超声波测距的跟随小车设计
摘 要 随着传感器和单片机控制技术的不断发展，非接触式检测技术已被广泛应用于多个领域。与其它测距方式相比，超声波测距具有可以直接测量近距离目标、纵向分辨率高、适用范围广、方向性强的优点。目前，超声波测距已普遍应用在液位测量、移动机器人定位和避障等领域。另外，对于智能小车的设计与制作也是如火如荼。随着超声波和智能传感器合技术的进步，智能车特殊工况下实时准确跟随成为可能。本次设计是以AT89C52单片机为主控制器，然后再结合超声波测距的原理，实现智能小车的实时跟随控制。这套系统采用硬件电路设计和软件设计相结合的方式，硬件系统主要是由超声波数据采集模块、小车驱动模块、主控器以及报警模块所组成，具有模块化和多用化等特点，智能小车则是以AT89C52单片机为核心，通过无线通信来接收超声波测距系统发送来的控制信号。本次设计中的超声波测距模块能够应用于机器人的距离信息采集、汽车防撞测距等众多方面，具有很大的应用价值。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2课题研究意义 1
第二章 超声波测距电路介绍 3
2.1超声波传感器介绍 3
2.1.1超声波发射模块原理简介 3
2.1.2超声波接收模块原理简介 4
2.2超声波发生器介绍 6
2.3超声波测距的基本原理 6
第三章 智能小车的运动控制介绍 8
3.1定位设计 8
3.1.1定位套件原理简介 8
3.2跟随功能 9
3.3误差分析 9
3.3.1误差来源 9
第四章 硬件电路设计 10
4.1控制器 10
4.2超声波测距模块 12
4.3温度补偿模块 13
4.4超声波测距报警模块 14
4.5小车驱动模块 15
第五章 软件设计 18
5.1程序设计方案 18
5.1.1超声波测距程序设计方案 18
5.1.2超声波数据采集电路软件流程 18
5.2 控制电路程序设计 19
5.2.1小车驱动程序设计
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
19
5.2.2控制电路程序流程 20
结束语 21
致 谢 22
参考文献 23
附录A：测距程序 24
第一章 绪论
在目前，随着计算机技术的极速发展，也带动了单片机技术的发展，将单片机与传感器相结合逐步大众化。典型的非接触式测距方法有超声波测距、CCD探测、雷达测距、激光测距等，这些非接触式的检测技术在很多地方都得到了广泛的运用。这次设计采用超声波测距的方式是因为超声波测距可以直接测量近距离目标，具有高纵向分辨率，并且它的适用范围比较广，方向性比较强。即使是在黑暗、灰尘、电磁场的环境中，超声波传感器也基本上不受恶劣条件的影响，仍然能够及时把周围物体的距离准确地测出来，然后把结果发送给信息处理设备。现如今，超声波测距在液位测量、移动机器人定位和避障等领域已经被广泛应用。除此之外，智能小车的设计与制作也是不断发展与进步。像一些物流仓库、高尔夫跟随小车、超市购物跟随小车等等的设计。随着超声波和智能传感器合技术的逐步发展，让智能小车在特殊工况下实时准确的跟随成为可能。
1.1课题研究背景
近几年电子测量技术逐步发展，现在已经能够成功的运用超声波来精确测量距离。如今经济逐步发展，对电子测量技术的应用也有着深远影响。作为更多人选择的超声波测量，它的测量精确度较其他测量技术更高并且成本更低。超声波是一种声波，它的频率在20kHz以上。由于超声波也是属于机械波，所以要按照一般的机械波在弹性介质中的规律来传播。超声波有在介质的分界层处发生折射和反射现象的性质，并且其在进入介质被吸收后有衰减现象，因此，超声波才会被用来测量距离。除了经济发展之外，科技水平也在不断发展，这让超声波测距的技术更加科技化，更易于人们在平常生活和工作当中使用。超声波测距器除了可以用在固定物体位置的测量上，还可以用来测量液体位置。除此之外，它还可以测量建筑物体的内部位置以及液体位置所在高度。
1.2课题研究意义
超声波测距并不会受到被测量对象的颜色影响，当然也跟所在空间的光线没有多大联系。比起其他的测距仪器，超声波测距器更加卫生。在一定程度上，它更耐高温。而且在潮湿的有粉尘以及腐蚀气体的恶劣环境下，超声波测距器也不会受到多大影响。所以，它作为测量技术更加可靠。
超声波检测可以直接用来控制液体的位置距离，因为它可以对距离准确度进行在线的位置标注定位，即使是在不同的环境下。除了这样的性能，超声波检测还可以对各类液体装置的位置距离和里面的材料位置高度进行比较，从而设定它们之间的距离差值并且直接显示。常用超声波检测的另一个原因就是它更容易实现同步及时的控制，更因为它方便又迅速并且计算起来还简单，所以其能够达到工业实用对测量精准度的要求。从上面所述的种种，我们不难看出超声波测距系统有太多太多的优点。因此，在现如今科技飞速发展的时代，我们可以把超声波测距系统更广泛具体的用在汽车的行驶与防撞上。基于此方面，对于本次设计，我们在超声波测距的基础上设计了跟随小车。
