位置跟隨系統(tǒng)

1、中文摘要本文設(shè)計的是超聲波測距模塊和隨動系統(tǒng)模塊。本系統(tǒng)設(shè)計可分為超聲波收發(fā)模塊、電機驅(qū)動模塊和LCD1602顯示模塊。系統(tǒng)運行時，先由ATmega16單片機控制超聲波模塊發(fā)射超聲波信號，同時通過單片機內(nèi)部定時器定時，測量超聲波信號從發(fā)送到遇到障礙物然后返回所需要的時間，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，最后由電機驅(qū)動電路驅(qū)動電機，保持本系統(tǒng)與障礙物的距離為一定值，從而實現(xiàn)隨動功能。經(jīng)過試驗電路和程序的調(diào)試和運轉(zhuǎn),證明出超聲波測距模塊和隨動系統(tǒng)模塊都具有硬件布局簡易,操縱便捷,有很好的抗干擾性的優(yōu)點。超聲波測距模塊能夠準(zhǔn)確衡量和障礙物之間的距離。主要由U

2、LN2003步進電機，28BYJ48構(gòu)成的隨動系統(tǒng)，也能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)步進電機運行時，被控制量能夠準(zhǔn)確進行跟蹤并且能夠無誤地跟隨來復(fù)現(xiàn)給定量。關(guān)鍵字：超聲波測距；ATmega16單片機；LCD1602顯示器；ULN2003步進電機；28BYJ48AbstractThis design includes ultrasonic ranging module and servo module. This system can be divided into ultrasonic transceiver module, motor driver module and LCD1602 display modu

3、le. The system is running like this: ATmega16 single chip microcomputer control ultrasonic module, and make the ultrasonic module launch ultrasonic signal, at the same time ,the Timer calculate the time of ultrasonic signals, which is from out to come back , finally the system calculate the distance

4、 which is between ultrasonic system and obstacles. The data would be displayed by the LCD1602 display, and then the circuit drive motor, besides keeping the distance between this system and the obstacle fixed, so as to realize the function of servo. After debugging and running, the program can prove

5、 that the ultrasonic ranging module and servo module is simple, convenient and antiinterference strong. Ultrasonic ranging module can accurately measure the distance between ultrasonic system and obstacles. The servo system made up of ULN2003 stepper motor, and 28 BYJ 48 can achieve the function tha

6、t the variable can accurately track and follow known quantity when the step motor is running.Key words: ultrasonic ranging；ATmega16 Microcontroller；LCD1602 display； ULN2003 stepper motor ；28 BYJ 48 目 錄第1章 前言11.1 設(shè)計的背景及意義11.2 本設(shè)計所做的工作2第2章 超聲波測距模塊和隨動系統(tǒng)模塊的系統(tǒng)設(shè)計32.1 超聲波測距系統(tǒng)測距方案的比較與選擇32.2 超聲波測距的原理32.3 步進電

7、機的工作原理52.3.1 結(jié)構(gòu)及基本原理52.3.2 兩相電機的步進順序52.4 常見的步進電機控制方案82.4.1 基于電子電路的控制82.4.2 基于PLC的控制92.4.3 基于單片機的控制92.5 步進電機驅(qū)動技術(shù)92.6 液晶顯示簡要介紹102.6.1 液晶顯示的原理102.6.2 液晶顯示器的分類102.7 超聲波測距模塊的方案設(shè)計12第3章 超聲波測距模塊和隨動系統(tǒng)模塊的硬件設(shè)計133.1 單片機外圍電路設(shè)計133.1.1 單片機設(shè)計方案比較133.1.2 ATmega16單片機的特點133.2 超聲波發(fā)射電路設(shè)計143.3 超聲波接收電路設(shè)計173.4 ULN2003183.5

