利用超聲波實(shí)現(xiàn)躲避障礙物——小車(chē)(編輯修改稿)
2024-10-04 09:49 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 路況檢測(cè)模塊的硬件設(shè)計(jì) 路況檢測(cè)模塊 用的是超聲波檢測(cè)。 超聲波是一種振動(dòng)頻率超過(guò) 20 kHz 的機(jī)械波，它可以沿直線方向傳播，而且傳播的方向性好，傳播的距離也較遠(yuǎn)，在介質(zhì) 中傳播時(shí)遇到障礙物在入射到它的反射面上就會(huì)產(chǎn)生反射波。由于超聲波的以上幾個(gè)特點(diǎn)，所以超聲波被廣泛地應(yīng)用于物體距離的測(cè)量、厚度等方面。而且，超聲波的測(cè)量是一種比較理想的的非接觸式的測(cè)距方法。當(dāng)進(jìn)行距離的測(cè)量時(shí)，由安裝在同一水平線上的超聲波發(fā)射器和接收器完成超聲波的發(fā)射與接收，并且同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù) 。首先由超聲波發(fā)射探頭 發(fā)射超聲波并同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播的途中一旦遇到障礙物后就會(huì)被反射回來(lái)，當(dāng)接收探頭收到反射波后就會(huì)給負(fù)脈沖到單片機(jī)使其立刻停止計(jì)時(shí)。這樣，定時(shí)器就能夠準(zhǔn)確的記錄下了超聲波發(fā)射 點(diǎn)至障礙物之間往返傳播所用的時(shí)間 t（ s）。由于在常溫下超聲波在空氣中的傳播速度大約為 340 m/s[7]，所以障礙物到發(fā)射探頭之間的距離為： S=340t/2=170t 因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)時(shí)實(shí)際上就是對(duì)機(jī)器周期 T 的計(jì)數(shù)，而本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘頻率 fosc 取 12 MHz，設(shè)計(jì)數(shù)值 N，則： T＝ 12/fosc=1μ s t=N T＝ N （ s） S＝ 170 N T＝ 170 N/1000000（ m） 在程序中按式 S＝ 170 N T＝ 170 N/1000000 計(jì)算距離。 而超聲波發(fā)射電路經(jīng)過(guò)一番設(shè)計(jì)如下， 超聲波發(fā)射電路是由超聲波探頭和超聲波放大器組成。超聲波探頭將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械波發(fā)射出去，而單片機(jī)所產(chǎn)生的 40 kHz 的方波脈沖需要進(jìn)行放大才能將超聲波探頭驅(qū)動(dòng)將超聲波發(fā)射出去，所以發(fā)射驅(qū)動(dòng)實(shí)際上就是一個(gè)信號(hào)的放大電路，本設(shè)計(jì)選用 74LS04 芯片進(jìn)行信號(hào)放大，超聲波發(fā)射電路如下圖所示： 工作時(shí)，由單片機(jī)產(chǎn)生 40 kHz 的脈沖從 口向超聲波 的發(fā)射電路部分發(fā)出信號(hào)，再經(jīng) 74LS04 放大電路放大后，驅(qū)動(dòng)超聲波探頭將超聲波 發(fā)射 出去。 同樣，對(duì)于超聲波接收電路， 由于超聲波在空氣中的傳播過(guò)程中是有衰減的，如果距離較遠(yuǎn)，那么超聲波接收電路所接收到的超聲波信號(hào)就會(huì)比較微弱，因此需要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大而且放大的倍數(shù)也要比較大。超聲波接收電路主要是由集成電路 CX20206A 芯片電路構(gòu)成的， CX20206A 芯片電路可以對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波、整形、比較等功能，比較完之后超聲波接收電路會(huì)輸出一個(gè)低電平到單片機(jī)去請(qǐng)求中斷，當(dāng)即單片機(jī)停止計(jì)時(shí)，并開(kāi)始去進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。 