【正文】 基于 STC89C52 單片機(jī)控制的 智能超聲波壁障小車設(shè)計(jì) 【 摘要 】 本文 介紹一個(gè)基于 STC89C52 單片機(jī)控制的智能超聲波壁障小車設(shè)計(jì)。 本次設(shè)計(jì)采用 STC89C52 單片機(jī)作為小車的檢測和控制核心 。采用 LCD1602顯示行駛路程、剩余路程、行駛時(shí)間、模式設(shè)置、壁障參數(shù)等信息；采用 3144霍爾傳感器測量行駛路程；采用 TDL9915 無線遙控發(fā)送、接受模塊遙控小車；采用 M325SP7NP 型 5 軸步進(jìn)電機(jī)帶動超聲波探頭轉(zhuǎn)動；采用 L298N 電機(jī)專用驅(qū)動芯片驅(qū)動小車電機(jī)行駛。實(shí)現(xiàn)了集自動壁障、測距、定時(shí)定路程控制功能為一 體的智能小車設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞 ： 超聲波 。單片機(jī) 。壁障；測距；遙控 1 目 錄 1 設(shè)計(jì)要求 ……………………………………………………………………………………… 3 2 總體設(shè)計(jì)方案 ………………………………………………………………………………… 3 …………………………………………………………… 3 超聲波壁障設(shè)計(jì)方案論證 ……………………………………………………………… 3 顯示模塊設(shè)計(jì)方案論證 ………………………………………………………………… 4 3 元器件介紹 …………………………………………………………………………………… 4 L298N電機(jī)專用驅(qū)動芯片 ……………………………………………………………… 4 CX20216A超聲波接收芯片 ……………………………………………………………… 5 3144霍爾傳感器 ………………………………………………………………………… 7 ULN2021達(dá)林頓驅(qū)動器 ……………………………………………… ………………… 7 4 系統(tǒng)硬件電路 ………………………………………………………………………………… 9 超聲波發(fā)送接收電路 …………………………………………………………………… 9 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 ……………………………………………………………………… 9 串口下載電路 …………………………………………………………………………… 10 整體系統(tǒng)硬件電路 ……………………………………………………………………… 10 PCB圖 ……………………………………………………………………… ……… 11 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ………………………………………………………………………………… 11 設(shè)計(jì)思路 ………………………………………………………………………………… 11 …………………………………………………… 12 …………………………………………………………………………… 13 …………………………………………………………………………… 14 6 總結(jié)與體會 ……………………………………………………………………… ……… … 14 7設(shè)計(jì)實(shí)物圖 …………………………………………………………………………… 14 參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………………………… 15 附錄 ……………………………………………………………………………………………… 15 2 一、設(shè)計(jì)要求 自動壁障 ,且壁障距離可調(diào)； 測距精度為 1cm； 可遙控小車行駛； 可測小車行駛路程 可以定時(shí)、定路程控制小車停止或啟動 二、設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)方案論證 方案一： 采用 STC12C5410 單片機(jī)控制系統(tǒng)。 STC12C5410 單片機(jī)帶有 PWM 脈寬調(diào)制輸出端口，可直接用來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，且其運(yùn)行速度是 8051單片機(jī)的 8~12倍；但其 I/O 口少，即使是 32管腳的芯片也只有 27 個(gè)，不夠用時(shí)需要擴(kuò)展 I/O口，比較麻煩。 方案二：采用 STC89C52 單片機(jī)控制系統(tǒng)。主要是通用 I/O 口多，一般不需要擴(kuò)展，而且控制指令簡單。 