1活。從最簡單的倒車?yán)走_(dá)到現(xiàn)在的自動(dòng)駕駛，汽車智能化的概念已經(jīng)深深的被社會(huì)接收，而且汽車智能化的需求也越來越明顯。而智能小車作為智能汽車的一個(gè)縮影，無論是在國內(nèi)還是國際的各種比賽中，它的身影永遠(yuǎn)是最亮眼的一耳光，眾多的方案也層出不窮。件系統(tǒng)設(shè)計(jì)分別進(jìn)行闡述。在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要針對(duì)超聲波測距IC和主控MCU進(jìn)行講解。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要針對(duì)系的要求進(jìn)行了論證。最后，討論2Intelligentvehicleasappearedgraduallycameintoourlife.Fromrevedrivingnow,conceptcarintelligenthasdeepsocialTheintelligentcarasanepitomeointernationalcompetitfthehardwaresystem,mainlyinultrasonicrangingICa3智能避障小車設(shè)計(jì)目錄 1 2目錄 3 5 5 5第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì) 72.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 72.1.1方案選擇 7無線通信功能 7自動(dòng)壁障模塊 9電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 主控單元 2.2系統(tǒng)整體方案 2.3本章小結(jié) 第三章硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1主控制單元設(shè)計(jì) 3.2超聲波避障單元設(shè)計(jì) 3.2.1超聲波簡介 3.2.2GM3101介紹 3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 3.4無線通訊設(shè)計(jì) 3.4.1引腳說明 3.5狀態(tài)指示電路 43.6下載電路 第四章軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1系統(tǒng)控制流程 4.2超聲波避障實(shí)現(xiàn) 4.2.1超聲波介紹 4.2.2GM3101簡介 4.2.3超聲測距原理 4.2.4信號(hào)發(fā)送和接收 4.2.5探頭余震處理 4.2PWM電機(jī)控制實(shí)現(xiàn) 4.4無線通訊實(shí)現(xiàn) 4.5狀態(tài)指示燈驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 第五章總結(jié)與展望 37 參考文獻(xiàn) 附錄 5第一章緒論機(jī)器人曾經(jīng)是科幻電影中的形象，可目前已經(jīng)漸漸走入我們的生活。機(jī)器人技術(shù)以包含機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域?yàn)榇恚嵌喾N高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成，因此，它的發(fā)展與眾多學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)，代表了高科技發(fā)展的前沿。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們發(fā)明了各式各樣的具有感知，決策，行動(dòng)和交互能力的機(jī)器人，從機(jī)器人的構(gòu)想到今天機(jī)器人的相對(duì)普及，機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國防等多個(gè)領(lǐng)域。并且隨著機(jī)器人的智能化水平不斷提高，并且迅速的改變著人們的生活方式，隨著它在人類生活領(lǐng)域中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，將會(huì)給人們的生產(chǎn)生活帶來了巨大的影響。廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度越來越高，功能也越來越強(qiáng)，并向著技術(shù)和裝備成套化的方向發(fā)展；另一方面，機(jī)器人向著非制造業(yè)應(yīng)用以及微小型方向發(fā)展。在我國機(jī)器人主要應(yīng)用在及其領(lǐng)域，我國工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)在的總裝機(jī)量約為120000臺(tái)，其中國產(chǎn)機(jī)器人為1/3,即40000多臺(tái)。與世界機(jī)器人總裝機(jī)臺(tái)數(shù)7500萬臺(tái)相比，中國總裝機(jī)量僅占萬分之十六。