位置跟隨系統(tǒng)

中文摘要本文設(shè)計(jì)的是超聲波測(cè)距模塊和隨動(dòng)系統(tǒng)模塊。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)可分為超聲波收發(fā)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和LCD1602顯示模塊。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，先由ATmega16單片機(jī)控制超聲波模塊發(fā)射超聲波信號(hào)，同時(shí)通過單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)，測(cè)量超聲波信號(hào)從發(fā)送到遇到障礙物然后返回所需要的時(shí)間，從而算出超聲波系統(tǒng)與障礙物之間的距離。所得數(shù)據(jù)由LCD1602顯示器顯示，最后由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)，保持本系統(tǒng)與障礙物的距離為一定值，從而實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)功能。經(jīng)過試驗(yàn)電路和程序的調(diào)試和運(yùn)轉(zhuǎn),證明出超聲波測(cè)距模塊和隨動(dòng)系統(tǒng)模塊都具有硬件布局簡(jiǎn)易,操縱便捷,有很好的抗干擾性的優(yōu)點(diǎn)。超聲波測(cè)距模塊能夠準(zhǔn)確衡量和障礙物之間的距離。主要由ULN2003步進(jìn)電機(jī)，28BYJ—48構(gòu)成的隨動(dòng)系統(tǒng)，也能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，被控制量能夠準(zhǔn)確進(jìn)行跟蹤并且能夠無誤地跟隨來復(fù)現(xiàn)給定量。關(guān)鍵字：超聲波測(cè)距；ATmega16單片機(jī)；LCD1602顯示器；ULN2003步進(jìn)電機(jī)；28BYJ—48AbstractThisdesignincludesultrasonicrangingmoduleandservomodule.Thissystemcanbedividedintoultrasonictransceivermodule,motordrivermoduleandLCD1602displaymodule.Thesystemisrunninglikethis:ATmega16singlechipmicrocomputercontrolultrasonicmodule,andmaketheultrasonicmodulelaunchultrasonicsignal,atthesametime,theTimercalculatethetimeofultrasonicsignals,whichisfromouttocomeback,finallythesystemcalculatethedistancewhichisbetweenultrasonicsystemandobstacles.ThedatawouldbedisplayedbytheLCD1602display,andthenthecircuitdrivemotor,besideskeepingthedistancebetweenthissystemandtheobstaclefixed,soastorealizethefunctionofservo.Afterdebuggingandrunning,theprogramcanprovethattheultrasonicrangingmoduleandservomoduleissimple,convenientandanti—interferencestrong.Ultrasonicrangingmodulecanaccuratelymeasurethedistancebetweenultrasonicsystemandobstacles.TheservosystemmadeupofULN2003steppermotor,and28BYJ—48canachievethefunctionthatthevariablecanaccuratelytrackandfollowknownquantitywhenthestepmotorisrunning.Keywords:ultrasonicranging；ATmega16Microcontroller；LCD1602display；ULN2003steppermotor；28BYJ—48參考文獻(xiàn)第3章超聲波測(cè)距模塊和隨動(dòng)系統(tǒng)模塊的硬件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)3.1.1單片機(jī)設(shè)計(jì)方案比較超聲波測(cè)距系統(tǒng)需要計(jì)算超聲波的傳播時(shí)間、傳播距離、溫度補(bǔ)償、干擾的濾除、顯示等數(shù)據(jù)處理工作，這些工作主要使用CPU來完成。