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基于超声波测距的智能小车设计

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基于 超声波 测距 智能 小车 设计
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佳顺伟业科技,专业、专注 AGV 无人搬运设备研发制造中文摘要、关键词专注才能更专业——佳顺伟业目目 录录摘要IAbstract.II引 言.1第一章 绪 论.21.1 课题研究背景.21.2 课题研究意义.2第二章 超声波测距原理42.1 超声波传感器介绍42.2 超声波发生器52.3 压电式超声波发生器原理.52.4 超声波测距的基本原理.6第三章 方案论证及选择.83.1 设计的任务要求83.2 系统初步设计及可行性论证83.3 微处理器的选择93.4 显示方式的选择93.5 小车电机驱动电路的选择103.6 遥控器的选择10第四章 硬件电路的设计.114.1 控制器.114.2 超声波测距模块134.3 超声波测距显示模块154.4 超声波测距报警模块164.5 小车驱动模块164.6 红外遥控接收模块18第五章 软件设计.205.1 程序设计方案205.1.1 超声波测距程序设计方案205.1.2 超声波测距显示程序设计205.1.3 超声波数据采集电路软件流程图215.2 控制电路程序设计.225.2.1 红外接收解码设计225.2.2 小车驱动程序设计225.2.3 控制电路程序流程图23结 论.24致 谢.25参考文献26附录27附录 A:硬件原理图.27附录 B:硬件 PCB 图.29附录 C:硬件实物图.31附录 D:部分源程序.32附录 D1:控制源程序.32附录 D2:超声波数据测距源程序37I基于超声波测距的智能小车设计摘要:本设计采用本设计采用 AT89S52AT89S52 单片机作为主控器,结合超声波测距原理,设计了红单片机作为主控器,结合超声波测距原理,设计了红外遥控小车的测距报警系统。该系统采用软、硬件结合的方法,具有模块化和多外遥控小车的测距报警系统。该系统采用软、硬件结合的方法,具有模块化和多用化等特点,用化等特点,AT89S52AT89S52 单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。超声波距离测量系统用的频率为超声波距离测量系统用的频率为 40KHz40KHz 的脉冲压力波,发射和接收的传感器有时的脉冲压力波,发射和接收的传感器有时共用一个,或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和功放两部分组成,负共用一个,或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和功放两部分组成,负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串,并由传感器转换成声能发射出去;责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串,并由传感器转换成声能发射出去;接收放大器用于放大回声信号以便记录,同时为了使它能接收具有一定频带宽度接收放大器用于放大回声信号以便记录,同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号,接收放大器要有足够的频带宽度;收、发隔离则使接收装置避开的短脉冲信号,接收放大器要有足够的频带宽度;收、发隔离则使接收装置避开强大的发射信号;记录、控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收强大的发射信号;记录、控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时,并将时差换算成距离读数并加以显示或记。充分利用它的片内资源,即的瞬时,并将时差换算成距离读数并加以显示或记。充分利用它的片内资源,即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。利用现在最常用的可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。利用现在最常用的电视机遥控器来控制小车的运动状态。电视机遥控器来控制小车的运动状态。关键词:关键词:超声波 测距 AT89S52 红外遥控 IIThe Design of Intelligent Car Based on Ultrasonic RangingAbstract:This design USES the AT89S52 SCM as the main controller, combined with ultrasonic ranging the principle, design the infrared remote control car range finder alarm system. This system USES software and hardware of the method of combining with modularization and multi-purpose, etc, of AT89S52 SCM for many control provides highly flexible and low cost solutions. Ultrasonic