1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于单片机的智能避障小车设计 （ C51语言编程） 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要 本设计为基于单片机的智能避障小车，设计采用 51 单片机为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制 电动小汽车的自动避障，和控制无线模块进行数据的传送和接收，并在显示器上显示出小车与障碍物的距离以及小车躲避障碍物的个数。 该设计采用 STC89C52 单片机为系统的中间处理端，用 HC-SR04 超声波测距模块作为系统的前端，该模块可以自动发送 8个 40KHz 的方波信号，并自动检测信号是否
2、返回，测量高电平持续时间来判断小车前面是否有障碍物。用 2 块NRF2401 无线模块进行数据的发送和接收。用 L293D 作为电机的控制芯片，来控制小车的行进方向。用 LCD1602 液晶显示器作为系统的显示，来显示距离和避障的个数。 本设计 主要应用 STC89C52 为控制核心，硬件电路简单，软件功能比较完善，控制系统可靠，性价比高，测试效果符合要求等特点。 关键词： 智能避障；超声波传感器；单片机；模块；控制核心 Abstract The design is based on avoidance of intelligent car. Designed for the control
3、of microcontroller core with 51. Using ultrasonic sensors to detect obstacles on the road，Control the electric cars automatic obstacle avoidance, and control of wireless modules to send and receive data， And the display shows the distance between car and obstacles, avoid obstacles, and the number of
4、 cars. The design uses a single chip computer system STC89C52 end of intermediate treatment. With HC-SR04 ultrasonic distance measuring module as front. The module can automatically send eight 40khz square wave signal, and automatically detects the signal is returned， High measurement to determine t
5、he duration of whether there are obstacles in front of car. NRF2401 with two wireless modules to send and receive data.As with the L293D motor control chip to control the cars direction of travel. As the system with the LCD1602 LCD display to show the distance and the number of obstacle avoidance. T
6、he design of the main application STC89C52 as the core of simple hardware circuit, software features more perfect control system is reliable, cost-effective, the test results meet the requirements and so on. Key words: avoidance of intelligent; ultrasonic sensors; mcu; module; control center 目 录 1 前
7、言 . - 1 - 2 整体方案设计 . - 2 - 2.1 整体方案的设计思路 . - 2 - 2.2整体方案的方框图 . - 2 - 3 智能避障小车的概况 . - 3 - 3.1 NRF24L01无线模块原理 . - 3 - 3.1.1 NRF24L01的简介 . - 3 - 3.1.2 NRF24L01引脚及说明 . - 3 - 3.1.3 NRF24L01的工作模式 . - 4 - 3.2 HC-SR04超声波测距模块 . - 5 - 3.2.1 HC-SR04超声波模块的电气参数 . - 5 - 3.2.2 HC-SR04 超声波模块的工作原理 . - 5 - 3.2.3 HC-S