定任務(wù)的小型化機(jī)器人。與普遍意義上的機(jī)器人相比，智能小車制作成本低廉，電路結(jié)構(gòu)簡單，程序調(diào)試方便，具有很強(qiáng)的趣味性。智能汽車作為曾經(jīng)在科幻電影中出現(xiàn)的場景，目前已經(jīng)在逐步走進(jìn)我們的生活。從最簡單的倒車?yán)走_(dá)到現(xiàn)在的自動(dòng)駕駛，汽車智能化的概念已經(jīng)深深的被社會(huì)接收，而且汽車智能化的需求也越來越明顯。如何真正的使汽車能夠自動(dòng)無人6而智能小車作為智能汽車的一個(gè)縮影，無論是在國內(nèi)還是國際的各種比賽中，它的身影永遠(yuǎn)是最亮眼的一耳光，眾多的方案也層出不窮。本文的研究目的即是設(shè)計(jì)一種可以自動(dòng)避障的小車，自動(dòng)避障顧名思義，即是能夠自動(dòng)躲避行進(jìn)路上的障礙物。目前智能小車的避障方法有很多，有應(yīng)用在高級(jí)轎車上的多普勒雷達(dá)測距，它可以間接的實(shí)現(xiàn)汽車的自動(dòng)駕駛。紅外避障可以在陽光不影響的情況下實(shí)現(xiàn)。而超聲波避障作為倒車?yán)走_(dá)的引申已經(jīng)在許多方面得到了應(yīng)用個(gè)，目前個(gè)別車型也已經(jīng)應(yīng)用。超聲波避障的技術(shù)基礎(chǔ)是超聲波測距，超聲波測距發(fā)展至今技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，技術(shù)方案多種多樣。本論文以智能避障小車作為研究對(duì)象，采用超聲波測距集成芯片作為超聲波測距處理單元作為設(shè)計(jì)方案。本論文的主要研究內(nèi)1)多傳感信號(hào)系統(tǒng)下主控器的處理。2)電機(jī)的PWM控制3)無線模塊的應(yīng)用7第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的智能小車可以在指定的跑道上行駛，其中跑道的寬度足夠?qū)?，跑道的兩?cè)有硬紙壁作為阻擋。在跑道的任意位置會(huì)放置障礙物，智能小車在感知到障礙物后，可以繞過障礙物繼續(xù)前行。同時(shí)，小車具有無線通信功能，可以將障礙物的信息實(shí)時(shí)發(fā)送至上位機(jī)中。因此，根據(jù)系統(tǒng)需求，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要具有無線通信功能，自動(dòng)壁障功能，電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能以及控制核心單元。以下將根據(jù)這四個(gè)主要功能進(jìn)行模塊的選型。目前無線通信技術(shù)較流行的有2.4G無線技術(shù)和IrDA.1.2.4G無線技術(shù)根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，2.4GHz是工作在ISM頻段的一個(gè)頻段。ISM的頻段是工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)用頻段。按照常規(guī)來說世界各國均保留了一些無線頻段，用來發(fā)展本國的工業(yè)，科學(xué)研究和微波醫(yī)療方面的應(yīng)用。普通民眾應(yīng)用這些頻段時(shí)并不需許可證，只需要保證應(yīng)用時(shí)遵守一定的發(fā)射功率(一般低于1W),并且不要對(duì)其他頻段造成干擾即可。ISM頻段在各國的規(guī)定并不統(tǒng)一。而2.4GHz為各國共同的ISM頻段。因此，無線局域網(wǎng)(IEEE802.11b/IEEE802.11g),藍(lán)牙，ZigBee等無線網(wǎng)絡(luò)，均可工作ZigBee是一種基于IEEE802.15.14標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。這個(gè)協(xié)議里面規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。ZigBe協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。8ZigBe網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)是功耗低、成本相對(duì)低廉、速度較快，支持多借點(diǎn)操作，支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這里主要介紹挪威著名芯片廠商的NRF24L01無線收發(fā)芯片。nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5GHzISM頻段。工作電壓為1.9～3.6V,有多達(dá)125個(gè)頻道可供選擇?？赏ㄟ^SPI寫入數(shù)據(jù)，最高可達(dá)10Mb/s,數(shù)據(jù)傳輸率最快可達(dá)2Mb/s,并且有自動(dòng)應(yīng)據(jù)寫入速度更高，內(nèi)嵌的功能更完備。