基于51单片机的超声波避障小车设计-毕业论文 - 图文(3)

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2.2系统各模块的设计方案

2.2.1控制核心模块的选择方案论证

方案一：选用普通的51系列单片机，该系列的单片机是有51单片机公司最早推出的，这一型号的单片机网上有很多的历程可以用，因此用起来比较容易上手。其中P0可作为地址和数据的三态双向口，P1是多功能的复用接口，P2可作为地址总线的输出P3口的第一功能跟P1口相似，第二功能可作为特殊功能的输入输出线线[14]。 方案二：选用增强型51系列单片机，它比普通的51单片机多了一些外设，功能上更加丰富强大了，增大了ROM和RAM，运算速度是普通的51单片机的8-10倍，I/O口的驱动能力大概是20mA，8051系列的在10mA左右，增强型51系列单片机与嵌入式芯片如AVR、ARM等很像,但其内部框架依旧是8051。

方案三：选用15系列单片机，该系类的单片机是STC最新推出的单片机，除了增大了ROM和RAM外。芯片的封装也改为贴片式占用的面积小，除此之外15最大的优势在于在他内部装有可配置的时钟电路所以外接晶振[15]。

起初在选择方案的时候就是本着简单易懂的心态去选的，所以首选的是方案一，考虑到程序的占用的内存问题于是选择了增强型的51.但是通过学习和绘制电路板之后渐渐的发现用最新的15单片机的优势所在，而且15单片机的历程从没有接触过，这是一次挺好的挑战机会，于是最终选定的方案是方案三。除此之外15不用外加晶振而且其的封装采用的是贴片式极大的节省了电路板的面积，普通的51单片机用的功能15都已经具备，32个IO口的15单片机也足以满足本次课设对单片机管脚的需求，加之15拥有与PWM波形相关的特殊功能寄存器[16]，为此最终选定了STC15单片机作为本次课题的核心控制器。

2.2.2主电路板的方案论证

目前电路图的制作方式主要有两种：第一种是绘制电路原理图然后根据电路原理图制作绘制PCB板，第二种就根据相关的电路知识在洞洞板上自行搭建电路图，电路中的线路一般是用焊锡焊接出来的。

方案一：PCB电路板，在制作PCB板之前首先要绘制电路原理图，需要用的软件是Altium Designer 10简称AD10.Altium Designer 10.作为新一代的板卡级设计软件，以Window XP的界面风格为主，同时，Altium 公司独一无二的DXP技术集成平台也为设计系统提供了所有工具和编辑器的相容环境[17]。AD10操作起来十分的简单，但是需要

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有一定的英文基础，绘制电路图主要分为两个部分，第一部分是电路的原理图，第二部分是PCB图，电路原理图可以生成未布线的 PCB电路图，经过布线处理之后就是完整的PCB电路图了。用AD绘制电路图的优点在于软件自带检测功能，可以检查电路中的错误。 方案二：自行搭建洞洞板；洞洞板顾名思义就是有很多个小洞组成的板子，这种板子一般有塑料制成，在每个小洞的的周围镀上焊盘。使用的时候将器件插上，用焊锡焊接固定即可，至于需要用线连接的器件可以用焊锡将两个器件间的一列焊盘连接在一起。洞洞板的搭建的优点在于，比较灵活，需要增加硬件可以自行拓展电路，其缺点在于相对PCB板的焊接较为复杂[18]。

综合了两个方案的优缺点之后，在主板的制作上最终采用了洞洞板的，但是前期的调试采用的是PCB电路板。PCB电路板如图2.2

图2.2主板PCB图

2.2.3测距避障传感器的方案论证

测距传感器是本次课题的核心传感器，测距传感器的选用关乎到小车的实际避障和测距情况，因此测距传感器的选型至关重要。目前测距传感器种类繁多，其中应用最广泛的莫过于声光测距传感器。常见的声光测距传感器有、超声波传感器、雷达测距、激光测距传感器、光电管、CCD图像传感器、光钎传感器和光栅传感器[19]。通过查阅相关资论文中给出两种种测距方案进行论述。

方案一：超声波测距，超声波测距的原理是利用声反射的原理通过声速传播的时间来计算距离。需要注意的是超声波传感器不能直接测量距离，只能测量超声波传播的时间，距离可以根据声速传播的公式进行计算。声波抗高压能力强，不易受到可见光，外界温度的干扰，但是超声波检测存在盲区，其检测盲区为小于2CM[20]。

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方案二：红外对管，红外对管是一种十分常用的传感器其集发射与接收于一体的光电传感器[21]，检测范围:3-80CM。因其安装方便，价格低廉，操作简单被应用于各行各业。红外对管的主要用了测距测温，测距的原理也很简单，就是利用光反射的原理，这个跟超声波测距很相似。因为光具有穿透性，因此红外对管不能用来检测透明物体，这也是其检测的局限性。

通过分析和具体的实践最终选定方案一的超声波传感器为测距传感器，选用的原因如下。

（1）超声波传的抗干扰能力比红外对管的强，小车在行驶过程中易受到可见光的干扰，降低了传感器的精度。红外对管属于光电传感器，其在检测自身发出的红外线时易受外界光线的影响。

（2）红外对管在检测障碍物的时候具有局限性，因为光线具有一定的穿透性，当前方的障碍物为可穿透的物体时，红外线是无法检测出的，这给小车的自动避障带来了局限性[22]。

