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作者：苏州工业职业技术学院 施才 尹苏军 张凯
指导教师：王文琦 费娜

作品简介

开发背景：单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器，由于其具有集成度高、体积小、功耗低、性价比高、功能强、应用灵活、可靠性高等优点，所以在工业制作、机电一体化、通信终端、智能仪表、家用电器等诸多领域都起着十分重要的作用，并且应用越来越广泛。鉴于此，工科类高职高专院校师生和工程技术人员了解并掌握单片机的原理及应用技术就显得十分必要了。目前，单片机技术已成为高职高专院校电子、计算机、机械等专业的学生所要学习的重要课程之一。
　　随着电子产品的广泛应用，单片机的应用领域相当广泛，如仪器仪表、家电、机电一体化、产品研发与开发等行业，都可以是单片机设计人员的就业、提升、创业之所。
　　主要功能与使用说明：此次单片机小车的主要是担任避障任务，在运行的过程中，小车能够实行有效的避开障碍物。其原理是，通过红外发射管发射信号，红外二极管进行接收，并将信号送于单片机，单片机通过合理的处理，来驱动伺服电机的旋转快慢，从而达到避障的任务。
结构说明：此次小车主要有单片机模块、驱动模块、红外传感器模块和电源模块。单片机主要选型为STC--IAP15f2k60s2，因为此单片机的强大功能和一些优胜于其他单片机的功能，将会越来越受人们的欢迎。
驱动模块：采用伺服电机，首先，伺服电机在封闭的环里面使用也就是说它随时把信号传给系统，同时把系统给出的信号来修正自己的运转。其主要优点为：
　　1、精度：实现了位置，速度和力矩的闭环控制;克服了步进电机失步的问题;
　　2、转速：高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000转;
　　3、适应性：抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用;
　　4、稳定：低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合;
　　5、及时性：电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内;
　　6、舒适性：发热和噪音明显降低。
传感器模块：采用红外传感器，对于红外线传感器来说，可以使用红外接收到和发射管配合，利用38K解决灵敏度问题。利用红外传感器气优点是，对近距离的障碍物反应速度灵敏，不同方位的传感器之间信号不会相互干扰，造成误动作。缺点是距离近时，易受到自然光的干扰。

平台选型说明

　　单片机开发板(以STC15F2K60S2芯片为控制核心)

　设计说明

　　避障小车总体设计方案
　　(一)设计原理
　　红外LED和红外探测器可以构成一对红外发射接收器件，探知前方是否有障碍 物，智能小车可基于探测器的信息作出适当反应，实现避障功能。当检测到障碍物时，红外光敏二极管接收到反射回来的红外光，自身便会发生一些转变即高低电平的转换，然后经过放大器放大后送入单片机进行处理并分析。(红外线二极管发射红外光，如果机器人前面有障碍物，红外线从物体反射回来，相当于机器人眼睛的红外检测(接收)器，检测到反射回的红外光线，并发出信号来表明检测到从物体反射回红外线。)之后将处理的结果送入步进电机模块，步进电机根据所得信息再进一步调整电机左右的转速，从而达到改变方向，避开障碍物的功能。避障与寻迹的原理是相同的，它们的区别在于传感器的灵敏度不同。避障小车的红外二极管敏感度要高于寻迹小车。

　　(二)系统设计方案
　　为了便于调试和改进，采用模块化设计。系统可分为单片机模块、避障模块、驱动模块、电源模块、显示模块等，其主要框图如下：　　

　　(三)功能说明
　　对于避障小车的红外光探测物体系统在许多方面就像汽车的前灯系统。当汽车前灯射出的光从障碍物体反射回来时，人的眼睛就发现了障碍物体，然后大脑处理这些信息，并据此控制身体动作驾驶汽车。避障小车使用红外线二极管LED作为前灯，当遇到障碍物时，红外线从物体反射回来，同时检测到反射回的红外光线，并发出信号来表明检测到从物体反射回的红外线。根据反射回来的信号，单片机做出相应的动作，来控制步进电机，从而改变小车的行驶方向。

　　(四)工作原理图
　　1、USB接口传输数据
　　随着USB接口广泛的应用，USB外设的种类不断丰富，应用领域也不断扩大。在传统的应用中，USB接口应用仅仅局限于在PC机与各种外设之间，而外设与外设之间却无法利用USB接口进行通信。但是随着嵌入式产品应用领域的日益增长，USB外设的应用要求不断扩大，在单片机外设已成为大势所趋。
　　系统硬件平台主要是由中央处理器、扩展RAM单元、USB接口、串行口电路等组成。
　　如图下图所示为USB传输数据的电路原理图：　　

　　2、红外传感器电路原理图　　

　　利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度(高于绝对零度)，都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，反应快等优点。
　　红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。
　　红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗(见热像仪);利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报;采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等。
　　如下图所示为本次避障小车的红外发射和接受的电路图：　　

作品特色

　　(一)单片机的先进性：
　　1、采用宏晶公司最新STC15系列IAP15F61S2芯片。ISP/IAP,在系统可编程/在应用可编程，无需编程器，无需仿真器。可当仿真器使用。
　　2、增强型8051CPU，IT，单时钟/机器周期，速度比普通8051快8-12倍
　　3、61K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上
　　4、片内大容量2048字节的SPAM
　　5、大容量片内EEPROM，擦写次数10万次数以上
　　6、共8通道10位高速ADC，速度可达30万次/秒，3路PWM还可当3路D/A使用
　　7、共3通道捕获/比较单元(CCP/PWM/PCA)
　　8、内部高可靠复位，8级可选复位门槛电压，彻底省掉外部复位电路
　　9、内部高精度R/C时钟，内部从5MHz—35MHz可选，相当于普通8051的60MHz—420MHz
　　10、两组高速异步串行通信端口(可同时使用)，可在5组管脚之间进行切换，分时复用可当5组串口使用
　　11、一组高速异步串行通信端口SPI
　　12、各种接口扩展齐全
　　13、一根优质USB线实现系统供电、程序下载、通信功能

　　(二)避障小车研究的重要意义
　　当今世界，随着汽车工业的快速发展，关于汽车的研究也越来越受到人们的关注。从20世纪70年代，一些美欧等发达国家开始进行无人驾驶汽车的研究,我国从上世纪80年代开始着手无人驾驶汽车的研制开发，虽与国外相比还有一定距离，但目前也取得了阶段性成果。智能汽车概念的提出给汽车产业带来了机遇也带了挑战。汽车的智能化必将是未来汽车产业发展的趋势，在这样的背景下，我们开展了基于单片机的智能小车的避障研究。我国作为一个世界大国，在高科技领域也必须占据一席之地，未来汽车的智能化是汽车产业发展必然的结果，在这种情况下研究智能避障小车的应用具有深远意义，这将对我国未来智能汽车的研究和世界高科技领域占据领先地位具有重要作用。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2738