智能壁障小车设计.docx

1、智能壁障小车设计智能超声波壁障小车设计【摘要】本文介绍一个基于STC89C52单片机控制的智能超声波壁障小车设计。本次设计采用STC89C52单片机作为小车的检测和控制核心;采用LCD1602显示行驶路程、剩余路程、行驶时间、模式设置、壁障参数等信息；采用3144霍尔传感器测量行驶路程；采用TDL-9915无线遥控发送、接受模块遥控小车；采用M325SP-7NP型5轴步进电机带动超声波探头转动；采用L298N电机专用驱动芯片驱动小车电机行驶。实现了集自动壁障、测距、定时定路程控制功能为一体的智能小车设计。 关键词：超声波;单片机;壁障；测距；遥控 目录 1 设计要求 32 总体设计方案 32.

2、1系统控制模块设计方案论证 32.2 超声波壁障设计方案论证 32.3 显示模块设计方案论证 43 元器件介绍 43.1 L298N电机专用驱动芯片 43.2 CX20106A超声波接收芯片53.3 3144霍尔传感器73.4 ULN2003达林顿驱动器 74 系统硬件电路 94.1 超声波发送接收电路 94.2 步进电机驱动电路 94.3 串口下载电路104.4 整体系统硬件电路104.5系统PCB图 115 系统软件设计115.1 设计思路115.2步进电机带动探头测距壁障流程图125.3主程序流程图135.4系统总程序 14 6 总结与体会147设计实物图 14 参考文献15附录15 一

3、、设计要求1、自动壁障,且壁障距离可调；2、测距精度为1cm；3、可遥控小车行驶；4、可测小车行驶路程5、可以定时、定路程控制小车停止或启动二、设计方案2.1系统控制模块设计方案论证方案一：采用STC12C5410单片机控制系统。STC12C5410单片机带有PWM脉宽调制输出端口，可直接用来控制电机转速，且其运行速度是8051单片机的812倍；但其I/O口少，即使是32管脚的芯片也只有27个，不够用时需要扩展I/O口，比较麻烦。方案二：采用STC89C52单片机控制系统。主要是通用I/O口多，一般不需要扩展，而且控制指令简单。由于对8051系列单片机应用比较熟悉，且系统需要用到的I/O口较多

4、，而控制电机转速的PWM信号用1个定时器即可模拟。所以此次设计选择采用STC89C52单片机来控制。2.2超声波壁障设计方案论证方案一：采用多方向超声波测距分析来实现壁障。分别在小车的左、中、右三方向放置超声波探头，通过对三个方向超声波的测距数据分析对比确定障碍物位置，再通过调节小车左右电机转速差控制小车行驶方向实现壁障。方案二：通过步进电机带动一对超声波探头旋转进行各方向测距，将各方向测得数据通过单片机对比分析可得到障碍物方向，然后也是通过调节小车左右电机转速差控制小车行驶方向实现壁障。方案一需要3对的超声波探头，为了防止信号相互干扰各个超声波发送信号要相互间隔，显得繁杂，而且当障碍物与左右

5、侧的超声波探头大于一定角度时将不能接收到超声波信号，方案二通过180度扫描可以很好地检测到各个方向的障碍物，障碍物判断更可靠，壁障效果更好。因此选用方案二设计。2.3 显示模块设计方案论证方案一：采用七段LED数码管显示相关数据。数码管显示具有高亮、可视距离远、寿命长的优点，但是一位数码管只能显示一位数据，要想同时显示多个数据，只能增加数码管数目来实现，而且数码管的PCB布线繁杂，数目越多布线越困难。方案二：采用LCD1602液晶显示。液晶显示具有耗能少、可同时显示数据多、控制指令简单、PCB布线简单等优点。通过对比两种显示方案的优缺点，本次设计决定采用方案二。3、元器件介绍3.1 L298N

6、电机专用驱动芯片：L298是SGS(通标标准技术服务有限公司)公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。其引脚排列如上图中所示。L298N的引脚9为LOGIC SUPPLY VOLTAGE Vss，即逻辑供应电压。引脚4为SUPPLY VOLTAGE Vs，即驱动部分输入电压。Vss电压要求输入最小电压为4.5V，最大可达36V；Vs电压最大值也是36V，但经过我的实验，Vs电压应该比Vss电压高，否则有时会

