51单片机的超声波避障系统设计
目 录
一、引言 1
（一）项目研究背景及意义 1
（二）项目主要研究内容 1
（三）直流电机的发展 2
（四）单片机以及微处理器控制系统的发展 2
（五）设计思路 3
二、总体设计方案 3
（一）方案选择 3
（二）系统结构 4
三、系统硬件设计 5
（一）AT89C51单片机概述 5
（二）障碍物测距系统 7
（三）LCD1602液晶显示器模块 9
（四）电机驱动模块 11
（五）脉宽调制原理 12
（六）逻辑延时环节 12
（七）速度控制模块 12
四、系统软件设计 13
（一）主程序流程图设计 13
（二）程序初始化流程图设计 14
（三）测距函数流程图设计 15
五、调试 15
总结 16
致 谢 17
参考文献 18
附录一 原理图 20
附录二 程序 21
一、引言
（一）项目研究背景及意义
智能系统指的是在无人干预情况下可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作并且能够完成预期的目的和目标的系统，它是现代社会的新产物并且作为未来的主要发展产业。此次设计的“基于51单片机的超声波避障智能小车”，其分析方法、理论方案和特色创新亮点能够为采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人以及自动运输机器人等一些自动半自动机器人的开发与推广具有重要意义。与此同时，在中国玩具市场技术含量缺乏的背景下，智能小车能够作为玩具的发展对象为市场的空白带来巨大的弥补，从 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
而带来巨大的经济效益。超声波避障技术以其技术计算简单、实现方便、能够实时的控制系统并且其测量精度满足实用性，从而其成为智能车避障的一种重要手段。在未来智能汽车工业中，超声波避障的广泛使用使得其进程被大大推进。
随着我国成为一个世界性的大国，在科技领域我国的地位已经不容小觑，超声波的研究在我国智能化汽车的产业已经提上日程，其意义深远，对中国能够跻身于世界民族之林具有重要作用。本超声波避障系统最吸引人的亮点就是可将其安装在智能化汽车中，可避免司机因大意或者精神不集中时发生的糟糕车祸。系统会在汽车距障碍物小于安全距离或者偏离了车道时发出报警提示司机，并且会在司机没有及时采取应对措施的时候自动将车减速并且停下来。此系统还能辅助无人探月车的工作，为我们传达更多的月球信息，充分研究月球，为开发月球、移民月球等重要事件做准备。在自动化领域，此智能避障小车能够涉足一些高温高压、有毒环境以及地下勘探等人无法触及的场合，替人们完成各种充满危险性的工作，比如在智能安装上温度、湿度、有毒气体传感器，它就可以去采集温度、湿度以及有毒气体的相关参数。
（二）项目主要研究内容
此次设计的内容为“基于AT89C51的超声波避障系统设计”，主要设计一个使用超声波技术来避障的智能小车系统，其主要能够实现当小车距离障碍物多于30cm时，PWM脉冲的脉宽增加，使直流电机加速转动，从而使小车能够加速前进；而当小车距离障碍物少于20cm时，PWM脉冲的脉宽降低，使直流电机减速转动，从而使小车能够减速前进并最终停止或转向，从而实现避障功能。在此系统中，超声波传感器是其中不可缺少的探测模块，超声波在测距时能够得到精确的距离。超声波和光线一样，同样具有散射和反射特性，当由超声波传感器发出的超声波遇到障碍时会发生多次的反射，当超声波再回到传感器时，将会有一个糟糕的距离差，这个距离差会严重影响超声波的工作，但是可以利用软件校准来减少影响，从而实现准确的定位。
（三）直流电机的发展
在矿山、交通、化工、纺织、航空、冶金以及机械等领域，直流电动机已经被广泛使用。在控制技术相对匮乏的过去，很难实现直流电动机的调速，智能够进行简单控制，因此很难有智能化。而如今，随着单片机技术的突飞猛进，在工控领域，其对直流电动机的控制技术已经相对成熟，是自动化时代来临。同时其他领域的技术又和单片机相互交融，又带来了新兴学科的飞速发展，引发了许多大量的优秀技术。单片机具有重量轻、体积小、抗干扰能力强、功能强、价格低廉、应用方便并且控制灵活等诸多优点，随着CPU的性能和稳定性不断改善，单片机也在自动化已经其他控制领域得到了重要而广泛的应用。直流电动机作为一种实现电能机械能转换的装置，在实际使用时，一是应能根据生产工艺的要求调整转速；二是要具有较 高的能量转换效率。在使用直流电动机时，其调速性能至关重要，对于提高劳动生产率、节省电能以及提高产品质量起着关键作用，所以，对于调速性能的研究一直是设计师的研究热点。
在冶金、机械制造以及电力等领域，直流电动机凭借启动制动性能良好、速度控制容易以及能在宽范围内平滑调速等优点被大力应用。电枢电压控制法和励磁控制阀是直流电动机转速控制的两类常用方法，励磁控制法通过控制磁通来控制转速，这种方法的控制功率非常小，但是美中不足的时在低速时，由于有磁饱和现象的限制；在高速时，又要收到转向器的结构强度和换向火花的限制，并且其大的励磁线圈电感严重影响了动态响应，因此通过改变电枢端电压的方法来改变电机转速更为实用。
