超聲波跟隨小車

2018年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽超聲波跟隨小車2018年5月19日摘要設(shè)計是以stc單片機(jī)為主控制器，然后再結(jié)合超聲波測距的原理，實現(xiàn)智能小車的實時跟隨控制。超聲波的發(fā)射模塊由單片機(jī)來控制時序,然后往前方發(fā)散從而尋找需要定位的節(jié)點并且會通過超聲波信號與射頻信號間的時間差計算發(fā)射點與需要定位節(jié)點間的距離。根據(jù)小車與障礙物距離的長短確定小車的運(yùn)行。關(guān)鍵詞：超聲波；測距目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、系統(tǒng)方案 1\o"CurrentDocument"1、超聲波模塊的論證與選擇 12、電機(jī)的論證與選擇 1\o"CurrentDocument"3、電機(jī)驅(qū)動模塊的論證與選擇 1\o"CurrentDocument"4、控制系統(tǒng)的論證與選擇 25、電源 3\o"CurrentDocument"二、系統(tǒng)理論分析與計算 3\o"CurrentDocument"1、測距的分析與計算 3\o"CurrentDocument"2、跟隨的分析與計算 4\o"CurrentDocument"三、電路與程序設(shè)計 4\o"CurrentDocument"1、電路的設(shè)計 4（1）系統(tǒng)總體框圖 4\o"CurrentDocument"2、程序的設(shè)計 4\o"CurrentDocument"（1）程序功能描述與設(shè)計思路 4\o"CurrentDocument"（2）程序流程圖 5\o"CurrentDocument"四、測試方案與測試結(jié)果 51、測試方案 52、測試條件與儀器 錯誤！未定義書簽。\o"CurrentDocument"3、測試結(jié)果及分析 5（1）測試結(jié)果（數(shù)據(jù)） 5\o"CurrentDocument"（2）測試分析與結(jié)論 6\o"CurrentDocument"五、結(jié)論與心得 6\o"CurrentDocument"六、參考文獻(xiàn) 6附錄1：電路原理圖 7附錄2：源程序 8超聲波跟隨小車【專科組】一、系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由超聲波模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、系統(tǒng)控制模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。1、超聲波模塊的論證與選擇方案一：HC-SR04HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)高到3mm;模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。方案二：US-100US-100超聲波測距模塊可實現(xiàn)0~4.5m的非接觸測距功能，擁有2.4~5.5V的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2mA，自帶溫度傳感器對測距結(jié)果進(jìn)行校正，同時具有GPIO，串口等多種通信方式。HC-SR04和US-100的測距和精確度都差不多，US-100的價格比HC-SR04更高，選擇方案一更經(jīng)濟(jì)實惠。2、電機(jī)的論證與選擇方案一：采用直流電機(jī)，優(yōu)點在于硬件電路設(shè)計簡單。當(dāng)外加額定直流電壓時，轉(zhuǎn)速幾乎相等，調(diào)速性能較好，且性價比高。對于小車的行駛，能夠很好的控制。方案二：采用進(jìn)步電機(jī)，進(jìn)步電機(jī)可以實現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)角輸出，只要施加合適的脈沖序列，電機(jī)可以按照人們預(yù)定的速度或方向進(jìn)行連續(xù)的轉(zhuǎn)動，便于控速，但是軟件程序的編寫較直流電機(jī)稍顯復(fù)雜兩相比較直流電機(jī)更符合本小車的要求，故選擇方案一。3、電機(jī)驅(qū)動模塊的論證與選擇方案一：雙L298驅(qū)動模塊L298采用SMT工藝穩(wěn)定性高,采用高質(zhì)量鋁電解電容,使電路穩(wěn)定工作。可以直接驅(qū)動兩路3-16V直流電機(jī)，并提供了5V輸出接口（輸入最低只要6V）,可以給5V單片機(jī)電路系統(tǒng)供電（低紋波系數(shù)），支持3.3VMCUARM控制，可以方便的控制直流電機(jī)速度和方向，也可以控制2相步進(jìn)電機(jī),5線4相步進(jìn)電機(jī)。

雙L298驅(qū)動原理圖方案二：智能車電機(jī)驅(qū)動模塊BTS7960是應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動的大電流半橋高集成芯片，它帶有一個P溝道的高邊MOSFET、一個N溝道的低邊MOSFET和一個驅(qū)動IC。P溝道高邊開關(guān)省去了電荷泵的需求，因而減小了EMI。集成的驅(qū)動IC具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時間產(chǎn)生和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護(hù)的功能。B ONDBTS7960驅(qū)動原理圖L298驅(qū)動能力有限，芯片內(nèi)阻很大，負(fù)載稍大發(fā)熱嚴(yán)重，利用率非常低，但用于驅(qū)動智能小車的電機(jī)足夠了，價格合適，經(jīng)濟(jì)實惠。BTS7960驅(qū)動能力大（相對1298而言），但此芯片英飛凌已經(jīng)停產(chǎn)，市面是大多是翻新貨，品質(zhì)良莠不齊，且價格高，綜上所述，選擇方案一4、控制系統(tǒng)的論證與選擇采用單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車，以實現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實現(xiàn)小車的自動控制，而在這一點上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢——控制簡單、方便、快捷。這樣一來，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、價格低廉等優(yōu)點。因此，這種方案是一種較為理想的方案。