综合上面分析的原因，最终选定了超声波传感器为智能避障小车的测距传感器。 2.2.4 测速模块的选择方案论证

测速模块选用的的是光电编码测速器，又称光电码盘。其因具有测量精度高，价格便宜，抗干扰能力强，可靠性高的特点而被广泛的使用。目前常用的光电编码测速器主要有两种类型，一种是透光型光电编码测速器，一种是反光型编码测速器。根据编码器的型号本文给出了两种方案，并分析论述得出最终的方案。

方案一：透光式光电编码器，透光式光电编码器有两个部分组成第一部分是一个带有光栅的圆盘，在使用时这个圆盘被安装在直流电机的转轴上。第二部分是由光电二极管和光敏原件组成测量模块。透光式的测量原理是基于光是沿直线传播的原理，当光栅和光电二极管处于同一直线上时光线穿过光栅[21]，此时光敏原件检测到发光源，则此时发出高电平，反之则为地低电平。当圆盘旋转一周时记下此时发出的高电平数，在通过圆盘的周长就可以算出小车的转速。例如：圆形旋转物体半径为R,码线数为M，单位时间内（1s）扫过N个码线，则该旋转体的速度为V=M/N*π*2R。

方案二：反射式光电编码测速器，反射式光电编码器也是有两部分组成，第一部分也是一个圆盘，但是这个圆盘是一个能反射光线的圆盘，圆盘上均匀的分布着反光面，当圆盘旋转到合适的位置后就能反射由光电二极管发出的光线，光电管将感受的光变化转换为电信号变化，第二部分则是将反光材料粘贴于被测轴的测量部位上构成反射面。

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常用的反射材料为专用测速反射纸带(胶带)，也可用铝箔等反光材料代替，有时还可以在被测部位涂以白漆作为反射面。投光器与反射面需适当配置，通常两者之间距离为5-15M。当被测轴旋转时，光电元件接受脉动光照，并输出相应的电信号送人电子计数器，从而测量出被测轴的转速[22]。

通过具体的对分析以及结合小车车模的实际情况做种选定方案一，得出方案一的原因如下：

（1）小车的车模空间有限，在安装了圆盘后已经没有合适的位置安装反射式光电编码器的反射纸带。相反透光式的光电编码器需要的空间相对较小，不需要在车模上安装其他的硬件。

（2）透光式编码器虽然易容机械震动的干扰，但是圆盘式安装在直流电机的转轴上的，几乎不会产生太过剧烈的震动，因此这对于透光式编码器不会产生干扰。 2.2.5电机驱动选择方案论证

智能车常用驱动有两种：L298N和L293D。两者均为的电机为5V直流电机的常用驱动模块。

方案一：L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，与L293D的差别是起输出电流增大，功率增强。其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，线圈等感性负载[23]，特别是其输入端可以与单片机直接相连，从而很方便地受单片机控制。驱动直流电机时是通过控制IN1--IN4四个输入端的高低电平，只要有电平差就会驱动电机旋转。

方案二：L293D支持两路直流电机或一路步进电机的驱动，最高工作电压25V，最大驱动电流1.2A 。工作时控制引脚与核心控制芯片的IO口相连。其驱动直流电动机的方式与L298N相同。

在综合考虑后期的调试中可能要加入电机的正反转或者，紧急停车系统，为此选用性能更加稳定，但是价格相对贵的L298N驱动模块。 2.2.6 显示装置的选型方案论证

显示装置主要是用来显示小车当前的速度值和超声波采集到的数值，字符数在6到8位左右。在电子系统领域中跟单片机配套使用的显示装置主要有LED数码管,LCD1602液晶显示屏和12864液晶显示屏。

方案一：LED数码管显示，数码管一般有7段或者8段字段码，每段字段码其实就是一个发光二极管。数码管一般有两种，一种是共阴极数码，共阴极数码就是将数码管

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的一端接地，给高电平时数码管点亮，反之则不点亮。共阳极数码管则是将数码管的一端与电源的正极相接，给低电平时数码管点亮，反之则不点亮[24]。数码管的显示方式也分为两种，一种是静态显示，一种是动态扫描。所谓的静态显示是指将数码管的一端与单片机具有锁存功能的IO口连接，当给数码管合适电平时数码管点亮，只要一直给电平数码段就会一直点亮。动态扫描相对来说比较复杂，其原理就是将数码管的位段码和字段码分别接在单片机的不同IO口上，由单片机控制位段码和字段码的显示。由于单片机的扫描频率很高，人眼是无法识别数码管在扫描过程中的字符变换的，因此在人眼的观察下数码管是无变化的。

图2.3 LED原理图

方案二：LCD1602显示,顾名思义1602的意思就是16*2也就是说LCD1602能显示16*2个字符。在1602的字符寄存器中含有192个字符，除了平假名外其他的均是常用的字符。用户在使用字符时只需要调出相应的字符代码便可让其显示，操作是十分方便的。

通过对比分析LCD1602方案较为合适，原因如下：

（1）LED数码管显示一个字符需要一位数码管，而要显示速度和距离至少需要8位的数码管，加之如果要在前后分别加上被测量的公式符号和单位则需要至少16位的数码管，这种显示太繁琐了[25]。

（2）选用LCD1602在安装时只需要在洞洞板上焊接上排母，再将LCD插入排母内即可，而LED需要焊接在板子上，需要的占用空间大，焊接繁琐。

（3）从视觉角度分析，LCD相对美观，显示也方便。

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