【正文】 ................................................................ 32 附錄 D1:控制源程序 .............................................................................................. 32 附錄 D2:超聲波數(shù)據(jù)測(cè)距源程序 .......................................................................... 37 I 基于超聲波測(cè)距的智能小車設(shè)計(jì) 摘要： 本設(shè)計(jì)采用 AT89S52 單片機(jī)作為主控器，結(jié)合超聲波測(cè)距原理，設(shè)計(jì)了紅外遙控小車的測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)。 Collect, hair isolation makes receiving devices to avoid strong signal。對(duì)超聲波測(cè)距精度主要取決于所測(cè)的超聲波傳播時(shí)間和超 聲波在介質(zhì)中的傳播速度，二者中以傳播時(shí)間的精度影響較大，所以大部分文獻(xiàn)采用降低傳播時(shí)間的不確定度來(lái)提高測(cè)距精度。同時(shí)更重要的是該設(shè)計(jì)方案大大節(jié)省了設(shè)計(jì)成本 , 并且由于是采用軟件編程技術(shù) , 所以其移植性能好 , 在設(shè)計(jì)電路時(shí)可以將其它更多的功能設(shè)計(jì)進(jìn)去。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測(cè)量中。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的指標(biāo)要求，所以為了使移動(dòng)機(jī)器人能夠自動(dòng)躲避障礙物行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。電聲型主要有： 1 壓電傳感器； 2 磁致伸縮傳感器； 3 靜電傳感器。所以，只要對(duì)這種材料加以交變電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。在壓電陶 5 瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。 超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心 ，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對(duì)壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離 s，即： s=340t/2。當(dāng)需要測(cè)量的距離 H 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 L時(shí) ,則 (24)變?yōu)?: 12H vt? (25) 所以 ,只要需要測(cè)量出超聲波傳播的時(shí)間 t,就可以得出測(cè)量的距離 H. 8 第三章 方案論證及選擇 設(shè)計(jì)的任務(wù)要求 設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)，利用紅外遙控來(lái)小車的運(yùn)行狀態(tài)。 本系統(tǒng)超聲波數(shù)據(jù)采集和控制既可分開(kāi)也可 融合 到一個(gè)系統(tǒng)里面，超聲波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是采集距離信息，并根據(jù)不同的信息發(fā)出不同頻率的 聲音；控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)控制小車。 ATMEGA 系列是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的 AVR 8 位單片機(jī)中的高端產(chǎn)品，由于市場(chǎng)和技術(shù)原因，市場(chǎng)占有率挺高，采用精簡(jiǎn)指令集系統(tǒng)。 方案三：采用 NOKIA5110 LCD 液晶屏顯示 NOKIA5110 LCD 具有 84*48 點(diǎn)陣圖形顯示能力，可同時(shí)顯示 4行，每行 7個(gè)的12*12 漢字，或者顯示 6 行，每行 14 個(gè)的 6*8 ASCII 碼字符。 每個(gè)電機(jī)都采用有四個(gè)三極管組成的 H 橋電路，三極管價(jià)格低廉，電路原理易懂。 方案一：采用自制矩陣遙控器 采用矩陣鍵盤、主控器和光電二極管設(shè)計(jì)一個(gè)遙控器，電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，而且還得編程。其將通 用的微處理器和 Flash 存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器輸 入端。 本設(shè)計(jì)中采用動(dòng)態(tài)掃描四個(gè)三極管作為位選的驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)和電流放大。 SenseB 電流監(jiān)測(cè)端，分別為兩個(gè) H 橋的電流反饋腳，不用時(shí)可以直接接地 2； 3 Out1。 當(dāng) 1838V 接收到遙控信號(hào)時(shí) ， 產(chǎn)生中斷，處理遙控?cái)?shù)據(jù) ， 處理完后返回。 (4) 數(shù)據(jù)傳輸與顯示 經(jīng)軟件處理得到的距離送顯示輸出，用四位 LED 表示。 例如需要顯示數(shù)字 “ 12” 時(shí)，先輸出位選信號(hào)，選中第一個(gè)數(shù)碼管，輸出 1 的段碼，延時(shí)一段時(shí)間后選中第二個(gè)數(shù)碼管，輸出 2 的段碼。 