由于對 8051 系列單片機(jī)應(yīng)用比較熟悉，且系統(tǒng)需要用到的 I/O 口較多，而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的 PWM 信號用 1 個(gè)定時(shí)器即可模擬。所以此次設(shè)計(jì)選擇采用STC89C52 單片機(jī)來控 制。 超聲波壁障設(shè)計(jì)方案論證 方案一：采用多方向超聲波測距分析來實(shí)現(xiàn)壁障。分別在小車的左、中、右三方向放置超聲波探頭，通過對三個(gè)方向超聲波的測距數(shù)據(jù)分析對比確定障礙物位置，再通過調(diào)節(jié)小車左右電機(jī)轉(zhuǎn)速差控制小車行駛方向?qū)崿F(xiàn)壁障。 方案二：通過步進(jìn)電機(jī)帶動一對超聲波探頭旋轉(zhuǎn)進(jìn)行各方向測距，將各方向測得數(shù)據(jù)通過單片機(jī)對比分析可得到障礙物方向，然后也是通過調(diào)節(jié)小車左右電機(jī)轉(zhuǎn)速差控制小車行駛方向?qū)崿F(xiàn)壁障。 方案一需要 3 對的超聲波探頭，為了防止信號相互干擾各個(gè)超聲波發(fā)送信號要相互間隔，顯得繁雜，而且當(dāng)障礙物與左右 側(cè)的超聲波探頭大于一定角度時(shí)將不能接收到超聲波信號，方案二通過 180度掃描可以很好地檢測到各個(gè)方向的障礙物，障礙物判斷更可靠，壁障效果更好。因此選用方案二設(shè)計(jì)。 顯示模塊設(shè)計(jì)方案論證 3 方案一：采用七段 LED 數(shù)碼管顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)碼管顯示具有高亮、可視距離遠(yuǎn)、壽命長的優(yōu)點(diǎn)，但是一位數(shù)碼管只能顯示一位數(shù)據(jù)，要想同時(shí)顯示多個(gè)數(shù)據(jù)，只能增加數(shù)碼管數(shù)目來實(shí)現(xiàn)，而且數(shù)碼管的 PCB 布線繁雜，數(shù)目越多布線越困難。 方案二：采用 LCD1602 液晶顯示。液晶顯示具有耗能少、可同時(shí)顯示數(shù)據(jù)多、控制指令簡單、 PCB 布線簡單 等優(yōu)點(diǎn)。 通過對比兩種顯示方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)決定采用方案二。 三、 元器件介紹 L298N 電機(jī)專用驅(qū)動芯片 ： L298 是 SGS(通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司 )公司的產(chǎn)品，比較常見的是 15腳Multiwatt 封裝的 L298N，內(nèi)部包含 4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個(gè) H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL 邏輯電平信號，可驅(qū)動 46V、 2A 以下的電機(jī)。其引腳排列如上圖中所示。 L298N 的引腳 9 為 LOGIC SUPPLY VOLTAGE Vss，即邏輯供應(yīng)電壓。引腳 4為 SUPPLY VOLTAGE Vs，即驅(qū)動部分輸入電壓。 Vss 電壓要求輸入最小電壓為，最大可達(dá) 36V； Vs 電壓最大值也是 36V，但經(jīng)過我的實(shí)驗(yàn)， Vs電壓應(yīng)該比Vss 電壓高，否則有時(shí)會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。它的引腳 2， 3， 13， 14 為 L298N 芯片輸入到電動機(jī)的輸出端，其中引腳 2 和 3 能控制兩相電機(jī)，對于直流電動機(jī)，即可控制一個(gè)電動機(jī)。同理，引腳 13和 14 也可控制一個(gè)直流電動機(jī)。引腳 6和 4 11腳為電動機(jī)的使能接線腳。引腳 5， 7， 10， 12為單片機(jī)輸入到 L298N 芯片的輸入引腳。下表是其使能、輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系： EN A（ B） IN1（ IN3） IN2（ IN4） 電機(jī)運(yùn)行情況 H H L 正轉(zhuǎn) H L H 反轉(zhuǎn) H 同 IN2（ IN4） 同 IN1（ IN3） 快速停止 L X X 停止 控制使能引腳 ENA 或者 ENB 就可以實(shí)現(xiàn) PWM 脈寬速度調(diào)整。 1 腳和 15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號，也可以直接接地。在可設(shè)計(jì)中就將它們直接接地。