8、 28BYJ-48型步進電機19第4章 軟件設(shè)計與系統(tǒng)調(diào)試214.1 軟件程序及流程圖214.1.1 主程序流程圖214.1.2 發(fā)射程序與接收流程圖214.1.3 距離計算與顯示子程序224.2 系統(tǒng)調(diào)試23結(jié)論參考文獻致謝15第1章 前言1.1 設(shè)計的背景及意義盡管測量距離有很多方法,如激光測距,微波測距、紅外測距和超聲波測距等等。但是超聲波的指向性強度，高頻率，線性的傳播和反射能力強；能源消耗低,容易控制等優(yōu)點,在反射、定位和檢測測量中被廣泛使用。超聲波測量距離時，方向性強、傳輸距離長、受環(huán)境影響較少，布局簡易、體積小、信號處理牢靠、成本低。所以在智能汽車試驗中，利用超聲波測量距離是一種

9、更好的方式。超聲波距離測量是基于生存原則的時候不生物防御和捕獲獵物的視覺能力，通過一個障礙物反射回的時間間隔和超聲波的強度來判斷障礙物的屬性和位置的一種方法。定子和轉(zhuǎn)子是組成步進電機的重要部分，他們能高精度的控制旋轉(zhuǎn)速度和精度。電流流過定子的時候，定子就會產(chǎn)生相應(yīng)的磁場。該磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在定子磁場的旋轉(zhuǎn)角度的磁場方向的轉(zhuǎn)子磁場定向的1。由于步進電機有很多突出優(yōu)點使其成為機電一體化產(chǎn)品，且很大程度地運用在很多自動化的控制系統(tǒng)中。這幾年來因為微機的迅速發(fā)展變化， 對步進電機的控制帶來很大的變化。步進電機應(yīng)用于很多電子計算機設(shè)備中，步進電機也在軍事裝備、通信和雷達設(shè)備、攝像系統(tǒng),光電裝置、控制閥

10、、數(shù)控機床、電子時鐘、醫(yī)療設(shè)備和自動繪圖機,數(shù)字控制系統(tǒng), 過程控制系統(tǒng)和大量的航空航天工業(yè)系統(tǒng)2。因此，研究步進電機控制顯得尤為重要。步進電機的控制，以達到良好的控制性能。之前的步進電機調(diào)試安裝相當(dāng)繁瑣，不只是需要很多的元件而且一旦定型后，要重新設(shè)計系統(tǒng)才能更改控制計劃，從而不利于系統(tǒng)升級改進。因此，微型單片機控制步進電機已成為不可避免的趨勢,也能滿足數(shù)字時代發(fā)展的要求。根據(jù)當(dāng)前驅(qū)動器解決方案和報告的匯編語言和C語言軟件開發(fā),通過串行或并行的PC和步進電機控制器,最后就完成PC機直接控制步進電機3。隨著機器人技術(shù)在誕生后僅僅幾年的快速發(fā)展,其應(yīng)用范圍正逐漸從工業(yè)生產(chǎn)到人們的生活。如此廣泛的應(yīng)

11、用，使了解機器人進而改變?nèi)藗兊纳钭兊糜葹橹匾?。超聲波主要用于倒車?yán)走_，測距儀，液位計，移動機器人，建筑工地和一些行業(yè)，如：距離，水平，井深，管道長度，速度等4。超聲波的應(yīng)用隨著社會的發(fā)展，越來越被廣泛到各個領(lǐng)域。我國對超聲波有很大范圍的研究，但是對新型超聲波的研究和應(yīng)用，我國就顯得沒有世界上其他國家研究的全面，但是很多在電子業(yè)的創(chuàng)新科技人才也帶領(lǐng)我國在新型超聲波的領(lǐng)域也取得了一定的成就。超聲波是非接觸式的測量方法。它的很多優(yōu)點，比如價格低廉，信號穩(wěn)定，受天氣影響小等等，使很多人認為它在未來生活中有很好的發(fā)展前景，必定將來有很廣闊的市場。近年來，我國在步進電機上的快速發(fā)展，吸引了很多國外企業(yè)的