芯片能耗非常低，以-6dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有9mA,接收時(shí)工作電流只有12.3mA,多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。這就不難發(fā)現(xiàn)為什么絕大部分甚至微軟、羅技這樣的知名鍵鼠企業(yè)都普遍采用NRF24L01芯片作為收發(fā)芯片的原因。紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)IrDA(InfraredDataAssociation)成立于1993年。起初，采用IrDA標(biāo)準(zhǔn)的無線通訊設(shè)備僅能在1m范圍內(nèi)在可視范圍內(nèi)的速率僅為115.2Kb/S,但很快就發(fā)展到了4Mb/S的速率，后來，速率又達(dá)到了16Mb/S。紅外是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)過程中兩個(gè)設(shè)備必須保持在可視范圍內(nèi)是直對(duì)的、IrDA也是第一個(gè)成功實(shí)現(xiàn)無線個(gè)人局域網(wǎng)(PersonalAreaNetwork,PAN)的技術(shù)。目前紅外的應(yīng)用已經(jīng)發(fā)展了20多年，無論是軟件還是硬件技術(shù)都很成熟，在許多小型移動(dòng)設(shè)備，如PDA\手機(jī)上被廣泛使用。IrDA在應(yīng)用中的主要優(yōu)點(diǎn)是無需申請(qǐng)頻率的使用權(quán)這樣對(duì)于很多小型設(shè)備和低成本設(shè)備來說就會(huì)更多的傾向于此。此外，紅外還據(jù)喲體積小，結(jié)構(gòu)簡單，簡單易用等優(yōu)點(diǎn)。而且由于數(shù)據(jù)傳輸率高，因此在對(duì)于較大型數(shù)據(jù)的傳輸方面具有很大的優(yōu)勢。而且，由于紅外傳輸?shù)狞c(diǎn)對(duì)點(diǎn)性，在一定程度上來講，紅外的傳但是紅外的缺點(diǎn)在于它的可視傳輸，也就是兩臺(tái)設(shè)備在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)必須保證兩臺(tái)設(shè)備的紅外端子距離較近且可視。這個(gè)是阻擋紅外應(yīng)用的最大障礙。因此，本設(shè)計(jì)在綜合考慮了成本和實(shí)現(xiàn)性能方面。選擇了2.4GHz的9因此智能小車的探測距離需要有一定的長度，以留給智能小車足夠的時(shí)間進(jìn)行轉(zhuǎn)向，又考慮到在測障過程中小車車速及避障反應(yīng)堆小車速度的限制，小車應(yīng)在距障礙物較遠(yuǎn)的范圍內(nèi)做出反應(yīng)，這樣才能在順利繞過障礙物的同時(shí)還為下一步轉(zhuǎn)易造成車身撞上障礙物或雖繞過障礙物卻無法實(shí)現(xiàn)理想定向方案。障礙物檢測可以有多種方法：紅外光檢測、超聲波檢測、甚至機(jī)械接觸。這些方法都有各自的紅外檢測超聲波檢測距離精確度受外界干擾程度易受外界干擾不易受外界干擾硬件電路所需原件少稍復(fù)雜成本8元左右8元左右圖2-1而目前在超聲波測距方面應(yīng)用較多的方案有三種。1)使用控制器發(fā)出40KHz的方波信號(hào)，在接收端使用中周將信號(hào)放大，然后經(jīng)過至少兩級(jí)放大后輸入到控制器的模擬輸入端，控制器根據(jù)接收的信號(hào)幅2)使用控制器發(fā)出40KHz的方波信號(hào)，在接收端使用中周將信號(hào)放大，然后經(jīng)過至少兩級(jí)放大后經(jīng)過整波電路后變成當(dāng)有回波信號(hào)時(shí)，將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成低電平信號(hào)，這樣可以直接連接到處理器的數(shù)字引腳，在中斷程序中進(jìn)行3)使用集成芯片進(jìn)行控制。通過控制集成芯片的使能便可以控制超聲波信號(hào)的發(fā)送，然后集成芯片反饋給控制器的是標(biāo)準(zhǔn)的中斷信號(hào)，當(dāng)控制器檢測到中斷信號(hào)發(fā)生時(shí)，便可以進(jìn)行超聲波距離的計(jì)算。綜上而言，本設(shè)計(jì)選用了集成的芯片GM3101,它有4路超聲波信號(hào)，而且價(jià)格便宜。并且集成芯片與放大器的電路相比，在量產(chǎn)過程中的調(diào)試和穩(wěn)定性都要好的多。目前應(yīng)用在智能小車上的主要有直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)兩種。因而使用方案也兩種。直流電機(jī)，顧名思義，只要對(duì)電機(jī)的兩端通上直流電后，電機(jī)即運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的方向與通電的方向相關(guān)，運(yùn)動(dòng)的速度受通電的電流影響。