distance measurement system frequency used in the pulse pressure wave for 40KHz, sending and receiving sensors sometimes share one or two are used separately. Launch circuit is general by oscillation and amplifier, responsible for two parts to sensor output a certain width, and the high pressure pulse sequence by sensor convert sound energy emitted; Receiving amplifier used to amplify the echo signal so that records,meanwhile in order to make it can accept certain band width of short pulses, receiving amplifier must have plenty of band width; Collect, hair isolation makes receiving devices to avoid strong signal; Records, the control part on or off the launch circuit and record the launch of the instantaneous and receive the instantaneous, and will be converted to distance jet lag and it displays or remember reading. Make full use of the piece, can in less within resources under the condition of buffer circuit constitute the function is perfect ultrasonic ranging system. The most commonly used by the TV remote control now control car motions.Key words::Ultrasonic; Ranging; AT89S52; Infrared remote control 1引 言高速度,高效率是现代工业的标志,超声波检测技术是我国重点发展和推广的新技术,其具有高精度,无损,非接触等优点。目前,已经广泛地应用在机械制造,电子冶金,航海,宇航,石油化工,交通等工业领域。此外,在材料科学,医学,生物科学等领域中也占据重要地位。国外在提高超声波测距方面做了大量研究,国内一些学者也做了相关研究。对超声波测距精度主要取决于所测的超声波传播时间和超声波在介质中的传播速度,二者中以传播时间的精度影响较大,所以大部分文献采用降低传播时间的不确定度来提高测距精度。目前,相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。随着检测技术研究的不断深入,对超声检测仪器的功能要求越来越高,单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单片机的微处理功能。随后具有检测,记录,存储,数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。利用超声波制作汽车防撞雷达可以帮助驾驶员及时了解车周围阻碍情况, 防止汽车在转弯、倒车等情况下撞伤、划伤。硬件电路部分,单片机对外围电路的适时控制, 并提供给外围电路各种所需的信号, 包括频率振荡信号、数据处理信号和译码显示信号等, 大大简化了外围电路的设计难度。同时更重要的是该设计方案大大节省了设计成本, 并且由于是采用软件编程技术, 所以其移植性能好, 在设计电路时可以将其它更多的功能设计进去。2第一章 绪 论随着社会经济的发展,交通运输业日益兴旺,汽车的数量在大副攀升。交通拥挤状况也日趋严重,撞车事件屡屡发生,造成了不可避免的人身伤亡和经济损失,针对这种情况,设计一种响应快,可靠性高且较为经济的汽车测距报警系统势在必行,超声波测距法是最常见的一种距离测量方法,应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离,低速状况,以及在汽车倒车测距报警系统中,超声波作为一种特殊的声波,同样具有声波传输的基本物理特性——折射,反射,干涉,衍射,散射。超声波测距即是利用其反射特性,当车辆前进或后退时,超声波距离传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置,并利用数码管及蜂鸣器把车辆到障碍物的距离及位置通知驾驶人员,起到安全的作用。1.1 课题研究背景近年来,随着电子测量技术的发展,运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展,电子测量技术应用越来越广泛,而超声波测量精确高,成本低,性能稳定则备受青睐。