12、大量涌入。在我國，他們看到了可以發(fā)展步進電機的廣闊市場，同時有大量的廉價勞動力。步進電機由于它本身有很多的優(yōu)點，比如設(shè)置體型小，安全，廉價，使它在很多領(lǐng)域有很廣闊的前景。盡管從歷史的角度，電機已經(jīng)早已進入工業(yè)生產(chǎn)，進入我們的生活，但是由于它的不斷改進，性能和效率的大幅度提高。國內(nèi)外很多大小中型企業(yè)把目光集中在步進電機上。近年來步進電機的發(fā)展在很多領(lǐng)域可以說是相當(dāng)活躍。步進電機的一個很重要的應(yīng)用是在芯片上，由于使用芯片，使步進電機的體型變小，性能增強。在對步進電機的轉(zhuǎn)動控制中，我們尋求一種適合的升降曲線來描述，但是在數(shù)學(xué)上很難描述出來，所以我們借助微型計算機的編程和調(diào)試下，能夠描繪出大致的曲線圖

13、，所以這就促成了微機和步進電機相結(jié)合的工作方式，從而進一步加大了步進電機的應(yīng)用領(lǐng)域。1.2 本設(shè)計所做的工作這個設(shè)計是基于ATmega16單片機為核心的超聲波測距系統(tǒng)，使用單片機控制超聲波傳輸電路產(chǎn)生方波，利用發(fā)射波和回波的時間差，通過定時計數(shù)器，計算并顯示測量距離。所得數(shù)據(jù)由LCD1602顯示器顯示，最后由電機驅(qū)動電路驅(qū)動電機，保持本系統(tǒng)與障礙物的距離為一定值，從而實現(xiàn)隨動功能。經(jīng)過試驗電路和程序的調(diào)試和運轉(zhuǎn),證明出超聲波測距模塊和隨動系統(tǒng)模塊都具有硬件布局簡易,操縱便捷,有很好的抗干擾性的優(yōu)點。超聲波測距模塊能夠準(zhǔn)確衡量和障礙物之間的距離。主要由ULN2003步進電機，28BYJ48構(gòu)成的

14、隨動系統(tǒng)，也能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)步進電機運行時，被控制量能夠準(zhǔn)確進行跟蹤并且能夠無誤地跟隨來復(fù)現(xiàn)給定量。第2章 超聲波測距模塊和隨動系統(tǒng)模塊的系統(tǒng)設(shè)計超聲波測距利用超聲波的傳播時間使用計算距離，超聲波遇到障礙物，時間差測量在發(fā)射超聲波測距的關(guān)鍵，所以超聲波測距需要做發(fā)射、接收、計時、顯示等工作。為了使協(xié)調(diào)這些模塊完成測量工作，有一個相對完善的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計需要。2.1 超聲波測距系統(tǒng)測距方案的比較與選擇由于自動化在工業(yè)上的大幅利用，測距問題越來越重要。一般運用的方式是紅外線測量距離距，激光測量距距，雷達測量距離和超聲波測量距離。紅外線安全，但測量范圍窄，如果成本高精度會更高；激光測距速度快、精度高

15、、范圍大，光學(xué)、電子干擾抵抗強，但生產(chǎn)要求高難度且高成本，以及光學(xué)系統(tǒng)需要保持清潔，不然會影響測量 5。相比于以上的測距方法，超聲測距有如下特點：(1)超聲波不敏感于光線和色彩，能夠用它識別透明或者是漫反射性較差的物體(比如玻璃、拋光體)，也能夠在黑暗,灰塵或者是煙霧中應(yīng)用。(2)超聲波對電磁場和其他電磁干擾不敏感,可用于強電磁干擾,有毒、有害等惡劣環(huán)境中。(3)超聲波傳感器布局簡易、體積較小、技術(shù)要求簡單、信息處理可靠性高、成本較低，便于小型化或者集成化6。當(dāng)然，超聲波測距有一些缺點，比如會受到溫度、氣流、材料等的影響。綜合本論文的設(shè)計目的，我覺得最符合要求的是超聲波測距。2.2 超聲波測距

16、的原理當(dāng)超聲波發(fā)生器的兩個極外面所加的脈沖信號，如果產(chǎn)生共振，然后啟動共振片產(chǎn)生振動，從而生成超聲波。超聲波測距有如下方式:測試輸出脈沖寬度，也就是說，超聲波發(fā)射和回波的時間差,測距的原理圖如下圖21所示，距離的公式為s= ct / 2，（c是聲速）。經(jīng)過測試發(fā)射和接受設(shè)備之間間隔h，采用直角三角形的求法可得。由于sh，那么ds，d=s= ct/2。測試電路使用的就是此方法7。圖21 測距原理圖在室溫下的空氣中，超聲波的傳播速度為334米/秒，但其速度v是暴露在空氣中，溫度，壓力等因素的影響，其中受溫度的影響，如溫度每上升1，聲速增加約0.6米/秒8。聲速和溫度之間的關(guān)系如表2 1所示。在測距

