超声波智能小车邹威

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膈

芇机器人技术实训

袅

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螅

蚄

蒁

蒇专业： 计算机控制技术

蒃姓名： 邹威

薁指导老师：赵鹏举

蒁完成时间： 2013-11-20

羅

蚀蒆

蚇

芅

蚀目录

罿一、实训任务........................................................................................................................3

荿二、整体设计方案................................................................................................................3

羄三、硬件部分........................................................................................................................5

螀1、硬件部分的整体框架图..................................................................................................5

莀2、电机驱动模块..........................................................................................................6

螇3、超声波模块..............................................................................................................9

螃四、软件部分......................................................................................................................13

袀（1）、程序流程图..............................................................................................................13

螁（2）、程序内容..........................................................................................................13

蕿五、结果分析与调试（附图）..........................................................................................22

螆六、体会与心得..................................................................................................................22

羀

袇

肀

芈

蚈

莃

莄

虿

膆

莆

蒄

肀

袈

膅一、实训任务

薃经过一学期的《机器人技术》的学习，我们打算做一个简易的超

声波小车。控制来完成相应的任务。在硬件部分，要求按照电路板焊接完成电机
驱动电路，以及用万用板搭出单片机最小系统。软件部分，要求能够
熟练的使用keil软件进行C编程，然后通过单片机开发板把程序下载
到我们的单片机上面，反复调试，使之能够按照我们的程序完成相应
的动作。

蒁

莆二、整体设计方案

袄系统整体框架：

蚃

单片机系执行器命

传感器信

统（运算令解释执

号采集

处理） 行

蚈

然后被单片机识别，当单片机识别出信号之后，会对信号进行运算处

理，然后会得出判断，再吧判断的结果传给执行器，让执行器去驱动

电机完成我们要实现的动作。

蚃照实训的要求，完成的小车必须要在碰到障碍物的时候，做出相

应的反应。那么机器怎么来实现对客观事物的反应呢？这就需要用到

传感器，传感器是根据一定的物理定律做出来的一种将物理信号转换

成电信号的装置，只有电信号才能够被单片机系统识别。在这次实训

中我们用的传感器是HC-SR04超声波模块。

螃执行器主要就是对单片机的命令进行解释执行。就像人的手和脚，

根据大脑的命令完成相应的动作一样，执行器可以根据单片机发出的

电平命令，来实现电机的正反转和调速。在我们这个系统中由于用的

是小功率的直流电机，所以我们采用L298电机驱动模块作为本系统

聿的执行器。

蒆

蚆三、硬件部分

袃1、硬件部分的整体框架图

蒀

转5V电

传递电信号	压模块	提供5V电源
	单片机	传递单片机命令
	系统

膇 图二

蒅整个系统的电源由一块12V、800mAH的锂离子电池提供，这块

电池一方面为电机驱动器提供电源，用于驱动L298，另一方面接入

到7805转5V的电压模块里面。

袃超声波模块为了方便和单片机进行数据通信，采用TTL电平，所以

超声波模块需要5V电源。单片机也是标准的TTL电平，所以也是5V

电源供电。在电机驱动板的信号控制端，我们加了光耦隔离驱动，所

以在信号控制端也必须有5V供电，用于让光耦工作起来。

蚅在L2电机驱动模块的信号输入端，一定要讲信号地线引出来，

像我们这个系统采用一个电源供电还好，所有的电平都在一个参考电

压下，如果信号电路和驱动电路采用的不是一个电源供电，而信号地

线又没有接出来，那么就会导致，你输入的高低电平不会被驱动模块

识别，因为两个电路没有共同的参考电压，那么就不知道多少伏是低

电平多少伏是高电平了。

芃

羃2、电机驱动模块

羇（1）模块简介

莇 这个电机驱动模块的核心部分就是有一块L298N电机驱动芯片。L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机

脚VS 接电源电压，VS 电压范围VIH 为＋2．5～46V。输出电流可达2．5
A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便
接入电流采样电阻，
形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动
一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。
EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。

肃为了防止电机突然转向和骤停产生的冲击电流对单片机和L298本身的伤害，我们在电路板的输入和输出端分别加了光耦隔离和续流二极管。

莈（2）电路图的工作原理

袅

膃A、电路中的元件：

蝿图中的P1是用于连接杜邦线的插针，D1-D4为发光二极管，U1为光电隔离器，U2为L298电机驱动芯片，S1为散热片，C1-C2为去耦电容，C3-C4为滤波电容，D5-D12为续流二极管，J1-J3为插座。