第二章 超声波测距电路介绍
2.1超声波传感器介绍
超声波是机械波的一种，它的频率高于20KHz。想要把超声波作为检测技术手段的条件就是一定要能产生超声波和接收超声波。我们把能完成这种功能的装置称为超声波传感器,习惯上叫做超声波探头或超声波换能器。现在，电声型和流体动力型两类超声波传感器被大众所广泛运用。电声型的超声波传感器主要包括压电传感器、静电传感器以及磁致伸缩传感器，而气体和液体这两种类型的哨笛属于流体动力型。超声波传感器的结构形式丰富多样，不仅仅是因为它的工作频率不同，还有它的应用目的也有所差距。更重要的是，它们还有各自的名称，这也是不一样的。举一个简单的例子，当超声波传感器被称为探头时，那它应该是用于检测和诊断中了。而如果当它被叫做“哨”或者“笛”，那么则是被用在工业实业中了。
在这一次的设计中，我们所采用的是压电传感器。由上一节所述可知，压电传感器电声型的一种。它的主要组成结构包括压接头、电晶片、楔块。作为最常用的可以实现声能和电能互相转换的传感器件，压电传感器是超声波检测装置中的重要组成部分。压电材料有两类（压电陶瓷、晶体）。这种材料能够做成超声波传感器是因为它独有的特性。首先，这种材料会发生一定的应变如果将其置于电场中。但是对这种材料施加外力的话，它会在内部产生一定方向的电场，因为它要产生一定的应变。所以，如果想要这种材料产生超声振动，那么就要给它加上交变电场。这样的话它就会有交变的应变，做到这些，超声波传感器被做成功就不难了。
超声波传感器包含有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可以有发送和接收声波的两种作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和声能进行相互转化,即在发射超声波的时候,先将电能转换化为超声波,再发射超声波。而在其收到回波时,则将超声振动转换成电信号。
2.1.1超声波发射模块原理简介
超声波的发射模块的功率要尽量大，因为其用超声波测距的距离是远还是近通常跟超声波发射的功率和它接收的灵敏度有关。这样做的原理是提高它的信噪比。超声波测距器的发射头的功率与它的驱动电压成正比例关系。因为发射头工作是电压驱动之一，它属于是压电陶瓷换能。要想发射头能正常工作的话，必须要采用升压比比例为1：20的变压器来升压。除此之外，发射头所需的信号与一般的MCU所产生的驱动信号不一样。发射头要的是正弦波，而一般的MCU是方波。所以，为了得到正弦波，我们可以把变压器和发射头进行匹配，然后再用谐振原理。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2课题研究意义 1
第二章 超声波测距电路介绍 3
2.1超声波传感器介绍 3
2.1.1超声波发射模块原理简介 3
2.1.2超声波接收模块原理简介 4
2.2超声波发生器介绍 6
2.3超声波测距的基本原理 6
第三章 智能小车的运动控制介绍 8
3.1定位设计 8
3.1.1定位套件原理简介 8
3.2跟随功能 9
3.3误差分析 9
3.3.1误差来源 9
第四章 硬件电路设计 10
4.1控制器 10
4.2超声波测距模块 12
4.3温度补偿模块 13
4.4超声波测距报警模块 14
4.5小车驱动模块 15
第五章 软件设计 18
5.1程序设计方案 18
5.1.1超声波测距程序设计方案 18
5.1.2超声波数据采集电路软件流程 18
5.2 控制电路程序设计 19
5.2.1小车驱动程序设计
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
19
5.2.2控制电路程序流程 20
结束语 21
致 谢 22
参考文献 23
附录A：测距程序 24
第一章 绪论
在目前，随着计算机技术的极速发展，也带动了单片机技术的发展，将单片机与传感器相结合逐步大众化。典型的非接触式测距方法有超声波测距、CCD探测、雷达测距、激光测距等，这些非接触式的检测技术在很多地方都得到了广泛的运用。这次设计采用超声波测距的方式是因为超声波测距可以直接测量近距离目标，具有高纵向分辨率，并且它的适用范围比较广，方向性比较强。即使是在黑暗、灰尘、电磁场的环境中，超声波传感器也基本上不受恶劣条件的影响，仍然能够及时把周围物体的距离准确地测出来，然后把结果发送给信息处理设备。现如今，超声波测距在液位测量、移动机器人定位和避障等领域已经被广泛应用。除此之外，智能小车的设计与制作也是不断发展与进步。像一些物流仓库、高尔夫跟随小车、超市购物跟随小车等等的设计。随着超声波和智能传感器合技术的逐步发展，让智能小车在特殊工况下实时准确的跟随成为可能。