17、精度要求非常高的時候，應(yīng)該基于溫度補償方法對傳播速度加以校正。當(dāng)時環(huán)境的溫度為T，超聲波的速度V的近似計算的公式（21）為： V=331.5+0.607T （21）表21 聲速與溫度關(guān)系表溫度（）302010010203040聲音的速度（米/秒）3133193253323383443503562.3 步進電機的工作原理2.3.1 結(jié)構(gòu)及基本原理控制電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)即以固定的規(guī)則控制住定子繞組的電流進而生成旋轉(zhuǎn)的磁場。根據(jù)脈沖電壓的分布，各相繞組電流的電機開關(guān)的步驟，在提供連續(xù)的脈沖，可以一步一步的連續(xù)轉(zhuǎn)動，使電機轉(zhuǎn)動。如圖22所示。磁場對直的轉(zhuǎn)子和定子磁場定子產(chǎn)生。圖22 激勵線圈產(chǎn)生的電磁場2

18、.3.2 兩相電機的步進順序2.3.2.1 兩相電機的單相通電步進順序在圖23中，我們可以清楚地顯示在單一順序電連接在由步進電機的典型步驟。在第一步驟中，兩個相定子一通電，因為吸引力，磁場會固定在轉(zhuǎn)子位置。當(dāng)一個被關(guān)閉，B通電，轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)90度。在第三個步驟當(dāng)中，B關(guān)閉、A通電，只是極性與第1個步驟恰恰相反，這就使得轉(zhuǎn)子又一次旋轉(zhuǎn)90度。圖23 單連接電步進順序兩相電機2.3.2.2 兩相電機的雙相通電步進順序圖23顯示的步驟序列稱為“單相驅(qū)動”的步驟。更常用的方法是“雙動力”，電機通電。但是，只能轉(zhuǎn)換極性相的，如圖24所示。在第一步驟中，A相和B相的同時，用兩個相定子，由于吸引力，再加上

19、磁場力的作用，轉(zhuǎn)子固定在第一位置圖。在第二步驟中，兩個定子相關(guān)，與A和B（A與電極的第一步不是連通）和電力，由于吸引力，加上相互作用力，轉(zhuǎn)子的磁場是固定在第二位置。在第三步中，A相和B相的同時，用兩個相定子，由于吸引力，再加上磁場力的作用，轉(zhuǎn)子固定在第三位置圖。在第四步中，B相同時，相兩相定子電流，由于吸引力，再加上磁場力的作用，轉(zhuǎn)子固定在第四位置圖。按以這種方式，電機轉(zhuǎn)一周。兩相步進電機，轉(zhuǎn)子和定子相之間的直線軸。因為這兩個已通電，該方法比“單相電”的步驟，提供41.1%以上的扭矩，但輸入功率的2倍。圖24 兩相電機雙激發(fā)步驟序列2.3.2.3 步進電機的半步工作方式從圖中我們可以很容易地看

20、到半步模式是兩相電機單激勵模式和兩相電機雙電連接模式的結(jié)合。兩相步進電機工作的模式主要有兩相四拍和兩相八拍這兩種，兩相四拍工作模式如圖23和圖24，圖25是兩相八拍工作的模式。圖25 兩相電機半步步進順序2.4 常見的步進電機控制方案2.4.1 基于電子電路的控制因為驅(qū)動脈沖控制信號非常微弱，所以必須有一個功率放大器電路。步進電機驅(qū)動系統(tǒng)是由步進電機與控制電路、功率放大驅(qū)動電路構(gòu)成。此系統(tǒng)的組成如下圖26所示。圖26 基于電子電路的控制系統(tǒng)這個方案也可以開環(huán)控制，閉環(huán)控制。這個方案一般都是經(jīng)過某些規(guī)模比較大的集成電路來控制脈沖的輸出頻率和脈沖的輸出數(shù)，效力比較簡單，而且靈活性也不夠，因為如果需

