【正文】 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 15 頁 共 38 頁 4 系統(tǒng) 的 硬件電路 根據(jù)設(shè)計(jì)題目要求，系統(tǒng)可以初步劃分為單片機(jī)部分，顯示電路部分，報(bào)警電路部分，抗干擾電路部分，控制電路部分，電源電路部分和傳感器部分。整體框圖如圖 41 所示。為了增加超聲波的探測(cè)距離，就需要增加超聲波換能器的功率。單片機(jī) 口產(chǎn)生的 40KHz 方波信號(hào)一路經(jīng)反向器反相后 傳 送到超聲波換能器的 其中 一個(gè)電極 中 ，另一路經(jīng)兩級(jí)反 相器反向后送入超聲波換能器的另一個(gè)電極。采用兩個(gè)反向器并聯(lián) 的 輸出端 可 以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻 R23,R24 一方面可以提高反相器的高電平驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增強(qiáng)超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由震蕩的時(shí)間。 圖 43 超聲波發(fā)射電路原理圖 超聲波接收電路的設(shè)計(jì) 集成芯片 CX20216A 是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用電視機(jī)遙控器。實(shí)驗(yàn)證明 CX20216A 接收超聲波具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 17 頁 共 38 頁 圖 44 CX20216A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 使用 CX20216A 集成電路對(duì)接收探頭受到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。以下是 CX20216A的引腳注釋 ∶ 1 腳：超聲信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為 40kΩ。增大電阻 R1 或減小 C1,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。 3 腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試取 。例如，取 R=200kΩ 時(shí)， F0≈42kHz，若取 R=220kΩ，則中心頻率 F0≈38kHz。 7 腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，沒有接受信號(hào)是該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則產(chǎn)生下降。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 18 頁 共 38 頁 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 的設(shè)計(jì) 由于單片機(jī) I/O 口驅(qū)動(dòng)能力弱，不能直接連接直流電機(jī)，故需要驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。其 是一種四相和二相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含兩個(gè) H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器， 接收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng) 46V、 2A 以下的電機(jī) [15]。 圖 45 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接圖 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(hào)。 L293D 可以驅(qū)動(dòng) 2 個(gè)直流電機(jī)， OUT OUT2 和 OUT OUT4 之間分別接 1 個(gè)電動(dòng)機(jī)。本電路中分別與單片機(jī) 89C52 的 、 相連， L293D 的邏輯功能如表 41 所示 。 4. 3 顯示電路的設(shè)計(jì) 數(shù)碼管有一位、雙位、四位等幾種，而不管將幾位數(shù)碼管連在一起，數(shù)碼管的顯示原理都是一樣的，都是靠點(diǎn)亮內(nèi)部的發(fā)光二極管來發(fā)光的，數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 46所示，從圖 46（ a）可看出，一位數(shù)碼管的引腳是 10 個(gè)，顯示一個(gè) 8 字要 7 個(gè)小段，另外還有一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，所以內(nèi)部共有 8 個(gè)小的發(fā)光二極管，最后還有一個(gè)公共端，生產(chǎn)商為了封裝統(tǒng)一，單位數(shù)碼管都封裝 10 個(gè)引腳，而他們的公共端分為共陽極和共陰極， 如圖 46（ b）所示。 當(dāng)使用多位一體數(shù)碼管時(shí)，它內(nèi)部的公共端是獨(dú)立的，而負(fù)責(zé)顯示什么數(shù)字的段線全部都是連在一起的，獨(dú)立的公共端可以控制多位數(shù)碼管中哪一位點(diǎn)亮，通常我們把公共端叫做 “位選線 ”，連在一起的段線叫做 “段選線 ”[17]。 圖 47 數(shù)碼管連接圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 21 頁 共 38 頁 4. 