單片機(jī)的選取有很多方案，比方AVR單片機(jī)、TI公司單片機(jī)、STC單片機(jī)、PIC單片機(jī)甚至是51系列單片機(jī)。所以我是在各種單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)方案的比較：（1）AVR單片機(jī)AVR單片機(jī)是RISC精簡(jiǎn)指令集的高速8位單片機(jī)。它的特征為：簡(jiǎn)易好懂，價(jià)格便宜，運(yùn)作高速，低耗能，I/O口功能強(qiáng),具有A/D轉(zhuǎn)換等電路，具有功能很巨大的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和通訊接口[11]。（2）STC單片機(jī)STC公司出產(chǎn)的單片機(jī)，它基于8051內(nèi)核，為增強(qiáng)型單片機(jī)，指令代碼兼容傳統(tǒng)的8051，速度比傳統(tǒng)的8051快8~12倍，它自帶ADC，4路PWM，雙串口，有全球唯一ID號(hào)，加密性良好，抗干擾能力較強(qiáng)。（3）51系列單片機(jī)51系列單片機(jī)其實(shí)就是在同一片芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多功能I/O等一臺(tái)微機(jī)要求的基本功能元件。掌握起來比較簡(jiǎn)單，但是，AVR單片機(jī)內(nèi)部集成的AD轉(zhuǎn)換，更容易處理一些模擬量，這使得AVR單片機(jī)顯著高于51單片機(jī)的價(jià)值?？偨Y(jié)以上的比較，AVR系列單片機(jī)是最符合本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡摹Ｋ?，本次設(shè)計(jì)選定ATmega16單片機(jī)來進(jìn)行。3.1.2ATmega16單片機(jī)的特點(diǎn)ATmega16AVR內(nèi)核擁有大量的指令集，并且有32個(gè)通用的工作寄存器。ATmega16的特點(diǎn)為：16k字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(同時(shí)有讀和寫的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1k字節(jié)存儲(chǔ)器，32個(gè)通用I/O口線，32個(gè)通用寄存器，芯片上的振蕩器可編程看門狗定時(shí)器，SPI串行端口，6能夠經(jīng)過軟件抉擇的節(jié)能模式。ATmega16單片機(jī)引腳的排列如下圖3—1：圖3—1ATmega16的引腳排列圖3.2超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射換能器TCT40—16BT和超聲波接收換能器TCT40—16BR。命名規(guī)則：型號(hào)：TCT40—16BT或（R）類型：TC表示壓電陶瓷超聲波傳感器；T—通用性；T—發(fā)射/R—接收外徑：－16代表Φ16mm外殼材料：鋁外殼顏色：銀色具體參數(shù)：中心頻率：40.0千赫±1.0千赫輸出電壓:≥115dB接收靈敏度：≥—65dB靜電容量：2000pF±20%指向角：80°工作溫度:—20～+70℃超聲波接收/發(fā)射換能器實(shí)物如下圖3—2：圖3—2超聲波換能器的實(shí)物圖超聲波探頭按照它的工作原理則能夠分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式超聲波探頭等等，壓電式最普遍通用。它的結(jié)構(gòu)如下圖3—3。圖3—3壓電式超聲波傳感器超聲波發(fā)射電路，是為讓超聲波發(fā)射換能器TCT40—16BT向外界發(fā)出的40千赫左右的方波脈沖信號(hào)而設(shè)計(jì)的電路。一般有兩種方式能夠生成大約40kHz的方波脈沖信號(hào)：采用硬件如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出，本系統(tǒng)使用的是單片機(jī)軟件編程輸出。發(fā)射電路如下圖3—4。圖3—4超聲波發(fā)射電路 為更明確地了解超聲波的發(fā)射波形相位之間的關(guān)系，所以故意在特定的拐角處對(duì)波形實(shí)施檢測(cè)，如下圖3—5，黃色波形（上面的波形）就是單片機(jī)P1.0口的波形，而藍(lán)色波形（中間的波形）是6腳波形，粉色波形（下面的波形）是8腳波形。