超聲波跟隨小車(chē)
【專(zhuān)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(dòng)模塊、系統(tǒng)控制模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。
1、超聲波模塊的論證與選擇方案一：HC-SR04
HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)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-100
US-100 超聲波測(cè)距模塊可實(shí)現(xiàn) 0~4.5m 的非接觸測(cè)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(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正，同時(shí)具有 GPIO，串口等多種通信方式。
HC-SR04和US-100的測(cè)距和精確度都差不多，US-100的價(jià)格比HC-SR04更高，選擇方案一更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。
2、電機(jī)的論證與選擇方案一：采用直流電機(jī)，優(yōu)點(diǎn)在于硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。當(dāng)外加額定直流電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速幾乎相等，調(diào)速性能較好，且性?xún)r(jià)比高。對(duì)于小車(chē)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(shí)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(dòng)，便于控速，但是軟件程序的編寫(xiě)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(chē)的要求，故選擇方案一。
3、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的論證與選擇方案一：雙L298驅(qū)動(dòng)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�？梢灾苯域�(qū)動(dòng)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3.3V MCU ARM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(xiàn)4相步進(jìn)電機(jī)。
雙L298驅(qū)動(dòng)原理圖
方案二：智能車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
BTS7960是應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大電流半橋高集成芯片,它帶有一個(gè)P溝道的高邊MOSFET、一個(gè)N溝道的低邊MOSFET和一個(gè)驅(qū)動(dòng)IC。P溝道高邊開(kāi)關(guān)省去了電荷泵的需求, 因而減小了EMI。集成的驅(qū)動(dòng)IC具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生和過(guò)溫、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流及短路保護(hù)的功能。
BTS7960驅(qū)動(dòng)原理圖
L298驅(qū)動(dòng)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(dòng)智能小車(chē)的電機(jī)足夠了，價(jià)格合適，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。BTS7960驅(qū)動(dòng)能力大(相對(duì)l298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(jià)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(gè)系統(tǒng)的核心,用其控制行進(jìn)中的小車(chē),以實(shí)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(shí)現(xiàn)小車(chē)的自動(dòng)控制,而在這一點(diǎn)上,單片機(jī)就顯現(xiàn)出來(lái)它的優(yōu)勢(shì)——控制簡(jiǎn)單、方便、快捷。這樣一來(lái),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(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。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
方案二：51
STM32優(yōu)點(diǎn)：處理速度快，片內(nèi)程序存儲(chǔ)空間大，性?xún)r(jià)比高，功耗低，資源豐富。
缺點(diǎn)：程序編寫(xiě)要求較高。
51優(yōu)點(diǎn)：操作方便，配置簡(jiǎn)單，應(yīng)用普遍。
缺點(diǎn)：I/O口較少，設(shè)計(jì)外部電路較為復(fù)雜。
基于我們現(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(diǎn)：
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(shí)鐘有防外部電磁輻射功能；
STC單片機(jī)缺點(diǎn)：
1、功耗較高，5V供電；
2、8位，運(yùn)行速度慢；
3、無(wú)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
5、電源選用Li-ion 18650 7.4v。
二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算1、測(cè)距的分析與計(jì)算 通過(guò)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(shí)的 時(shí)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(shí)刻的同時(shí)開(kāi)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(lái)，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，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2）
2、跟隨的分析與計(jì)算 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(kāi)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(lái)，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，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2）當(dāng)小車(chē)與障礙物距離小于20cm時(shí)，小車(chē)后退；大于20cm小于40cm時(shí)，小車(chē)停止；大于40cm時(shí)，小車(chē)前進(jìn)。從而達(dá)到小車(chē)跟隨障礙物的目的。
三、電路與程序設(shè)計(jì)1、電路的設(shè)計(jì)（1）系統(tǒng)總體框圖
2、程序的設(shè)計(jì)（1）程序功能描述與設(shè)計(jì)思路1、程序功能描述
根據(jù)題目要求軟件部分主要實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距與超聲波跟隨。
1）超聲波測(cè)距：超聲波模塊發(fā)射接收信號(hào)的時(shí)間與超聲波在空氣中的傳播速度算出距離s=340t/2。
2）超聲波跟隨：通過(guò)小車(chē)與障礙物的距離控制小車(chē)的運(yùn)行。
2、程序設(shè)計(jì)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(shí)刻的同時(shí)開(kāi)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(lái)，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，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2）當(dāng)小車(chē)與障礙物距離小于20cm時(shí)，小車(chē)后退；大于20cm小于40cm時(shí)，小車(chē)停止；大于40cm時(shí)，小車(chē)前進(jìn)。
（2）程序流程圖1、主程序流程圖
四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果1、測(cè)試方案將小車(chē)放在空地上，小車(chē)的前方放置一個(gè)障礙物，開(kāi)啟小車(chē)，將障礙物放在離小車(chē)20cm的地方，移動(dòng)障礙物，察看小車(chē)的運(yùn)行模式。
2、測(cè)試結(jié)果及分析（1）測(cè)試結(jié)果(數(shù)據(jù))測(cè)距結(jié)果如下表所示： （單位/cm）
小車(chē)可以跟著障礙物運(yùn)行
（2）測(cè)試分析與結(jié)論通過(guò)測(cè)試與檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了超聲波測(cè)距，串口顯示，超聲波跟隨的功能。
綜上所述小車(chē)達(dá)到預(yù)計(jì)要求
五、結(jié)論與心得本次制作超聲波跟隨小車(chē)，實(shí)現(xiàn)了超聲波測(cè)距，串口顯示，超聲波跟隨的功能。滿(mǎn)足了制作要求。
通過(guò)這次制作，我們小組都收獲頗多。剛開(kāi)始的時(shí)候遇到許多困難，但經(jīng)過(guò)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(chē)不僅用到了以前學(xué)到的知識(shí)，還讓我們學(xué)到了很多之前沒(méi)有接觸過(guò)的內(nèi)容，讓我們受益匪淺，同時(shí)也鍛煉了我們的動(dòng)手能力，讓我們對(duì)單片機(jī)有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。當(dāng)然由于水平有限，小車(chē)存在些許不足。在制作過(guò)程中，由于有些模塊的損壞，程序的不精確，給我們的制作過(guò)程造成了很大的困擾，我們通過(guò)與其它小組的交流探討，查閱資料，更換模塊，逐步修改，并進(jìn)行了多次實(shí)踐，終于制作成功。通過(guò)此次制作，我們不僅在理論知識(shí)方面豐富了自己，同時(shí)在實(shí)踐中也拓展了自己的思維方式。對(duì)于今后的課題制作是大有裨益。
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