【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 波的測(cè)距原理 cosHS?? (21) arctan( )LH? ? (22) 式中 :L兩探頭之間中心距離的一半 . 又知道超聲波傳播的距離為 : 2S vt? (23) 式中 :v— 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度 。 t— 超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間 . 將（ 22）、 (23)代入 (21)中得： 1 c o s a rc ta n2 LH vt H??? ???? (24) 其中 ,超聲波的傳播速度 v 在一定的溫度下是一個(gè)常數(shù) (例如在溫度 T=30 度時(shí) ,V=349m/s)。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)，利用紅外遙控來小車的運(yùn)行狀態(tài)。 主要的任務(wù)要求如下： (1) 能夠?qū)崿F(xiàn)超聲波測(cè)距，并在數(shù)碼管上予以顯示實(shí)際距離。 (2) 通過遙控器能夠?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。 (3) 采集系統(tǒng)采集距離信息 ,并根據(jù)不同的距離信息發(fā)出不同頻率的聲音。 系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)及可行性論證 根據(jù)設(shè)計(jì) 要求，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于超聲波測(cè)距的紅外遙控小車，設(shè)計(jì)框圖如下： 圖 系統(tǒng)框圖 論證 1：本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理 參考結(jié)構(gòu)一：采用分離式結(jié)構(gòu)，超聲波數(shù)據(jù)采集和控制分開。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)。 參考結(jié)構(gòu)二：采用整體式結(jié)構(gòu)，超聲波數(shù)據(jù)采集和控制在一起。超聲波測(cè)距、數(shù)碼管顯示、報(bào)警、紅外遙控接收和電機(jī)驅(qū)動(dòng)是一個(gè)系統(tǒng)。 本系統(tǒng)超聲波數(shù)據(jù)采集和控制既可分開也可 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。通過紅外遙控器向控制器發(fā)送控制命令以達(dá)到手動(dòng)控制 9 小車的目的。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。本設(shè)計(jì)采用該獨(dú)立式結(jié)構(gòu)方案可行。 微處理器的選擇 方案一：使用 51 單片機(jī)。 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)。典型代表為 AT89S5AT89S52，由美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)，后授權(quán)給中國(guó)臺(tái)灣某公司生產(chǎn)和銷售。 方案二：使用 AVR ATMEGA 系列單片機(jī)。 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)。具有功耗低、處理速度快、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，但是其價(jià)格昂貴，目前市場(chǎng)上不易買到。 方案三：使用 MPS430，凌陽 61 單片機(jī)等 16 位單片機(jī)或者 ARM 系列單片機(jī)。 由于本系統(tǒng)控制功能簡(jiǎn)單，沒有必要為了提高性能而增加成本和開發(fā)難度。 經(jīng)過綜合考慮，本題目采用第一套方案，選取 IO 口個(gè)數(shù)和 ROM 大小適合本系統(tǒng)的 AT89S52 單片機(jī)。 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。 方案二：采用 LCD12864 液晶屏顯示 LCD12864 能夠顯示 4行漢字，每行顯示 8個(gè)漢字或 16 個(gè)字符?？梢暶娣e大，但是價(jià)格昂貴，程序設(shè)計(jì)較為麻煩。 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。顯示信息量一般，且不帶字庫(kù)，顯示信息量過大時(shí)，需占用單片機(jī)大量 ROM 或 RAM 空間。電路設(shè)計(jì)和 程序設(shè)計(jì)都較為復(fù)雜。 方案四：采用四位數(shù)碼管顯示 數(shù)碼管只能夠顯示數(shù)據(jù)，不能夠顯示漢字，不過數(shù)碼管顯示直接數(shù)據(jù)，易懂，而且程序設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。 10 綜合考慮：本系統(tǒng)采用數(shù)碼顯示，方便直接，性價(jià)比高，功耗低。采用四位共陽極數(shù)碼管，動(dòng)態(tài)掃描。位選采用三極管電流驅(qū)動(dòng)和開關(guān)的選擇。 小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的選擇 方案一：采用三極管組成的分立式 H橋電路。 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。 實(shí)際使用的時(shí)候，用分立 元 件制作 H 橋式是很麻煩的 。 方案二：采用集成電路 L298NH 橋電路。 L298N 是專用的驅(qū)動(dòng)集成電路，屬于 H橋集成電路，其輸出電流大，功率大，可以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，如大功率直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)等特別是器輸入端可以與單片機(jī)之間相連，從而很方便地受單片機(jī)控制，可以之間驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，并可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 綜合考慮：本系統(tǒng)采用集成電路 L298N,通過單片機(jī)輸出邏輯電平就可以控制小車電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 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。