21、要改變控制的方案的話，就必須要從頭開始重新設(shè)計。2.4.2 基于PLC的控制作為新的一代工業(yè)上的控制器的PLC，由于它的多功能性，實用性，完整的硬件，編程簡單，可靠性高，被廣泛應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)在各個行業(yè)。因為PLC的掃描周期通常是幾毫秒到幾十毫秒，相應(yīng)頻率只可達幾百赫茲，所以PLC工作方式的局限和它的掃描周期干擾，步進電機要想在高頻的條件下進行工作是不可能的，高速控制也是沒辦法完成的。再加上速度偏高的時候，因為要受到掃描周期的干擾，在控制精度上很大程度的降低了。2.4.3 基于單片機的控制利用單片機來操控步進電機，就完成了軟硬件結(jié)合的控制方式。因單片機的功能很大，因此還能夠設(shè)計很多外圍的電路

22、。此方案共有如下好處：(1)單片機軟件編程能夠讓復(fù)雜的控制過程完成自動和精確控制，防止失步、振蕩等影響；(2)采用軟件取代環(huán)形分配器，經(jīng)過設(shè)定單片機，采用同種電路完成多相步進電機的控制和驅(qū)動，很大程度抬高電路的靈活性9；綜上，我們選擇基于單片機的控制方案。2.5 步進電機驅(qū)動技術(shù)步進電機驅(qū)動技術(shù)一般可分為單電壓驅(qū)動技術(shù)、單電壓串電阻驅(qū)動技術(shù)、高低壓驅(qū)動技術(shù)、斬波恒流驅(qū)動技術(shù)、升頻升壓驅(qū)動技術(shù)和細分驅(qū)動技術(shù)等。單電壓驅(qū)動的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)相對來說較簡單、成本偏低；弊端就是串接電阻器會發(fā)生能量大批損耗，特別是在高頻工作時，因此它只適合用在小功率或?qū)C能指標(biāo)要求低的步進電機驅(qū)動上。高低壓驅(qū)動是電機的工作頻

23、率是多少，在高電壓電源導(dǎo)軌沿電流的斜率增加通過邊境，和低電壓用來保持在前面的繞組電流后，這是通過增加繞組電流注入增加的權(quán)力，而不是通過提高性能時恒轉(zhuǎn)矩變頻電路的改進。但使用的驅(qū)動電機，繞組電流波形的高端凹縫和低工作開始，電機的輸出轉(zhuǎn)矩下降。該驅(qū)動器在實際應(yīng)用中仍然是比較常見的。為防止高低壓電路中電流波形的下凹，提高輸出的轉(zhuǎn)矩，隨后就研制出斬波電路，并且將這種技術(shù)運用在此電路上，使繞組的電流形成鋸齒狀在額定的電流值的上下浮動，也會適當(dāng)?shù)丶佣嘟?jīng)過繞組的有效的電流，因此電機的輸出轉(zhuǎn)矩增大，并且不需要外接電阻，系統(tǒng)的功耗大大地下降，效率提高，所以恒流斬波電路大量應(yīng)用在實際生活當(dāng)中，本文是恒流斬波技術(shù)實

24、現(xiàn)傳動控制中的應(yīng)用。2.6 液晶顯示簡要介紹2.6.1 液晶顯示的原理液晶的顯示的原理其實就是使用液體物理性質(zhì)，顯示控制電壓，功率的顯示，可以顯示圖形。2.6.2 液晶顯示器的分類液晶顯示有許多的分類方法，一般可以按它的顯示方式劃分成段式液晶顯示、字符式液晶顯示、點陣式液晶顯示等。2.6.2.1 1602LCD簡單的介紹和說明點陣式的LCD是一種專門用在顯現(xiàn)字母和數(shù)字以及符號等的字符型的液晶顯示模塊，如今一般都用16*1，16*2，20*2和40*2行等模塊。通常的1602字符型液晶顯示器的實物如下圖27：圖27 1602液晶顯示器實物圖2.6.2.2 1602LCD的基本參數(shù)及引腳功能160

