【《超声波探测及红外探测的相关硬件结构设计分析案例》4600字】

超声波探测及红外探测的相关硬件结构设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u12728超声波探测及红外探测的相关硬件结构设计分析案例 1248351.1方案设计与器材选取 1106681.2单片机电路 2136951.3超声波传感器电路 3256801.4红外传感器电路 556201.5直流电机驱动 6266101.6总体结构设计。 71.1方案设计与器材选取在智能小车的设计中，其主要的目的是为了完成对距离的测量和障碍物的避让，使其在运行过程中能顺利前进。而为了提高测距的精准度和避障的稳定性，采用将超声波探测和红外探测相结合的手段，最终实现小车的智能避障和距离测量。为了完成以上任务，具体的功能应该包括距离测量：距离测量可以分为超声波测量和红外测量。一方面是利用红外测距弥补超声波传感器存在的近距离测量盲区；另一方面利用超声波传感器测量弥补红外信号衰减速度快导致测量距离短的问题，两者结合提升整体测量的精度，并通过显示器将信息展示出来供操作人员观测。驱动装置：直流驱动电机所需的电压对单片机的输出来说过大，因此单片机不能直接输出驱动装置，需要通过相应的驱动芯片设计放大电路。自动控制：自动控制功能是整个避障系统的核心，控制装置需要根据对应的距离信息来进行避障策略的选择，保证智能小车避障的稳定性。根据上述需求，为了得到对应的距离信息，超声波传感器和红外传感器是必不可少的一部分。而对于距离信息的显示，目前LCD液晶模块的显示效果好，且其操作简便，是非常便利的选择。在驱动装置的选择上，L298N驱动芯片工艺稳定性高、驱动转化的能力强，能方便控制直流电机的速度和方向，是设计智能小车的强大利器。而STC89C52单片机相对传统51单片机功能更为强大，能很好地完成对于数据的处理和整个系统的调节。根据相应的功能需要设计的电路有:单片机控制电路、超声波探测电路、红外探测电路、继电驱动电路和液晶显示电路。1.2单片机电路单片机又被叫做单片微型控制器，是一种集成电路芯片。制造工艺采用了超大规模集成电路技术，将具有数据处理能力的中央处理器CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等多种功能集成到一块硅片上，最终构成了一个虽小但却完善的微型计算机系统，在工业控制及相关领域有着广泛的应用[11]。自40多年前开始，由当初的4位、8位型号，拓展到目前16位、32位单片机等各种型号。单片机的位数表示的是CPU同一时间处置数据能力的强弱，位数越高，处理数据的能力越强。其中8位单片机由于性能强大，在工业控制、数据交换、仪器仪表等各个方面有着普遍的应用。即便是现在，在中、小规模的使用领域中，8位单片机仍然是采用的主要选择，其代表了单片机的未来趋势。同时，在单片机的开发领域中，8位单片机能起到的作用也越来越多。本课题采用的是STC89C52型号单片机，系统结构中控制部分的主控芯片采用STC89C52单片机，它是宏晶科技生产的一种CMOS8位微控制器，指令代码完全兼容传统8051单片机，具有高性能、低功耗、超强抗干扰、使用方便简单的特点，是新一代8051单片机[12]。使用的是传统的MCS-51内核，但由于其对芯片做了很多的加工处理，相对于那些一般的机型来说，它的性能更为强大。STC89C52型单片机具有512字节的随机存取存储器、8K的只读存储器，供电电压为1.4-5V，共有6个向量2级的中断结构。STC89C52单片机有内部和外部两种不同的制造时钟信号的办法，本课题使用的是内部时钟的办法。内部时钟信号产生的原理为：在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接晶振，就能在单片机内部组成能够制造时钟脉冲信号的振荡器。振荡频率的范围可以根据需要进行调控，一般频率范围在1.2-12MHz。