超聲波防撞測速及避障儀設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

蘇秋美 劉亞榮

摘? 要：目前，我國自動(dòng)化技術(shù)正處于不斷創(chuàng)新與發(fā)展階段，超聲波技術(shù)隨之被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，解決了很多技術(shù)難題，同時(shí)將各行業(yè)推向智能化發(fā)展，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。文章利用超聲波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小車的智能測距、測速及避障，并通過紅外尋跡模塊完成小車的自主尋跡。與傳統(tǒng)智能避障系統(tǒng)相比，僅單獨(dú)使用超聲波模塊就能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)測速和避障功能，避免了器件浪費(fèi)，具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：超聲波;智能避障;自主尋跡

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）29-0083-03

Abstract： At present， China's automation technology is in the stage of continuous innovation and development， and ultrasonic technology has been widely used in various fields， solved many technical problems， and promoted the intelligent development of various industries at the same time. It has made a great contribution to the social and economic development. In this paper， the ultrasonic technology is used to realize the intelligent ranging， speed measurement and obstacle avoidance of the car， and the autonomous tracking of the car is completed through the infrared tracking module. Compared with the traditional intelligent obstacle avoidance system， the use of ultrasonic module can realize the function of speed measurement and obstacle avoidance and avoid the waste of devices， so it has the advantages in economy and practicality.

Keywords： ultrasonic; intelligent obstacle avoidance; autonomous tracking

在社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中，制造技術(shù)的迅速發(fā)展，給人們的生活帶來了極大的便利[1]，實(shí)現(xiàn)全面智能化，是人們的夢想，也是今后的發(fā)展方向。智能小車作為智能化發(fā)展的一個(gè)方向，在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，如：科技研究勘測、交通安全避障、物流分配傳輸及無人宣傳工具等[2-3]。

本文以51單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，通過超聲波模塊發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)小車和障礙物之間的實(shí)時(shí)測距及避障功能;同時(shí)，采用紅外尋跡模塊實(shí)現(xiàn)小車的自主尋跡功能[4]，滿足一定領(lǐng)域的需求。

1 超聲波防撞測速及避障儀設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的超聲波防撞測速及避障儀主要由超聲波模塊、紅外尋跡模塊、LCD顯示、51單片機(jī)、報(bào)警模塊、按鍵控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流電機(jī)和電源模塊組成。

其工作原理為：51單片機(jī)給超聲波模塊的發(fā)射端一個(gè)持續(xù)10us的高電平，超聲波模塊開始發(fā)射超聲波，同時(shí)51單片機(jī)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí);當(dāng)發(fā)射出去的超聲波遇到障礙物時(shí)，就會(huì)被反射回來，超聲波模塊接收端接收反射信號(hào)，并將信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)檢測到超聲波模塊接收端的反饋信號(hào)時(shí)，就停止計(jì)時(shí)。根據(jù)聲速，便可以計(jì)算出小車與障礙物之間的距離。通過不同時(shí)刻小車與障礙物之間的距離差和測距所用的時(shí)間差，就可以計(jì)算出小車對障礙物的相對速度[5]，并將所測得的距離和相對速度通過LCD實(shí)時(shí)顯示。

按鍵控制模塊可以設(shè)置障礙物與小車之間的最小安全距離值。當(dāng)單片機(jī)檢測到小車與障礙物之間的距離等于或小于所設(shè)置的最小安全距離值時(shí)，報(bào)警模塊發(fā)出蜂鳴報(bào)警;通過單片機(jī)改變電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸入信號(hào)來控制直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)小車后退、轉(zhuǎn)彎，從而使小車避開障礙物。

此外，當(dāng)紅外尋跡模塊檢測到黑線時(shí)，也可以通過單片機(jī)改變電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸入信號(hào)來控制直流電機(jī)，對小車的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行一定角度的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)小車的自主尋跡功能。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，主要由時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成[6]。（如圖1）