8、R04超声波模块的时序图 . - 6 - 3.3 驱动电路简介 . - 6 - 3.3.1 H桥驱动电路原理 . - 6 - 3.3.2 L293D芯片的资料及应用 . - 8 - 3.4 显示模块的综合概述 . - 8 - 3.4.1 液晶显示模块的基本特点 . - 8 - 3.4.2 LCD1602简介 . - 9 - 4 模块方案论证 . - 10 - 4.1 超声波模块的选择 . - 10 - 4.2 电机模块 . - 10 - 4.3 电机驱动模块 . - 10 - 4.4 控制器模块的选择 . - 11 - 5 系统硬件电路设计 . - 12 - 5.1 显示模块电路的设计 . -
9、 12 - 5.1.1 显示模块电路 . - 12 - 5.2 无线模块的设计 . - 12 - 5.2.1 无线模块电路 . - 12 - 5.3 直流电机的驱动模块的设计 . - 13 - 5.3.1 直流电机驱动模块原理图 . - 13 - 5.4 稳压电源设计 . - 13 - 5.5 单片机最小系统的设计 . - 14 - 6 系统软件设计 . - 15 - 6.1 小车端软件设计 . - 15 - 6.1.1 软件设计总流程图 . - 15 - 6.1.2 无线模块设计流程图 . - 17 - 6.1.3 电机驱动模块软件流程图 . - 17 - 6.2 显示端软件设计 . - 1
10、9 - 6.2.1 显示端软件总设计流程图 . - 19 - 6.2.2显示模块软件流程图 . - 20 - 7 制作和调 试 . - 21 - 7.1 测试功能 . - 21 - 7.2 调试问题与解决 . - 21 - 8 结论 . - 22 - 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . - 23 - 附录 1 系统实物图 . - 24 - 附录 2 实验原理图 . - 25 - 附录 3 毕业设计作品说明书 . - 26 - 附录 4 源程序清单 . - 27 - 1 前言 随着电子技术的飞速发展，电子产品 也越来越智能化和微型化。世界玩具市场也因此越来越向电子化发展。根据美国玩具
11、协会调查统计，近年来全球的玩具市场越来越大，但是全球玩具市场的结构却发生了比较巨大的变换。传统玩具的市场份额也在逐年的减少，智能电子玩具的市场份额则越来越多。 美国电子玩具工业的发展在 21 世纪出现了一个最大的变革，那就是科技（尤其是互联网）在玩具中的应用 1。这种改变给玩具工业带来了无限机遇和挑战，美国的玩具市场由 1996 年的 227 亿美元到 2005 年的 230 亿美元。并且在这些玩具中 75%是装有电子设备的高科技玩具，电子玩具的兴起代表着 玩具发展的“新时代”的开始。因此，传统玩具中的益智玩具销售将领先。给传统的洋娃娃、毛绒玩具安装上IC，将成一种潮流，机器人玩具过去由于生产
12、成本高，外表缺吸引力，导致发展缓慢，随着生产成本的降低，外形的改进，教育性机器人玩具可能放异彩。我们已经有理由相信：电子玩具的兴起代表着玩具发展的“新时代”的开始，电子玩具多彩的艺术表现形式是吸引孩子们到百货店挑选玩具的兴趣所在。这些数据的表明，高新电子玩具已经成为玩具市场的主流。在这些电子玩具中，智能小车是一个非常热门的玩具产品，智能小车，也称轮式机器人，是一种以汽车电 子为背景 ,涵盖控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多学科的科技创意性设计 ，一般主要由路径识别、速度采集 、角度控制及车速控制等模块组成 2。 我国是世界最大的玩具制造国和出口国，但是我国的玩具大部分都是以
13、低廉的劳动力以及传统玩具来取得的，在高新技术以及玩具的附加值上不能与其他国家相比，随着当今智能玩具的发展，国内的玩具结构必须要做出改变，我们必须利用科技创新来提高玩具的附加值。因此，高科技含量的电子互动式玩具必须是中国未来发展的趋势 3。 本次课题准备设计一种能够实时采集传感器信号、 智能分析外部环境以及自动实现方向控制等功能的智能小车。 2 整体方案设计 2.1 整体方案的设计思路 智能避障小车的设计思想：由超声波传感器感受外界信号，这些外界信号经过处理后转换成 TTL 电平，在 MCU 接收到这些变化 TTL 电平时，由单片机 A 内的程序判断是否达到要求。如果达到要求，那么 MCU 就应
14、该通过 I/O 口输出 TTL 电平经过处理后驱动小车电机模块工作，并且利用无线模块发送端把要显示的数据发送到 B 单片机上的无线模块接收端，当 B单片机上的无线模块接收到数据后，则把数据发送到 B 单片机进行数据处理，并通过 I/O 口输出电平驱动 LCD 显示障碍物和小车的距离以及避障的个数。如果没达到要求，程序则跳转，继续检测外界输入的 TTL 电平，判断是否达到要求。并继续用无线模块传输数据，送到 LCD上进行显示小车与障碍物的距离，重复上述循环。 2.2 整体方案的方框图 基于单片机的智能避障小车的设计，根据原有的设计思路画出相应的结构图，由于是整体结构图，只画出了大致结构流程，细节