在过去，经常使用调节电阻来实现改变电枢端电压，但是其过多的功率被调节电阻消耗拉低了电能效率。在如今电力电子学科相对成熟的今天，涌现出了很多种新的控制电枢电压的方法，这其中脉宽调 制（Pulse Width Modulation,PWM）就是最常用一种。PWM技术是通过改变直流电机的电枢端电压的断开和接通的暂空比（即时间比）来改变电机的转速，当PWM波的占空比增加（即高电平的百分比增加）时，直流电机的转速将增快；而当PWM波的占空比降低（即高电平的百分比降低）时，直流电机的转速将减慢。工业上通常采取相关的方式来调节PWM波的占空比来控制直流电机。
（四）单片机以及微处理器控制系统的发展
单片机是单片微型计算机的简称，在国外通常把它称为Microcontrollers，它的出现是计算机界的一个全新的里程碑。在当今科学技术迅猛发展的环境下，市场对产品的性能和功能要求大大提升，直流电动机在多个领域受到广泛关注，特别在智能机器人的研发中。出色的过载能力以及起动和调速性能使得直流电动机的发展更加虚宿，在工控领域，单闭环直流电动机的调速控制系统就是一种较为常用的直流电动机控制系统。单片机作为控制系统的核心部分，其真朝着低功耗、高速度、低成本、大存储容量、强 I/O 功能、多选择和多功能的方向迈进。伴随着CPU的稳定性和速度的不断提高，单片机在直流电动机的调速控制系统等智能化以及自动化领域被广泛使用。
由于单片机具备了抗干扰能力强、可靠性高、功能全、体积小、低成本、指令丰富、结构合理以及控制功能强等诸多优点，所以在控制系统核心的选择上，单片机是首要选择，它能够改善整个控制系统的可行性以及可靠性。在过去，通常使用模拟分离器件构成直流电动机的控制系统，但是因为模拟器件存在不可避免并且严重的零漂电压、温漂以及整个系统体积庞大等缺点，所以模拟直流传动系统的可靠性和精度不是很高。随着数字技术的发展和广泛应用，单片机已经被大量的植入了直流电机控制系统，从而实现了控制系统的数字化。在稳定性、可靠性以及控制精度上，全数字直流调速控制系统比模拟直流调速系统高的多，因为单片机是以数字信号运行，它有抗干扰能力强和控制手段灵活方便等优点。因此，随着全数字化的使用，使得直流电机控制系统的研发和使用迈入了一个全新的阶段。
一、引言 1
（一）项目研究背景及意义 1
（二）项目主要研究内容 1
（三）直流电机的发展 2
（四）单片机以及微处理器控制系统的发展 2
（五）设计思路 3
二、总体设计方案 3
（一）方案选择 3
（二）系统结构 4
三、系统硬件设计 5
（一）AT89C51单片机概述 5
（二）障碍物测距系统 7
（三）LCD1602液晶显示器模块 9
（四）电机驱动模块 11
（五）脉宽调制原理 12
（六）逻辑延时环节 12
（七）速度控制模块 12
四、系统软件设计 13
（一）主程序流程图设计 13
（二）程序初始化流程图设计 14
（三）测距函数流程图设计 15
五、调试 15
总结 16
致 谢 17
参考文献 18
附录一 原理图 20
附录二 程序 21
一、引言
（一）项目研究背景及意义
智能系统指的是在无人干预情况下可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作并且能够完成预期的目的和目标的系统，它是现代社会的新产物并且作为未来的主要发展产业。此次设计的“基于51单片机的超声波避障智能小车”，其分析方法、理论方案和特色创新亮点能够为采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人以及自动运输机器人等一些自动半自动机器人的开发与推广具有重要意义。与此同时，在中国玩具市场技术含量缺乏的背景下，智能小车能够作为玩具的发展对象为市场的空白带来巨大的弥补，从 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
而带来巨大的经济效益。超声波避障技术以其技术计算简单、实现方便、能够实时的控制系统并且其测量精度满足实用性，从而其成为智能车避障的一种重要手段。在未来智能汽车工业中，超声波避障的广泛使用使得其进程被大大推进。
随着我国成为一个世界性的大国，在科技领域我国的地位已经不容小觑，超声波的研究在我国智能化汽车的产业已经提上日程，其意义深远，对中国能够跻身于世界民族之林具有重要作用。本超声波避障系统最吸引人的亮点就是可将其安装在智能化汽车中，可避免司机因大意或者精神不集中时发生的糟糕车祸。系统会在汽车距障碍物小于安全距离或者偏离了车道时发出报警提示司机，并且会在司机没有及时采取应对措施的时候自动将车减速并且停下来。此系统还能辅助无人探月车的工作，为我们传达更多的月球信息，充分研究月球，为开发月球、移民月球等重要事件做准备。在自动化领域，此智能避障小车能够涉足一些高温高压、有毒环境以及地下勘探等人无法触及的场合，替人们完成各种充满危险性的工作，比如在智能安装上温度、湿度、有毒气体传感器，它就可以去采集温度、湿度以及有毒气体的相关参数。