超声波是指频率在 20kHz 以上的声波,它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律,如在介质的分界面处发生反射和折射现象,在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质,使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高,超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量,适用于建筑物内部、液位高度的测量等。本设计采用 40kHz 超声波发射模块。1.2 课题研究意义由于超声波测距是一种非接触检测技术,不受光线、被测对象颜色等的影响,较其它仪器更卫生,更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境,具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品(酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品) 、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。可在不同3环境中进行距离准确度在线标定,可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制,可进行差值设定,直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此,超声波在特殊环境下有较广泛的测距应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求,所以为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走,就必须装备测距系统,以使其及时获取距障碍物的位置信息(距离和方向) 。这样超声波测距在移动机器人的研究上就有着深远的意义。同时基于超声波测距系统具有以上的种种优点,在汽车前进、倒车防撞测距的研制方面也得到了广泛的应用。4第二章 超声波测距原理2.1 超声波传感器介绍超声波由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点,而经常用于距离的测量,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场,例如液位、井深、管道长度等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,因此在测控系统的研制上得到了广泛应用。超声波传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声波传感器有两大类,即电声型与流体动力型。电声型主要有:1 压电传感器;2 磁致伸缩传感器;3 静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同,超声波传感器的结构形式是多种多样的,并且名称也有不同,例如在超声波检测和诊断中习惯上都把超声波传感器称作探头,而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛” 。压电传感器属于超声波传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成,是超声波检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件,是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英,铌酸锂等,属于压电陶瓷的有锆钛酸铅,钛酸钡等。其具有下列的特性:把这种材料置于电场之中,它就产生一定的应变;相反,对这种材料施以外力,则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以,只要对这种材料加以交变电场,它就会产生交变的应变,从而产生超声振动。因此,用这种材料可以制成超声波传感器。传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动,即可发射声脉冲,是逆压电效应。当超声波作用于晶片时,晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号,是正压电效应。前者用于超声波的发射,后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少,价格低廉,且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶5瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时,根据压电效应,就会使压电陶瓷晶片产生机械变形,这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说,在压电陶瓷晶片上加有频率为 f0 交流电压,它就会产生同频率的机械振动,这种机械振动推动空气等媒介,便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用,这将会使其产生机械变形,这种机械变形是与超声机械波一致的,机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率,即中心频率 f0。