15、将在后面部分给出。整体方案方框图如图 2-1 图 2-1 整体方案方框图 STC89C52 （ A） STC89C52 （ B） 显示模块 无线模块接收 小车运动 超声波测距模块 无线模块发送 3 智能避障小车的概况 3.1 NRF24L01无线模块原理 3.1.1 NRF24L01 的简介 NRF24L01 是一款新型单片射频收发器件 ,工作于 2.4 GHz 2.5 GHz ISM 频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块 ,并融合了增强型 ShockBurst 技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01 功耗低 ,在以 -6 dBm 的功率发射
16、时，工作电流也只有 9 mA;接收时，工作电流只有 12.3 mA，多种低功率工作模式 (掉电模式和空闲模式 )使节能设计更方便 4。 3.1.2 NRF24L01 引脚 及说明 图 3-1 NRF24L01 封装及引脚排列 NRF24L01 的封装及引脚的排列如图 3-1 所示。各引脚功能如下： CE：发射和接收的使能端； CSN,SCK,MOSI,MISO， SPI：引脚端， NRF24L01 可以通过这些引脚来进行配置； IRQ：中断标志位； VSS：电源端； VDD：接 地端； XC1， XC2：晶体振荡器引脚； VDD_PA：功率放大器供电； ANT1,ANT2：天线接口； IREF
17、：参考电流输入。 3.1.3 NRF24L01 的工作模式 可以通过配置寄存器来配置 NRF24L01 成发射、接收、空闲及掉电四种工作模式。如表 3-1 所示。 表 3-1 NRF24L01 工作模式 模式 PWR_UP PRIM_RX CE FIFO 寄存器状态 接收模式 1 1 1 - 发射模式 1 0 1 数据在 TX FIFO 寄存器中 发射模式 1 0 1-0 停留在发送模式，直至数据发送完 待机模式 2 1 0 0 TX FIFO 为空 待机模式 1 1 - 0 无数据传输 掉电 0 - - - 3.1.4NRF24L01 的工作原理 数据发送时，是现将 NRF24L01 配置成
18、为发射模式，接着把接收节点的地址 TX_ADDR 和有效数据 TX_PLD 按照时序由 SPI 口写入 NRF24L01 的缓存区， TX_PLD 必须在 CSN 为低时连续写入，而 TX_ADDR 在发射时写入一次即可，然后 CE 置为高电平并保持 10s ， 延迟 130s 后发射数据。如果自动应答开启，那么 NRF24L01 在发射时间后立即进入接收模式，接收应答信号。如果收到应答，则认为此通信成功， TX_DS 置高，同时 TX_PLD 从 TX_FIFO中清除，若未收到应答，则自动重新发送该数据（自动重发开启），如果重发次数达到上限， MAX_RT 置高， TX_FIFO 中数据保留
19、以便重发。 MAX_RT或者 RX_DS 置高时，使 IRQ 变低，产生中断，通知 MCU。最后发送成功时，若 CE 为低则 NRF24L01 进入空闲模式 1.若发送的堆栈中的有数据且 CE 为高时，则进入下一次发射，若发射堆栈无数据且 CE为高，则系统进入空闲模式 2。 接收数据时 ,首先将 nRF24L01 配置为接收模式，接着延迟 130s 进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和 CRC 时，就将数据包存储在 RX FIFO 中，同时中断标志位 RX_DR 置高， IRQ 变低，产生中断，通知 MCU 去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。
20、最后接收成功时，若 CE变低， NRF24L01 进入空闲模式 14 。 3.2 HC-SR04超声波测距模块 3.2.1 HC-SR04 超声波模块的电气参数 超声波测距模块的电气参数 如表 3-2 表 3-2 超声波测距模块参数 电气参数 HC-SR04 超声波模块 工作电压 DC5V 工作电流 15mA 工作频率 40KHZ 最远射程 4M 最近射程 2cm 测量角度 15 度 输入触发信号 10UsTTL 电平 输出回响信号 输出 TTL 电平信号与射程成比例 3.2.2 HC-SR04 超声波模块的工作原理 模块的基本工作原理： （ 1）采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号； （ 2）模块自动发送 8个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回； （ 3）有信号返回， 通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是