（二）项目主要研究内容
此次设计的内容为“基于AT89C51的超声波避障系统设计”，主要设计一个使用超声波技术来避障的智能小车系统，其主要能够实现当小车距离障碍物多于30cm时，PWM脉冲的脉宽增加，使直流电机加速转动，从而使小车能够加速前进；而当小车距离障碍物少于20cm时，PWM脉冲的脉宽降低，使直流电机减速转动，从而使小车能够减速前进并最终停止或转向，从而实现避障功能。在此系统中，超声波传感器是其中不可缺少的探测模块，超声波在测距时能够得到精确的距离。超声波和光线一样，同样具有散射和反射特性，当由超声波传感器发出的超声波遇到障碍时会发生多次的反射，当超声波再回到传感器时，将会有一个糟糕的距离差，这个距离差会严重影响超声波的工作，但是可以利用软件校准来减少影响，从而实现准确的定位。
（三）直流电机的发展
在矿山、交通、化工、纺织、航空、冶金以及机械等领域，直流电动机已经被广泛使用。在控制技术相对匮乏的过去，很难实现直流电动机的调速，智能够进行简单控制，因此很难有智能化。而如今，随着单片机技术的突飞猛进，在工控领域，其对直流电动机的控制技术已经相对成熟，是自动化时代来临。同时其他领域的技术又和单片机相互交融，又带来了新兴学科的飞速发展，引发了许多大量的优秀技术。单片机具有重量轻、体积小、抗干扰能力强、功能强、价格低廉、应用方便并且控制灵活等诸多优点，随着CPU的性能和稳定性不断改善，单片机也在自动化已经其他控制领域得到了重要而广泛的应用。直流电动机作为一种实现电能机械能转换的装置，在实际使用时，一是应能根据生产工艺的要求调整转速；二是要具有较 高的能量转换效率。在使用直流电动机时，其调速性能至关重要，对于提高劳动生产率、节省电能以及提高产品质量起着关键作用，所以，对于调速性能的研究一直是设计师的研究热点。
在冶金、机械制造以及电力等领域，直流电动机凭借启动制动性能良好、速度控制容易以及能在宽范围内平滑调速等优点被大力应用。电枢电压控制法和励磁控制阀是直流电动机转速控制的两类常用方法，励磁控制法通过控制磁通来控制转速，这种方法的控制功率非常小，但是美中不足的时在低速时，由于有磁饱和现象的限制；在高速时，又要收到转向器的结构强度和换向火花的限制，并且其大的励磁线圈电感严重影响了动态响应，因此通过改变电枢端电压的方法来改变电机转速更为实用。
在过去，经常使用调节电阻来实现改变电枢端电压，但是其过多的功率被调节电阻消耗拉低了电能效率。在如今电力电子学科相对成熟的今天，涌现出了很多种新的控制电枢电压的方法，这其中脉宽调 制（Pulse Width Modulation,PWM）就是最常用一种。PWM技术是通过改变直流电机的电枢端电压的断开和接通的暂空比（即时间比）来改变电机的转速，当PWM波的占空比增加（即高电平的百分比增加）时，直流电机的转速将增快；而当PWM波的占空比降低（即高电平的百分比降低）时，直流电机的转速将减慢。工业上通常采取相关的方式来调节PWM波的占空比来控制直流电机。
（四）单片机以及微处理器控制系统的发展
单片机是单片微型计算机的简称，在国外通常把它称为Microcontrollers，它的出现是计算机界的一个全新的里程碑。在当今科学技术迅猛发展的环境下，市场对产品的性能和功能要求大大提升，直流电动机在多个领域受到广泛关注，特别在智能机器人的研发中。出色的过载能力以及起动和调速性能使得直流电动机的发展更加虚宿，在工控领域，单闭环直流电动机的调速控制系统就是一种较为常用的直流电动机控制系统。单片机作为控制系统的核心部分，其真朝着低功耗、高速度、低成本、大存储容量、强 I/O 功能、多选择和多功能的方向迈进。伴随着CPU的稳定性和速度的不断提高，单片机在直流电动机的调速控制系统等智能化以及自动化领域被广泛使用。
由于单片机具备了抗干扰能力强、可靠性高、功能全、体积小、低成本、指令丰富、结构合理以及控制功能强等诸多优点，所以在控制系统核心的选择上，单片机是首要选择，它能够改善整个控制系统的可行性以及可靠性。在过去，通常使用模拟分离器件构成直流电动机的控制系统，但是因为模拟器件存在不可避免并且严重的零漂电压、温漂以及整个系统体积庞大等缺点，所以模拟直流传动系统的可靠性和精度不是很高。随着数字技术的发展和广泛应用，单片机已经被大量的植入了直流电机控制系统，从而实现了控制系统的数字化。在稳定性、可靠性以及控制精度上，全数字直流调速控制系统比模拟直流调速系统高的多，因为单片机是以数字信号运行，它有抗干扰能力强和控制手段灵活方便等优点。因此，随着全数字化的使用，使得直流电机控制系统的研发和使用迈入了一个全新的阶段。
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