【《某超声波避障小车的整体系统方案设计案例》2500字】

某超声波避障小车的整体系统方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u14084某超声波避障小车的整体系统方案设计案例 143891.1设计思路 1223081.2相关器件及其选择 1147721.2.1系统电源 180111.2.2系统控制中心 215071.2.3数码管 436971.2.4电机 5308381.2.5超声波传感器 6177441.2.6舵机 61.1设计思路本次设计的目标是让小车可以躲避前进道路上的物体,而超声波传感器是整个系统执行的首要器件，发挥着至关重要的作用。控制中心与超声波传感器的工作配合就是关键所在。超声波小车的总体设计方案的出发点由此确立。小车的总体设计方案如下。本系统在L298N驱动下提供电源，电压显示方面采用七段数码管，检测器使用超声波模块。首先，给小车通电后，电机开始运转，但此时小车速度不可调节，其初始速度为由程序给出。此外，数码管将显示当前工作电压。小车行驶的过程中，由超声波模块收集距离计算需要的信息，计时器中断函数功能控制该超声波。在下文也将详细介绍该程序的这一部分。当超声波系统检测到距离小于给定值20cm时，使小车的速度会自动降低。距离大于给定值20厘米时，正常的直行改为转弯或者倒车，此过程通过单片机执行中断程序完成。1.2相关器件及其选择在单片机外装备上超声波避障模块，测速模块等。这能小车设计中能需要提供两种供电，其中单片机需要5V的额定电压工作，而单片机以外的电路工作则需要6V。系统中使用的模块都采用市面上可以采购到的。单片机各模块相互配合进行检测，检测到的信息将被发送到控制中心进行处理，信息处理后对电机驱动模块发出命令，驱动小车进行避障。1.2.1系统电源整个系统的运行都要依赖电源模块。在整个设计中，需要考虑各个器件的电压，电路适用范围，器件使用注意，电源转换率等。 在设计中，需要使用6V的电压向舵机供电，这就需要一个产生直流电压的电路。采用5V电池作为系统电源为系统提供电压，使用变压模块转变为不同幅值的电压，以满足不同模块的用电所需。使用这种方法的优点：电源易获得，使用安全，输出能力强REF_Ref11742\r\h[5]。但也有一定的缺点，比如放电过程容易被其他因素干扰，放电过程不易控。各部分相互关系如图1.1所示：7.2V7.2V镍镉电池电机7.2V驱动12V线性CCD5V单片机5V舵机5V图1.1系统模块供电关系1.2.2系统控制中心在此设计中，选择STC89C52RC单片机进行系统的控制。该单片机运行中可以做自身的更新操作，可以进行在线下载，并且内部集成了电可擦可编程只读存储器REF_Ref11886\r\h[6]。STC98C52RC属于在日常生产和生活比较常见的芯片，而且比较便宜，市场也很广阔，所以方便购买。STC89系列芯片的功能如图1.3所示，系统的设计需要具有高稳定性、高精确性、高实用性，所以单片机处理选择了性价比相对较高的STC89C52为主控芯片。图1.2STC89C52RC引脚图八位单片机凭借它独有的特点在集成控制领域仍具有一席之地。与传统的51单片机一样STC89C52RC单片机配备了MCS51内核。与之不同的是，其在以往的基础上进行了完善，价格低但是比以往耗能更少，更加灵活，运行速度更快。不仅性价比高而且为大多数嵌入式系统提供的应对方案更加合理高效，被大量应用到智能设备，尤其适合装备到对体积有较高要求的仪器中。如图1.2为引脚图，图1.3为实物图。图1.3STC89C52RC引脚图STC89C52RC部分引脚功能：（29）：选通信号。：访问外部信号，低电位工作；访问内部程序空间，高电位工作。P1端口（P1.0-P1.7）：I/O口第二功能如表1.1所示：表1.1P1口的第二功能引脚号复用功能P1.0外部脉冲输入引脚P1.1T2EX功能P2端口（P1.0-P1.7）：I/O端口、地址线（高八位）。当P0、P1、P2、P3口作双向I/O端口使用时，如果数据在此输入则要让输出处在高电平REF_Ref30314\r\h。芯片内部具有集成专用复位电路，也可以采用芯片外部的复位；P3端口（P3.0-P3.7）：I/O端口。P3口的第二功能如图1.2所示：表1.2P3口第二功能引脚号名称复用功能P3.0RXD串行通信输入扣P3.1TXD串行通信输出口P3.2外部中断0P3.3外部中断1P3.4T0定时器T0的外部输入P3.5T1定时器T1的外部输入P3.6外部数据存储器写入信号P3.7外部数据存储器读取信号1.2.3数码管生活中常用的数码管有两种，七段数码管有七个发光二极组成，而八段数码管多一个点形状的二极管。数码管的市场比较广阔,造价也比较低,购买方便。相一电流输入到数码管的不同管脚,就可以使它发光进而显示出数字显示出想要表示的时间、速度等测出的数据。二极管的正极连接到与七段数码管有共阳极，这可以使二者具有相同的作用。所以在使用中,不用过多考虑正极，控制负极的接地情况就可以控制数码管显示。数码管引脚如图1.4，实物如图1.5所示：图1.4数码管引脚图1.5数码管1.2.4电机在本设计中使用的驱动电机是永磁式的直流步进电机，所以要想控制电机转速快慢和方向，只能控制电压/电流的来实现，所以电机驱动模块必须要可以控制电压/电流。可以考虑以下方案：①使用继电器控制电路开关,通过开关的切换调整速度。这样可以优化电路。但反应时间比较长,而且多次开关对器件结构也容易造成伤害,这会导致它寿命减短。②利用功率管组成的H桥型电机驱动电路，在组成的电路中，输出电压有效值大小的控制通过PWM波来实现REF_Ref12186\r\h[8]。使用这种方式的优点是：速度调节的性能比较好，而且速度调节的范围比较大，可以承受多次负载冲击等。③采用L298N专用芯片驱动。这种芯片的工作原理和②基本一致,它的工作远比②稳定。此芯片的编程更加简单,而且可以同时驱动多个电机,所以硬件实现较②来说更加简单[9]。基于上述理论分析，拟定③，步进电机如图1.6所示：图1.6步进电机1.2.5超声波传感器超声波传感器是一距离的电子器件，它仿照蝙蝠飞行过程探知方向的原理：声波反射。系统根据超声波收发时间的长短来计算距离。超声波测距模块的种类有很多，比如：①URM37超声波传感器REF_Ref12301\r\h[10]；②URM05超声波传感器③国外的高精度传感器，一般都可以精确到一厘米以内。在这些分类中，第②种测距最远，可以达到十米之多。超声波探头是一个强大的电声转换器。超声波换能器的频率误差比较小。此外，这个器件的时间稳定性良好与众不同的制作材料，使得器件的振动特性良好。还有独特的优点：频带宽度大，信号的发射以及接收灵敏度较高等。超声波模块如图1.7所示：图1.7超声波传感器1.2.6舵机、核心马达、齿轮与位置检测器可以构成舵机。C52单片机将控制信号发送到舵机，舵机根据相应的信号指