圖3—5相位關(guān)系圖mc14069ub六變頻器芯片直插封裝，它的引腳排列如下圖3—6，邏輯電路圖如下圖3—7所示。圖3—6MC14069UB引腳分布圖圖3—7MC14069UB邏輯電路圖這些反向裝置主要用于低功率或高抗干擾電路。為了減少每個(gè)逆變器的傳輸延遲是獨(dú)立的。（1）工作特性：①電源電壓范圍：3.0v—18v②在所有的輸入端有三重的二極管保護(hù)③可用CD4069UB替代超聲波接收電路設(shè)計(jì)CX20106A使用的是單列8腳直插式，超小型的封裝。+5V電源供電，它內(nèi)部構(gòu)造方框圖如下圖3—8所示：圖3—8CX20106A內(nèi)部方框圖接收部分的電路如下圖3—9所示。圖3—9超聲波接收電路 3.4ULN2003ULN為雙列16腳封裝的,NPN晶體管矩陣,最大的驅(qū)動(dòng)電壓為50V,電流為500mA,輸入的電壓為5V,適合于TTLCOMS,達(dá)林頓管構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。ULN輸出端允許通過的電流是200mA，耐壓BVCEO約為36V。使用集電極開路輸出能夠直接地驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器。

ULN2003的基本功能：ULN2003的每對(duì)達(dá)靈頓都串聯(lián)一個(gè)阻值是2.7K的電阻，5V的工作電壓下能直接與TTL和CMOS電路相連接，能夠直接處理原始需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器。ULN2003A引腳圖如圖3—10：圖3—10ULN2003A引腳圖顯示電路主要由LCD液晶顯示器和高電壓大電流驅(qū)動(dòng)ULN2003構(gòu)成。ULN2003為高電壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列電路，其擁有7個(gè)獨(dú)立的反相驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的輸出灌電流能夠達(dá)到500mA，導(dǎo)通時(shí)輸出電壓約為1V，截止的時(shí)候輸出的電壓能夠達(dá)到50V。3.528BYJ-48型步進(jìn)電機(jī)當(dāng)把某些連續(xù)的控制脈沖加在28BYJ—48型步進(jìn)電機(jī)上的時(shí)候，其能夠不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。每個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)就改變一次，也就對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過某個(gè)角度（一個(gè)步距角）。當(dāng)變化的通電狀態(tài)完成一個(gè)周期的時(shí)候，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。四相步進(jìn)電機(jī)能夠子在多種通電方式下工作，一般的通電方法有單（單相繞組通電）四拍（A—B—C—D—A。。。），雙（雙相繞組通電）四拍（AB—BC—CD—DA—AB—。。。），八拍（A—AB—B—BC—C—CD—D—DA—A。。。）。驅(qū)動(dòng)方式如下表3—1：表3—1驅(qū)動(dòng)方式（4—1—2相驅(qū)動(dòng)）導(dǎo)線顏色123456785紅++++++++4橙3黃2粉1藍(lán)紅線需要接5V電源，橙色需要接P1.3口，黃色需要接P1.2口，粉色需要接P1.1口，藍(lán)色電線需要接P1.0口。因?yàn)閱纹瑱C(jī)接口信號(hào)較小，那么需經(jīng)過ULN2003的放大然后連接到對(duì)應(yīng)的電機(jī)接口，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)如下圖3—11所示，所得結(jié)果如表3—2所示：圖3—11步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)表3—2記錄結(jié)果

橙

AP1.3

黃BP1.2

粉CP1.1藍(lán)DP1.0十六制（P1口）

10

