第一章緒論

1.1項(xiàng)目研究背景及意義：智能作為現(xiàn)代社會(huì)的新產(chǎn)物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)特定的環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，無(wú)需人為管理，便可以完成預(yù)期所要達(dá)到的或是更高的目標(biāo)。本設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)多功能小車的智能模式，設(shè)計(jì)中的理論方案、分析方法及特色與創(chuàng)新點(diǎn)等可以為自動(dòng)運(yùn)輸機(jī)器人、采礦勘探機(jī)器人、家用自動(dòng)清潔機(jī)器人等自動(dòng)半自動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與普及有一定的參考意義。同時(shí)小車可以作為玩具的發(fā)展對(duì)象，為中國(guó)玩具市場(chǎng)技術(shù)含量的缺乏進(jìn)行一定的彌補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益，形成商業(yè)價(jià)值。超聲波作為智能車避障的一種重要手段，以其避障實(shí)現(xiàn)方便，計(jì)算簡(jiǎn)單，易于做到實(shí)時(shí)控制，測(cè)量精度也能達(dá)到實(shí)用的要求，在未來(lái)汽車智能化進(jìn)程中必將得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)作為一個(gè)世界大國(guó)，在高科技領(lǐng)域也必須占據(jù)一席之地，未來(lái)汽車的智能化是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展必然的，在這種情況下研究超聲波在智能車避障上的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義，這將對(duì)我國(guó)未來(lái)智能汽車的研究在世界高科技領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位具有重要作用。本智能小車系統(tǒng)最誘人的前景就是可用于未來(lái)的智能汽車上了，當(dāng)駕駛員因疏忽或打瞌睡時(shí)這樣的智能汽車的設(shè)計(jì)就能體現(xiàn)出它的作用。如果汽車偏離車道或距障礙物小于安全距離時(shí)，汽車就會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒駕駛員注意，如果駕駛員沒(méi)有及時(shí)作出反應(yīng)，汽車就會(huì)自動(dòng)減速或?？坑诼愤?。這樣的小車還可以用于月球探測(cè)等的無(wú)人探月車，幫助我們傳達(dá)月球上更多的信息，讓我們更加的了解月球，為將來(lái)登月做好充分準(zhǔn)備。這樣的小車在科學(xué)考察探測(cè)車上也有廣闊的應(yīng)用前景，在科學(xué)考察中，有很多危險(xiǎn)且人們無(wú)法涉足的地方，這時(shí)，智能科學(xué)考察車就能夠派上用場(chǎng)，在它上面裝上攝像機(jī)，代替人們進(jìn)行許多無(wú)法進(jìn)行的工作。

　　本設(shè)計(jì)題目為智能避障小車設(shè)計(jì)，主要研究小車的避障功能，小車遇到障礙物時(shí)，當(dāng)距離障礙物大于40cm，PWM信號(hào)自增，驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速，小車加速前進(jìn)，當(dāng)小于30cm時(shí)，PWM信號(hào)自減，驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速，小車減速前進(jìn)，并且小車采取相應(yīng)的避障措施。這里探測(cè)裝置必不可少，因?yàn)槌暡ㄔ诰嚯x檢測(cè)方面的較準(zhǔn)確定位。所以采用超聲波傳感器作為探測(cè)裝置，由于超聲波遇到障礙物時(shí)發(fā)生像光一樣的反射和散射，在經(jīng)過(guò)多次發(fā)射之后再回到超聲波檢測(cè)端口會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的路程差，從而影響對(duì)距離的檢測(cè)進(jìn)而影響對(duì)障礙物的較準(zhǔn)確定位。通過(guò)軟件內(nèi)部校準(zhǔn)優(yōu)化消除外部物理?xiàng)l件造成的誤差從而達(dá)到對(duì)障礙物的較準(zhǔn)確定位。1.3直流電機(jī)的發(fā)展：直流電動(dòng)機(jī)在冶金、礦山、化工、交通、機(jī)械、紡織、航空等領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。而以往直流電動(dòng)機(jī)的控制只是簡(jiǎn)單的控制，很難進(jìn)行調(diào)速，不能實(shí)現(xiàn)智能化。如今，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制已經(jīng)離不開(kāi)單片機(jī)的支持，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，使人類社會(huì)步入了自動(dòng)化時(shí)代，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)與其他學(xué)科領(lǐng)域交叉融合，促進(jìn)了學(xué)科發(fā)展和專業(yè)更新，引發(fā)了新 興交叉學(xué)科與技術(shù)的不斷涌現(xiàn)?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，改變了世界，也改變了人類的生活。由于單片機(jī)的體積小、重量輕、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、控制靈活、應(yīng)用方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，單片機(jī)的應(yīng)用也更加廣泛特別是在各種領(lǐng)域的控制、自動(dòng)化等方面。在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求調(diào)整轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能如何對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。因此，調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟動(dòng)制動(dòng)性能良好，且能在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點(diǎn)而在電力、冶金、機(jī)械制造等工業(yè)部門(mén)中得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類：勵(lì)磁控制閥與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小但低俗時(shí)受到磁場(chǎng)飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵(lì)磁線圈電感較大動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。傳統(tǒng)的改變端電壓的方法是通過(guò)調(diào)節(jié)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但這種調(diào)壓方法效率低。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，創(chuàng)造了許多新的電樞電壓控制方法。其中脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）是常用的一種調(diào)速方法。其基本原理是用改變電機(jī)電樞電壓的接通和斷開(kāi)的時(shí)間比（即占空比）來(lái)控制馬達(dá)的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，其速度增加，電機(jī)斷電時(shí)其速度降低。只要按照一定的規(guī)律改變通斷電的時(shí)間，就可使電機(jī)的速度保持在一穩(wěn)定值上。