本课题通过添加两个30pF的电容，调节振荡频率为11.0592MHz。STC89C52单片机引脚结构为图3-1。图3-1STC89C52单片外部引脚特性图其各引脚都有不同的作用。这些引脚当中，Vcc代表电源输入接口，GND代表地线接口；X1和X2分别为片内振荡电路的输入端和输出端；RST为复位引脚，当引脚上持续存在两个机器周期的高电平时，将引起复位；PSEN能够选择性的读取外部存储器的信号；ALE能控制相关地址信号的读取，在访问外部存储器时，能够锁存位数低8位的脉冲信号；EV是程序存储器的内外部选通，根据电平的高低，能够分别从内外部的程序存储器中读取指令。可传输信号的I/O口被分成四组：P0、P1、P2、P3。其中P0为双向I/O口，引脚为P32-P39,其余都是准I/O口。1.3超声波传感器电路本课题运用的超声波测距模块款式为HC-SR04，该型号的探测距离为可以达到4米，且测距精度可以小到3mm。模块由控制电路、超声波发射器和接收器所组成，能够进行非接触式距离感测。该模块工作时的稳定电压为5V，测量范围为15度，运作产生的信号为40KHz。该模块共有四个引脚，分别为：Vcc供电引脚、GND地线引脚、TRIG触发信号控制输入引脚和ECHO回响信号输出引脚。HC-SR04的工作时序如图3-2：图3-2工作时序图当控制器向TRIG输入一个10uS的TTL触发信号时，系统开始工作。系统内部将会不断制造8个40KHz的脉冲信号，这个信号会控制发射器释放出超声信号。与此同时，回响信号输出端口ECHO将变为高电平。等到超声波信号遇到前方物体返回，反射信号被超声波接收器感知以后，控制模块会对其做出回应，重新将ECHO端口转为低电平，中间经过的时间就是测得的传播时间。在实际工作过程中，单片机的信号并不会直接作用于超声波发射器，接收STC89C52单片机10uS信号的是HC-SR04中的另一个单片机STC11，然后STC11会制造40KHz的脉冲信号。此时脉冲信号强度不够大，需要经由MAX232将电压放大。超声波接收器实质是一种压电效应的转换器，在收到信号后会产生mV级别的电压，需要经过TL074进行增益放大，然后才能输出电平信号。HC-SR04的内部电路图如图3-3：图3-3HC-SR04原理图1.4红外传感器电路红外线测距模块的构成部件有红外发射器和接收器，其实物如图3-4所示。透明的红外发射二极管，黑色封装的是红外接收二极管。红外接收管是一个高灵敏度的光电二极管，其功能是将不可见的红外光信号转化为电信号[13]，通过对电信号进行对比测算出反射距离。在传播过程中，红外光的强度会伴随距离的增加而缩小，但这种关系并不是线性的，因此红外测距的数值需要设计电路根据电压的变化判断距离。图3-4红外接收管与发射管红外测距的功能原理如图3-5所示：当传感器探测到红外线信号时，受光线强度变化影响，光敏电阻的大小发生了变化，对应的电压V也会产生变化。由于这个电压过小，因此需要通过放大电路，增强之后的电压V1会与比较器进行对比，根据结构比较器会输出电压Vo。最后单片机根据接收到的输出电压Vo大小对与障碍物间的距离进行计算，然后通过比较进行是否进行避障的判断。图3-5红外测距功能框图与超声波传感器不同，超声波传感器只需计算从发射到接收信号的时间就能通过速度计算出距离，而光强由于不是线性变化，红外传感器则需要设计比较器电路通过比较电压的变化来判断距离。其结构电路如图3-6所示。通过R9和R10限制电流保护红外发射器V1和V5不被烧毁。当传感器工作时，红外发射器V1和V5发射红外信号，光线遇到障碍物返回，接收器V3和V7接收到返回的光线时，其中的光敏电阻会根据反射光线的强弱发生改变。距离越近，发射光越强，光敏电阻阻值越小，通过LM393比较器输出口OUTA和OUTB的电压信号越大，单片机根据接收到电压信号的变化从而判断与障碍物的间距以及对左右两边避障方向的判断。图3-6红外传感电路图1.5直流电机驱动直流电机是移动载具不能缺少的一部分，系统必须的驱动力就是由其提供的，用来实现载具的运动。