发射超声波时,加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样,超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时,改变压电陶瓷晶片的几何尺寸,就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成,其中,压电陶瓷晶片是传感器的核心,锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中,并使传感器有一定的指向角,金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的,但不影响发射与接收超声波。2.2 超声波发生器为了研究和利用超声波,人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲,超声波发生器可以分为两大类:一类是用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 2.3 压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图 2.1 所示,它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收器了。 6图 2.1 压电式超声波传感器结构图2.4 超声波测距的基本原理谐振频率高于 20kHz 的声波被称为超声波。超声波为直线传播方式,频率越高,绕射能力越弱,但反射能力越强。利用超声波的这种性能就可制成超声传感器,或称为超声换能器,它是一种既可以把电能转化为机械能、又可以把机械能转化为电能的器件或装置。换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能,向外发送超声波;反之,当换能器处在接收状态时,它可将声能(机械能)转换为电能。最常用的超声测距的方法是回声探测法,超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时计数器开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来,超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 340m/s,根据计时器记录的时间 t,就可以计算出发射点距障碍物面的距离 s,即:s=340t/2。 由于超声波也是一种声波,其声速 V 与温度有关。在使用时,如果传播介质温度变化不大,则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后,只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。这就是超声波测距仪的基本原理。如图 2.2 所示:7图 2.2 超声波的测距原理(2-1)cosHS(2-2)arctan()L H式中:L---两探头之间中心距离的一半.又知道超声波传播的距离为:(2-3)2Svt式中:v—超声波在介质中的传播速度;t—超声波从发射到接收所需要的时间.将(2-2) 、(2-3)代入(2-1)中得:(2-4)1cos arctan2LHvtH其中,超声波的传播速度 v 在一定的温度下是一个常数(例如在温度 T=30 度时,V=349m/s);当需要测量的距离 H 远远大于 L 时,则(2-4)变为:(2-5)1 2Hvt所以,只要需要测量出超声波传播的时间 t,就可以得出测量的距离 H.8第三章方案论证及选择3.1 设计的任务要求设计一个超声波测距报警系统,利用红外遥控来小车的运行状态。主要的任务要求如下:(1) 能够实现超声波测距,并在数码管上予以显示实际距离。(2) 通过遥控器能够对小车的前进、后退、左转、右转等运动状态加以控制。(3) 采集系统采集距离信息,并根据不同的距离信息发出不同频率的声音。3.2 系统初步设计及可行性论证根据设计要求,本文设计了一个基于超声波测距的红外遥控小车,设计框图如下:图 3.1 系统框图论证 1:本系统的设计是否合理参考结构一:采用分离式结构,超声波数据采集和控制分开。超声波测距、数码管显示和报警为一个独立的系统;红外遥控接收和电机驱动为一个独立的系统。参考结构二:采用整体式结构,超声波数据采集和控制在一起。超声波测距、数码管显示、报警、红外遥控接收和电机驱动是一个系统。本系统超声波数据采集和控制既可分开也可融合到一个系统里面,超声波数据采集系统主要是采集距离信息,并根据不同的信息发出不同频率的声音;控制9系统主要负责控制小车。通过红外遥控器向控制器发送控制命令以达到手动控制小车的目的。采用这种控制器+数据采集独立式的结构,其优点是很明显的,具体表现为:分工明确,可以使各部分各司其责,工作效率高,设计方便,可移植性好。本设计采用该独立式结构方案可行。3.3 微处理器的选择方案一:使用 51 单片机。51 单片机是初学者首选的,具有指令多,编程易等优点。典型代表为AT89S51、AT89S52,由美国 ATMEL 公司生产,后授权给中国台湾某公司生产和销售。方案二:使用 AVR ATMEGA 系列单片机。ATMEGA 系列是美国 ATMEL 公司生产的 AVR 8 位单片机中的高端产品,由于市场和技术原因,市场占有率挺高,采用精简指令集系统。具有功耗低、处理速度快、性价比高等优点,但是其价格昂贵,目前市场上不易买到。方案三:使用 MPS430,凌阳 61 单片机等 16 位单片机或者 ARM 系列单片机。由于本系统控制功能简单,没有必要为了提高性能而增加成本和开发难度。