7、出现失控现象。它的引脚2，3，13，14为L298N芯片输入到电动机的输出端，其中引脚2和3能控制两相电机，对于直流电动机，即可控制一个电动机。同理，引脚13和14也可控制一个直流电动机。引脚6和11脚为电动机的使能接线脚。引脚5，7，10，12为单片机输入到L298N芯片的输入引脚。下表是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系：EN A（B）IN1（IN3）IN2（IN4）电机运行情况HHL正转HLH反转H同IN2（IN4）同IN1（IN3）快速停止LXX停止 控制使能引脚ENA或者ENB就可以实现PWM脉宽速度调整。1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号，也可以直接接地。

8、在可设计中就将它们直接接地。引脚8为芯片的接地引脚，它与L298N芯片的散热片连接在一起。由于本芯片的工作电流比较大，发热量也比较大，所以在本芯片的散热片上又连接了一块铝合金，以增大它的散热面积。该芯片的一些参数如下：(1) 逻辑部分输入电压：67V(2) 驱动部分输入电压Vs：4.846V(3) 逻辑部分工作电流Iss：36mA(4) 驱动部分工作电流Io：2A(5) 最大耗散功率：25W（T=75）(6) 控制信号输入电平：高电平：2.3VVinVss，低电平：-0.3VVin1.5V(7) 工作温度：-25130(8) 驱动形式：双路大功率H桥驱动3.2 CX20106A超声波接收芯片（

9、1）CX20106A内部结构图：（2）管脚说明：3.3 3144霍尔传感器3端输出需要接上拉电阻。当有磁铁靠近时，霍尔传感器输出低电平。3.4 ULN2003达林顿驱动器ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。 输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。 ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。ULN2003具有电流增益高、工作电压高、温度

10、范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。 ULN2003芯片引脚图ULN2003芯片引脚介绍引脚1：CPU脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。 引脚2：CPU脉冲输入端。 引脚3：CPU脉冲输入端。 引脚4：CPU脉冲输入端。 引脚5：CPU脉冲输入端。 引脚6：CPU脉冲输入端。 引脚7：CPU脉冲输入端。 引脚8：接地。 引脚9：该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。如果该脚接地，实际上就是达林顿管的集电极对地接通。 引脚10：脉冲信号输出端，对应7脚信号输入端。 参考电路接法

11、引脚11：脉冲信号输出端，对应6脚信号输入端。 引脚12：脉冲信号输出端，对应5脚信号输入端。 引脚13：脉冲信号输出端，对应4脚信号输入端。 引脚14：脉冲信号输出端，对应3脚信号输入端。 引脚15：脉冲信号输出端，对应2脚信号输入端。 引脚16：脉冲信号输出端，对应1脚信号输入端。四、硬件设计4.1 超声波发送接收电路4.2 步进电机驱动电路4.3 串口下载电路4.4 系统整体硬件电路4.5系统PCB图五、软件设计5.1设计思路 本次设计软件部分主要包括测距壁障程序、遥控参数设置程序、显示程序、定时器及相关中断程序。本次设计采用外部中断0接收超声波信号，外部中断1接收霍尔传感器信号测行驶路

12、程，定时器0结合外部中断0为超声波发送接收计时进行测距，定时器1用来产生PWM信号控制小车转速，定时器2为小车行驶计时。为了避免中断冲突造成错误处理，应该对某些中断设为高优先级，且中断执行程序不应过长。为了提高壁障灵敏度，步进电机带动超声波探头进行180度来回旋转，且对于占用时间的显示程序能少的应尽量少。遥控要能实现对小车左右轮控制、定路程停止点调节、定时停止及启动点调节，以及对壁障距离调节。5.2步进电机带动探头旋转测距壁障流程图5.3 主程序流程图5.4 系统总程序：见附录六、总结体会本次电子系统设计前期实现定时器控制PWM输出编程，步进电机驱动控制，超声波发送接收模块；设计后期画原理图和

13、PCB图，然后腐蚀、焊接电路板；最后程序整合及改善以及调试，同时发现调试出现的问题并寻找解决办法。经过不断的努力，提前完成了设计任务，并且各个预期功能基本实现。前期通过观看网上壁障小车相关视频，有了用步进电机带动超声波探头转动的构思。但是网上视频基本上都是超声波探头横着放的，我通过调试发现探头竖着放效果更好，准确度更高。遥控模块直接采用TDL-9915*RF和TDL-9915*TF，遥控发射模块TDL-9915*RF按键后，接收模块TDL-9915*TF对应输出高电平，没按键时输出低电平。这样可方便控制小车各种模式。整个系统设计进行了半个多月，主要在编程和调试上花了很长时间，从中积累了许多编程经验，同时提高了自己的编