當(dāng)一個(gè)鍵按下超過(guò) 36ms，振蕩器使芯片激活，將發(fā)射一組 108ms 的編碼脈沖 ,這 108ms 發(fā)射代碼由一個(gè)起始碼（ 9ms） ,一個(gè)結(jié)果碼（ ） ,低 8 位地址碼（ 9ms18ms） ,高 8位地址碼（ 9ms18ms） ,8 位數(shù)據(jù)碼（ 9ms18ms）和這 8 位數(shù)據(jù)的反碼（ 9ms18ms）組成。具體的程序流程圖如圖 所示。這樣可以使各部分明確分工，更好地提高工作效率。 利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速，方便，易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。超聲檢測(cè)設(shè)備還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，有利于工程實(shí)際使用。 本文設(shè)計(jì)中的超聲波測(cè)距模塊可以應(yīng)用于機(jī)器人的距離信息采集，汽車防撞測(cè)距等各個(gè)方面。該系統(tǒng)采用軟、硬件結(jié)合的方法，硬件系統(tǒng)主要有超聲波數(shù)據(jù)采集模塊、紅外遙控接受模塊、小車驅(qū)動(dòng)模塊、距離顯示模塊、報(bào)警 模塊和主控器組成。 單片機(jī)接收到信號(hào)時(shí)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，解碼的關(guān)鍵是如何識(shí)別 “0” 和“1” ，從位的定義我們可以發(fā)現(xiàn) “0 ” 、 “1” 均以 的低電平開(kāi)始，不同的是高電平的寬度不同， “0” 為 ,“1” 為 ,所以必須根據(jù)高電平的寬度區(qū)別 “0” 和 “1” 。 超聲波數(shù)據(jù)采集電路軟件流程 主程序初始化后主要判斷是否發(fā)送超聲波，發(fā)送超聲波后，根據(jù)超聲波接收到的時(shí)間，按照公式計(jì)算出距離信息，同時(shí)將距離信息發(fā)送到相應(yīng)的顯示端口，使LED 顯示屏予以顯示當(dāng)前的距離信息。由于距離值的得出及顯示是在中斷子程序中完成的，因此在初始化發(fā)射程序后進(jìn)入中斷響應(yīng)的等待。 在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲波測(cè)距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是針對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。 Input2 1A 1A2 輸入端， TTL 電平兼容 6； 11 EnableA。報(bào)警部分的連線，如圖 所示 1KR7LS3SpeakerQ69013VCCP31蜂鳴器 圖 超聲波測(cè)距報(bào)警模塊電路 小車驅(qū)動(dòng)模塊 為提高系統(tǒng)效率、降低功耗，功放驅(qū)動(dòng)電路采用基于雙極型 H 橋型脈寬調(diào)制方式（ PWM）的集成電路 L298N。 RST： AT89S52 的復(fù)位信號(hào)輸入引腳，高電位工作，當(dāng)要對(duì)芯片復(fù)位時(shí)，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間， AT89S52 便能完成系統(tǒng)復(fù)位的各項(xiàng)工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)。具體步驟如下： (1) 根據(jù)實(shí)際電路的要求，選擇要使用哪些 I/O 端口，用 EQU 偽指令定義 12 其相應(yīng)的寄存器； (2) 初始化端口的數(shù)據(jù)輸出寄存器，應(yīng)避免端口作為輸出時(shí)的開(kāi)始階段出現(xiàn)不確定狀態(tài)，影響外圍電路正常工作； (3) 根據(jù)外圍電路功能，確定 I/O 端口的方向，初始化端口的數(shù)據(jù)方向寄存器。 方案三：采用目前最為流行軟包 9012 電視機(jī)遙控器 這種電視機(jī)遙控器，組成簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便，在主電路中用一個(gè)接收頭，接受信號(hào) 。 方案二：采用集成電路 L298NH 橋電路。電路設(shè)計(jì)和 程序設(shè)計(jì)都較為復(fù)雜。 方案三：使用 MPS430，凌陽(yáng) 61 單片機(jī)等 16 位單片機(jī)或者 ARM 系列單片機(jī)。采用這種控制器 +數(shù)據(jù)采集獨(dú)立式的結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是很明顯的，具體表現(xiàn)為：分工明確，可以使各部分各司其責(zé)，工作效率高 ,設(shè)計(jì)方便，可移植性好。 (2) 通過(guò)遙控器能夠?qū)π≤嚨那斑M(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)加以控制。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過(guò)程中是基本不變的。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。 超聲波發(fā)生器 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用 ，這將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號(hào)。 傳感器的主要組成部分是壓電晶片。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲波檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲波傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為“哨”或“笛”。同時(shí)基于超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有以上的種種優(yōu)點(diǎn)，在汽車前進(jìn)、倒車防撞測(cè)距的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。