超聲波防撞測速及避障儀設計及實現

蘇秋美 劉亞榮

摘? 要：目前，我國自動化技術正處于不斷創新與發展階段，超聲波技術隨之被廣泛應用于各個領域，解決了很多技術難題，同時將各行業推向智能化發展，為社會經濟發展做出了重大貢獻。文章利用超聲波技術，實現小車的智能測距、測速及避障，并通過紅外尋跡模塊完成小車的自主尋跡。與傳統智能避障系統相比，僅單獨使用超聲波模塊就能夠同時實現測速和避障功能，避免了器件浪費，具有經濟實用等優點。

關鍵詞：超聲波;智能避障;自主尋跡

中圖分類號：TP368.1 文獻標志碼：A 文章編號：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

在社會發展進程中，制造技術的迅速發展，給人們的生活帶來了極大的便利[1]，實現全面智能化，是人們的夢想，也是今后的發展方向。智能小車作為智能化發展的一個方向，在多個領域得到應用，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單片機作為控制系統，通過超聲波模塊發射和接收超聲波信號，實現小車和障礙物之間的實時測距及避障功能;同時，采用紅外尋跡模塊實現小車的自主尋跡功能[4]，滿足一定領域的需求。

1 超聲波防撞測速及避障儀設計

本文所設計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、報警模塊、按鍵控制、電機驅動、直流電機和電源模塊組成。

其工作原理為：51單片機給超聲波模塊的發射端一個持續10us的高電平，超聲波模塊開始發射超聲波，同時51單片機計時器開始計時;當發射出去的超聲波遇到障礙物時，就會被反射回來，超聲波模塊接收端接收反射信號，并將信號發送給單片機，單片機檢測到超聲波模塊接收端的反饋信號時，就停止計時。根據聲速，便可以計算出小車與障礙物之間的距離。通過不同時刻小車與障礙物之間的距離差和測距所用的時間差，就可以計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實時顯示。

按鍵控制模塊可以設置障礙物與小車之間的最小安全距離值。當單片機檢測到小車與障礙物之間的距離等于或小于所設置的最小安全距離值時，報警模塊發出蜂鳴報警;通過單片機改變電機驅動的輸入信號來控制直流電機，實現小車后退、轉彎，從而使小車避開障礙物。

此外，當紅外尋跡模塊檢測到黑線時，也可以通過單片機改變電機驅動的輸入信號來控制直流電機，對小車的運動方向進行一定角度的調整，從而實現小車的自主尋跡功能。

2 硬件電路設計

2.1 單片機最小系統電路設計

單片機最小系統是整個系統的控制中心，主要由時鐘電路和復位電路組成[6]。（如圖1）

時鐘電路主要由2MHz的石英晶振和兩個20pF的瓷片電容組成，為單片機內部電路提供所需要的時鐘信號。

復位電路的主要功能是對整個系統進行復位，使單片機重新開始工作。主要由極性電容、按鍵和電阻組成。

2.2 LCD顯示電路設計

LCD顯示主要實現實時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構成。

LCD1602是應用廣泛的字符型液晶顯示模塊。其中，DB0-DB7是8位雙向數據傳輸引腳，可用來進行數據傳輸。VO是顯示對比調整端，可通過改變與其連接的電阻R2的阻值調整顯示屏顯示對比度。RS是寄存器選擇端，當單片機給其一個高電平時，選擇數據寄存器;當單片機給其一個低電平時，選擇指令寄存器。RW是讀寫信號端，當單片機給其一個高電平時，執行讀操作;當單片機給其一個低電平時，執行寫操作。E是使能端，當其由高電平變為低電平時，LCD1602就開始執行命令。

2.3 電機驅動電路設計

電機驅動的主要功能是結合單片機對直流電機進行控制，從而改變小車的運動狀態，主要由L298N驅動芯片和二極管組成。

當單片機給L298N驅動芯片的使能端INA和INB一個高電平后，就能夠通過改變IN1-IN4的輸入信號來控制直流電機的轉向，從而控制小車前進、后退、左轉和右轉[7]。

2.4 超聲波模塊電路設計

超聲波模塊的主要功能是發射和接收超聲波信號，采用HC-SR04超聲波測距模塊實現。當單片機給超聲波模塊的發射端TRIG端一個持續10us的高電平，超聲波模塊就發射超聲波，發射出去的超聲波遇到障礙物后會被反射回來，超聲波模塊ECHO端接收反射回來的超聲波信號，并做出響應，將接收到的超聲波信號進行放大，然后發送給單片機，讓單片機做出處理[8]。

2.5 紅外尋跡模塊電路設計

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

當紅外尋跡模塊的左端探測器檢測到黑色軌跡時，其發射出的紅外光被黑色軌跡吸收，此時LO端則輸出高電平;若檢測到的是白色地面，則其發射出的紅外光被反射，LO端輸出低電平。RO端輸出信號同理。單片機根據紅外尋跡模塊LO和RO端的輸出信號，就可以判斷出小車的運動軌跡[9]。