時(shí)鐘電路主要由2MHz的石英晶振和兩個(gè)20pF的瓷片電容組成，為單片機(jī)內(nèi)部電路提供所需要的時(shí)鐘信號(hào)。

復(fù)位電路的主要功能是對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，使單片機(jī)重新開始工作。主要由極性電容、按鍵和電阻組成。

2.2 LCD顯示電路設(shè)計(jì)

LCD顯示主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示小車與障礙物之間的距離和小車對障礙物的相對速度，主要由LCD1602構(gòu)成。

LCD1602是應(yīng)用廣泛的字符型液晶顯示模塊。其中，DB0-DB7是8位雙向數(shù)據(jù)傳輸引腳，可用來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。VO是顯示對比調(diào)整端，可通過改變與其連接的電阻R2的阻值調(diào)整顯示屏顯示對比度。RS是寄存器選擇端，當(dāng)單片機(jī)給其一個(gè)高電平時(shí)，選擇數(shù)據(jù)寄存器;當(dāng)單片機(jī)給其一個(gè)低電平時(shí)，選擇指令寄存器。RW是讀寫信號(hào)端，當(dāng)單片機(jī)給其一個(gè)高電平時(shí)，執(zhí)行讀操作;當(dāng)單片機(jī)給其一個(gè)低電平時(shí)，執(zhí)行寫操作。E是使能端，當(dāng)其由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，LCD1602就開始執(zhí)行命令。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主要功能是結(jié)合單片機(jī)對直流電機(jī)進(jìn)行控制，從而改變小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，主要由L298N驅(qū)動(dòng)芯片和二極管組成。

當(dāng)單片機(jī)給L298N驅(qū)動(dòng)芯片的使能端INA和INB一個(gè)高電平后，就能夠通過改變IN1-IN4的輸入信號(hào)來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向，從而控制小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)[7]。

2.4 超聲波模塊電路設(shè)計(jì)

超聲波模塊的主要功能是發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，采用HC-SR04超聲波測距模塊實(shí)現(xiàn)。當(dāng)單片機(jī)給超聲波模塊的發(fā)射端TRIG端一個(gè)持續(xù)10us的高電平，超聲波模塊就發(fā)射超聲波，發(fā)射出去的超聲波遇到障礙物后會(huì)被反射回來，超聲波模塊ECHO端接收反射回來的超聲波信號(hào)，并做出響應(yīng)，將接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行放大，然后發(fā)送給單片機(jī)，讓單片機(jī)做出處理[8]。

2.5 紅外尋跡模塊電路設(shè)計(jì)

紅外尋跡模塊的主要功能是對地面的黑線進(jìn)行檢測，采用TCRT5000紅外反射傳感器。

當(dāng)紅外尋跡模塊的左端探測器檢測到黑色軌跡時(shí)，其發(fā)射出的紅外光被黑色軌跡吸收，此時(shí)LO端則輸出高電平;若檢測到的是白色地面，則其發(fā)射出的紅外光被反射，LO端輸出低電平。RO端輸出信號(hào)同理。單片機(jī)根據(jù)紅外尋跡模塊LO和RO端的輸出信號(hào)，就可以判斷出小車的運(yùn)動(dòng)軌跡[9]。

2.6 電源模塊電路設(shè)計(jì)

電源模塊的主要功能是為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓。其具體電路主要由六節(jié)干電池、7805穩(wěn)壓管、電容、發(fā)光二極管和電阻組成。

六節(jié)干電池提供9V電源電壓，給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊供電;經(jīng)過7805穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后得到5V電壓，給系統(tǒng)中其他模塊的電路供電。電容起到濾波的作用，使穩(wěn)壓后的電壓能夠穩(wěn)定輸出。電阻起到限流保護(hù)電路的作用。發(fā)光二極管作為電源指示燈。

2.7 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

報(bào)警電路的主要作用是實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，主要由三極管和蜂鳴器組成。

