《单片机应用系统》项目设计报告
ECHO脚反馈给单片机，此时单片机就立即停止计时。时序图如图1所示。由于超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离，即：S=VT/2，通过单片机来算出距离。 图3.1：超声波测距原理
（2）超声波障碍检测
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，结合不同的电路，可以制成超声波仪器及装置，在通讯、医疗及家电中获得广泛应用。
作为超声波传感器的材料，主要为压电晶体。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，故它分为发送器和接收器。超声波传感器有透射型、反射型两种类型，常用于防盗报警器、接近开关、测距及材料探伤、测厚等。
本设计采用T/R-40-12小型超声波传感器作为探测前方障碍物体的检测元件，其中心频率为40Hz，由80C51发出的40KHz脉冲信号驱动超声波传感器发送器发出40KHz的脉冲超声波，如电动车前方遇到有障碍物时，此超声波信号被障碍物反射回来，由接收器接收，经LM318两级放大，再经带有锁相环的音频解码芯片LM567解码，当LM567的输入信号大于25mV时，输出端由高电平变为低电平，送80C51单片机处理。超声波检测如图3.2超声波检测电路所示。
- 7 -
《单片机应用系统》项目设计报告
图 3.2 超声波检测电路
3.4、显示模块：
方案一：用LCD显示。
优点：辐射小、显示内容多 、低耗能、散热小、显示的画面稳定不闪烁。缺点：不适合做图，图像还原不好、有可视范围限制 。
方案二：用LED显示。
优点：亮度高、成本低，缺点：不能显示汉字，显示内容较少。 对于本课题的要求，我们选择LED就可以实现功能了，程序简单，成 本低。
数码管显示原理：
数码管有一位、双位、四位等几种。而不管将几位数码管连在一起，数码管和显示原理都是一样的，都是靠点亮内部的发光二极管来发光。数码管的内部电路结构如下页图所示：从（a）可看出，一位数码管的引脚数是10个，显示一个8字需要7个小段，另外还有一个小数点，所以其内部一共有8个小的发光二极管，最后还有一个公共端，生产商为了封装统一，单位数码管都封装10个引脚。而它们的公共端又分为共阳极和共阴极。上页图的（b）和（c）分别为共阳极和共阴极数码管的原理图。
本小车的数码管采用的是3位共阴极数码管。所谓“共阴”就是指其内部的8个发光二极管的阴极全部接在一起，而它们的；阳极是独立的，通常在设计电路时一般把阴极接地，当我们给数码管的任一个阴极加高电平时，对应的那个发光二极管就点亮了。
当使用多位一体数码管时，它们内部的公共端是独立的，而负责显示什么数字的段线全部都是连在一起的，独立的公共端可以控制多位数码管中哪一位点亮。通常我们把公共端叫做“位选线”，连在一起的段线叫做“段选线”。
- 8 -
《单片机应用系统》项目设计报告
图3.2：数码管内部原理
3.3、数码管驱动模块；
方案一：采用ULN2003驱动，它是由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成,具有同时驱动7组负载的能力，一般用于高速大功率驱动电路。所以我们不采用这个方案。
方案二：采用由双极性管组成的H桥电路（L298N）。用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，则效率非常高；H桥电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制，电子开关的速度很快，稳定性也很高。而且它有更强的驱动能力。L298N有过电流保护功能，当出现电机卡死时，可以保护电路和电机等。
L298N有过电流保护功能，当出现电机卡死时，可以保护电路和电机 等。所以我们选择L298N。
3.4、驱动模块：
- 9 -
《单片机应用系统》项目设计报告
图3.3：L298内部原理图 4个电力晶体管的基极驱动电压分为两组。VT1和VT4同时导通和关断，其驱动电路中Ub1=Ub4；VT2和VT3同时动作，其驱动电压Ub2=Ub3= -Ub1。
双极式PWM变换器的优点如下： （1）电流一定连续；
（2）可使电动机在四象限中运行；
（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；
（4）低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通； （5）低速平稳性好，调速范围可达20000左右。
3.4.1、脉宽调制原理：
脉宽调制器本身是一个由运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器。运算放大器工作在开换状态，稍微有一点输入信号就可使其输出电压达到饱和值，当输入电压极性改变时，输出电压就在正、负饱和值之间变化，这样就完成了把连续电压变成脉冲电压的转换作用。加在运算放大器反相输入端上的有三个输入信号。一个输入信号是锯齿波调制信号，另一个是控制电压，其极性大小可随时
- 10 -
《单片机应用系统》项目设计报告
改变，与锯齿波调制信号相减，从而在运算放大器的输出端得到周期不变、脉宽可变的调制输出电压。只要改变控制电压的极性,也就改变了PWM变换器输出平均电压的极性,因而改变了电动机的转向.改变控制电压的大小,则调节了输出脉冲电压的宽度,从而调节电动机的转速.只要锯齿波的线性度足够好,输出脉冲的宽度是和控制电压的大小成正比的.
3.4.2、逻辑延时环节：
在可逆PWM变换器中,跨接在电源两端的上下两个晶体管经常交替工作.由晶体管的关断过程中有一段存储时间和电流下降时间,总称关断时间,在这段时间内晶体管并未完全关断.如果在此期间另一个晶体管已经导通,则将造成上下两管之通,从而使电源正负极短路.为避免发生这种情况,设置了由RC电路构成的延时环节.
3.4.3、电源的设计；
本设计的电源为车载电源。为保证电源工作可靠，单片机系统与动力伺服系统的电源采用了大功率、大容量的蓄电池；而传感器的工作电源则采用了小巧轻便的干电池。
3.5、速度自控模块
此模块的功能是通过软件pwm自行输入一个速度后，小车就会按照输入的速度进行直线前进，直到遇到障碍物。
通过软件pwm信号的来输入设定速度，小车就会按照此速度前进，在超声波测距测量障碍物，软件根据障碍物的不同距离来控制pwm信号，在障碍物大于40cm pwm信号自减，小于30cm pwm信号自增，单片机pwm信号输出经光电耦合输出取反，之后控制驱动模块，驱动直流电机。
Pwm 信号在软件中设置限制，以防止在pwm信号在自增或自减的情况下出现负值或大于一百，软件设置如下；
if (ZK1>=100) ZK1=12;
if (ZK1<=0) ZK1=12; if (ZK2>=100) ZK2=12; if (ZK2<=0) ZK2=12;
在pwm信号超出设置的数值，自动设置数值；
- 11 -