经过综合考虑,本题目采用第一套方案,选取 IO 口个数和 ROM 大小适合本系统的 AT89S52 单片机。3.4 显示方式的选择方案一:采用 LCD1602 液晶屏显示LCD1602 能够显示两行字符或数字,每行 8 个,可视面积较小。方案二:采用 LCD12864 液晶屏显示LCD12864 能够显示 4 行汉字,每行显示 8 个汉字或 16 个字符。可视面积大,但是价格昂贵,程序设计较为麻烦。方案三:采用 NOKIA5110 LCD 液晶屏显示NOKIA5110 LCD 具有 84*48 点阵图形显示能力,可同时显示 4 行,每行 7 个的 12*12 汉字,或者显示 6 行,每行 14 个的 6*8 ASCII 码字符。显示信息量一般,且不带字库,显示信息量过大时,需占用单片机大量 ROM 或 RAM 空间。电路设计和程序设计都较为复杂。10方案四:采用四位数码管显示数码管只能够显示数据,不能够显示汉字,不过数码管显示直接数据,易懂,而且程序设计比较简单。综合考虑:本系统采用数码显示,方便直接,性价比高,功耗低。采用四位共阳极数码管,动态扫描。位选采用三极管电流驱动和开关的选择。3.5 小车电机驱动电路的选择方案一:采用三极管组成的分立式 H 桥电路。每个电机都采用有四个三极管组成的 H 桥电路,三极管价格低廉,电路原理易懂。实际使用的时候,用分立元件制作 H 桥式是很麻烦的。方案二:采用集成电路 L298NH 桥电路。L298N 是专用的驱动集成电路,属于 H 桥集成电路,其输出电流大,功率大,可以驱动感性负载,如大功率直流电机,步进电机等特别是器输入端可以与单片机之间相连,从而很方便地受单片机控制,可以之间驱动两个直流电机,并可以实现电机的正反转。综合考虑:本系统采用集成电路 L298N,通过单片机输出逻辑电平就可以控制小车电机的运动状态。3.6 遥控器的选择红外遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点,因而,继彩电、录像机之后,在录音机、音响设备、空凋机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。工业设备中,在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下,采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。方案一:采用自制矩阵遥控器采用矩阵键盘、主控器和光电二极管设计一个遥控器,电路设计较为复杂,而且还得编程。方案二:采用有 2262 和 2272 组成的四路遥控器市场有销售的四路这样的遥控器,不过价格较为昂贵。方案三:采用目前最为流行软包 9012 电视机遥控器这种电视机遥控器,组成简单,应用方便,在主电路中用一个接收头,接受第四章 硬件电路的设计 安阳工学院 2011 毕业论文 12信号。。通过单片机进行数据的处理,实现解码,予以控制。综合考虑:本系统采用采用 9012 电视机遥控器,方便简单,而且市场上较多,价格便宜。第四章硬件电路的设计硬件系统主要有超声波数据采集模块、红外遥控接收模块、小车驱动模块、距离显示模块、报警模块和主控器组成。系统硬件部分的整体框图 4.1 如下所示:超声波数据 采集主控器小车运动状 态主控器超声波数据 采集模块红外遥控模 块报警系统模 块超声波数据 显示模块L298N电机驱 动模块直流稳压电 源模块模块4.1系统硬件部分的整体框图4.1 控制器本设计经过第三章的论证,选用了 ATMEl 公司生产的 AT89S52 单片机,AT89S52 是一个低电压,高性能 CMOS 8 位单片机,片内含 8kB 的可反复擦写的Flash 只读程序存储器和 128 B 的随机存取数据存储器(RAM) ,器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准 MCS-51 指令系统,片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元,内置功能强大的微型计算机的 AT89S52 提供了高性价比的解决方案。AT89S52 是一个低功耗高性能单片机,40 个引脚,32 个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含 2 个外中断口,2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口,AT89S52 可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起,特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有11效地降低开发成本。I/O 端口的编程实际上就是根据应用电路的具体功能和要求对 I/O 寄存器进行编程。具体步骤如下:(1) 根据实际电路的要求,选择要使用哪些 I/O 端口,用 EQU 伪指令定义其相应的寄存器;(2) 初始化端口的数据输出寄存器,应避免端口作为输出时的开始阶段出现不确定状态,影响外围电路正常工作;(3) 根据外围电路功能,确定 I/O 端口的方向,初始化端口的数据方向寄存器。对于用作输入的端口可以不考虑方向初始化,因为 I/O 的复位缺省值为输入;(4) 用作输入的 I/O 管脚,如需上拉,再通过输入上拉使能寄存器为其内部配置上拉电阻;(5) 最后对 I/O 端口进行输出(写数据输出寄存器)和输入(读端口)编程,完成对外围电路的相应功能。图 4.2 AT89S52 单片机芯片XTAL1:接外部晶振的一个引脚。