當(dāng)小車與障礙物之間的距離等于或小于最小安全距離值時(shí)，單片機(jī)給三極管的基極一個(gè)低電平，使三級管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警。

2.8 按鍵控制電路設(shè)計(jì)

按鍵控制電路主要用來設(shè)置小車與障礙物之間的最小安全距離值。當(dāng)按下K1時(shí)，屏幕跳轉(zhuǎn)到設(shè)置界面;然后按下K2，對設(shè)定值進(jìn)行增加;按下K3，對設(shè)定值進(jìn)行減少。

3 軟件設(shè)計(jì)

采用Keil仿真軟件進(jìn)行編程對控制中心進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)測速及避障功能。

3.1 LCD顯示流程設(shè)計(jì)

首先要完成LCD的初始化，然后LCD顯示小車與障礙物之間的距離和小車對障礙物的相對速度，同時(shí)檢測按鍵K1是否按下，如果K1按下，則顯示屏跳轉(zhuǎn)到最小安全距離值設(shè)置界面，如果K1沒有按下，則繼續(xù)執(zhí)行程序。

3.2 按鍵控制流程設(shè)計(jì)

按鍵控制程序流程設(shè)計(jì)為：首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，定義靜止為小車的初始狀態(tài)。當(dāng)程序執(zhí)行紅外尋跡程序后，檢測按鍵K1是否按下，如果K1按下，則顯示屏跳轉(zhuǎn)到最小安全距離值設(shè)置界面，接著，若按下K2則對設(shè)定值進(jìn)行增加;按下K3則對設(shè)定值進(jìn)行減少。如果K1沒有按下，則程序返回執(zhí)行紅外尋跡程序。

3.3 紅外尋跡流程設(shè)計(jì)

紅外尋跡流程設(shè)計(jì)為：首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，定義靜止為小車的初始狀態(tài)。然后單片機(jī)根據(jù)與其連接的紅外尋跡模塊的輸出端口的輸出信號(hào)，判斷紅外尋跡模塊的探測器是否檢測到黑線;再通過判斷處理程序?qū)π≤嚨倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，如果紅外尋跡模塊左端探測器沒有檢測到黑線，則通過單片機(jī)控制小車向右轉(zhuǎn)一定角度，如果右端的探測器沒有檢測到黑線，則控制小車向左轉(zhuǎn)一定角度，若左右兩端的探測器都檢測到黑線，則控制小車根據(jù)黑線的軌跡運(yùn)行。若紅外尋跡模塊沒有檢測到黑線，則小車?yán)^續(xù)前進(jìn)。

3.4 系統(tǒng)主程序流程設(shè)計(jì)

主程序流程設(shè)計(jì)為：首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，定義靜止小車的初始狀態(tài)為靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)執(zhí)行紅外尋跡程序后，超聲波模塊開始發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，同時(shí)單片機(jī)獲取超聲波模塊發(fā)射超聲波到接收反射信號(hào)所用的時(shí)間，利用時(shí)間、距離和速度之間的關(guān)系計(jì)算出小車對障礙物的相對速度V及小車與障礙物之間的距離D，并將數(shù)據(jù)顯示到LCD顯示屏上。然后檢測在此過程中按鍵K1是否按下，如檢測到K1按下，則LCD顯示屏跳轉(zhuǎn)到最小安全距離值設(shè)置界面，可對最小安全距離值S進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完最小安全距離值S后，程序繼續(xù)執(zhí)行紅外尋跡程序，在小車進(jìn)行紅外尋跡的過程中，持續(xù)比較小車與障礙物之間的實(shí)際距離D與最小安全距離值S的大小，若小車與障礙物之間的距離D等于或小于最小安全距離值S，則蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)小車自主避開障礙物。

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)測速避障系統(tǒng)以單片機(jī)為控制中心，采用超聲波實(shí)現(xiàn)了避障和測速，同時(shí)完成了自主尋跡功能，具有簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)物如圖2所示。

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