超声波智能小车.doc

*学院单片机系统设计项目设计报告项目设计题目：*系 部 名 称：*专 业：* 班 级：* 组 数：* 小 组 成 员 ：* 指 导 教 师 ：* *年*月*日目录一、课题背景1二、课题任务的主要内容2三、方案论证与比较21、系统控制模块的选择 22、电源模块选择 23、单片机模块的选择 24、显示模块设计 3四、硬件电路31、单片机最小系统的设计 42、电机驱动电路的设计 63、数码显示管电路设计 74、超声波传感器模块 85、报警模块电路设计13五、软件系统设计 141、系统程序设计流程图142、程序的编写15六、小车的制作与调试 20七、总结 20附录 一、课题背景高速度，高效率是现代工业的标志，超声波检测技术是我国重点发展和推广的新技术，其具有高精度，无损，非接触等优点。目前，已经广泛地应用在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占据重要地位。国外在提高超声波测距方面做了大量研究，国内一些学者也做了相关研究。对超声波测距精度主要取决于所测的超声波传播时间和超声波在介质中的传播速度，二者中以传播时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传播时间的不确定度来提高测距精度。目前，相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单片机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。利用超声波制作汽车防撞雷达可以帮助驾驶员及时了解车周围阻碍情况, 防止汽车在转弯、倒车等情况下撞伤、划伤。硬件电路部分，单片机对外围电路的适时控制, 并提供给外围电路各种所需的信号, 包括频率振荡信号、数据处理信号和译码显示信号等, 大大简化了外围电路的设计难度。同时更重要的是该设计方案大大节省了设计成本, 并且由于是采用软件编程技术, 所以其移植性能好, 在设计电路时可以将其它更多的功能设计进去。本设计采用STC89C52单片机作为主控器，以超声波测距为原理，该系统采用软、硬件结合的方法，具有模块化和多用化等特点，STC89C52单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。超声波距离测量系统用的频率为40KHz的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；收、发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录、控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记。二、课题任务的主要内容 此次设计采用超声波测距原理，当小车与障碍物的距离小于所设定的安全距离时，系统能发出声报警，并随着距离的不断缩近，报警频率不断提高。超声波测距仪器一般由发射器、接收器和信号处理器三部分组成。工作时，超声波发射器发出超声波脉冲，超声波接收器接收遇到障碍物反射回来的反射波，准确测量超声波从发射到遇到障碍物反射返回的时间，根据超声波的传播速度，可以计算出障碍物距离，当小车离障碍物到一定距离时，小车停止行走，这样可以起到保护小车的作用。三、方案论证与比较本次的设计任务主要是利用超声波传感器来实现小车倒退时测障并报警的一个功能。1、系统控制模块的选择方案一：用一片STC89C52单片机作为核心，控制整个小车，电机驱动等模块。方案二：用两片STC89C52单片机作为主控芯片，其中一片控制红外循迹，红外寻光模块检测，另一片检测红外测距模块。在符合开关灯时间、明暗程度和交通状况时，灯打开，并且第一片单片机能单独控制每盏灯。以上两种都能完成题目要求，虽然方案二能使两片单片机分别工作，避免了一片单片机工作程序太大而容量不足的缺点，且能达到节能的效果，但是我们这次的要求是循线，所以我们放弃了方案二。2、电源模块选择方案一：采用电池作为电源直接输入直流后，用多个稳压器稳压得到理想的不同幅值直流电源。这种方法获取电源方便，且电源输出电流能力大，且可以让小车自由的行使。方案二：采用变压器将220V电压变压后，经整流桥整流滤波，再经三端稳压器稳压后得到直流电源，但是这样小车不能够自由的行使，且要走远的时候要很长的电源线，这样十分的不方便。所以鉴于上面的分析，我们选择方案一。3、单片机模块的选择选择STC89C52单片机进行系统的控制。该单片机具有IAP功能，支持在线下载，且内部集成了EEPROM，STC89C52是我们比较熟悉的一种常用的单片机，指令系统和AT89C52兼容，价格便宜，较容易购买。4、显示模块设计显示器是最常用的输出设备，其种类繁多，但在单片机系统中最常用的是发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD）两种。由于这两种显示器结构简单，价格便宜，接口容易实现，因而得到广泛的应用。发光二极管LED，组成显示屏，每个点都是一个或多个发光二极管，通过控制电路控制二极管的亮与灭来控制点的发光，从而使整个大屏幕显示图案。液晶显示器LCD最常见的就是TFT类型，它是由光源，液晶光栅，和控制芯片组成，它的光源是常亮的白色强光，当光线通过液晶光栅（液晶屏）的时候，通过电压改变液晶颗粒滤光方向，从而改变每个点的颜色和强度来显示图案。液晶显示器分很多种类，按显示方式可分为段式，行点阵式和全点阵式。段式与数码管类似，行点阵式一般是英文字符，全点阵式可显示任何信息，如汉字、图形、图表等。两者之间的区别：（1）二极管本身发光，液晶本身不发光，只是透射光。（2）二级管体积大，图像质量一般，适合作室外大屏幕，价格较低。液晶成本太高，面积无法做的很大，但图像质量很好，适合做显示器。（3）二极管耗电大，液晶耗电小。（3）二极管图像刷新率低，液晶的高。二者的档次相差比较大，一般来讲在一些图像简单，对成本控制较严格的场合，用二极管，比如商场、银行等服务部门的电子提示窗，街道、百货公司外面的广告宣传窗；而液晶一般都是作计算机显示器、电视、手持设备等对图像质量要求高的场合。八段数码管每一段为一发光二极管，共有ag 以及小数点dp 八个发光二极管。将八段数码管中的每个二极管的阴极并联在一起，组成公共阴极端。这样把共阴极管脚接地，此时哪个管脚输入高电平，对应发光二极管就被点亮。因为我们做的智能小车需要的是数码管显示器，所以我们采用了四位八段的数码管显示器。四、硬件电路1、单片机最小系统的设计单片机的最小系统电路，主要包括：时钟电路、通信电路、复位电路。各部分的功能分别如下：STC89C52单片机是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器。芯片内集成了8K字节程序存储空间，512字节数据存储空间，内带2K字节EEPROM存储空间，可以通过串口下载，其外部晶振为12MHz，一个指令周期为1S，价格便宜。