薇B、电路的工作原理：

袄由L298的芯片资料可以得知，这个芯片只有在ENA和ENB都为

高电平时，对方向控制端控制才会有电流输出。当方向控制端收到高

电平时有效。

节在这个前提下进行分析如下：

膀如果IN1 输入的是低电平，那么2-1-2-3对应的那条线路就会通

那么L298N处的IN1就会呈现高电平，那么这时电机就会正转。其他

的输入端IN2、IN3、IN4也是同样的道理。

羅图中有两处电容，而且是一大一小。一处电容是为用于12V电

源，一处是用于5V电源。大电容主要是起蓄能的作用，当电机在高

速旋转或者突然转向的时候，会产生大量的高次谐波，会阻碍电流的

流动，这时候会出现电机转速急剧下降的情况。所以要加一个大的电

容，当电机运转正常时，电源对电容充电，当电机转速下降时，电容

放电，作为电机的铺助电源。这样不断的充电、放电不间断进行，电

机就会连续的转动了。那个小电容主要是滤除电源本身的高次谐波和

电机转动产生的高次谐波。

薃D5-D12为续流二极管，所有的感性负载都会连接上续流二极管，

为的是保护驱动电路。

莂（3）模块的控制

薁

螇 图四

蚆从L298的芯片手册可以知道，当ＥＮＡ、ＥＮＢ片选端为高电平的

时候，Ｌ２９８才可以工作，

蒂当IN1=0，IN2=1时，正转；

葿当IN1=1，IN2=1时，刹车；

莅当IN1=0，IN2=0时，停止；

蒂

腿3、超声波模块

袆（1）、模块简介
测功能，测距精度可达3mm;模块包括超声波发射器、接收器与控制
电路。

薂基本工作原理：

（1）
（2）薀才有IO口TRIG 触发测距，至少10uS高电平信号；
（3）
（4）薈模块自动发送8个40Khz 的方波，自动检测是否有信号返回；（5）

（6）羂有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试的距离=（高电平时间*声速（340m/s）/2。

蚂（2）、电气参数：

羀

肆 图五

羅（3）、模块的控制：

螂 超声模块时序图：

肇

螈 图六

螄由模块的时序图可以知道，要驱动这个模块，只需要给一个10u

自动检测回波。一旦检测有回波信号，就立刻输出回响信号。回响信
以上的高电平信号，该模块内部将自动发送8个40K 是方波信号，并

袂4、单片机最小系统

蒈（1）、复位电路

芆

蒃 图七

羁

以RST 脚为高电平。随着时间的飞逝（电容充电），稳定后VCC的电衿看上电复位的情况：通电瞬间电容可以当短路（别问我为什么）所

RC时间常数决定。这就是上电高电平复位。低电平复位也类似。判

断是什么复位，你要看上电瞬间，RST是什么电平，是高电平就是高

电平复位，是低电平就是低电平复位（电容在充电的一瞬间是看成短

路的，至于这是什么原因，可以去看看电容充电曲线图，在充电一瞬

间电容两端的电压是非常低的，所以可以看成等电势，也就是短路。

羈大电容旁边那个小电容一般是稳定电源电压滤波用的。

薆

肁（2）、晶振电路

芀

莆 图八

钟电路中最重要的部件，它的作用是向IC等部件提供基准频率，它
芅晶振电路的作用是在电路产生震荡电流,发出时钟信号。它是时

肁（3）整个最小系统电路

蚁

膈

肄四、软件部分

膁（1）、程序流程图

初始化

采集超

声波数

据

后退	否	判断前方障碍是否
		大于20cm

延时

50ms

结束

螈

薅 图十

袃（2）、程序内容

芁#include<reg52.h>

膈#include<intrins.h>

芇#defineuint unsigned int

袅#defineuchar unsigned char

莁sbitTlrg=P2^0;//触发信号

蕿sbit Echo=P2^1;//回响信号
蚄sbitIN1=P2^2;

蒁sbitIN2=P2^3;

羀sbitIN3=P2^4;

蒃

薁/***********************

蒁*函数名称：delay_nms

羅*函数功能：延时

蒆*函数调用：无

蚀*入口参数：m

蚇************************/

芅voiddelay_nms(int m)

蚀{

罿 uinti,j;

羄 for(j=110;j>0;j--);

螀}

莀/***********************

螇*函数名称：init()

螃*函数功能：设定定时器，初始化接收口

螁*入口参数：无

蕿*出口参数：无

螆************************/

羀

袇void init()

羆{

薄 TMOD=0x01;//定时器0，工作用内部TR0控制计数，而处于16

位计数模式

虿}

膆/***********************

莆*函数名称：Ult_send()

肀*函数调用： delay_nms()