4 聲光警示電路的設(shè)計(jì) 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 3 J a n 2 0 07 S he e t o f F i l e : E : \畢業(yè)設(shè)計(jì) \ S C H \ l o v e L L .D D B D r a w n B y:D8L E DD4L E DQ 1 0P N PV C CGNDR 2 51KR 2 61KR 2 41KP 2. 4 （ a) 閃光報(bào)警電路 (b)蜂鳴器報(bào)警電路 圖 48 聲光警示電路原理圖 由于單片機(jī) I/O 口不能直接驅(qū)動(dòng)高亮 LED，所以要通過一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)，其電路如圖 48 所示， Q10 為驅(qū)動(dòng)三極管， R24 為限流電阻通過單片機(jī)的 口控制 Q10的通斷 ，當(dāng) 被置低電平時(shí)三極管導(dǎo)通，發(fā)光管 D D8 點(diǎn)亮；當(dāng)為高電平時(shí)是三極管截至，發(fā)光管熄滅 [18]。 4. 5 電源模塊設(shè)計(jì) 智能小車的供電設(shè)施是一塊鎳氫充電電池，它有低成本， 循環(huán)壽命長(zhǎng)，無污染，安全性能好，溫度使用范圍廣等特點(diǎn)。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電壓波動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響單片機(jī)的正常工作，為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，系統(tǒng)采用兩組電源供電如圖 49， 410 所示 ∶ 圖 49 9V 供電電路 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 22 頁 共 38 頁 圖 410 5V 供電電路 第 二 組電源通過三端穩(wěn)壓器 7805 穩(wěn)壓后給單片機(jī)和其它電路供電，另外一組電源經(jīng) 7809 穩(wěn)壓后給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L293D 供電，考慮到模塊間的相互干擾問題，兩個(gè)電源之間還添加了隔離措施，這樣有效的解決了后向通道會(huì)對(duì)單片機(jī)最小系統(tǒng)以及前向通道產(chǎn)生干擾的問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電路中的濾波電容 C16 可以改善輸出的電壓紋波。在結(jié)構(gòu)上，它們是由兩個(gè)電容極板 的 中間加絕緣介質(zhì)卷繞而成的。 C1 C19 正是為抑制這種振蕩或消除電網(wǎng)串入的高頻干擾而設(shè)置的，通常 C1 C19 取值為 ～ 。由于直流電機(jī)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，和噪聲，本電路還添加了由 C1 C1 L1 組成濾波網(wǎng)絡(luò)，目的是濾除電機(jī)啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的尖峰脈沖。之后調(diào)用超聲波發(fā)射子程序 ，發(fā)送 出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免信號(hào) 的 直接耦合干擾需要 將信號(hào)發(fā)出后 延時(shí) 在開外部中斷接收返回的超聲波信號(hào)（這也就是超聲波測(cè)距會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因）。 圖 52 超聲波測(cè)距原理示意圖 測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式送往 LED 顯示，與此同時(shí)送入累加器 A 與安全距離進(jìn)行比較，若判定前 方有障礙物則執(zhí)行避障操作，等待上述過程結(jié)束，然后再發(fā)射超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 25 頁 共 38 頁 5. 2 舵 機(jī)帶動(dòng)探頭旋轉(zhuǎn)測(cè)距 避 障流程圖 開始i = 0左輪加速 ， 右輪減速延時(shí)比較 a [ i ] , 取得最小值以及對(duì)應(yīng) i 值 ， 記為 j讀取定時(shí)器 T 0 值 ， 計(jì)算障礙物距離 ， 并記錄到 a [ i ]發(fā)射超聲波信號(hào)右輪減速 ， 左輪加速障礙物超過設(shè)定的距離 ， 兩輪全速行駛20 = j = 40（ 右半邊 ）i ++發(fā)送第 i 個(gè)脈沖信號(hào)i = 40a [ i ] m in = d is0 = j = 20( 左半邊 ）YNNYYN 圖 53 避 障流程圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 26 頁 共 38 頁 6 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試 安裝步驟 檢查元件的好壞 按電路圖 買好元件后首先檢查買回元件的好壞，按各元件的檢測(cè)方法分別進(jìn)行檢測(cè)，一定要仔細(xì)認(rèn)真。 放置、焊接各元件 按原理圖的位置放置各元件，在放置過程中要先放置、焊接較低的元件，后焊較高的和要求較高的元件。 電路的調(diào)試 首先燒入電機(jī)控制程序，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，停止均正常。然后加入避障子程序，小車運(yùn)轉(zhuǎn)正 常時(shí)，調(diào)節(jié)超聲波模塊靈敏度使達(dá)到理想效果。在調(diào)試程序時(shí)，發(fā)現(xiàn)有的指令用的不正確，比如說檢測(cè)距離的開關(guān)量，應(yīng)該用 “JNC”指令，而最初卻誤用了 “JC”指令 ,導(dǎo)致電路功能不能完全實(shí)現(xiàn)，另外軟件程序中的延時(shí)有的過長(zhǎng)、有的過短。