引腳 8 為芯片的接地引腳，它與 L298N 芯片的散熱片連接在一起。由于本芯片的工作電流比較大，發(fā)熱量也比較大，所以在本芯片的散熱片上又連接了一塊鋁合金，以增大它的散熱面積。 該芯片的一些參數(shù)如下： (1) 邏 輯部分輸入電壓： 6～ 7V (2) 驅(qū)動部分輸入電壓 Vs： ～ 46V (3) 邏輯部分工作電流 Iss：≤ 36mA (4) 驅(qū)動部分工作電流 Io：≤ 2A (5) 最大耗散功率： 25W（ T=75℃ ） (6) 控制信號輸入電平：高電平： ≤ Vin≤ Vss，低電平： ≤ Vin≤ (7) 工作溫度： 25℃ ～＋ 130℃ (8) 驅(qū)動形式：雙路大功率 H橋驅(qū)動 CX20216A 超聲波接收芯片 （ 1） CX20216A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖： 5 （ 2） 管腳說明： 3144 霍爾傳感器 6 3端輸出需要接上拉電阻。當(dāng)有磁鐵靠近時(shí)，霍爾傳感器輸出低電平。 ULN2021 達(dá)林頓驅(qū)動器 ULN2021 是大電流驅(qū)動陣列 ,多用于單片機(jī)、智能儀表、 PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域?qū)動繼電器等負(fù)載。 輸入 5VTTL 電平，輸出可達(dá) 500mA/50V。 ULN2021 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列 ,由七個(gè)硅 NPN 達(dá)林頓管組成。 ULN2021 的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè) 的基極電阻 ,在 5V的工作電壓下它能與 TTL 和 CMOS 電路直接相連 ,可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器 。 ULN2021 具有電流增 益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn) ,適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。 ULN2021 芯片引腳圖 ULN2021 芯片引腳介紹 引腳 1： CPU 脈沖輸入端，端口對應(yīng)一個(gè)信號輸出端。 引腳 2： CPU 脈沖輸入端。 引腳 3： CPU 脈沖輸入端。 引腳 4： CPU 脈沖輸入端。 引腳 5： CPU 脈沖輸入端。 引腳 6： CPU 脈沖輸入端。 引腳 7： CPU 脈沖輸入端。 引腳 8：接地。 7 引腳 9：該腳是內(nèi)部 7 個(gè)續(xù)流二極管負(fù)極的公共端，各二極管的正極分別接各達(dá)林頓管的集電極。用于感性負(fù)載時(shí)，該腳接負(fù)載電源正極，實(shí)現(xiàn)續(xù)流作用。如果該腳接地，實(shí)際上就是達(dá)林頓管的集電極對地接通。 引腳 10：脈沖信號輸出端，對應(yīng) 7 腳信號輸入端。 參考電路接法 引腳 11：脈沖信號輸出端，對應(yīng) 6 腳信號輸入端。 引腳 12：脈沖信號輸出端，對應(yīng) 5 腳信號輸入端。 引腳 13：脈沖信號輸出端，對應(yīng) 4 腳信號輸入端。 引腳 14：脈沖信號輸出端，對應(yīng) 3 腳信號輸入端。 引腳 15：脈沖信號輸出端，對應(yīng) 2 腳信號輸入端。 引腳 16：脈沖信號輸出端，對應(yīng) 1 腳信號輸入端。 8 四、硬件設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)送接收電路 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 9 串口下載電路 系統(tǒng)整體硬件電路 10 系統(tǒng) PCB 圖 五、軟件設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思路 本次設(shè)計(jì)軟件部分主要包括測距壁障程序、遙控參數(shù)設(shè)置程序、顯示程序、定時(shí)器及相關(guān)中斷程序。 本次設(shè)計(jì)采用外部中斷 0接收超聲波信號，外部中斷 1接收霍爾傳感器信 號測行駛路程，定時(shí)器 0結(jié)合外部中斷 0 為超聲波發(fā)送接收計(jì)時(shí)進(jìn)行測距，定時(shí)器 1用來產(chǎn)生 PWM 信號控制小車轉(zhuǎn)速，定時(shí)器 2 為小車行駛計(jì)時(shí)。為了避免中斷沖突造成錯(cuò)誤處理，應(yīng)該對某些中斷設(shè)為高優(yōu)先級，且中斷執(zhí)行程序不應(yīng)過長。 為了提高壁