袈*入口参数：无

膅*出口参数：无

薃************************/

蒁voidUlt_send()

莆{

袄Tlrg=0;

蚃 delay_nms(3);

蚈Tlrg=1;

肈 _nop_();

芃 _nop_();

羃 _nop_();

羇 _nop_();

莇 _nop_();

肂 _nop_();

肃

莈}

袅/***********************

肅*函数名称：Ult_receive()

膃*函数功能：接收超声波，并计算距离

薇*入口参数：无

袄*出口参数：distance

节************************/

膀uintUlt_receive()

羅{

莂 while(Echo==0);//等待接收位变高，一变高，就开定时器，且定时

器清零

薁

螇 TH0=0;

蚆 TL0=0;

螈

葿 while(Echo==1); //等待接收位变低，一变低，就开

莅

薀 returndistance;

薈}

蚂*函数名称：go

羀*函数功能：前进

肆*函数调用：无

羅*入口参数：无

螂*出口参数：无

肇*************/
螈voidgo() 螄{

袂IN1=0;

蒈IN2=1;

蒃IN4=0;

羁}

衿/**************

羈*函数名称：back

薆*函数功能：后退

肁*函数调用：无
莆*出口参数：无

芅*************/

肁voidback()

膈IN1=1;

肄IN2=0;

膁IN3=0;

螈IN4=1;

薅}

袃/**************
膈*函数功能：左转

芇*函数调用：无

袅*入口参数：无

蕿*************/

螅voidleft()

蚄{

蒁IN1=0;

羀IN2=1;

蒇 IN3=0;
蒃IN4=1; 薁}

蒁/**************

羅*函数名称：right

蚀*函数调用：无

薈*入口参数：无

蚇*出口参数：无

芅*************/

蚀voidright()

罿{
荿IN1=1; 羄 IN2=0;

螀IN3=1;

莀IN4=0;

螃//主函数

袀voidmain()

螁{

蕿

螆uintk;

羀init();

袇 while(1)

羆 {

薄 Ult_send();

肀 k=Ult_receive();

芈

蒀}

膇五、结果分析与调试（附图）

蒅（1）、L298N调试

袃在L298N的调试过程用，焊接好以后，可以先采取硬件测试的方

式，找一块电源板，在上面取出12V和5V 的电压，把12V接到电机

是否点亮，如果量且电机可以转动起来，就表明这个模块已经焊接完

成。

肈（2）、超声波模块调试

袃在触发端给10us以上的高电平以后，用示波器打回响信号端，看

是否出现40K的方波，如果出现，这表明这个模块已经驱动完成。

蒁（3）、最小系统的调试

膁在最小系统焊接完成以后，最简单的方法就是烧录一个点亮LED的程序进去，然后把一个LED灯接到单片机相应的IO口上，看LED是否点亮，如果LED亮，表明最小系统已经可以工作。

膅如果不能工作，那么首先检查焊接是否有虚焊、漏焊的情况。

薅如果没有以上情况，就用示波器打晶振电路，看是否有方波，如果
有，表明没有问题，晶振电路已经起振。

芀如果晶振电路工作正常，那么再用示波器检测复位电路，在打开

电源的瞬间，看低电平时间是否持续在10ms以上，如果是，那么表明复位电路也是正常的。如果这时候，最小系统还是不能工作，那就

说明单片机芯片出了故障。

芀六、体会与心得

薆经过两天的机器人技术实训，使我对机器人的认识发生了根本性

的变化。原来机器人不只是指外型像人类，而是指一类能够按照设置程序自动运行的机器，比如我们这次实训的超声波小车就是一个简单的机器人，还有生活中的自动售货机也可以称作机器人。

肃 在制作超声波的过程中，我们要自己焊接电机驱动板和最小系统板。在焊接的过程中常常出现，电路原理图都是一样的，但是焊接完成以后，有的可以工作有点却不可以工作的情况，后来和同学们商量讨论，再自己用万用表测试发现，是在焊接的过程中，焊点不牢固导致了虚焊，所以才会出现有的同学焊接的电路板无法工作的情况。通过这次实训，我深刻的认识到，如果要从事单片机方面的工作，一定要对电路有很深的理解，并且要具备很好的焊接技术。

芃刚开始的时候，我完全按照时序图去写延时的时间，却发现干不起，
后来我把时间延长原理的30%以后就可以了，这说明我们在写时序的
时候不要完全照搬时序要在原来的基础上面留有一定的裕度。在调节
超声波时序的时候，
要用示波器去打你单片机上面的触发端，看出来的方波是否满足时序，如果满足，再用示波器打回响信号是否是40k
的方波，如果是就表示此模块已经驱动起来了。