一般的超聲波測(cè)距儀可用于固定物位或液位 的測(cè)量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測(cè)量等。交通擁擠狀況也日趨嚴(yán)重，撞車事件屢屢 發(fā)生，造成了不可避免的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)一種響應(yīng)快，可靠性高且較為經(jīng)濟(jì)的汽車測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)勢(shì)在必行，超聲波測(cè)距法是最常見(jiàn)的一種距離測(cè)量方法，應(yīng)用于汽車停車的前后左右防撞的近距離，低速狀況，以及在汽車倒車測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)中，超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦?—— 折射，反射，干涉，衍射，散射。隨著檢測(cè)技術(shù)研究的不斷深入，對(duì)超聲檢測(cè)儀器的功能要求越來(lái)越高，單數(shù)碼顯示的超聲檢測(cè)儀測(cè)讀會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)試誤差。 Ranging。超聲波距離測(cè)量系統(tǒng)用的頻率為 40KHz 的脈沖壓力波，發(fā)射和接收的傳感器有時(shí)共用一個(gè)，或者兩個(gè)是分開(kāi)使用的。利用現(xiàn)在最常用的電視機(jī)遙控器來(lái)控制小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。目前，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在機(jī)械制造，電子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工業(yè)領(lǐng)域。超聲儀研制呈現(xiàn)一派繁榮景象。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而超聲波測(cè)量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。因此可廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測(cè)、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高等行業(yè)中。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在測(cè)控系統(tǒng)的研制上得到了廣泛應(yīng)用。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。利用超聲波的這種性能就可制成超聲傳感器，或稱為超聲換能器，它是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、又可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的器件或裝置。這就是超聲波測(cè)距儀的基本原理。超聲波測(cè)距、數(shù)碼管顯示和報(bào)警為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)；紅外遙控接收和電機(jī)驅(qū)動(dòng)為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。 51 單片機(jī)是初學(xué)者首選的，具有指令多，編程易等優(yōu)點(diǎn)。 顯示方式的選擇 方案一：采用 LCD1602 液晶屏顯示 LCD1602 能夠顯示兩行字符或數(shù)字，每行 8 個(gè)，可視面積較小。采用四位共陽(yáng)極數(shù)碼管，動(dòng)態(tài)掃描。 遙控器的選擇 紅外遙控是目前使用最廣泛的一種通信和遙控手段。 11 第四章 硬件電路的設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)主要有超聲波數(shù)據(jù)采集模塊、紅外遙控接收模塊、小車驅(qū)動(dòng)模塊、距離顯示模塊、報(bào)警模塊和主控器組成。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。模塊高精度， 盲區(qū)（ 2cm）超近 。 17 圖 L298N 內(nèi)部的 內(nèi)部邏輯圖 L298N 引腳圖如圖 所示。 Out4 2Y 2Y2 輸出端 本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的基于 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如 圖 所示。 (2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 為了得到發(fā)射信號(hào)與接收回波間的時(shí)間差，要讀出此刻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，然后存儲(chǔ)在 RAM 中，而且每次發(fā)射周期的開(kāi)始，需要對(duì)計(jì)數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。 超聲波測(cè)距顯示程序設(shè)計(jì) 21 動(dòng)態(tài)顯示是多個(gè)數(shù)碼管交替顯示，利用人的視覺(jué)暫留作用使人看到多個(gè)數(shù)碼管同時(shí)顯示。引導(dǎo)碼由 的載波和 的載波關(guān)斷波形所構(gòu)成，以作為用戶碼、數(shù)據(jù)碼以及他們的反碼的先導(dǎo)。使小車工作于不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 總而言之，本文的創(chuàng)新點(diǎn)和取得的主要成果是： （ 1） 具有模塊化的特點(diǎn)。要想通過(guò)測(cè)量超聲波傳播時(shí)間確定距離，聲速 C必須恒定，實(shí)際上聲速隨介質(zhì)、溫度、壓力等變化而變化