超聲波智能避障小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

自避障小車誕生以來，它在很多領(lǐng)域都有涉及，如機(jī)械、電子和交通。各種用電器都在向智能化轉(zhuǎn)變，已經(jīng)滲透到我們?nèi)粘５狞c(diǎn)點(diǎn)滴滴。在各種高端技術(shù)的驅(qū)使下，避障小車的各種部件已經(jīng)數(shù)以萬計(jì)，要想使避障小車自己動(dòng)起來，就要有類似于人類眼睛的傳感器感知周圍的環(huán)境。目前的傳感器，在計(jì)算機(jī)超快的計(jì)算速度配合下，也只能傻瓜式感知周圍的環(huán)境。一般的避障控制系統(tǒng)，屬于一種簡(jiǎn)單的自動(dòng)引導(dǎo)系統(tǒng)，使智能避障小車能夠自己判斷障礙物所距自己的距離，在與設(shè)定值比較之后選擇較遠(yuǎn)的距離朝其駛?cè)ァ?/span>

對(duì)我印象最深的如汶川大地震的抗震救災(zāi)工作，還有電視上經(jīng)常播出的排雷工作，很多地方人都沒有辦法到達(dá)，這就要靠避障小車來完成。這就需要避障小車具備類似于人類思考問題的能力，避開各種障礙物，最終到達(dá)需要自己的地方。機(jī)器人可以分為兩大類，其一是輪式機(jī)器人，其二是足式機(jī)器人，這次設(shè)計(jì)要完成的是智能避障小車，屬于前面的后者。對(duì)上面舉的兩個(gè)例子，智能避障小車的研究顯得很有必要。

1  小車的設(shè)計(jì)

1.1  硬件介紹

小車運(yùn)行的控制方法多式多樣，本設(shè)計(jì)采用主流的微控制器--單片機(jī)，可以說單片機(jī)是小車的心臟和大腦，小車運(yùn)行都依賴它的控制。本設(shè)計(jì)中主控采用我們耳熟能詳?shù)腟TC89C51單片機(jī)，它主要負(fù)責(zé)對(duì)電機(jī)的控制和距離的測(cè)量。雖然這款單片機(jī)自身沒有脈沖寬度調(diào)制模塊是一大遺憾，但可以通過編程產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制，這樣既能將資源發(fā)揮的淋漓盡致，還能很好的滿足使用需求。

利用單片機(jī)作為該系統(tǒng)的大腦，用其指揮行進(jìn)中的小車，以實(shí)現(xiàn)智能避障功能。將我們的系統(tǒng)剖開來看，其致命點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)小車的智能避障，而此時(shí)單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)就體現(xiàn)出來了，控制起來比較簡(jiǎn)單，使用起來比較方便，操作起來比較敏捷。這樣一來，它就可以體現(xiàn)其可位尋址操作功能、充分發(fā)揮其資源豐富、并且有強(qiáng)大的控制功能、價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)。對(duì)智能避障小車的控制起到了不可替代的作用。

1.2  軟件介紹

Proteus軟件是英國(guó)Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件，到現(xiàn)如今為止已經(jīng)有多個(gè)版本，它的功能十分強(qiáng)大，不僅可以用來仿真EDA，而且也可以自己創(chuàng)作原件，比如仿真單片機(jī)，以及外圍元件。Proteus的另一個(gè)強(qiáng)大之處在于它可以實(shí)現(xiàn)從原理布圖到PCB的設(shè)計(jì)，完美實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)體系。

該設(shè)計(jì)采用的是Keil  C51開發(fā)實(shí)現(xiàn)的。Keil C51是美國(guó)Keil Software出品的，主要用于51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件的開發(fā)。C和匯編語(yǔ)言作比較的話，優(yōu)勢(shì)非常明顯，用戶非常容易學(xué)懂。Keil軟件也有完整的環(huán)境，其中包括C的編譯環(huán)境、define、連接器、庫(kù)管理、仿真調(diào)試器等。用一個(gè)集成的環(huán)境把這些部分組合在了一起。

1.3  功能分析

本設(shè)計(jì)大體上可以分為以下幾個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、超聲波測(cè)距系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)。它們之間的聯(lián)系如圖1 

圖1  總體框架圖

超聲波來測(cè)量小車和障礙物之間的距離，并通過數(shù)碼管顯示出來，單片機(jī)控制超聲波和電機(jī)模塊共同實(shí)現(xiàn)小車的智能避障。

1.3.1  驅(qū)動(dòng)功能分析

在小車的四個(gè)輪子上安裝有直流電機(jī)，能夠驅(qū)動(dòng)智能避障小車前進(jìn)，使用芯片L293D讓直流電機(jī)轉(zhuǎn)起來，通過使用電平信號(hào)，通過信號(hào)的高低，把單片機(jī)的輸出信號(hào)，傳給智能小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，然后通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)電機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制。該部分用STC89C51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)主要控制，以L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為輔助，驅(qū)動(dòng)智能避障小車能直線行駛和轉(zhuǎn)彎。L293D四個(gè)引腳（OUT1、OUT2、OUT3、OUT4）可以分別接電機(jī)，完全驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。剩下的兩個(gè)En1和En1為使能端，可以通過電壓控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1.3.2  檢測(cè)功能分析

本設(shè)計(jì)中，當(dāng)單片機(jī)輸出一個(gè)高電平，然后將該電平給超聲波電路中的穩(wěn)壓器時(shí)，穩(wěn)壓器將輸出電壓，并將該電壓提供給超聲信號(hào)的發(fā)射部分電路。此時(shí)，微處理器定時(shí)器T0，將以中斷方式產(chǎn)生脈沖序列，由軟件觸發(fā)一個(gè)超聲波信號(hào)。該震蕩信號(hào)，通過兩個(gè)10位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，輸出一個(gè)100級(jí)分頻的信號(hào)，若該信號(hào)變高，則說明定時(shí)器T0中斷，然后通過鎖存器級(jí)反相器后，發(fā)射該超聲波信號(hào)。

1.4  單片機(jī)的選擇

本課題使用的是STC89C51系列單片機(jī)，用它作為該智能避障小車的控制模塊主要部分，通過STC89C51系列的單片機(jī)，應(yīng)用相關(guān)程序來控制小車運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)小車運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化控制，常見的相關(guān)系列單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2 

圖2  相關(guān)系列單片機(jī)最小系統(tǒng)

2  小車的實(shí)現(xiàn) 

圖3  超聲波智能避障小車

3  結(jié)語(yǔ)

在完成設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)后，對(duì)整體進(jìn)行了測(cè)試，以保證小車能夠正常運(yùn)行。調(diào)試是不可缺少的步驟，在調(diào)試中，先擬出調(diào)試思路，按照調(diào)試思路嚴(yán)格測(cè)試。在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，直至達(dá)到理想效果。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://k2057.cn/w/qk/21223.html