智能超声波避障小车汇总

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
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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
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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
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（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： 励磁顺序 1 2 3 4 A 1 0 0 0 A 0 1 0 0 B 0 0 1 0 B 0 0 0 1
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
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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。
振 荡 电 路 复 位 电 路
图 6：单片机最小系统
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。
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初始化
驱动电机
利用定时器中断每 800ms 发送一个触发信号
收到回波信号 否 是 计算障碍物距离
否 障碍物距离小于 20cm
是 驱动电机转向
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。
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