此单片机上手容易，操作方便，但其功效较高，实现复杂功能时的资源有限，下图是小车单片机的最小系统电路。图1（1）复位电路：单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。单片机接通电源时产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机起始工作状态。手动按键产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机的初始状态。通常在单片机工作出现混乱或“死机”时，使用手动复位可以实现单片机的“重启”。单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。图2复位电路（2）时钟电路：单片机工作的时间基准，决定单片机工作速度。时钟电路就是振荡电路，向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器(VCO)。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。AT89S52单片机时钟频率范围：0 33MHz。在此使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。图3时钟电路（3）RS232串口电路：RS232串口电路使用MAX232CPE作为电平转换芯片，并通过套件提供的串口电缆连接到计算机背后的COM口（九针D型口），用于和其他串口设备的数据交互。图4串口电路2、电机驱动电路的设计电机驱动电路的设计采用两个电机后轮采用的是直流电机带动。采用直流电机是因为直流电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力，能够满足系统要求。考虑到小车必须能够前进、倒退、停止，并能灵活转向，在左右两轮各装一个电机分别进行驱动。当左轮电机转速高于右轮电机转速时小车向右转，反之则向左转。为了能控制车轮的转速，可以采取PWM调速法，即由单片机的IOB8、IOB9输出一系列频率固定的方波，再通过功率放大来驱动电机，在单片机中编程改变输出方波的占空比就可以改变加到电机上的平均电压，从而可以改变电机的转速。左右轮两个电机转速的配合就可以实现小车的前进、倒退、转弯等功能。图5 电机驱动电路3、数码显示管电路设计 （1）数码管的显示原理：数码管的显示原理都一样，都是点亮内部的发光二极管来发光，一个数码管的引脚是10个，显示一个8字需要7字段，另外还有一个小数点，所以其内部一共有8个小的发光二极管，最后还有一个公共端，生产商为了封装统一，单位数码管都封装10个引脚，其中第3脚和第八脚是连在一起的。而他们的公共端有可以分为共阳端和共阴极。共阳极数码管其内部8个发光二极管的所有阳极全部连接在一起，电路连接时，公共端接高电平，因此要点亮的那个发光二极管就需要给阳极送低电平，此时显示数字的编码与共阳极编码是相反关系，数码管内部发光二极管点亮时，也需要5mA以上的电流，而且电流不可过大，否则会烧毁二极管。由于单片机的I/O口送不出如此大的电流，所以数码管与单片机连接时需要加驱动带电路，可以用上拉电阻的方法或使用专门的数码管驱动芯片。 对共阴极数码来说，其8个发光二极管的阴极在数码管内部全部连接在一起，所以称“共阴极”，二他们的阳极是独立的，通常在设计电路是一般吧阴极接地。当我们给数码管的人一个阳极加一个高电平时，对应的这个发光二极管就点亮了。如果想要显示出一个8字，并且把右下角的小数点也点亮的话，可以给8个阳极全部送高电平，如果想让它显示出一个0字，那么我们可以出了给第“g,dg”这两位送低电平外，其余引脚全部都送高电平，这样它就显示出0字勒，想让它显示几，就给相对应的发光二极管送高电平，因此我们在显示数字的时候首先做的就是给09十个数字编码，在要它亮什么数字的时候直接把这个编码送到它的阳极就行了。本次课题设计中我们所使用的是4位数码管，四位一体的数码管，当多为一体时，他们内部的公共端是独立的，而负责显示什么数字的段线全部是连接在一起的，独立的公共端可以控制多位一体中的哪一位数码管点亮，而连接在一起的段线可以控制这个能点亮数码管亮什么数字，通常我们把公共端叫做“位选线”，连接在一起的段线叫做“段选线”，有了这两个线后，通过单片机及外部驱动电路就可以控制任意的数码管显示任意的数字了。 （2） 数码管显示实验原理图：四个数码显示管分别接限流电阻，起到对数码管的保护作用，防止数码管被烧坏，然后接单片机的I/O口，将测距模块接单片机上让其显示时间和走过的路程。图6数码管显示4、超声波传感器模块超声波传感器介绍：超声波由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，而经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如液位、井深、管道长度等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在测控系统的研制上得到了广泛应用。超声波传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声波传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有：1 压电传感器；2 磁致伸缩传感器；3 静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声波传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声波检测和诊断中习惯上都把超声波传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。压电传感器属于超声波传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声波检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。其具有下列的特性：把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声波传感器。传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为 f0交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率 f0。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。 