25、2LCD有帶背光和不帶背光這兩種形式，圖28顯示兩個不同的維度如：圖28 1602LCD的尺寸圖（1）1602LCD的主要的技術(shù)參數(shù)分別如下：顯示的容量為:16×2個字符芯片的工作電壓為:4.55.5V正常運作電流:2.0mA(5.0V)模塊的最佳的工作電壓為:5.0V字符的尺寸為:2.95×4.35(W×H)mm（2）引腳的功能說明如下：標(biāo)準(zhǔn)的無背光的14腳和帶背光的16腳是1602LCD選用的接口，每個引腳的接口由下表22所示:編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示出偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令的

26、選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負極表22 1602引腳接口2.7 超聲波測距模塊的方案設(shè)計此系統(tǒng)是由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、LCD顯示電路和串口通信等電路和相應(yīng)的軟件部分構(gòu)成的。單片機是整個體系的核心元件，它協(xié)調(diào)各部件的工作。測量開始的時候，觸發(fā)發(fā)射電路的那個控制信號是由單片機發(fā)出來的，為的是使發(fā)其射電路能夠起振，那么驅(qū)動的超聲波發(fā)射器就能發(fā)出一串的超聲波脈沖，同時單片機的計時器會啟動，并且從現(xiàn)在計時。當(dāng)這些脈沖的數(shù)量達到了被測目標(biāo)的時候，那么隨后產(chǎn)生反射，超聲波接收器會因為有空氣的傳播而接

27、收到這些信號，與此同時，計時器停止計時，如此就可以得出從發(fā)射到接收時間間隔，然后考慮到盲區(qū)，單片機經(jīng)過計算就可以得出到障礙物之間的距離10。第3章 超聲波測距模塊和隨動系統(tǒng)模塊的硬件設(shè)計3.1 單片機外圍電路設(shè)計3.1.1 單片機設(shè)計方案比較超聲波測距系統(tǒng)需要計算超聲波的傳播時間、傳播距離、溫度補償、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。單片機的選取有很多方案，比方AVR單片機、TI公司單片機、STC單片機、PIC單片機甚至是51系列單片機。所以我是在各種單片機外圍電路的設(shè)計方案的比較：（1）AVR單片機AVR單片機是RISC精簡指令集的高速8位單片機。它的特征為：簡易

28、好懂，價格便宜，運作高速，低耗能，I/O口功能強,具有A/D轉(zhuǎn)換等電路，具有功能很巨大的定時器/計數(shù)器和通訊接口11。（2）STC單片機STC公司出產(chǎn)的單片機，它基于8051內(nèi)核，為增強型單片機，指令代碼兼容傳統(tǒng)的8051，速度比傳統(tǒng)的8051快812倍，它自帶ADC，4路PWM，雙串口，有全球唯一ID號，加密性良好，抗干擾能力較強。（3）51系列單片機51系列單片機其實就是在同一片芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定時器/計數(shù)器和多功能I/O等一臺微機要求的基本功能元件。掌握起來比較簡單，但是，AVR單片機內(nèi)部集成的AD轉(zhuǎn)換，更容易處理一些模擬量，這使得AVR單片機顯著高于51單片機的價值

29、。總結(jié)以上的比較，AVR系列單片機是最符合本次實驗?zāi)康牡?。所以，本次設(shè)計選定ATmega16單片機來進行。3.1.2 ATmega16單片機的特點ATmega16 AVR 內(nèi)核擁有大量的指令集，并且有32 個通用的工作寄存器。ATmega16的特點為：16 k字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(同時有讀和寫的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1 k字節(jié)存儲器，32個通用I / O口線，32個通用寄存器，芯片上的振蕩器可編程看門狗定時器，SPI串行端口，6能夠經(jīng)過軟件抉擇的節(jié)能模式。 ATmega16單片機引腳的排列如下圖31：圖31 ATmega16的引腳排列圖3.2 超聲波發(fā)射電路設(shè)計超聲

30、波發(fā)射換能器TCT4016BT和超聲波接收換能器TCT4016BR。命名規(guī)則：型號：TCT4016BT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16mm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)射換能器實物如下圖32：圖32 超聲波換能器的實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33。圖33 壓電式超