對(duì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)即是將處理器輸出的TTL信號(hào)經(jīng)過功率放大后接到直流電機(jī)的兩端，功率放大芯片一般選擇L298等專用芯片。而直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般通過PWM波控制的方式，處理器輸出不同占空比的PWM信號(hào)，直流電機(jī)兩端的電壓不同，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速就不同，直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是性能好，電路簡單，控制靈活。2)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)，顧名思義，即是通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)輸入電脈沖信號(hào)來控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)步伐。因而可以對(duì)電機(jī)的行程進(jìn)行精確的控制，常用的步進(jìn)電機(jī)有三相六拍等多種方式。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的大小主要受控制器對(duì)其輸入的脈沖頻率決定，而不受其他環(huán)境因素影響，但步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)過程相對(duì)復(fù)雜。具體差別見表2-2。直流電機(jī)步進(jìn)電機(jī)調(diào)速性能較好較差位置控制精度較差好驅(qū)動(dòng)簡單復(fù)雜穩(wěn)定性較好好，僅與控制脈沖有關(guān)表2-2由上表可以看出步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)都有各自的優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)能進(jìn)行精確的位置控制，但驅(qū)動(dòng)電路麻煩，鑒于本設(shè)計(jì)中小車的位置控制不要求十分Y1流電機(jī)即可滿足小車要求的精度。且直流電機(jī)揚(yáng)于控制，驅(qū)動(dòng)電路十分簡單。綜上所示，本系統(tǒng)的智能小車由于不需要進(jìn)行步進(jìn)腳的精確控制，因而采用價(jià)格相對(duì)便宜，使用相對(duì)簡單的直流電機(jī)。此部分電路為系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)的所有控制信號(hào)和指令信息均由此發(fā)出?？梢哉f是整個(gè)系統(tǒng)的大腦。因此，對(duì)于主控制器的選擇尤為重要。目前，市面上流行的單片機(jī)主要有STC的51系列單片機(jī)，PIC系列單片機(jī)，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，主控MCU需要具有主頻快，存儲(chǔ)容量大，片上資源豐富以及價(jià)格便宜可以大面積推廣等特點(diǎn)。STC系列的51單片機(jī)具有價(jià)格便宜，開發(fā)資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，但是，當(dāng)STC系列的單片機(jī)的主頻和存儲(chǔ)器容量達(dá)到本設(shè)計(jì)的要求時(shí)，那么它此時(shí)的價(jià)格就已經(jīng)不太具有高競爭力了。PIC系列單片機(jī)，同樣作為面世很久的一款單片機(jī)，在汽車控制領(lǐng)域具有無可替代的地位，但是PIC單片機(jī)具有一個(gè)最大的安全隱患，就是容易解密。目前市面上的很多編程器就可以直接解密PIC單片機(jī)的程序。M3內(nèi)核和NXP系列的單片機(jī)在主頻和存儲(chǔ)容量以及片上資源方面均滿足本設(shè)計(jì)的需求，因此，本設(shè)計(jì)決定使用M3系列STM32F103xx增強(qiáng)型系列使用的是高性能的ARMCortex-M332位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz,內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM),豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)STM32F103xx增強(qiáng)型系列工作于-40℃至+105℃的溫度范圍，供電電壓2.0V至3.6V,其一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。根據(jù)以上章節(jié)的分析，系統(tǒng)決定采用STM32F103RBT6作為主控制器，L機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。