單片機(jī)的選擇方案一：Stm32方案二：51STM32優(yōu)點：處理速度快，片內(nèi)程序存儲空間大，性價比高，功耗低，資源豐富缺點：程序編寫要求較高。51優(yōu)點：操作方便，配置簡單，應(yīng)用普遍。缺點：I/O口較少，設(shè)計外部電路較為復(fù)雜?；谖覀儸F(xiàn)階段的學(xué)習(xí)我們最終選擇了51單片機(jī)中的STC系列單片機(jī)STC單片機(jī)優(yōu)點：1、抗干擾能力強(qiáng)；2、保密性能強(qiáng)悍,很難被破解；3、單片機(jī)時鐘有防外部電磁輻射功能；STC單片機(jī)缺點：1、 功耗較咼，5V供電；2、 8位，運(yùn)行速度慢；3、無硬件乘法器，乘除法運(yùn)算都為4周期指令4、單片機(jī)內(nèi)集成資源少。Stc最小系統(tǒng)原理圖PS311VPA2ii?TriAiMisojpurscKj芋■片機(jī)小系統(tǒng)部分包括：晶振，復(fù)位，PQ口接上接電阻P1口接LED顯示用STC12C5A60S2可作為AD輸入口PS311VPA2ii?TriAiMisojpurscKj芋■片機(jī)小系統(tǒng)部分包括：晶振，復(fù)位，PQ口接上接電阻P1口接LED顯示用STC12C5A60S2可作為AD輸入口可以與紅外光電開關(guān)書據(jù)葬飜曹器供電EiA.VFP(ADo)roo(ADi^no.i.<AD3)F0.24AD31F0.3(AD4jro.-l(AlMjPO.5KADTjro?py.i(ro>pysm\P3ACT)吋耐AIJ：.rRCXiPSE<(A￡)F14>(iWll<AIO)P3.24Ali)P2J<Ai2)re.-iiA\l}P1.5(AJ4)陀Ji<A15)F3.7—iW"75TP0.7KT-尹屮空…二yI?，單片肌」彳?歩址忍沖胃SCHtrfIkawiil?:Pil)嚴(yán)』P52P335M4P語P368P3.7PL0卜LIP1.：!P]3PH.1MIKIMIM)SCKm12PI.2 12一Pll 11PAD HiJXI)>P3IiRXIMP^O5、電源選用Li-ion186507.4v。二、系統(tǒng)理論分析與計算1、測距的分析與計算通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時的時間差就可以知道距離了。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。(超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t,就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s),即：s=340t/2)2、跟隨的分析與計算超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。(超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t,就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2)當(dāng)小車與障礙物距離小于20cm時，小車后退；大于20cm小于40cm時，小車停止；大于40cm時，小車前進(jìn)。從而達(dá)到小車跟隨障礙物的目的。三、電路與程序設(shè)計1、電路的設(shè)計1)系統(tǒng)總體框圖2、程序的設(shè)計(1)程序功能描述與設(shè)計思路1、程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要實現(xiàn)超聲波測距與超聲波跟隨。超聲波測距：超聲波模塊發(fā)射接收信號的時間與超聲波在空氣中的傳播速度算出距離s=340t/2。超聲波跟隨：通過小車與障礙物的距離控制小車的運(yùn)行。2、程序設(shè)計思路超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。(超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t,就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2)當(dāng)小車與障礙物距離小于20cm時，小車后退；大于20cm小于40cm時，小車停止；大于40cm時，小車前進(jìn)。

2）程序流程圖1、主程序流程圖四、測試方案與測試結(jié)果1、測試方案將小車放在空地上，小車的前方放置一個障礙物，開啟小車，將障礙物放在離小車20cm的地方，移動障礙物，察看小車的運(yùn)行模式。2、測試結(jié)果及分析（1）測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）測距結(jié)果如下表所示： （單位/cm）距離579131517顯示4.97.129.0512.8715.017.1小車可以跟著障礙物運(yùn)行（2）測試分析與結(jié)論通過測試與檢測實現(xiàn)了超聲波測距，串口顯示，超聲波跟隨的功能。綜上所述小車達(dá)到預(yù)計要求五、結(jié)論與心得本次制作超聲波跟隨小車，實現(xiàn)了超聲波測距，串口顯示，超聲波跟隨的功能。滿足了制作要求。通過這次制作，我們小組都收獲頗多。剛開始的時候遇到許多困難，但經(jīng)過我們的努力，克服了重重困難，最終制作成功。這次制作超聲波跟隨小車不僅用到了以前學(xué)到的知識，還讓我們學(xué)到了很多之前沒有接觸過的內(nèi)容，讓我們受益匪淺，同時也鍛煉了我們的動手能