31、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TCT4016BT向外界發(fā)出的40 千赫左右的方波脈沖信號而設(shè)計的電路。一般有兩種方式能夠生成大約40 kHz的方波脈沖信號：采用硬件如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機軟件編程輸出，本系統(tǒng)使用的是單片機軟件編程輸出。發(fā)射電路如下圖34。圖34 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波形實施檢測，如下圖35，黃色波形（上面的波形）就是單片機P1.0口的波形，而藍色波形（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35 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36

32、，邏輯電路圖如下圖37所示。圖36 MC14069UB引腳分布圖圖37 MC14069UB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。為了減少每個逆變器的傳輸延遲是獨立的。（1）工作特性：電源電壓范圍：3.0v18v在所有的輸入端有三重的二極管保護可用CD4069UB替代3.3 超聲波接收電路設(shè)計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38所示：圖38 CX20106A內(nèi)部方框圖接收部分的電路如下圖39所示。圖39 超聲波接收電路3.4 ULN2003ULN為雙列16腳封裝的,NPN晶體管矩陣,最大的驅(qū)動電壓為50V,電流為500mA

33、,輸入的電壓為5V,適合于TTL COMS,達林頓管構(gòu)成驅(qū)動電路。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)動繼電器或固體繼電器。 ULN2003的基本功能： ULN2003的每對達靈頓都串聯(lián)一個阻值是2.7 K的電阻，5 V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310：圖310 ULN2003A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ULN2003構(gòu)成。ULN2003為高電壓大電流達林頓晶體管陣列電路，其擁有7個獨立的反相驅(qū)動器，每個驅(qū)動器的輸出灌電流

34、能夠達到500 mA，導(dǎo)通時輸出電壓約為1 V，截止的時候輸出的電壓能夠達到50 V。 3.5 28BYJ-48型步進電機當(dāng)把某些連續(xù)的控制脈沖加在28BYJ48型步進電機上的時候，其能夠不停地轉(zhuǎn)動。每個脈沖信號對應(yīng)步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)就改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過某個角度（一個步距角）。當(dāng)變化的通電狀態(tài)完成一個周期的時候，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個齒距。四相步進電機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（ABCDA。），雙（雙相繞組通電）四拍（ABBCCDDAAB。），八拍（AABBBCCCDDDAA。）。驅(qū)動方式如下表31：表31 驅(qū)動方式（412相驅(qū)動）導(dǎo)線

35、顏色123456785紅+4橙-3黃-2粉-1藍-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，藍色電線需要接P1.0口。因為單片機接口信號較小，那么需經(jīng)過ULN2003的放大然后連接到對應(yīng)的電機接口，步進電機驅(qū)動如下圖311所示，所得結(jié)果如表32所示：圖311 步進電機驅(qū)動表32 記錄結(jié)果 橙 A P1.3 黃B P1.2 粉C P1.1藍D P1.0十六制（P1口） 10 000x0811 000x0c01 000x0401100x0600100x0200110x0300010x011001

36、0x09速度的計算公式為：運轉(zhuǎn)的速度=脈沖的頻率×60/步進電機的分割數(shù)/減速比64 步進電機的分割數(shù)=360/6.625 第4章 軟件設(shè)計與系統(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，并且將定時計數(shù)器調(diào)到16位定時的工作模式 ，把總中斷置于允許位EA，同時將計數(shù)器清零，再調(diào)用超聲波發(fā)生子程序輸出一個超聲波脈沖。延時0.1ms后外部中斷0打開來接收回波信號。在24M晶振工作時，將計數(shù)器設(shè)定為最小計時間隔為0.5us，當(dāng)標(biāo)志位被成功置位后，主程序調(diào)用測距部分子程序，這樣就能夠算出被測物與測距器之間的距離，最后顯示在LCD上，主程序的流程圖如下圖41所示。

37、圖41 主程序的流程圖4.1.2 發(fā)射程序與接收流程圖本設(shè)計中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40 kHz方波將會由PB2引腳輸出，但是回波就被INT0接收。每次T1定時器溢出后開始一次測距的過程，而T0后來計算脈沖發(fā)射以及接收的時間間隔。超聲波接收的子程序必須先進行初始化如下圖42中所示，之后發(fā)射超聲波，并在輸入的I/O口一直判斷時候有觸發(fā)信號，如果持續(xù)30ms沒有觸發(fā)信號產(chǎn)生的話，超聲波重新發(fā)射；有觸發(fā)信號的話就判斷是否為回波，是的話讀取定時器T0的時間然后計算出測量的距離為多少 。圖42 接收子程序流程圖4.1.3 距離計算與顯示子程