　　單片機(jī)以及微處理器控制系統(tǒng)的發(fā)展：?jiǎn)纹⑿陀?jì)算機(jī)的誕生是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)新的里程碑。近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，以及市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品功能和性能的要求不斷提高，直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用更加廣泛，尤其是在智能機(jī)器人中的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速性能、過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)顯得十分重要，為了能夠適應(yīng)發(fā)展的要求，單閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展。而作為單片嵌入式系統(tǒng)的核心—單片機(jī)，正朝著多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價(jià)格、大存儲(chǔ)容量和強(qiáng)I/O 功能等方向發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)檔次的不斷提高，功能的不斷完善，單片機(jī)已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在各種領(lǐng)域的控制、自動(dòng)化、智能化等方面，特別是在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)中。這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)：體積小，功能全，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，結(jié)構(gòu)合理，指令豐富，控制功能強(qiáng)，造價(jià)低等。所以選用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可行性。早期直流傳動(dòng)的控制系統(tǒng)采用模擬分離器件構(gòu)成，由于模擬器件有其固有的缺點(diǎn)，如存在溫漂、零漂電壓，構(gòu)成系統(tǒng)的器件較多，使得模擬直流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制精度及可靠性較低。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，微處理器已經(jīng)廣泛使用于直流傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制。由于微處理器以數(shù)字信號(hào)工作，控制手段靈活方便，抗干擾能力強(qiáng)。

　　所以，全數(shù)字直流調(diào)速控制精度、可靠性和穩(wěn)定性比模擬直流調(diào)速系統(tǒng)大大提高。所以，直流傳動(dòng)控制采用微處理器實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，使直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。微處理器誕生于上個(gè)世紀(jì)七十年代，隨著集成電路大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路制造工藝的迅速發(fā)展，微處理器的性價(jià)比越來(lái)越高。此外，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，制作工藝的提升，使得大功率電子器件的性能迅速提高。為微處理器普遍用于控制電機(jī)提供了可能，利用微處理器控制電機(jī)完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機(jī)的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機(jī)的性能更符合工業(yè)生產(chǎn)使用要求，還促進(jìn)了電機(jī)生產(chǎn)商研發(fā)出各種如步進(jìn)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等便于控制且實(shí)用的新型電機(jī)，使電機(jī)的發(fā)展出現(xiàn)了新的變化。對(duì)于簡(jiǎn)單的微處理器控制電機(jī)，只需利用用微處理器控制繼電器、電子開(kāi)關(guān)元器件，使電路開(kāi)通或關(guān)斷就可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。現(xiàn)在帶微處理器的可編程控制器，已經(jīng)在各種的機(jī)床設(shè)備和各種的生產(chǎn)流水線中普遍得到應(yīng)用，通過(guò)對(duì)可編程控制器進(jìn)行編程就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的規(guī)律化控制。對(duì)于復(fù)雜的微處理器控制電機(jī)，則要利用微處理器控制電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等，使電機(jī)按給定的指令準(zhǔn)確工作。通過(guò)微處理器控制，可使電機(jī)的性能有很大的提高。目前相比直流電機(jī)和交流電機(jī)他們各有所長(zhǎng)，如直流電機(jī)調(diào)速性能好，但帶有機(jī)械換向器，有機(jī)械磨損及換向火花等問(wèn)題；交流電機(jī)，不論是異步電機(jī)還是同步電機(jī)，結(jié)構(gòu)都比直流電機(jī)簡(jiǎn)單，工作也比直流電機(jī)可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運(yùn)行時(shí)，它們的速度不能方便而經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)。高性能的微處理器如DSP （DIGITAL SIGNAL PROCESSOR 即數(shù)字信號(hào)處理器）的出現(xiàn)，為采用新的控制理論和控制策略提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，使電機(jī)傳動(dòng)的自動(dòng)化程度大為提高。在先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床等數(shù)控位置伺服系統(tǒng)，已經(jīng)采用了如DSP 等的高速微處理器，其執(zhí)行速度可達(dá)數(shù)百萬(wàn)兆以上每秒，且具有適合的矩陣運(yùn)算。

　　設(shè)計(jì)思路：直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)的主要功能包括：實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的加速、減速，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。主體電路：即直流電機(jī)PWM 控制模塊。這部分電路主要由AT89S52 單片機(jī)的I/O 端口、定時(shí)計(jì)數(shù)器、外部中斷擴(kuò)展等控制直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。其間是通過(guò)AT89S52 單片機(jī)產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號(hào)并輸入到L298 驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)控制直流電機(jī)工作的。該直流電機(jī)PWM 控制系統(tǒng)由以下電路模塊組成：設(shè)計(jì)控制部分：主要由AT89S52 單片機(jī)的外部中斷擴(kuò)展電路組成。直流電機(jī)PWM控制實(shí)現(xiàn)部分主要由一些二極管、電機(jī)和L298 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。設(shè)計(jì)顯示部分：LED 數(shù)碼顯示部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波測(cè)的距離的實(shí)時(shí)顯示。