超声波发生器：为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 压电式超声波发生器原理：压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图2.1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，9 当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 图7 压电式超声波传感器结构图超声波工作原理：谐振频率高于20kHz的声波被称为超声波。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。利用超声波的这种性能就可制成超声传感器，或称为超声换能器，它是一种既可以把电能转化为机械能、又可以把机械能转化为电能的器件或装置。换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能(机械能)转换为电能。最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物面的距离s，即：s=340t/2。 由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确10 6定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的基本原理。如图所示： 图8 超声波的测距原理超声波的特性有：（1）束射特性：由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的所有定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象，也就是要改变它的传播方向，两种物质的密度差别愈大，则折射率也愈大。（2）吸收特性：声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度会逐渐减弱，这是因为介质要吸收掉它的部分能量。对于同一介质，声波的频率越高，介质吸收就越强。对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为历害，在液体中传播时吸收就比较弱，在固体中传播时吸收是最小的。（3）超声波的能量传递特性：超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用，主要原因还在于比声波具有强大得多的功率。为什么有这么强大的功率呢?因为当声波进入某一介质中时，由于声波的作用使物质中的分子也随之振动，振动的频率和声波频率样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。物资分子由于振动所获得的能量除了与分子本身的质量有关外，主要是由分子的振动速度的平方决定的,所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量。超声波的频率比普通声波要高出很多，所以它可以使物质分子获得很大的能量；换句话来说，超声波本身就可以供给物质分子足够大的功率。 （4）超声波的声压特性：当声波进入某物体时,由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。超声波原理图：超声波发射电路原理图如图所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T40构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。超声波接收电路由超声波传感器、两级放大电路和锁相环电路组成。超声波传感器接收到的反射波信号非常微弱，两级放大电路用于对传感器接收到的信号进行放大。锁相环电路接收到频率符合要求的信号后向单片机发出中断请求。锁相环LM567内部压控振荡器的中心频率为，锁定带宽与C3有关。由于发送的超声波频率为40kHz，帮调整相关元件使锁相环的中心频率为40kHz，只响应该频率的信号，避免了其他频率信号的干扰。当超声波传感器接收到超声波信号后，送入两级放大器放大，放大后的信号进入锁相环检波，如果频率为40kHz，则从8脚发出低电平中断请求信号送单片机P3.3端，单片机检测到低电平后停止定时器的工作。超声波发射电路超声波接收电路图9超声波原理图5、报警模块电路设计本系统在输出电路上加上蜂鸣器作为声音报警，当距离小于1米时，蜂鸣器发出间隔频率为IHZ的BiBi声。其电路设计如图所示。图10报警模块电路图在图中，蜂鸣器主要由多谐振荡器、蜂鸣器、阻抗匹配器及共鸣箱、发光二极管组成。当接通电源后(1515V直流工作电匝)，多谐振荡器起振。多谐振荡器：利用深度正反馈，通过阻容耦合使两个电子器件交替导通与截止，从而自激产生方波输出的振荡器。常用作方波发生器。多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器，也称矩形波发生器。“多谐”指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。输出1525kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发卢。蜂呜器电路由单片机的RD端控制。本系统报警灯由单片机脉冲信号触发，当测距距离小于06米时报警灯亮。五、软件系统设计1、 系统程序设计流程图开始系统初始化小车前进发送信号显示距离收到回波信号计算距离停止前进判断距离是否30显示距离2、程序的编写#include #include #define uchar unsigned charsbit M11=P10;sbit M12=P11;sbit M21=P12;sbit M22=P13;sbit TX0=P14;sbit RX0=P15;sbit TX1=P16;sbit RX1=P17;sbit K1=P32;unsigned int time=0;unsigned int timer=0;unsigned char posit=0;unsigned long S=0;bit flag =0;bit ee1=0;int a,b,c,d;uchar code table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;/显示数组unsigned char disbuff4 = 0,0,0,0,;void GO()/前进函数 M11=1;M12=0;M21=1;M22=0;void BACK()/后退函数 M11=0;M12=1;M21=0;M22=1; void STOP()/停止函数 M11=0;M12=0;M21=0;M22=0; void delay(uchar i)/延时函数 uchar j,k; for(j=i;j0;j-) for(k=125;k0;k-);void Display()/显示函数 P2_0 = 0;P2_1 = 1;P2_2 = 1;P2_3 = 1;P0=table