38、序如圖43通過超聲波被發(fā)出的時間以及接收到觸發(fā)信號的時間差計算出物體與超聲波測距模塊的距離長度。在單片機里面的T0定時器在開始傳輸時就開始計算時間，一直到超聲波發(fā)射完畢并返回后的到一個時間的具體間隔。在接收觸發(fā)信號的時候接收端會有一個下降沿，這是外部中斷0就會觸發(fā)并產(chǎn)生一個終端請求，程序會在中斷中響應(yīng)并運行外部終端函數(shù)計算出最終的結(jié)果。 圖43 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物電路，如下圖44。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、右下角是步進電機。圖44 基于超聲波的隨動系統(tǒng)實物圖本系統(tǒng)采用短距離發(fā)射250s（10個40kHz方波脈

39、沖）發(fā)射脈沖寬度。接下來我們利用示波器對接收端信號進行測量，黃色部分為發(fā)射信號，藍色部分為觸發(fā)信號的波形。（1）超聲波模塊跟物體的距離超過一段距離時，觸發(fā)信號如圖 45所示：圖45 回波示意圖由下圖可知，超聲波測距模塊接收不到信號當(dāng)距離超過范圍后。（2）距離較遠，但不超過超聲波模塊范圍時顯示為35cm，波形如46：圖46 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。（3）當(dāng)物體距離較近時，顯示為27cm的回波信號，如圖47所示：圖47 回波示意圖2跟之前的波形圖對比下，觸發(fā)信號提前，表明檢測時間縮短，模塊與物體間的距離縮短。測試結(jié)果基本達到預(yù)期目的，與實際情況相符。34結(jié)論學(xué)習(xí)的時

40、間總感覺過得很快，通過幾個月的努力，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系統(tǒng)模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。畢業(yè)論文是本科學(xué)習(xí)階段的很珍貴的理論與實踐相結(jié)合的機會。經(jīng)過這次對超聲波測距模塊和隨動系統(tǒng)模塊的設(shè)計，我認識到光靠課本知識，疏于動手時萬萬行不通的，我們不能以本為本，我們要把我們學(xué)到的理論知識通過動手實踐運用到實際生活當(dāng)中去。實踐出真知，只有我們把自身投入到實踐當(dāng)中去，我們的對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)成動手參與實踐的習(xí)慣，才能保證我們在今后的生活中少走彎路。這次的設(shè)計實踐，讓我深刻體會到時間

41、和理論結(jié)合的重要性。在這個理論與實踐相結(jié)合的過程中，不單單能夠提高我們的動手能力，其實我們的獨立思考能力也相對地得到提升?？偠灾碚摵蛯嵺`的結(jié)合就是把在課本學(xué)到的理論知識運用到實踐中去，然后再在實踐中對理論總結(jié)和歸納。當(dāng)然，實踐和理論的結(jié)合是一項艱巨而又長期的任務(wù)，我們做事情的時候，要持之以恒地把握這條信念，這樣才能把我們自己培養(yǎng)成一個具有實踐能力和穿心能力的實用型人才。 本來設(shè)計之前就覺得畢業(yè)設(shè)計對我來說應(yīng)該不會太難，畢竟在大三的時候，我們做過很多作品，但是當(dāng)我真正實際操作起來，可能是因為半年的時間都沒有做作品，覺得還是有些難度的。在電路的設(shè)計與焊接的過程中，也遇到過很多困難。有的是技術(shù)上的，有的是設(shè)計本身的，這就要求我們設(shè)計的時候必須非常地認真，還需要有耐心和毅力。其實，在人生路上我們怎可能躲避的了挫折和困難。但是挫折也會給我們帶來積極的影響，帶給我們正能量。他可以適時地消除我們的惰性，督促我們向更高的地方攀登。當(dāng)然我們