得项目整体设计的能力，并掌握多通道多样化传感器综合控制的方法。

智能控制小车模拟机器人的运作，可以通过自己的动手排除故障，更加可以给学生一个实践操作的空间，加强学生的动手能力和思维能力。

由于单片机教学例子有限，因此，单片机智能车能综合学生课堂上的知识来实践，使学习者更好的了解单片机的发展。

通过此次的单片机制作，使学生从理论到实践，初步体会单片机项目的设计、制作、调试和成功完成项目的过程及困难，以此学会用理论联系实际。

通过对实践中出现的不足与学习来补充教学上的盲点。

在制作中提高自身对社会需求方向的灵敏度，发现商机，为自己以后实现创业这个宏伟的目标中打下一个坚实的基础。

2硬件系统设计

2.1整体设计方案

系统的总体方案是系统实现的基础，本次课程设计主要研究智能超声波避障小车，采用8051单片机系列中的STC89C52为主芯片，由单片机的IO端口控制L298N芯片来驱动两个电机正反转，完成电动机的前进、后退、左转、右转等基本操作，信号输入电路，控制电路，执行电路送入单片机的32个IO端口加以完成智能小车的各项功能。

2.2方案可行性分析

本次课程设计方案如下：

（1）采用STC89C52单片机作为主控制器。

（2）采用操作方便、稳定性好的直流电机作为两个前轮的动力驱动，用电机驱动芯片L298N控制直流电机。

（3）车身正前方的超声波模块实现壁障。

综上所述，可以看出系统方案的可行性，进而先查阅相关资料设计硬件电路原理图，通过Protues软件仿真进一步确定电路的可行性。

2.3系统框图

智能超声波避障小车主要由主芯片单片机STC89C52、电源模块、超声波避障模块、电机模块等组成，实现智能小车的超声波避障等各项功能。

系统原理框图如图2.1所示。

图2.1系统的原理框图

2.4硬件原理图

根据系统的结构图设计硬件电路原理图见附录1，有单片机模块、电源模块、超声波避障模块、电机模块等组成，可用Protues软件仿真电路图的可行性。

以下对各模块进行说明。

2.5各模块的介绍

2.5.1单片机STC89C52

单片机全称单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer），简称SCM，又称微控制器或嵌入式控制器，把一个计算机系统集成到一个芯片上，体积小、质量轻、价格便宜。

单片机内部也有和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件。

单片机为集成电路芯片，采用了超大规模的集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、多种I/O端口、中断系统、定时器/计时器、显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

MCS-51系列单片机的内部含有九个功能部件：

CPU（