【正文】 ） 探測(cè)距離 2cm ~~450cm 超聲波測(cè)距 模塊與單片機(jī)的接口原理如圖 所示。用單片機(jī)控制晶體管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速 。而且它有更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。 L298N 有過(guò)電流保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)電機(jī)卡死時(shí)，可以保護(hù)電路和電機(jī)等。 L298 各引腳功能，如表 所示。 2) 驅(qū)動(dòng)部分輸入電壓 Vs： ～ 46V。 4) 驅(qū)動(dòng)部分工作電流 Io：≤ 2A。 6) 控制信號(hào)輸入電平：高電平： ≤ Vin≤ Vss，低電平： ≤ Vin≤ 。 8) 驅(qū)動(dòng)形式 ：雙路大功率 H 橋驅(qū)動(dòng) 。 舵機(jī) 一般來(lái)講，舵機(jī)主要由以下幾個(gè)部分組成，舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)5k、直流電機(jī)、控制電路板等。 舵機(jī)的控制信號(hào)是周期為 20ms 的脈寬調(diào)制（ PWM）信號(hào)，其脈沖的寬度從，相對(duì)對(duì)應(yīng)舵盤的位置是 0－ 180度，呈連續(xù)線性變化。舵機(jī)有一個(gè)內(nèi)置的基準(zhǔn)電路，其不斷產(chǎn)生周期的 20ms，寬度 的基準(zhǔn)信號(hào)；另有一個(gè)比較器，將外加信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，判斷出轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)角度大小，進(jìn)而產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)。如圖 所示。舵機(jī)的速度決定于其接受道德信號(hào)脈寬的變化速度。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生變化，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。 顯示模塊 顯示模塊的方案有很多，列舉以下四個(gè)： 方案一：選用 LCD1602 顯示屏 LCD1602 液晶顯示 ,由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)。如圖 所示。所以排除此方案。 方案四：采用 LED 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示 LED 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示價(jià)格低廉，不僅減少了對(duì) I/O 口的浪費(fèi)，而且能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)數(shù)碼管。當(dāng)顯示內(nèi)容不太多，可以排除。 電源模塊 我們選擇采用 5v的獨(dú)立的穩(wěn)壓電源。 綜合電源模塊的缺優(yōu)點(diǎn)，和電路的實(shí)際需求，我們采用了兩塊獨(dú)立穩(wěn)壓電源，一塊給小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電，一塊給小車的芯片供電，這樣彌補(bǔ)了單個(gè)獨(dú)立電源供電出現(xiàn)電力不足的情況。 40kHz 左右的方波脈沖信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法 :采用硬件如由 555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。發(fā)射部分的電路，如圖 所示。如圖 所示。接收部分的電路，如圖 所示。 CX20206 是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)越、外圍接口簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，由于紅外遙控常用的載波頻率 38 kHz 與測(cè)距的超聲波頻率 40 kHz比較接近，而且 CX20206 內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率 f0 可由其 5 腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為 30～ 60 kHz。 CX20206內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。當(dāng)接收到與 CX20206濾波器中心頻率相符的回波信號(hào)時(shí)，其輸出端 7腳就輸出低電平，而輸出端 7腳直接接到 XTC89C52 的 INT0 引腳上，以觸發(fā)中斷。如圖 所示。 相關(guān)軟件、電路模塊和器件清單，見(jiàn)表 所示。Win7 1 ZK4WD小車 4 超聲波避障系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制兩個(gè)基本類型。過(guò)程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然后再輸出，以便控制生產(chǎn)。所謂“模塊”實(shí)質(zhì)上就是 所完成一定功能，相對(duì)獨(dú)立的程序段，這種程序設(shè)計(jì)方法叫模塊程序設(shè)計(jì)法。 b） 模塊可以共存，一個(gè)模塊可以被多個(gè)任務(wù)在不同條件下調(diào)用。 本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序﹑定時(shí)子程序、避障子程序﹑中斷子程序顯示子程序﹑調(diào)速子程序﹑算法子程序構(gòu)成。脈沖寬度調(diào)制（ Pulse Width Modulation），簡(jiǎn)稱 PWM。與 VM系統(tǒng)相比， PWM 調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)： a)由于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動(dòng)很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá) 1：10000 左右。 b）同樣由于開(kāi)關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機(jī)相配 合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。 超聲波測(cè)距模塊軟件設(shè)計(jì) 此方案中超聲波測(cè)距的觸發(fā)方式為電平觸發(fā)方式，其中舵機(jī)與單片機(jī)的接口為，超聲波測(cè)距模塊與單片機(jī)的接口為 和 。 (a) (b) (c) 圖 測(cè)距程序流程圖 進(jìn)入主程序后，軟件延時(shí)，然后將微處理器的 ，觸發(fā)傳感器發(fā)送超聲波信號(hào)。初始化結(jié)束后，保持 口為高電平，將 ，再延時(shí)，程序等待回波信號(hào)觸發(fā)中斷。 接收 到超聲波回波后，程序進(jìn)入中斷。進(jìn)入中斷后，首先將計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)存入緩存區(qū)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行軟件濾波，如信號(hào)為噪聲信號(hào)，則直接退出，如信號(hào)為有效信號(hào)，計(jì)算障礙物的距離。機(jī)器人（小車 ）在行駛過(guò)程中如果遇到障礙物，它的超聲波測(cè)距系統(tǒng)馬上計(jì)算出機(jī)器人與障礙物的距離 d，若 ddc(避障的臨界距離，其中 dc為程序預(yù)設(shè)值 )，電機(jī)左右轉(zhuǎn)向控制驅(qū)動(dòng)，從而繞過(guò)障礙物實(shí)現(xiàn)避障的效果。 圖 避障程序流程圖 程序設(shè)計(jì)如下： while(1) /*無(wú)限循環(huán) */ { if(timer=1000) //100MS 檢測(cè)啟動(dòng)檢測(cè)一次 { timer=0； StartModule()； //啟動(dòng)檢測(cè) Conut()； //計(jì)算距離 if(S30) //距離小于 30CM { stoprun()； //小車停止 COMM()； //方向函數(shù) } else if(S40) //距離大于， 40CM 往前走 run()； } } } 軟件與硬件的整合軟件與硬件的整合 在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到各個(gè)模塊之間的控制復(fù)雜 性，我們將電機(jī)控制，超聲波測(cè)距分開(kāi)調(diào)試，當(dāng)兩個(gè)模塊都可以正常工作之后，再將它們結(jié)合起來(lái)調(diào)試，采取了“分而治之”的思想。 電機(jī)調(diào)試：在點(diǎn)擊調(diào)試的過(guò)程中，我們首先將 PWM輸出在示波器上反映出來(lái)，確保 PWM波的輸出正常，并且能夠根據(jù)用戶設(shè)定的比較值產(chǎn)生不同形式的輸出，在比較匹配發(fā)生之后，調(diào)節(jié)其占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī) 的速度控制，在控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，采用直接控制 L298N芯片的方式，實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，后退等功能。 圖 實(shí)物連接 1 圖 實(shí)物連接 2 b） 程序下載 在程序下載時(shí)要安裝 USB 串口驅(qū)動(dòng)（ Win7 的或 XP的）串口驅(qū)動(dòng)安裝完成后將小車與電腦通過(guò) USB 下載線進(jìn)行連接，然后打開(kāi)我的電腦中的設(shè)備管理器查看端口是否連接成功如圖 所示則為成功且串口號(hào)為 COM4。 圖 打開(kāi)電源圖 2）打開(kāi)桌面的下載軟件 選擇單片機(jī)型號(hào)，找到目標(biāo)文件，然后選擇正確的串口號(hào)。 圖 軟件下載圖 3)下載程序 在下載程序時(shí)要等到下載軟件的提示欄中出現(xiàn)給 MCU上電時(shí)再給單片機(jī)按上電源上電，如果下載成功則如圖 所示。 圖 程序運(yùn)行圖 問(wèn)題分析 問(wèn)題：小車運(yùn)行時(shí)如果如果障礙物的距離比較近小車后退后 會(huì)撞到或卡住。 解決方法：把障礙物的距離調(diào)大點(diǎn)或?qū)π≤嚰俺绦蜻M(jìn)行改進(jìn)。 表 距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值（單位 : cm） 障礙物實(shí)際距離（ cm） 測(cè)量距離（ cm） 45 60 75 100 125 150 175 200 從表中的數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)量值總是比實(shí)際值大出大約 7cm，經(jīng)過(guò)分析原因主要有三個(gè)方面：第一方面，超聲波傳感器測(cè)得的數(shù) 據(jù)受環(huán)境溫度的影響；第二方面，指令運(yùn)行需占用一定的時(shí)間而使得測(cè)量的數(shù)據(jù)偏大；第三方面，為了防止其他信號(hào)的干擾，單片機(jī)開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送 16 個(gè)脈沖串。為了減小測(cè)量值與實(shí)際值的偏差，我們采用最小二乘法對(duì)表 1 的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。 表 修正后聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值 （單位： cm） 障礙物實(shí)際距離（ cm） 測(cè)量距離（ cm） 45 60 75 100 125 150 175 200 從修正后的數(shù)據(jù)我們可以看出 ,系統(tǒng)的測(cè)量誤差在177。 結(jié) 論 本智能小車電路在硬件上采用了超聲波來(lái)測(cè)量小車距前方障礙物的距離，顯示結(jié)果快速，準(zhǔn)確。本文的總結(jié)有如下點(diǎn)： 1）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。 2）在設(shè)計(jì)當(dāng)中也存在著一些不足。另外小車避障方式單一，若將超聲波模塊安裝在舵機(jī)上使其可以左右上下 180 度轉(zhuǎn)動(dòng)，那么便可以通過(guò)比較小車兩側(cè)空間的大小來(lái)自由選擇避障方向，從而實(shí)現(xiàn)更加智能化的避障方式。硬件上沒(méi)有錯(cuò)誤，主要瓶頸在于探測(cè)模塊的靈敏度，因?yàn)檐浖?完全靠探測(cè)模塊返回的信號(hào)作為依據(jù)進(jìn)行下一步控制的操作，無(wú)法確認(rèn)該信號(hào)是否準(zhǔn)確，使小車轉(zhuǎn)彎欠準(zhǔn)確與智能。從電路的設(shè)計(jì)到調(diào)試整個(gè)過(guò)程中，我都從倪瑛老師那里學(xué)會(huì)了很多專業(yè)方面的知識(shí)。雖然在這次設(shè)計(jì)中對(duì)于知識(shí)的運(yùn)用和銜接還不夠熟練。這三 個(gè)月的設(shè)計(jì)是對(duì)過(guò)去所學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)提高和擴(kuò)充的過(guò)程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。 由于自身水平有限，設(shè)計(jì)中難免存在很多不足之處，敬請(qǐng)各位老師批評(píng)指