超聲波探頭電池超聲波探頭圖2-1本章主要對(duì)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述，針對(duì)系統(tǒng)功能的幾個(gè)需求，選擇了適合本系統(tǒng)的模塊。第三章硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主控單元采用STM32F103RBT6作為主控制器。若要使主控器工作，需要設(shè)計(jì)主控器的最小系統(tǒng)單元。最小系統(tǒng)單元即是可以使主控器工作起來的最小硬件系統(tǒng)，包括時(shí)鐘電路，電源電路和復(fù)位電路。系統(tǒng)時(shí)鐘選用12MHz的外部晶振，由于STM32具有內(nèi)部鎖相環(huán)，因而在進(jìn)行更高頻率的應(yīng)用時(shí)，可通過內(nèi)部軟件編程使用其內(nèi)部鎖相環(huán)，最高頻率可達(dá)72MHz。由于STM32同樣的是低電平復(fù)位，因而設(shè)計(jì)的電路為最簡單的RC復(fù)位電路，可以通過系統(tǒng)上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種方式對(duì)電路進(jìn)行復(fù)位。STM32可以使用兩種方式進(jìn)行程序下載。一種是可以通過串口對(duì)芯片程序進(jìn)行燒寫，但是無法進(jìn)行調(diào)試。另一種是通過標(biāo)準(zhǔn)的JTAG口對(duì)芯片進(jìn)行程序燒寫和在線仿真。具體電路見圖3-1和3-2。圖3-1時(shí)鐘電路E1子456。3K超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波，它具有方向性好，穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在很多領(lǐng)域上有很多的應(yīng)用。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。因?yàn)槌暡ň哂休^強(qiáng)的方向性，根據(jù)其通過反射原理進(jìn)行的距離判斷，超聲技術(shù)主要應(yīng)用在遙感測控領(lǐng)域。目前的超聲波應(yīng)用系統(tǒng)多以分立元件作為模擬驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)做控制的方式來實(shí)現(xiàn)，存在體積大，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，調(diào)試麻煩，穩(wěn)定性和可靠性差。GM3101是成都國騰電子設(shè)計(jì)研發(fā)的專用于倒車?yán)走_(dá)的超聲波測距芯片，該芯片具有4路超聲波探頭的驅(qū)動(dòng)，并根據(jù)了倒車?yán)走_(dá)的具體應(yīng)用環(huán)境對(duì)4路探頭的應(yīng)用進(jìn)行了智能化的處理。測試結(jié)果編碼后采用雙線差分方式輸出，提高了信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_性。其管腳圖如圖3-3所示。FF6F7VARINVAR1VAR2DOUT-123456789圖3-3●四路超聲波探頭接口，探頭發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)5V@2mA●四路探頭檢測結(jié)果輸出周期80ms●具備自動(dòng)增益控制，實(shí)現(xiàn)分級(jí)放大●具有防聲波衍射誤報(bào)處理，提高報(bào)警信號(hào)的準(zhǔn)確性●報(bào)警信號(hào)輸出采用雙線差分方式，提高抗干擾性●工作環(huán)境溫度：-40℃~+85℃由于GM3101具有數(shù)字和模擬輸出兩種方式，為了使系統(tǒng)設(shè)計(jì)的更加簡單，采用數(shù)字接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體電路如圖3-4所示。YIERC2等守4NC3器.CNF圖3-4控制器對(duì)GM3101的復(fù)位信號(hào)進(jìn)行控制，由于系統(tǒng)只需要3路超聲通道，并且為了保持系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，因而采用60ms一個(gè)周期，而不是系統(tǒng)規(guī)定的80ms一個(gè)周期的設(shè)計(jì)。因而控制器就需要每隔60ms便對(duì)GM3101進(jìn)行復(fù)位，然后在60ms檢測周期內(nèi)，處理器需要時(shí)刻檢測GM3101的輸出端口是否有電平的變化，當(dāng)有電平變化時(shí)便可對(duì)其檢測距離進(jìn)行換算。