在单片机内部,它是一个反相放大器输入端,这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时,此引脚应接地。XTAL2:接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时,则此引脚接外部振荡信号的输入。RST:AT89S52 的复位信号输入引脚,高电位工作,当要对芯片复位时,只12要将此引脚电位提升到高电位,并持续两个机器周期以上的时间,AT89S52 便能完成系统复位的各项工作,使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。具体的硬件原理图如图 4.3:EA/VPP31 X119X218RESET9RD/P3717WR/P3616P32/INT012 P33/INT113 P34/T014 P35/T115P101 P112 P123 P134 P145 P156 P167 P178P0039 P0138 P0237 P0336 P0435 P0534 P0633 P0732P2021 P2122 P2223 P2324 P2425 P2526 P2627 P2728PSEN29 ALE/PRDG30P31/TXD11P30/RXD10VCC40GND20JP6AT89C52GNDVCCP10 P11 P12 P13 P14 P15INT0VCCP30RSTP16P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27INT1P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07P31P34 P35 P36 P37P171 2 3 4 5 6 7 8JP5Header 812345678JP312345678JP4XTAL1XTAL21 2 3 4 5 6 7 8JP2Header 8上上上上上图 4.3 最小系统硬件原理图4.2 超声波测距模块本系统采用深圳市捷深科技生产 URF04 模块,本模块性能稳定,测度距离精确。能和国外的 SRF05,SRF02 等超声波测距模块相媲美。模块高精度,盲区(2cm)超近。该模块的主要技术参数:(1) 使用电压:DC5V(2) 静态电流:小于 2mA (3) 电平输出:高 5V (4) 电平输出:底 0V(5) 感应角度:不大于 15 度 (6) 探测距离:2cm-500cm该模块的外形图如下:14图 4.4 超声波测距模块的外形图板上接线方式如表 4.1,表 4.1 接线图Pin名称注释1VCC供电 5V2Trig控制端3echo接收端4out空脚,请悬空5GND地该超声波模块的工作原理:(1) 采用 IO 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 输出一高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。超声波发射电路如图 4.5 所示:12U1AHCC4069UBF 34U1BHCC4069UBF1011U1EHCC4069UBF1213U1FHCC4069UBF56U1CHCC4069UBF89U1DHCC4069UBFT1KR8 Res21KR6VCCVCC102 C11104C1010ufC12P30上上上上上上上图 4.5 超声波发射图15超声波接收电路如图 4.6 所示:P3212345678JP1LS1R 4.7R3200KR5220KR41ufC13 3.3ufC14330pFC9104*2C8VCC上上上上上上上图 4.6 超声波接收电路超声波模块与单片机接口电路如图 4.7:1 2 3 4JP7VCCP30 INT01 2 3 4JP8VCCP30 INT0上上上上上图 4.7 超声波与单片机接口电路4.3 超声波测距显示模块在单片机应用系统中,LED 数码管的显示常用两种方法:静态显示和动态扫描显示。本设计中采用动态扫描四个三极管作为位选的驱动开关和电流放大。具体的的硬件电路如图 4.8 所示:161KR11 1KR12VCCVCC112a11f102938b7e1d2dp3c4g546*1 LEDabcd efg1KR10 1KR9VCCVCC34121234dpR19 470R17 470R20 470R14 470R15 470R18 470R13 470R16 470 abcdefgdpP10P11P12P13P14P15P16P17P34P35P36P37Q3 9013Q2 9013C3B2E1Q4 9013Q5 90131 2 3 4 5 6 7 8P2Header 81 2 3 4 5P1Header 5P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17P34 P35 P36 P37 VCC图 4.8 超声波测距显示模块硬件电路4.4 超声波测距报警模块采用一个蜂鸣器,由 P3.1 输出一定频率的信号,在连接到蜂鸣器之前,经过一个三极管 9012 的放大。报警部分的连线,如图 4.9 所示1KR7LS3SpeakerQ6 9013VCCP31上上上图 4.9 超声波测距报警模块电路4.5 小车驱动模块为提高系统效率、降低功耗,功放驱动电路采用基于双极型 H 桥型脉宽调制方式(PWM)的集成电路 L298N。L298N 是 SGS 公司的产品,内部包含二个 H 桥的高电压大电流桥式驱动器,接收标准 TTL 逻辑电平信号,可驱动 46 伏、2 安培以下的电机,工作温度范围从-25 度到 130 度。