特別是電機(jī) PWM 控制部分的調(diào)試很麻煩，以下是部分單元電路的調(diào)試過程。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 27 頁 共 38 頁 圖 61 超聲波模塊正常工作時(shí)的波形 圖中 1 為示波器觀察 CX20216A7 腳的波形 ， 2 為單片機(jī) 口輸出波形 。首先將程序燒寫到單片機(jī)中，上電觀察數(shù)碼管顯示距離是否正確， 其 次判斷超聲波模塊是否正常工作。 電機(jī) PWM 控制的調(diào)試過程 由于采用的電機(jī)供電電壓是 5V，而電機(jī)額定工作電壓是 6V，所以可使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的PWM 值范圍可從 5% 65%左右； PWM 的頻率變化會(huì)帶來電流 強(qiáng)度 的變化， 二者之間成反比關(guān)系， 頻率越高電流越小， 同時(shí)力矩也將變小 ，這與事先的預(yù)測(cè) 基本 相同：由于電機(jī)的感性阻抗作用，隨著 PWM 頻率的升高， 其 感抗 的不斷 增大，導(dǎo)致電流 逐漸 減小[20]。 PWM 的原理，其實(shí)就是面積等效原理，在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相 等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 28 頁 共 38 頁 結(jié) 論 本智能小車電路在硬件上采用了超聲波傳感器來測(cè)量小車距前方障礙物的距離，顯示結(jié)果快速，準(zhǔn)確。 本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，系統(tǒng)反映快速靈活，硬件電路由可拆卸模塊拼接而成 ，有 很大的擴(kuò)展空間。經(jīng)測(cè)定，小車在無障礙物情況下勻速行駛速度約為 ，距障礙物安全距離為 20cm，前方有障礙物時(shí)左轉(zhuǎn)避障，左右有障礙物時(shí)向相反方向避障，若小車前方、左側(cè)、右側(cè)均有障礙物時(shí)，小車倒車 20cm，停車后繼續(xù)探測(cè)周圍 180 度環(huán)境。如超聲波模塊受溫度的影響比較大，由于時(shí)間關(guān)系沒有添加溫度補(bǔ)償措施，所以在使用中需要注意環(huán)境影響。 小車經(jīng)過測(cè)試，運(yùn)行結(jié)果良好。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 29 頁 共 38 頁 致 謝 經(jīng)過 一學(xué)期 的 學(xué)習(xí)和忙碌 ，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近 制作的 尾聲，作為一個(gè) 缺乏實(shí)踐本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于 缺少設(shè)計(jì)、動(dòng)手制作的 經(jīng)驗(yàn)，難免有許多 疏漏，會(huì)有很多 考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師 長(zhǎng)期 的督促指 導(dǎo) 幫助 ，以及 身邊 一起 努力工作 的同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè) 畢業(yè) 設(shè)計(jì)是 很難 想象的。 劉教授 平日里 課業(yè)量很大， 工作繁 重 ，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的 整段時(shí)間內(nèi) ，從查閱資料到 學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)知識(shí)，到 設(shè)計(jì)草案的修改 和 確定，期 中 檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì) 方案及思路 ，裝配草圖 ，調(diào)試程序，組裝小車 等整個(gè)過程中都給予了我悉心的指導(dǎo) 和幫助 。除了敬佩 劉教授 的專業(yè) 知識(shí) 水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué) 習(xí)和工作。在此我不光要謝謝我的畢業(yè)設(shè)計(jì)導(dǎo)師，還要謝謝在設(shè)計(jì)期間給予我?guī)椭膶?shí)驗(yàn)室的老師和同學(xué)們，感謝他們?yōu)槲覀兲峁?shí)驗(yàn)器材和調(diào)試場(chǎng)地。 最后，對(duì)在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間給予我?guī)椭乃?老 師和同學(xué)表示最誠摯地感謝和最衷心祝福 ！ 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 30 頁 共 38 頁 參考文獻(xiàn) 1 輝雄 .智能電動(dòng)小車的設(shè)計(jì) .電子報(bào) ,20210515，第（ 11)期 :32～ 34 2 李建法 .超聲波測(cè)距的電路設(shè)計(jì)與單片機(jī)編程 .安陽師范學(xué)院學(xué)報(bào) ,2021:47～ 48 3 徐瑋 .51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)步電機(jī)控制 .電子制作 ,2021 第 (11)期 :15 4 戴仙金等 .51 單片機(jī)及其 C 語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì) .北京 :清華大學(xué)出版社， 2021 5 柳郭等 .單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用技能與技巧 .北京 :中國電力出版社 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