電機(jī)模塊智能小車在檢測到障礙物后能夠及時(shí)避讓的關(guān)鍵，當(dāng)智能小車將障礙物的距離和位置信息進(jìn)行計(jì)算后，便將其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成電機(jī)控制的電平信號(hào)，進(jìn)而控制智能車的左右轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)控制模塊采用的是L298N芯片，L298是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片具有如下特點(diǎn)：●工作電壓最高工作電壓可達(dá)46V;●輸出電流的瞬間峰值電流可達(dá)3A,持續(xù)工作電流為2A;MMM59423168●內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)車和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器、線圈等感性負(fù)載；●具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許和禁止器件工●有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；●可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路其具體電路見圖3-5。圖3-5其中CTL1~CTL4為方向控制信號(hào)，ENA和ENB為使能信號(hào)。當(dāng)CTL1為Nrf24L01是挪威NordicVLSI公司推出的單片射頻收發(fā)芯片，20個(gè)引腳4mm*4mmQFN封裝。其引腳圖如圖3-4所示?！緢D3-44)MOSI,數(shù)字輸入引腳，從SPI數(shù)據(jù)輸入引腳。5)MISO,數(shù)字輸出引腳，從SPI數(shù)據(jù)輸出引腳。9)XC1,XC2引腳，晶體振蕩器連接引腳。10)VDD_PA,電源輸出引腳。給RF的功率放大器提供12)IREF,模擬輸入引腳，為參考電流輸入引腳。nRF24L01與MCU的連接圖見圖3-5。KX圖3-5nRF24L01的控制接口為SPI接口，主控MCU端采用模擬SPI接口來實(shí)現(xiàn)。主控MCU采用查詢方式來實(shí)時(shí)讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。狀態(tài)指示電路主要是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，此處設(shè)置兩個(gè)發(fā)光管。與R4連接的LED為電源指示燈，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，該指示燈由暗變亮。與R2連接的LED為狀態(tài)指示燈，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，該LED按照5秒為一周期進(jìn)行明暗變化，以標(biāo)志系統(tǒng)正常運(yùn)行，否則表示系統(tǒng)運(yùn)行不正常。具體電路見圖3-6.圖3-6下載電路主要針對(duì)主控MCU的程序更新和下載。當(dāng)系統(tǒng)在調(diào)試階段時(shí)，主控MCU的程序需要實(shí)時(shí)更新以便進(jìn)行調(diào)試，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)布后，需要預(yù)留接口以便產(chǎn)品升級(jí)方便。本系統(tǒng)中采用串口進(jìn)行程序下載，串口下載不需要專門的下載器，方便使用。具體電路見圖3-7。2C2-P2.88610干345C1-THN-9圖3-7第四章軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)主程序主要進(jìn)行超聲波距離處理，電機(jī)控制和無線通訊的實(shí)現(xiàn)。具體流程圖見圖4-1。處理超聲波數(shù)據(jù)電機(jī)控制圖4-1距離處理程序如下所示。{{Z}{{{}}}{}{bNumof500Ms=0;Z2))了{(lán)}{{}}numi=numi%2;2了}系統(tǒng)主要采用的時(shí)間片的方式，在規(guī)定的時(shí)間執(zhí)行指定的動(dòng)作。系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行期間，時(shí)刻判斷GM3101反饋的中斷信號(hào)，當(dāng)有中斷信號(hào)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)復(fù)位GM3101的時(shí)間差和端口進(jìn)行距離的計(jì)算，當(dāng)障礙物的距離信息小于臨2界值時(shí)，便會(huì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。智能車在行駛過程中，前方有個(gè)超聲波探頭，左側(cè)一個(gè)超聲波探頭，右側(cè)一個(gè)超聲波探頭。