基于ATMEGA16的检测避障智能车.doc

1、 目 录 摘要 . 1 关键词 . 1 Abstract . 1 Key words . 1 引言 . 2 1 系统总体设计 . 2 1.1 设计的主要内容 . 2 1.2 结构设计 . 3 1.3 原理图设计 . 3 2 硬件设计 . 5 2.1 单片机 ATMEGA16 的介绍 . 5 2.2 驱动模块 . 6 2.2.1 LM298N 简述 . 6 2.2.2 PWM 调速 . 7 2.3 稳压模块 . 8 2.4 光电检测模块 . 9 2.4.1 与非门 74HC00D . 9 2.4.2 光电对管 . 10 2.4.3 模块原理图 . 10 3 软件设计 . 11 3.1 程序设计软

2、件 . 11 3.2 定时与计数 . 12 3.2.1 控制寄存器 . 12 3.2.2 中断定时器程序 . 13 3.2.3 PWM 输出 . 16 3.3 主程序 . 16 3.3.1 延时函数 . 16 3.3.2 定时器初始化 . 16 4 设计总结 . 17 参考文献： . 18 附录 A main 函数 . 19 附录 B 小车整体图片 . 22 致谢 . 23 基于 ATMEGA16 的检测避障智能车 1 基于 ATMEGA16 的 检测 避障智能车 自动化专业 朱立国 指导教师 祝凤金 摘要： 随 着 工业化进程的不断推进，越来越多的检测技术应用 煤矿、交通、建筑行业 中，避障

3、检测车也不断得到应用。本设计应用是 ATMEGA16 作为主控芯片， 光电对管作为检测部分，减速电机作为驱动部分， 避障车能自动沿着正确的路径运动，检测到物体自动避障，从而减少了人为地操控，有利于节约人力，也有效地提高了工作的安全性。 关键词： 检测 车 ； ATMEGA16；自动 避障 Smart Car of Obstacle Avoidance Based on ATMEGA16 Student majoring in Automation Zhu Liguo Tutor Zhu Fengjin Abstract： With the advancement of industrializ

4、ation, more and more testing technology applied in coal mine, transportation, construction industry, obstacle avoidance checkout automobile has been applied. This design is the ATMEGA16 as the master control chip, photoelectric tube as the detecting part, gear motor as the driving part, obstacle avo

5、idance movement along the correct path automatically, detect objects automatic obstacle avoidance, thereby reducing the artificially controlled, which saves the manpower, has effectively improved the security of the work. Key words: Check-out car； ATMEGA16； Automatic obstacle avoidance 菏泽 学院本科 课程 设计

6、（论文） 2 引言 自动检测技术应用的范围越来越广 ， 避障智能车也是跟随这样的趋势 ， 在隧道施工、建筑测量、 军事上的无人排爆车、 电力建设等都应用到了检测避障技术 ， 智能臂章检测车可以在危险的环境中代替人力施工 ， 可以达到更精确的程度 ， 还代替了人力 1。 传感技术是现代电子信息技术的关键技术之一。传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制。随着计算机控制技术的普及和发展，智 能控制设备和智能仪器仪表在工农业生产和日常生活中的使用越来越普遍。这些应用都具有一个共同的过程和一个共同的特点。共同的过程就是信号的采集、传

7、输和处理过程；共同的特点就是使用传感器完成信号的采集，使用微处理器或单片机（微控制器）完成信号的处理 2。 通常对 智能车 的操作实质上可视为对一个多输入、多输出、输入输出关系复杂多变、不确定多干扰源的复杂非线性系统的控制过程。 通过对 检 测车 智能化技术的 开发 和 研究 ，可以提高 智能车 的控制水平，保障 自动 检 测车行驶的 高效、 安全 、畅通 。对智能车 的 控制系统的 研究 不断 完善，并且 加强了 驾 驶员的 操控 、 视角 和 感觉的 功能， 有效地 促进 了 工作的 可行性 。智能车 的主要 优点 是以 电子的手段代替人工的操作 ， 能够在 复杂的 环境中，依靠数据处理和

8、电气控制， 自动 做出最优反映，使 车辆 迅速绕开障碍物。 智能车有了这些系统的共同作用， 这 就 相当于给汽车装上了“眼 ”、“ 手 ”和“脚”的机器人 。这些装置都装有程序，所以这种检测 车能和人一样会“ 考虑 ”、“ 计算 ”、“ 前进 ”，可以自动 前进、加速、倒车 ，自动选择最佳方案，指挥 检测 车正常、顺利地行驶 3。 在课程设计的过程中要了解常用 芯片 的 选型 ，而且要熟悉常用芯片的基本功能 ， 包括芯片的管脚 资源，芯片的内部的基本结构，时钟源、寄存器、定时器等。会用 编程 软件进行程序的设计，本程序是使用了 AVR Studio 编程软件 ， 程序中使用的是 C 语言的变形