本课题使用的是直流减速电机。一般情况下，直流驱动有三个问题需要解决：增大驱动、实现换向和实现减速。单片机的I/O口供给的电流一般不是很充足，难以支撑电机的运作，因此需要增加驱动电路。本课题使用的是直流减速电机，而电源又是直流电源，因此需要增加一个开关帮助电机进行转向。在载具的运动过程中需要对物体进行躲避，因此要求设计关联电路以控制速度。在本系统中采用的方法为使用L298N驱动芯片和单片机产生的PWM信号对载具进行对于速度的调节。L298N驱动模块的电路图如图3-5所示：图3-7L298N原理图该芯片最高工作电压能够达到46V，稳定电流为2A，能够很好的增大驱动为提供直流减速电机供能，同时芯片内部含有两个H桥电路，H桥电路能很便利的完成电机驱动的转向变换，普遍应用于各种驱动器中。H桥电路含有4个三级管和一个电机，按照三极管的导通状况不同，能够调节电机中电流的方向，从而调节电机的转动方向。而三级管本身也具有放大电流的作用，因此L298N能一次实现增大驱动和实现换向两个功能。1.6总体结构设计。在超声红外复合测距的硬件系统主要由STC89C52单片机、超声波传感器、红外传感器、显示模块和驱动电机组成。图3-8系统硬件功能框图系统以STC89C52单片机作为控制核心，通过单片机内部的软件程序融合由超声波传感器和红外传感器传送的距离信息。单片机将多个距离信息融合完毕之后，将其发送到显示模块，显示模块根据收到的信号显示距离。单片机会根据融合后的距离信息判断与障碍物之间的距离，当判断距离缩小到0.1m时，单片机通过结合左右两边的红外传感器接收到的信号判断避障方向，然后发送信息到驱动芯片，驱动芯片收到信息后通过H桥电路电位发生变化改变，改变对应的直流电机的转动方向，小车转向从而避开障碍物。图3-9结构电路图小车的总体结构电路如图3-9所示，由于之前对各电路的详细结构进行了说明，所以对部分电路进行了简化处理。在总体设计思路当中，单片机除了作为控制器控制其他硬件的开关和运行，通过设定电容的值和晶振的振荡频率构成需要的计时装置。通过设置电容C1和C2为30pF，然后调整晶振的振荡频率，使得在单片机内部的一个指令的运行时间为1us，通过设置循环指令和空指令进行计时。在单片机执行循环指令和空指令时指令计数器在寄存器中的数据发生变化，通过指针记录指令执行前后指令计数器在寄存器中的数据差值，得到对应的指令数。之后根据一条指令的执行时间为1us从而计算出两者之间的时间。复位电路是单片机最基础的电路，其主要组成部分为电容和电阻和复位开关。其中，电容的主要作用是防止外部噪声对复位造成的干扰。正常工作时，单片机的RET复位端口为低电平，当按下复位开关后，由于电路的接通，单片机复位端口变为高电平，当接收到持续两个单位时间的高电平时，芯片复位。在实际电路中，红外探测器和超声波探测器通过P口连接输入对应的距离信号，通过P1.4和P1.5接收超红外传感器和P2.5接收的超声波传感器发送的信号。这些信号都会以数字信号的形式寄存在单片机的内部寄存器当中。之后通过选取的对应距离测量方法设计计算软件，通过寄存在单片机的软件程序计算出小车到前方物体之间的距离。在收到传感器的发出的信号后单片机会对周期内的距离信息进行计算，通过软件代码实现基于Bayes理论的传感器数据融合处理技术。在融合处理完成之后，通过液晶显示电路输出距离信息。单片机将通过I/O口P0.0-P0.7将信号发送给LCD1602液晶模块，LCD1602显示模块根据单片机P1.0口的控制信号选择数据或程序，根据P1.1口屏幕上输出信号选择读取或执行对应的数据和程序。当探测距离信息小于避障设定值时，单片机将根据左右两边的红外传感器的信号来判断避障方向，之后通过I/O口P1.2-P1.5输出对应的信号到L298N驱动芯片，L298N驱动芯片根据收到的信号控制四个直流电机的转动变化从而实现小车的转向进而避开前方的物体。其实物及各连接端口如下图所示。图3-10