CX20206A 芯片的前置放大器具有自動(dòng)增益控制的功能，當(dāng)測(cè)量的距離比較近時(shí)，放大器不會(huì)過(guò)載；而當(dāng)測(cè)量距離比較遠(yuǎn)時(shí)，超聲波信號(hào)微弱，前置放大器就有較大的放大增益效果。 CX20206A 芯片的 5 腳在外接電阻對(duì)它的帶通濾波器的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且不用再外接其他的電感，能夠很好地避免外加磁場(chǎng)對(duì)芯片電 路的干擾，而且它的可靠性也是比較高的。 CX20206A 芯片電路本身就具有很高的抗干擾的能力，而且靈敏度也比較高，所以，能滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的要求。超聲波接收電路如 下圖所示。 綜合兩個(gè)電路，將超聲波發(fā)射部分和超聲波接收部分的電路做成一個(gè)較小的模塊，并且為了讓超聲波接收更加靈敏，設(shè)計(jì) PCB 的時(shí)候，要注意 時(shí) 將兩個(gè)超聲波探頭設(shè)計(jì) 保持中心軸線平行并相距 4～8cm。總電路圖如下圖： 而超聲波模塊的 PCB 圖 如 下 圖 ： 而經(jīng)過(guò)焊接、安裝元器件后的超聲波模塊成品圖如下： 第五章 躲避障礙物小車(chē)軟件設(shè)計(jì) 躲避障礙物小車(chē)的軟件控制用的是 AT89S52 單片機(jī)。我們開(kāi)始的設(shè)想是用單片機(jī)的多通道串口來(lái)控制三個(gè)超聲波檢測(cè)模塊的，因?yàn)閱纹瑱C(jī)多通道這方面比較少人用。當(dāng)我們完成了一塊的時(shí)候，老師建議說(shuō)用分時(shí)掃描的方法也能實(shí)現(xiàn)超聲波多模塊的檢測(cè)，而且效果也不會(huì)差。通過(guò)討論，我們決定用兩塊單片機(jī)來(lái)控制三個(gè)超聲波模塊，一塊單片機(jī)作為系統(tǒng)主機(jī)，另一塊作從機(jī)。主機(jī)用分時(shí)掃描的方法控制兩塊超聲波和接受從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并 且控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向，從而使小車(chē)避開(kāi)障礙物。從機(jī)控制一塊超聲波模塊并與主機(jī)進(jìn)行串口通信，發(fā)送數(shù)據(jù)。主機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序、串口接收中斷程序和直流電機(jī)控制程序組成。從機(jī)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序、串口發(fā)送子程序組成。從機(jī)的超聲波模塊程序和主機(jī)的一樣，在這就不重復(fù)了。 主程序流程圖 N N Y Y Y 定時(shí)器子程序 主程序 N Y 開(kāi)始 單片機(jī)初始化 定時(shí)中斷子程序 回波？ 串口接收？ 外部中斷 串口中斷 定時(shí)器中斷入口 定時(shí)器初始化 發(fā)射超聲波 兩方向發(fā)射完？ 停止發(fā)射 返回 計(jì)算距離 外部中斷入口 關(guān)閉外部中斷 讀取時(shí)間 輸出結(jié)果 開(kāi)始 單片機(jī)初始化 定時(shí)中斷子程序 定時(shí)器發(fā)射超聲波 回波？ 外部中斷 外部中斷子程序 N 從機(jī)流程圖 N Y Y Y Y Y 直流電機(jī)控制 兩塊超聲波模塊的發(fā)生、接收和計(jì)算的設(shè)計(jì) AT89S52 單片機(jī)的 I/0 口都可以用來(lái)做超聲波的發(fā)生，只要給一個(gè)高低電平就能產(chǎn)生脈沖方波。我們定義了 TX1（ P14）和 TX2（ P15）作為超聲波發(fā)射端口， RX1（ P32）和 RX2（ P33）既是外部中斷 INT0和 INT1 作為判斷回波的端口，并且讀取定時(shí)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。
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