9、，在单片机引脚定义中必须得定义管脚输入输出类型。再就是熟悉 电路 的 设计 ，会用 Altium Designer 实现电路的设计，主板的电路和红外传感器电路板的电路设计。熟悉点击的选型，包括尺寸大小，减速比等。最后要从整体上把 车的框架组装起来，调整车的结构达到最优。经过整个过程的 学习，了解了模型从理论到实践的过程，真正做到学以致用 4。 本文 的设计 使用了 电脑， 25 针 串口线， AVR 下载器，覆铜板用于做主板电路和红外传感器电路，直流减速电机两个， PVC板制作传感器支架，牛眼（万向轮）两个，铜柱若干，L298N 模块， 贴片封装的主控芯片 ATMEGA16，直插的 7805

10、稳压芯片等。软件则是用的 AVR Studio 编程软件。 通过 Multisim 模拟软件模拟频率震荡输出电路，调节电阻和电容的阻值，来使电路输出达到最佳。 1 系统总体设计 1.1 设计的主要内容 通过 ATMEL 公司的 ATMEGA16 芯片作为主控芯片， 7805 作为稳压芯片，使用 74HC00D基于 ATMEGA16 的检测避障智能车 3 与非门芯片转换 光电对管电 压信号， 减速比为 1:50的减速电机， 使用 LM298N 模块作为减速电机控制器，可以调节电机的 PWM的输出。本设计通过光电对管的检测返回电压信号，AVR单片机接收到后通过调用内部子程序输出 PWM信号再通过电

11、机驱动模块输出 12V的脉冲控制信号，控制左右两个减速电机的转动时间从而调节整体的转向 5。 启 动1 号 传 感 器 输 出 高 电 平转 弯3 号 5 号 同 时 输 出 高微 调 （ 右 转 ）2 号 或 4 号 输 出 高微 调 （ 左 转 ）直 行否是否是是图 1-1 系统的检测执行 流程图 1.2 结构设计 车的地盘设计成圆形，左右各预留出轮子的空间 。结构分上下层，下层是固定两个主动轮（减速电机） 和两个从动轮（转向轮），能够使车体 360 度自由旋转。 上层为电路主控板，单片机直接焊接在电路板上，引出导线连接到光电检测模块 。一共有五个光电检测模块通过螺栓固定在支架上，前方三个

12、测水平方向的障碍，左右测量垂直方向的障碍，车体的整体高度为 9cm。上下层中间放置为 12V 3000mA 可充放电的锂电池 。 图 1-2 传感器固定支架 1.3 原理图设计 主板分为双层板， 单片机 ATMEGA16、稳压芯片 7805、 LM298N 驱动模块在 Toplayer层，光 电检测模块的信号线在 Bottomlayer 层 6。 如图： 菏泽 学院本科 课程 设计（论文） 4 图 1-3 Toplayer 层 图 1-4 Bottomlayer 层 电路的圆形外轮廓是通过 CAD 画出后导入到 PROTEL 中的。 在保证电流和信号稳定的基于 ATMEGA16 的检测避障智能

13、车 5 情况下线宽采用 0.7mm， 焊盘采用直径 2mm，过孔 0.7mm。 固定上下层车盘的螺栓孔半径是 1.6mm,螺栓高为 20mm。 2 硬件设计 2.1 单片机 ATMEGA16 的介绍 ATMEGA16AVR 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接同运算逻辑 单元 (ALU) 相 连接， 能够使 一条指令在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。 ATMEGA16 有如下特点 :16K 字节的系统内可编程 而且 具有同时读写的能力 Flash,512 字节 EEPROM， 1K 字节 SRAM， 32 个通用 I/O 口线， 32 个通用工作寄存器，用

14、于边界扫描的 JTAG 接口，支持片内 的程序 调试与编程，三个具有比较模式的定时器 /计数器 (T/C),有 片内 /外中断，可编程串行 USART，有起始条件检测器的通用串行接口 ， 8 路 10 位具有可选差分输入级可编程增益 (TQFP 封装 )的 ADC，具有片内振荡器的可编程 的 看门狗定 时器，一个 SPI 串行 通信 口，以及六个 能够使用 软件 设置 的省电模式。 在 空闲模时 CPU 不 工作，而 USART、 串行 接口、 A/D 转换器、 可擦出的 SRAM、 T/C、SPI 通信 端口 和中断还要 工作； 晶体振荡器 在 掉电模式时 开始 停止 工作 ， 芯片的 功能