左右兩側(cè)的超聲波探頭主要實(shí)現(xiàn)保證智能車在跑道中間行駛，當(dāng)任何一方的距離片小時(shí)，智能車便會(huì)驅(qū)動(dòng)相反的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行專項(xiàng)。前方的探頭主要進(jìn)行障礙物的檢測。由于超聲波探頭具有個(gè)55度的視角，因而基本可以將前方的障礙物信息探測完全。超聲波的波長比一般聲波要短，超聲波具有非常好的方向性，而且能穿透不透明物質(zhì)，因此，應(yīng)用超聲波的這一特點(diǎn)，在探傷、測距、遙控和超聲成像技術(shù)超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)有逆效應(yīng)和順效應(yīng)，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆如圖4-2所示，是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱應(yīng)變。若在圖a所示的已極化的壓電陶瓷上施加如圖b所示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時(shí)，外部負(fù)電荷與極化負(fù)電荷相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長度方向上伸長。若外部施加的極性變反，如圖c所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長，在長度方向上縮短。aUbC圖4-2超聲波傳感器采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，2極端。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。金屬板的中心有圓錐形振子。發(fā)送超聲波時(shí)，圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波；接收超聲波時(shí)，超聲波的振動(dòng)集中于振子的中心，所以，能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。將壓電材料放入電壓變化的電場中時(shí)，它會(huì)發(fā)生變形，這就是所謂的“壓電現(xiàn)以MA40S2R接收器和MA40S2S性，表4-3示出的就是這種超聲波傳感器的特性。傳感器的標(biāo)稱頻率為40kHz,這是壓電元件的中心頻率，實(shí)際上發(fā)送超聲波時(shí)是串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的中心頻表4-3種類特性MA40S2S發(fā)送標(biāo)稱頻率靈敏度—74dB以上100dB以上帶寬6kHz以上(一80dB)7kHz以上(90dB)電容絕緣電阻100MΩ以上溫度特性—20~+60℃范圍內(nèi)靈敏度變化在10dB以內(nèi)施擴(kuò)展頻帶，例如，接入電感等。另外，發(fā)送超聲波時(shí)輸入功率較大，溫度變化使諧振頻率偏移是不可避免的，為此，對(duì)于壓電陶瓷元件非常重要的是要進(jìn)行頻MA40S2R/S傳感器的發(fā)送與接收的靈敏度都是以標(biāo)稱頻率為中心逐漸降低，為此，發(fā)生超聲波時(shí)要充分考慮到這一點(diǎn)以免逸出標(biāo)稱頻率。圖4-5表示傳感器方向性的特性，這種傳感器在較寬范圍內(nèi)具有較高的檢測靈敏度，因此，適用于物體檢測與防犯報(bào)警裝置等。圖4-5超聲波傳感器系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、控制部分以及電源部分構(gòu)成，如圖s距離調(diào)整收發(fā)信切換電路禁止電路放大電路圖4-6Zx出。對(duì)于限定范圍式超聲波傳感器，通過控制距離調(diào)整回路的門信號(hào)，可以接收到任意距離的反射波。另外，通過改變門信號(hào)的時(shí)間或?qū)挾龋梢宰杂筛淖儥z測超聲波傳感器的電源常由外部供電，一般為直流電壓，電壓范圍為12~24V±10%,再經(jīng)傳感器內(nèi)部穩(wěn)壓電路變?yōu)榉€(wěn)定電壓供傳感器工作。超聲波傳感器系統(tǒng)中關(guān)鍵電路是超聲波發(fā)生電路和超聲波接收電路?？捎卸喾N方法產(chǎn)生超聲波，其中最簡單的方法就是用直接敲擊超聲波振子，但這種方法需要人參與，因而是不能持久的，也是不可取的。為此，在實(shí)際中采用電路的方法產(chǎn)生超聲波，根據(jù)使用目的的不同來選用其振蕩電路3。GM3101提供4路超聲波探頭接口，芯片通過探頭發(fā)送和接收超聲波信號(hào)，根據(jù)發(fā)送和接收的時(shí)間差計(jì)算障礙物的距離，輸出相應(yīng)報(bào)警信號(hào)。報(bào)警信號(hào)編碼后采用雙線差分方式輸出，輸出信號(hào)的內(nèi)容包括：最大輸出距離為3.15米，輸出精度為0.05米。