2.6 電源模塊電路設計

電源模塊的主要功能是為整個系統提供穩定的工作電壓。其具體電路主要由六節干電池、7805穩壓管、電容、發光二極管和電阻組成。

六節干電池提供9V電源電壓，給電機驅動模塊供電;經過7805穩壓管穩壓后得到5V電壓，給系統中其他模塊的電路供電。電容起到濾波的作用，使穩壓后的電壓能夠穩定輸出。電阻起到限流保護電路的作用。發光二極管作為電源指示燈。

2.7 報警電路設計

報警電路的主要作用是實現報警功能，主要由三極管和蜂鳴器組成。

當小車與障礙物之間的距離等于或小于最小安全距離值時，單片機給三極管的基極一個低電平，使三級管導通，蜂鳴器發出聲音報警。

2.8 按鍵控制電路設計

按鍵控制電路主要用來設置小車與障礙物之間的最小安全距離值。當按下K1時，屏幕跳轉到設置界面;然后按下K2，對設定值進行增加;按下K3，對設定值進行減少。

3 軟件設計

采用Keil仿真軟件進行編程對控制中心進行控制，實現測速及避障功能。

3.1 LCD顯示流程設計

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，同時檢測按鍵K1是否按下，如果K1按下，則顯示屏跳轉到最小安全距離值設置界面，如果K1沒有按下，則繼續執行程序。

3.2 按鍵控制流程設計

按鍵控制程序流程設計為：首先進行系統初始化，定義靜止為小車的初始狀態。當程序執行紅外尋跡程序后，檢測按鍵K1是否按下，如果K1按下，則顯示屏跳轉到最小安全距離值設置界面，接著，若按下K2則對設定值進行增加;按下K3則對設定值進行減少。如果K1沒有按下，則程序返回執行紅外尋跡程序。

3.3 紅外尋跡流程設計

紅外尋跡流程設計為：首先進行系統初始化，定義靜止為小車的初始狀態。然后單片機根據與其連接的紅外尋跡模塊的輸出端口的輸出信號，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對小車的運動狀態進行調整，如果紅外尋跡模塊左端探測器沒有檢測到黑線，則通過單片機控制小車向右轉一定角度，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，則控制小車根據黑線的軌跡運行。若紅外尋跡模塊沒有檢測到黑線，則小車繼續前進。

3.4 系統主程序流程設計

主程序流程設計為：首先對系統進行初始化，定義靜止小車的初始狀態為靜止狀態。當執行紅外尋跡程序后，超聲波模塊開始發射和接收超聲波信號，同時單片機獲取超聲波模塊發射超聲波到接收反射信號所用的時間，利用時間、距離和速度之間的關系計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，并將數據顯示到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顯示屏跳轉到最小安全距離值設置界面，可對最小安全距離值S進行設置，設置完最小安全距離值S后，程序繼續執行紅外尋跡程序，在小車進行紅外尋跡的過程中，持續比較小車與障礙物之間的實際距離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，則蜂鳴器報警，同時小車自主避開障礙物。

4 結束語

本文所設計測速避障系統以單片機為控制中心，采用超聲波實現了避障和測速，同時完成了自主尋跡功能，具有簡單、經濟實用等優點。實物如圖2所示。

參考文獻：

[1]李楠，鄧媞，陳曉玲.工業機器人技術在自動化控制領域中的應用[J].中國新技術新產品，2019，9（15）：5-6.

[2]李德毅，馬楠.智能時代新工科-人工智能推動教育改革的實踐[J].高等工程教育研究，2017，3（05）：8-12.

[3]張崇峰，韓亮亮.面向載人月球探測任務的月面機器人系統初探[J].載人航天，2019，25（05）：561-571.

[4]周瑋，高琳琳，姚建紅，等.基于單片機的智能小車防撞系統設計[J].常熟理工學院學報，2019，33（05）：85-89.

[5]戶晉文.基于視覺融合的車輛與行人目標檢測及測距方法研究[D].華南理工大學，2018.

[6]顧志華，戈惠梅，徐曉慧，等.基于多傳感器的智能小車避障系統設計[J].南京師范大學學報（工程技術版），2014，10（01）：1-19.

[7]呂丹丹.適用于小型智能車的行駛路況評價及自主避障控制研究[D].北京交通大學，2016.

[8]顧明星，張皓，陳海洋，等.基于無線射頻和超聲波的室內定位裝置[J].北京印刷學院學報，2019，27（10）：113-117.

[9]王鑫，趙文鑫.人工智能技術在機械電子工程領域的應用[J].電子技術與軟件工程，2019，5（06）：15-23.