000x0811000x0c01000x0401100x0600100x0200110x0300010x0110010x09速度的計(jì)算公式為：運(yùn)轉(zhuǎn)的速度=脈沖的頻率×60/步進(jìn)電機(jī)的分割數(shù)/減速比64步進(jìn)電機(jī)的分割數(shù)=360/6.625第4章軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)試4.1軟件程序及流程圖4.1.1主程序流程圖首先初始化是第一步，并且將定時(shí)計(jì)數(shù)器調(diào)到16位定時(shí)的工作模式，把總中斷置于允許位EA，同時(shí)將計(jì)數(shù)器清零，再調(diào)用超聲波發(fā)生子程序輸出一個(gè)超聲波脈沖。延時(shí)0.1ms后外部中斷0打開來接收回波信號(hào)。在24M晶振工作時(shí)，將計(jì)數(shù)器設(shè)定為最小計(jì)時(shí)間隔為0.5us，當(dāng)標(biāo)志位被成功置位后，主程序調(diào)用測(cè)距部分子程序，這樣就能夠算出被測(cè)物與測(cè)距器之間的距離，最后顯示在LCD上，主程序的流程圖如下圖4—1所示。圖4—1主程序的流程圖發(fā)射程序與接收流程圖本設(shè)計(jì)中PB2引腳先與推挽放大電路連接，然后再與超聲波發(fā)射傳感器連接起來，通過軟件方式而生成的40kHz方波將會(huì)由PB2引腳輸出，但是回波就被INT0接收。每次T1定時(shí)器溢出后開始一次測(cè)距的過程，而T0后來計(jì)算脈沖發(fā)射以及接收的時(shí)間間隔。超聲波接收的子程序必須先進(jìn)行初始化如下圖4—2中所示，之后發(fā)射超聲波，并在輸入的I/O口一直判斷時(shí)候有觸發(fā)信號(hào)，如果持續(xù)30ms沒有觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生的話，超聲波重新發(fā)射；有觸發(fā)信號(hào)的話就判斷是否為回波，是的話讀取定時(shí)器T0的時(shí)間然后計(jì)算出測(cè)量的距離為多少。圖4—2接收子程序流程圖4.1.3距離計(jì)算與顯示子程序如圖4—3通過超聲波被發(fā)出的時(shí)間以及接收到觸發(fā)信號(hào)的時(shí)間差計(jì)算出物體與超聲波測(cè)距模塊的距離長度。在單片機(jī)里面的T0定時(shí)器在開始傳輸時(shí)就開始計(jì)算時(shí)間，一直到超聲波發(fā)射完畢并返回后的到一個(gè)時(shí)間的具體間隔。在接收觸發(fā)信號(hào)的時(shí)候接收端會(huì)有一個(gè)下降沿，這是外部中斷0就會(huì)觸發(fā)并產(chǎn)生一個(gè)終端請(qǐng)求，程序會(huì)在中斷中響應(yīng)并運(yùn)行外部終端函數(shù)計(jì)算出最終的結(jié)果。圖4—3顯示流程圖4.2系統(tǒng)調(diào)試依據(jù)原理圖，在多用電路板上焊接元件作成實(shí)物電路，如下圖4—4。每部分都可以清楚地看得到，左邊是顯示模塊，右上角是超聲波模塊、右下角是步進(jìn)電機(jī)。圖4—4基于超聲波的隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)物圖本系統(tǒng)采用短距離發(fā)射250μs（10個(gè)40kHz方波脈沖）發(fā)射脈沖寬度。接下來我們利用示波器對(duì)接收端信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，黃色部分為發(fā)射信號(hào)，藍(lán)色部分為觸發(fā)信號(hào)的波形。（1）超聲波模塊跟物體的距離超過一段距離時(shí)，觸發(fā)信號(hào)如圖4—5所示：圖4—5回波示意圖 由下圖可知，超聲波測(cè)距模塊接收不到信號(hào)當(dāng)距離超過范圍后。 （2）距離較遠(yuǎn)，但不超過超聲波模塊范圍時(shí)顯示為35cm，波形如4—6：圖4—6回波示意圖1從該圖可以判斷出超聲波模塊接收到了觸發(fā)信號(hào)。（3）當(dāng)物體距離較近時(shí)，顯示為27cm的回波信號(hào)，如圖4—7所示：圖4—7回波示意圖2跟之前的波形圖對(duì)比下，觸發(fā)信號(hào)提前，表明檢測(cè)時(shí)間縮短，模塊與物體間的距離縮短。測(cè)試結(jié)果基本達(dá)到預(yù)期目的，與實(shí)際情況相符。結(jié)論學(xué)習(xí)的時(shí)間總感覺過得很快，通過幾個(gè)月的努力，在老師的指導(dǎo)和同學(xué)們的幫助下，我最終較為圓滿地完成了超聲波模塊和隨動(dòng)系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。畢業(yè)論文是本科學(xué)習(xí)階段的很珍貴的理論與實(shí)踐相結(jié)合的機(jī)會(huì)。