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，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(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t,就超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達(dá)原理是一樣的。超聲波測距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達(dá)到百米，但測量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達(dá)到毫米級(jí)的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級(jí)的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時(shí)間差到微秒級(jí)，以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們?cè)O(shè)計(jì)的高精度超聲波測距儀能達(dá)到毫米級(jí)的測量精度。超聲波測距誤差分析根據(jù)超聲波測距公式L=C×T,可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。時(shí)間誤差當(dāng)要求測距誤差小于1mm時(shí)，假設(shè)已知超聲波速度C=344m/s(20℃室溫),在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到1μs的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1mm的測量范圍內(nèi)。超聲波傳播速度誤差超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系，如表1所示。已知超聲波速度與溫度的關(guān)系如下：式中：r—?dú)怏w定壓熱容與定容熱容的比值，對(duì)空氣為1.40,M—?dú)怏w分子量，空氣為28.8×10-3kg:mol-1,T—絕對(duì)溫度，273K+T℃。近似公式為：C=C0+0.607×T℃式中：CO為零度時(shí)的聲波速度332m/s;對(duì)于超聲波測距精度要求達(dá)到1mm時(shí)，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度0℃時(shí)超聲波速度是332m/s,30℃時(shí)是350m/s,溫度變化引Z3起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將達(dá)到5m,測量1m誤差將達(dá)到5mm。進(jìn)行復(fù)位，GM3101經(jīng)過復(fù)位后，4組超聲引腳探頭驅(qū)動(dòng)引腳向超聲波探頭發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，超聲探頭發(fā)出40KHz的超聲波信號(hào)。系統(tǒng)發(fā)射完成后，便可以等等將整形后的信號(hào)送到處理器中，處理器根據(jù)時(shí)間差來計(jì)算障礙物的距離。超聲波探頭驅(qū)動(dòng)以80ms為一周期，每隔80ms相應(yīng)的探頭就發(fā)射一次超聲波信號(hào)。若前一探頭在本工作周期內(nèi)沒有接收到返回的超聲波信號(hào)，則芯片也轉(zhuǎn)入控制下一圖4-7控制信號(hào)余振屏蔽時(shí)間T(ms)00011011圖4-8圖4-9GM3101的反饋信號(hào)為一個(gè)中斷電平，當(dāng)系統(tǒng)檢測到系統(tǒng)中斷信號(hào)響應(yīng)時(shí)，便進(jìn)入到中斷處理程序中，對(duì)距離信息進(jìn)行處理換算。程序代碼如下所示。EXO=0;//關(guān)外部中斷/1Timer2_Stop;//定時(shí)器2停止計(jì)數(shù)3{}{}{}IE=0xff;//開所有的中斷EXO=0;//IE&=~0x01;//將外部中斷關(guān)閉}對(duì)電機(jī)的控制為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)越來越精細(xì)，采用了PWM控制。通過主控器輸出不同占空比的波形來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整，進(jìn)而調(diào)整智能車的轉(zhuǎn)動(dòng)和外部中斷入口讀取時(shí)間值計(jì)算距障礙掬的距離，并讓液品監(jiān)示N判斷是苔小干NY繼續(xù)前行關(guān)閉外中斷圖4-104.4無線通訊實(shí)現(xiàn)Nrf24L01使用MCU的SPIO端口進(jìn)行操作。因此只需要配置相應(yīng)的寄存器和讀寫函數(shù)即可。Nrf24101的操作主要涉及以下幾個(gè)函數(shù)。各函數(shù)的實(shí)現(xiàn)如下所ucharSPI_RW_Reg(ucharreg,ucharvalue)f}{//.andwritevaluetoit..//retu