其内部的内部逻辑图如图 4.10 所示。17图 4.10 L298N 内部的内部逻辑图L298N 引脚图如图 4.11 所示。图 4.11 L298N 引脚图L298N 引脚功能如表 4.2。18表 4.2 L298N 引脚功能说明引脚名称功能说明1;15SenseA; SenseB电流监测端,分别为两个 H 桥的电流反馈脚,不用时可以直接接地2;3Out1; Out21Y1、1Y2 输出端4VS功率电源电压,此引脚与地必须连接 100nF 电容器5;7Input1; Input21A1、1A2 输入端,TTL 电平兼容6;11EnableA;EnableBTTL 电平兼容输入 1EN、2EN 使能端,低电平禁止输出8GND地9VSS逻辑电源电压,此引脚与地必须连接 100nF 电容器10;12Input3; Input42A1、2A2 输入端,TTL 电平兼容13;14Out3; Out42Y1、2Y2 输出端本系统所设计的基于 L298N 电机驱动电路如图 4.12 所示。SEN_A1SEN_B15OUT12OUT23OUT313OUT414VCC9VSS4ENABL_A11ENABL_B6INPUT15INPUT27INPUT310INPUT412GND8JP1L298VCC +12VGNDD1IN5817D5IN5817 D2IN5817D6IN5817 D3IN5817D7IN5817 D4IN5817D8IN5817+12VGND12J4 MOTO11 2J5 MOTO2OUT1_1 OUT1_2OUT2_1 OUT2_2OUT1_1 OUT1_2 OUT2_1 OUT2_2C1 104+ C2 100uGNDGNDGND+12VENAENBInput1AInput2A Input2BInput1BENA ENB Input1AInput2A Input2BInput1B1 2 3 4 5 6 7 8 9 10J1Ctrl_in1 2 3 4 5 6 7 8 9 10J2Ctrl_inGND1 2 3J62LEDR1220GNDInput1AInput1BREDGREENR22201 2 3J72LEDR3220GNDInput2AInput2BREDGREENR42201 2J312VPowerVCCGNDPD0PD1PD2PD3PD4PD5PD6PD7VCC图 4.12 L298N 电机驱动电路4.6 红外遥控接收模块遥控接收使用红外接收模块 1838,该接收模块是一个三端元件,具有功耗低、抗干扰能力强、输入灵敏度高的特点。如图 4.13 所示,1838 接 AT89S52 的P3.2(外中断 0)。当 1838V 接收到遥控信号时,产生中断,处理遥控数据,处理完后返回。19上上上上上上上上VCC123IOGNDVDDu81838R8 100 INT1图 4.13 红外遥控接收模块遥控接收使用红外接收模块 1838 的外形封装如图 4.14:图 4.14 遥控接收使用红外接收模块 1838 的外形封装红外接收头的主要参数如下:工作电压:4.8~5.3V工作电流:1.7~2.7mA接收频率:38kHz峰值波长:980nm静态输出:高电平输出低电平:≤0.4V输出高电平:接近工作电压20第五章软件设计5.1 程序设计方案5.1.1 超声波测距程序设计方案主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序、报警子程序及显示子程序等部分组成。在系统硬件构架了超声波测距的基本功能之后,系统软件所实现的功能主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用。根据系统硬件设计和所完成的功能,系统软件需要实现以下功能:(1) 信号控制在系统硬件中,已经完成了发射电路、接收电路、检测电路、显示电路、门限检测的设计。在系统软件中,要完成增益控制信号、门控信号、发射脉冲信号、峰值采集信号、远近控制信号的时序及输出。(2) 数据存储为了得到发射信号与接收回波间的时间差,要读出此刻计数器的计数值,然后存储在 RAM 中,而且每次发射周期的开始,需要对计数器清零,以备后续处理。(3) 信号处理RAM 中存储的计数值并不能作为距离值直接显示输出,因为计数值与实际的距离值之间转换公式为:S=0.5*V*T=0.5*V*(Tr*N)其中,T 为发射信号到接收之间经历的时间,Tr 为方波信号作为计数脉冲时计数器的时间分辨率,N 为计数器的值。在这个部分中,信号处理包括计数值与距离值换算,二进制与十进制转换。(4) 数据传输与显示经软件处理得到的距离送显示输出,用四位 LED 表示。由于采用了单片机AT89S52 并考虑整个系统的控制流程,整个系统软件都有 AT89S52 系列单片机汇编语言实现。由于距离值的得出及显示是在中断子程序中完成的,因此在初始化发射程序后进入中断响应的等待。在中断响应之后,原始数据经计数值与距离值换算子程序,二进制与十进制转换子程序后显示输出。整个系统软件功能的实现第五章 软件设计 安阳工学院 2011 毕业论文 22可以分为主程序、中断服务程序等几个主要部分。5.1.2 超声波测距显示程序设计动态显示是多个数码管交替显示,利用人的视觉暂留作用使人看到多个数码管同时显示。在编程时,需要输出段选和位选信号,位选信号选中其中一个数码管,然后输出段码,使该数码管显示所需要的内容,延时一段时间后,再选中另一个数码管,再
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