15、 中只有 中断和硬件复位 在 工作； 异步定时器 在省电模式下 继续运行， 用户 允许保持一个时间 的基准， 但 其余功能模块处于休眠状态； ADC噪声抑制模式时终止 CPU和除了异步定时器与ADC以外所有 I/O 模块的工作，以降低 ADC转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其 余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展 Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。 本芯片是以 Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内 ISPFlash 允许程序存储器通过 ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通

16、过运行于 AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用 Flash 存储区(ApplicationFlash Memory)。 应用 Flash 存储区 在更新时 使 Flash 区 (Boot Flash Memory)的 程序 能够 继续运行， 完成 了 RWW 操作。 经过 将 系统内可编程的 Flash 以及 8 位 RISC CPU集成在一个芯片内， ATMEGA16 成为一个 接口资源丰富 的单片机， 使得越来越多的 嵌入式控制应用 在使用时获得了最优的 解决方案。 我们平常使用的 ATMEGA16 有非常全面的 的编程与系统 的 开发工具，包括

17、： GCC语言 、AVR编译器、宏 定义 汇编、程序调试 编程 器 、 软件仿真器、仿真 下载 器 等 。 菏泽 学院本科 课程 设计（论文） 6 图 2-1 贴片 ATMEGA16 引脚图 图 2-2 ATMEGA16 内部逻辑结构图 2.2 驱动模块 2.2.1 LM298N 简 述 L298N 是 SGS 公司的产品，内部包含 4 通道逻辑驱动电路。 一般封装是 15 引脚的 一基于 ATMEGA16 的检测避障智能车 7 种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个 H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL 逻辑电平信号 VSS， VSS 可接 4 5 7 V电压。 4脚 VS

18、接电源电压， VS电压范围VIH 为 2.5 46V。输出电流可达 2 5A， 可 方便的 驱动 46V、 2A 以下的 直流 电机。 1 脚和 15 脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。 图 2-3 直插 L298N 引脚图 图 2-4 驱动电路原理图 L298 有两路电源分别为逻 辑电源和动力电源，上图中 5V 为逻辑电源， 12V 为动力电源。 POWER 接入逻辑电源 和 接入动力电源， PROTB 分别为单片机控制两个电机的输入端。 ENA 与 ENB 直接接入 5V 逻辑电源也就是说两个电机时刻都工作在使能状态，控制电机的运行状态通过 OUT接口 7。

19、 由于我们使用的电机是线圈式的，在从运行状态突然转换到停止状态和从顺时针状态突然转换到逆时针状态时会形成很大的反向电流，在电路中加入二极管的作用就是在产生反向电流的时候进行泄流，保护芯片的安全。 2.2.2 PWM 调速 调制 脉冲宽度是一种 软件 模拟控制方式， 它是 根据 带 荷 量 的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置， 从而 实现 改变 晶体管或 MOS 管导通时间，实现开关稳压电源输出的改菏泽 学院本科 课程 设计（论文） 8 变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定， 通过高分辨率计数器的使用， 调制 方波的占空比 用作 对一个具体模拟信号的电平进行编码。 因为

20、在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ ON），要么完全无（ OFF）， 因此 PWM 信号 依然 是数字的。电压或电流源是以一种通（ ON）或断（ OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候 。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。 图 2-5 PWM 调节占空比图 输出 PWM 时，需要调节 t1 在周期 T 中的比例，来提高有效电平的占空比，从而控制电机的速度增加和减少。 2.3 稳压模块 7805 是 三端稳压集成电路 ， 三端 IC 是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别 是输入端

21、、接地端和输出端，输出为 5V 的直流稳压芯片。应用在本设计中是稳压锂电池 12V 电源到 5V，以提供单片机 ATMEGA16 和光电检测模块所需要的直流电压。 三端稳压器中最常应用的是 TO-220 和 TO-202 两种封装 ， 引脚图： 图 2-6 稳压芯片 7805 引脚图 电路图中 7805 采用的常规输出的电压的电路，输入端接有极性的电容，输出端接的是 无极性的钽电容，有利于消除杂波，稳定电压到 5V。 基于 ATMEGA16 的检测避障智能车 9 图 2-7 稳压电路原理图 2.4 光电检测模块 2.4.1 与非门 74HC00D 74HC00D 是 PHILIPS 公司的 四路两输入与非门 数字逻辑电路 ，共有四路输出。 VCC 输入是 5V 直流电压 ， 最低电压是 2V，保证了与非门芯片在起振电路中能够持续稳定 8。 引脚图如下： 图 2-8 与非门引脚图 图 2-9 与非门内部 引脚 逻辑图