1.1课题研究背景
近几年电子测量技术逐步发展，现在已经能够成功的运用超声波来精确测量距离。如今经济逐步发展，对电子测量技术的应用也有着深远影响。作为更多人选择的超声波测量，它的测量精确度较其他测量技术更高并且成本更低。超声波是一种声波，它的频率在20kHz以上。由于超声波也是属于机械波，所以要按照一般的机械波在弹性介质中的规律来传播。超声波有在介质的分界层处发生折射和反射现象的性质，并且其在进入介质被吸收后有衰减现象，因此，超声波才会被用来测量距离。除了经济发展之外，科技水平也在不断发展，这让超声波测距的技术更加科技化，更易于人们在平常生活和工作当中使用。超声波测距器除了可以用在固定物体位置的测量上，还可以用来测量液体位置。除此之外，它还可以测量建筑物体的内部位置以及液体位置所在高度。
1.2课题研究意义
超声波测距并不会受到被测量对象的颜色影响，当然也跟所在空间的光线没有多大联系。比起其他的测距仪器，超声波测距器更加卫生。在一定程度上，它更耐高温。而且在潮湿的有粉尘以及腐蚀气体的恶劣环境下，超声波测距器也不会受到多大影响。所以，它作为测量技术更加可靠。
超声波检测可以直接用来控制液体的位置距离，因为它可以对距离准确度进行在线的位置标注定位，即使是在不同的环境下。除了这样的性能，超声波检测还可以对各类液体装置的位置距离和里面的材料位置高度进行比较，从而设定它们之间的距离差值并且直接显示。常用超声波检测的另一个原因就是它更容易实现同步及时的控制，更因为它方便又迅速并且计算起来还简单，所以其能够达到工业实用对测量精准度的要求。从上面所述的种种，我们不难看出超声波测距系统有太多太多的优点。因此，在现如今科技飞速发展的时代，我们可以把超声波测距系统更广泛具体的用在汽车的行驶与防撞上。基于此方面，对于本次设计，我们在超声波测距的基础上设计了跟随小车。
第二章 超声波测距电路介绍
2.1超声波传感器介绍
超声波是机械波的一种，它的频率高于20KHz。想要把超声波作为检测技术手段的条件就是一定要能产生超声波和接收超声波。我们把能完成这种功能的装置称为超声波传感器,习惯上叫做超声波探头或超声波换能器。现在，电声型和流体动力型两类超声波传感器被大众所广泛运用。电声型的超声波传感器主要包括压电传感器、静电传感器以及磁致伸缩传感器，而气体和液体这两种类型的哨笛属于流体动力型。超声波传感器的结构形式丰富多样，不仅仅是因为它的工作频率不同，还有它的应用目的也有所差距。更重要的是，它们还有各自的名称，这也是不一样的。举一个简单的例子，当超声波传感器被称为探头时，那它应该是用于检测和诊断中了。而如果当它被叫做“哨”或者“笛”，那么则是被用在工业实业中了。
在这一次的设计中，我们所采用的是压电传感器。由上一节所述可知，压电传感器电声型的一种。它的主要组成结构包括压接头、电晶片、楔块。作为最常用的可以实现声能和电能互相转换的传感器件，压电传感器是超声波检测装置中的重要组成部分。压电材料有两类（压电陶瓷、晶体）。这种材料能够做成超声波传感器是因为它独有的特性。首先，这种材料会发生一定的应变如果将其置于电场中。但是对这种材料施加外力的话，它会在内部产生一定方向的电场，因为它要产生一定的应变。所以，如果想要这种材料产生超声振动，那么就要给它加上交变电场。这样的话它就会有交变的应变，做到这些，超声波传感器被做成功就不难了。
超声波传感器包含有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可以有发送和接收声波的两种作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和声能进行相互转化,即在发射超声波的时候,先将电能转换化为超声波,再发射超声波。而在其收到回波时,则将超声振动转换成电信号。
2.1.1超声波发射模块原理简介
超声波的发射模块的功率要尽量大，因为其用超声波测距的距离是远还是近通常跟超声波发射的功率和它接收的灵敏度有关。这样做的原理是提高它的信噪比。超声波测距器的发射头的功率与它的驱动电压成正比例关系。因为发射头工作是电压驱动之一，它属于是压电陶瓷换能。要想发射头能正常工作的话，必须要采用升压比比例为1：20的变压器来升压。除此之外，发射头所需的信号与一般的MCU所产生的驱动信号不一样。发射头要的是正弦波，而一般的MCU是方波。所以，为了得到正弦波，我们可以把变压器和发射头进行匹配，然后再用谐振原理。
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