經(jīng)過這次對(duì)超聲波測(cè)距模塊和隨動(dòng)系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)，我認(rèn)識(shí)到光靠課本知識(shí)，疏于動(dòng)手時(shí)萬萬行不通的，我們不能以本為本，我們要把我們學(xué)到的理論知識(shí)通過動(dòng)手實(shí)踐運(yùn)用到實(shí)際生活當(dāng)中去。實(shí)踐出真知，只有我們把自身投入到實(shí)踐當(dāng)中去，我們的對(duì)理論地理解才能得到升華，我們才能夠深刻了解到我們哪里有不足之處，以方便我們可以改正，除此之外，只有我們養(yǎng)成動(dòng)手參與實(shí)踐的習(xí)慣，才能保證我們?cè)诮窈蟮纳钪猩僮邚澛贰＿@次的設(shè)計(jì)實(shí)踐，讓我深刻體會(huì)到時(shí)間和理論結(jié)合的重要性。在這個(gè)理論與實(shí)踐相結(jié)合的過程中，不單單能夠提高我們的動(dòng)手能力，其實(shí)我們的獨(dú)立思考能力也相對(duì)地得到提升?？偠灾?，理論和實(shí)踐的結(jié)合就是把在課本學(xué)到的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中去，然后再在實(shí)踐中對(duì)理論總結(jié)和歸納。當(dāng)然，實(shí)踐和理論的結(jié)合是一項(xiàng)艱巨而又長期的任務(wù)，我們做事情的時(shí)候，要持之以恒地把握這條信念，這樣才能把我們自己培養(yǎng)成一個(gè)具有實(shí)踐能力和穿心能力的實(shí)用型人才。本來設(shè)計(jì)之前就覺得畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我來說應(yīng)該不會(huì)太難，畢竟在大三的時(shí)候，我們做過很多作品，但是當(dāng)我真正實(shí)際操作起來，可能是因?yàn)榘肽甑臅r(shí)間都沒有做作品，覺得還是有些難度的。在電路的設(shè)計(jì)與焊接的過程中，也遇到過很多困難。有的是技術(shù)上的，有的是設(shè)計(jì)本身的，這就要求我們?cè)O(shè)計(jì)的時(shí)候必須非常地認(rèn)真，還需要有耐心和毅力。其實(shí)，在人生路上我們?cè)蹩赡芏惚艿牧舜煺酆屠щy。但是挫折也會(huì)給我們帶來積極的影響，帶給我們正能量。他可以適時(shí)地消除我們的惰性，督促我們向更高的地方攀登。當(dāng)然我們面對(duì)挫折的時(shí)候首先一定要冷靜，這樣的話我的有時(shí)間思考我們?nèi)绾螒?yīng)對(duì)它，就像我這次的設(shè)計(jì)中，我遇到這樣或那樣的問題，我會(huì)冷靜的思考我的出錯(cuò)點(diǎn)在哪里，怎樣彌補(bǔ)和改進(jìn)。其次，我們不應(yīng)該灰心，我們要依然保持自信，我們要相信我們依然能做到更好。我們要鍥而不舍，拿出勇氣來耐心應(yīng)對(duì)。最后，當(dāng)挫折壓得我們喘不過氣的時(shí)候，我們當(dāng)然要尋求一種自我釋放的方法，前提是我們不應(yīng)該傷及他人。這樣挫折就沒有那么可怕了。所以，我們還應(yīng)該養(yǎng)成不懂就要問的習(xí)慣，汲取別人的知識(shí)精華，何樂而不為？在設(shè)計(jì)本作品的整個(gè)過程中，我們指導(dǎo)老師陳永建老師給了我很多幫助，在作品的設(shè)計(jì)構(gòu)思和實(shí)現(xiàn)功能，論文的內(nèi)容和格式中給我了很多寶貴的建議，他耐心地指導(dǎo)我們?cè)鯓影汛舜蔚脑O(shè)計(jì)做到最好。我在這次的設(shè)計(jì)中，遇到了很多我之前都沒有預(yù)料的問題，陳老師都耐心地一一為我指導(dǎo)。就比如我的這次設(shè)計(jì)，本來設(shè)計(jì)的距離不是15cm這樣一個(gè)固定的值。但是設(shè)計(jì)工程中，很難實(shí)現(xiàn)距離的變動(dòng)。另外，在電路焊接完之后，本來此設(shè)計(jì)需要的電源是5V的，但是我當(dāng)時(shí)沒有5V的電源，就只有4.5V和5.5V的電源，4.5V的電壓太小，幾乎驅(qū)動(dòng)不了電機(jī)，我就用5.5V的電源試試，結(jié)果就有幾個(gè)芯片不幸地被燒壞了。我就用了備用的芯片完成了此次的硬件設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)的硬件部分的集成度是很高的，還有就是結(jié)構(gòu)相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單，整個(gè)模塊的功能基本都能實(shí)現(xiàn)。再來說一下軟件部分，軟件部分主要對(duì)超聲波測(cè)距來說很關(guān)鍵，也很重要。通過程序的控制盒調(diào)試，終于軟件部分基本完成了預(yù)期的目的。硬件和軟件的完美結(jié)