由于紅外線遙控裝置具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，因而，繼彩電、錄像機(jī)之后，在錄音機(jī)、音響設(shè)備、空凋機(jī)以及玩具等其 它小型電器裝置上也紛紛采用紅外線遙控。工業(yè)設(shè)備中，在高壓、輻射、有毒氣體、粉塵等環(huán)境下，采用紅外線遙控不僅完全可靠而且能有效地隔離電氣干擾。 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。 方案二：采用有 2262 和 2272 組成的四路遙控器 市場(chǎng)有銷售的四路這樣的遙控器，不過價(jià)格較為昂貴。 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) 。 通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，實(shí)現(xiàn)解碼， 予以控制。 綜合考慮：本系統(tǒng)采用采用 9012 電視機(jī)遙控器，方便簡(jiǎn)單，而且市場(chǎng)上較多，價(jià)格便宜。 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。系統(tǒng)硬件部分的整體框圖 如下所示： 超 聲 波 數(shù) 據(jù)采 集 主 控 器小 車 運(yùn) 動(dòng) 狀態(tài) 主 控 器超 聲 波 數(shù) 據(jù)采 集 模 塊紅 外 遙 控 模塊報(bào) 警 系 統(tǒng) 模塊超 聲 波 數(shù) 據(jù)顯 示 模 塊L 2 9 8 N 電 機(jī) 驅(qū)動(dòng) 模 塊直 流 穩(wěn) 壓 電源 模 塊 模 塊 系統(tǒng)硬件部分的整體框圖 控制器 本設(shè)計(jì)經(jīng)過第三章的論證，選用了 ATMEl 公司生產(chǎn)的 AT89S52 單片機(jī)， AT89S52是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8kB 的 可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 128 B 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89S52 提供了高性價(jià)比的解決方案。 AT89S52 是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)， 40 個(gè)引腳， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含 2 個(gè)外中斷口， 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2 個(gè)全雙工串行通信口， AT89S52 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。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)器可有效地降低開發(fā)成本。 I/O 端口的編程實(shí)際上就是根據(jù)應(yīng)用電路的具體功能和要求對(duì) I/O 寄存器進(jìn)行編程。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。對(duì)于用作輸入的端口可以不考 慮方向初始化，因?yàn)? I/O 的復(fù)位缺省值為輸入； (4) 用作輸入的 I/O 管腳，如需上拉，再通過輸入上拉使能寄存器為其內(nèi)部配置上拉電阻； (5) 最后對(duì) I/O 端口進(jìn)行輸出 (寫數(shù)據(jù)輸出寄存器 )和輸入 (讀端口 )編程，完成對(duì)外圍電路的相應(yīng)功能。 圖 AT89S52 單片機(jī)芯片 XTAL1：接外部晶振的一個(gè)引腳。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。它采用外部振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。 XTAL2：接外部晶振的一個(gè)引腳。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。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，則此引腳接外部振蕩信號(hào)的輸入。 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)。具體的硬件原理圖如圖 ： 13 EA/VPP31X119X218RESET9RD/P3717WR/P3616P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/PRDG30P31/TXD11P30/RXD10VCC40GND20JP6AT89C52GNDVCCP10P11P12P13P14P15INT0VCCP30RSTP16P20P21P22P23P24P25P26P27INT1P00P01P02P03P04P05P06P07P31P34P35P36P37P1712345678JP5Header 812345678JP312345678JP4XTAL1XTAL212345678JP2Header 8單片機(jī)系統(tǒng) 圖 最小系統(tǒng)硬件原理圖 超聲波測(cè)距模塊 本系統(tǒng)采用 深圳市捷深科技 生產(chǎn) URF04 模塊 ， 本模塊性能穩(wěn)定，測(cè)度距離精確。能和國(guó)外的 SRF05,SRF02 等超聲波測(cè)距模塊相媲美。模塊高精度， 盲區(qū)（ 2cm）超近 。該模塊的 主要技術(shù)參數(shù)： (1) 使用電壓： DC5V (2) 靜態(tài)電流：小于 2mA (3) 電平輸出：高 5V (4) 電平輸出：底 0V (5) 感應(yīng)角度：不大于 15度 (6) 探測(cè)距離： 2cm500cm 該模塊的外形圖如下： 14 圖 超聲波測(cè)距模塊的外形圖 板上接線方式 如表 ， 表 接線圖 Pin 名稱 注釋 1 VCC 供電 5V 2 Trig 控制端 3 echo 接收端 4 out 空腳，請(qǐng)懸空 5 GND 地 該超聲波 模塊 的 工作原理： (1) 采用 IO 觸發(fā)測(cè)距，給至少 10us 的高電平信號(hào) ； (2) 模塊自動(dòng)發(fā)送 8 個(gè) 40khz 的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回； (3) 有信號(hào)返回，通過 IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間 。 超聲波發(fā)射電路如圖 所示： 12U1AHCC4069UBF34U1BHCC4069UBF10 11U1EHCC4069UBF