智能超声波避障小车

智能超声波避障小车

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摘要 (3)

一、总体方案概述 (3)

二、总体电路原理图 (3)

三、各模块功能介绍 (4)

（一）、超声波测距模块 (4)

（二）、步进电机控制模块 (5)

（三）、单片机控制模块 (6)

四、系统软件设计 (6)

五、应用前景 (7)

六、参考文献 (8)

摘要：现今发达的交通在给人们带来便捷的同时也带来了许多的交通事故。发生交通事故的因素有很多。当然，如果我们的汽车能够更加智能，就是说事先能预测并显示前面障碍物离车的距离，当障碍物距离很近时汽车会自动采取一些措施避开障碍物，这样就能够在很大程度上避免这些事故的发生。在本论文中，我们将会看到能够实现这一功能的智能小车。

关键字：超声波、测量、避障、单片机

一、总体方案概述

本小车使用一台AT89S51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，并且用数码管实时的显示出来，在小车与障碍物的距离小于安全距离（用软件设定）时，小车会发出“在距您车前方x（数码显示的实时距离）米的地方有一障碍物，请您注意避让”的语音提示，并且拐弯，以避开障碍物，同时会点亮相应侧边的发光二极管作为提示信号。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、转弯控制电机以及方向指示灯系统。它们之间的相互关系如下图1所示。

图1：智能小车简要原理框架图

二、总体电路原理图

三、各模块功能介绍

（一）、超声波测距模块

首先利用单片机输出一个40kHz的触发信号，把触发信号通过TRIG管脚输入到超声波测距模块，再由超声波测距模块的发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时单片机通过软件开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物返回，超声波测距模块的接收器收到反射波后通过产生一个回应信号并通过ECHO脚反馈给单片机，此时单片机就立即停止计时。时序图如图1所示。由于超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离，即：S=VT/2，通过单片机来算出距离。

图1：超声波模块时序图

（二）、步进电机控制模块

此模块是用来作为小车前进的动力和控制小车的避障。

步进电机是通过脉冲来驱动的，其步距角和转速只与输入的脉冲频率有关，频率越快，其转速越快，因此，只需要控制驱动步进电机的脉冲频率来控制步进电机的工作，而步进电机的驱动脉冲可以通过单片机来输出。但由于步进电机工作时需要较大的工作电流，因此需要用步

图4：步进电机驱动模块原理图

进电机驱动芯片来驱动，如图4所示，我们用ULN2803芯片来驱动步进电机，并且用单片机的P0 I/O口来给ULN2803芯片输入不同频率的脉冲，再通过ULN2803来驱动步进电机。

本小车使用的是两个四相五线的步进电机来驱动。我们知道，四相五线步进电机共有五根线，其中红色的接电源的正极，剩下的四根分别接在了ULN2803芯片的四个输出端，其对应的输入端则接在了单片机的P1.0~P1.3端口，要使电机工作，则只需让四个I/O口依次输出高电平。电机励磁表如下所示：

小车的前面两个轮子分别用两个步进电机来驱动，当两个步进电机的转速一样的时候，车

子将沿直线前进，而两个步进电机的转速不一样的时候，车子就会拐弯，例如，左边的步进电机转速比右边的快的话，车子将向右边拐弯，只要控制好两个步进电机的转速比和不同转速的时间，就可以精确的控制小车的避障行为。

（三）、单片机控制模块

此模块是小车的最重要部分，它控制着超声波测距模块、数码管显示模块、步进电机控制

模块、语音提示模块、速度自控模块和信号提示模块的工作。

单片机通过计时器记录超声波发射和接受的时间差，来计算出小车距离障碍物的距离，控制P1口的高低电平来控制数码管显示，通过输出不同频率的脉冲来控制步进电机的工作，通过SPI 协议与ISD1760语音芯片进行通信，来控制语音芯片的定点放音，实现语音提示功能。

四、系统软件设计

本设计系统软件采用模块化结构，由主程序、电机驱动子程序﹑中断子程序﹑算法子程序构成。主程序流程图如图2所示。其中：避障中断服务子程序完成对超声波探测器产生的外部中断进行处理，如果超出预定的危险距离就左转进行避障。

图6：单片机最小系统

图7：程序流程图

五、应用前景

本智能小车系统最诱人的前景就是可用于未来的智能汽车上了。当驾驶员因疏忽或打瞌睡时这样的智能汽车的设计就能体现出它的作用。如果汽车偏离车道或距障碍物小于安全距离时，汽车就会发出报警，提醒驾驶员注意，如果驾驶员没有及时作出反应，汽车就会自动减速或停靠于路边。

这样的小车还可以用于月球探测等的无人探月车，帮助我们传达月球上更多的信息，让我们更加的了解月球，为将来登月做好充分准备。

这样的小车在科学考察探测车上也有广阔的应用前景。在科学考察中，有许多很危险且人们无法涉足的地方，这时，智能科学考察车就能够派上用场，在它上面装上摄像机，代替人们进行许多无法进行的工作。

六、参考文献

[1] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程——入门、提高、开发、拓展全攻略.北京：电子工业出版社，2009

[2] 宋戈，黄鹤松，员玉良，蒋海峰.51单片机应用开发范例大全.北京：人民邮电出版社，2010

[3] 阎石.数字电子技术基础（第四版）.北京：高等教育出版社，1998

[4] 刘伏文，王春华.MCS-51单片机存储器结构详解.电子制作，2007,(10)

[5] 网络文献