趙欣哲，楊培培，劉文凱

(中國石油大學(xué)(華東)，山東 黃島 266580)

當(dāng)今社會，隨著汽車的逐步增多，交通擁堵現(xiàn)象已成為現(xiàn)在公路上的常見問題。對于長時間的堵車問題，司機(jī)不得不重復(fù)啟動剎車的過程，以保證車的不斷前行并且和前方車輛保持安全距離。但這一過程由人為控制不僅會浪費(fèi)燃油，造成污染，而且長時間的堵車會浪費(fèi)司機(jī)很多的時間。本設(shè)計(jì)——超聲波自動測距變速系統(tǒng)則可以解決這一問題。本設(shè)計(jì)可以讓方向盤脫離雙手，在堵車過程中司機(jī)可以打開此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輛自動控制前進(jìn)，并與前方車輛保持安全距離，當(dāng)超出安全距離后自動報(bào)警，此時司機(jī)便可以轉(zhuǎn)為手動模式繼續(xù)駕駛。因此，本設(shè)計(jì)與實(shí)際相結(jié)合，現(xiàn)實(shí)意義很強(qiáng)［1-2］。

1 各模塊功能及特點(diǎn)

1.1 設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)通過超聲波不斷測量與前方車輛的距離，由單片機(jī)計(jì)算速度，利用L298N驅(qū)動系統(tǒng)和PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)車子隨之變速，這樣就可以很好的解決堵車時車輛緩緩前進(jìn)的問題。由單片機(jī)的控制可以精確的計(jì)算車前進(jìn)的速度以節(jié)約燃料，減少污染浪費(fèi)。

US-100超聲波測距模塊可實(shí)現(xiàn)2 cm～4.5 m的非接觸測距功能，擁有2.4～5.5 V的寬電壓輸入范圍，在選擇好模式下，模塊將距離值轉(zhuǎn)化為340 m/s時的時間值的2倍，通過Echo端輸出一高電平，可根據(jù)此高電平的持續(xù)時間來計(jì)算距離值。即距離值=(高電平時間*340 m/s)/2。

圖1 VS-100超聲波測距模塊圖示

1.2 各模塊功能特點(diǎn)

1.2.1 動態(tài)測距模塊(US-100超聲波測距模塊)

超聲波測量法:超聲波測距指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，且實(shí)用性強(qiáng)，易于做到實(shí)時控制。

本次使用的US-100超聲波測距模塊靜態(tài)功耗低于2 mA，自帶溫度傳感器對測距結(jié)果進(jìn)行校正，同時具有GPIO，串口等多種通信方式，內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠。

1.2.2 小車驅(qū)動模塊(L298N驅(qū)動模塊)

采用ST公司原裝全新的L298N芯片，電路穩(wěn)定工作，可以直接驅(qū)動兩路3～16 V直流電機(jī)，并提供了5 V輸出接口(輸入最低只要6 V)，可以給5 V單片機(jī)電路系統(tǒng)供電(低紋波系數(shù))，支持3.3 V CUARM控制，可以方便的控制直流電機(jī)速度和方向，也可以控制2相步進(jìn)電機(jī)，5線4相步進(jìn)電機(jī)。

L298N是專用驅(qū)動集成電路，屬于H橋集成電路，其輸出電流為2 A，最大電流為4 A，最高工作電壓為50 V，用于驅(qū)動感性負(fù)載，其輸入端可以與單片機(jī)直接相連，從而方便地受單片機(jī)控制。驅(qū)動直流電機(jī)時只需改變輸入端的邏輯電平即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊的止轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

圖2 L298N驅(qū)動模塊

1.2.3 核心控制器STC12C5A60S2單片機(jī)

STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘、機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S)，針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。

為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和滿足系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為核心控制器，設(shè)計(jì)超聲波小車自動測距變速系統(tǒng)。

圖3 STC12C5A60S2單片機(jī)

1.2.4 提示報(bào)警模塊

采用單片機(jī)自帶的聲音模塊。可以實(shí)現(xiàn)前方障礙物在某段距離中以大于某速度離開時啟動鳴笛報(bào)警功能。

2 各模塊的連接

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超聲波測距模塊組硬件框圖見圖4。

圖4 超聲波測距模塊組硬件框圖

測距模塊由超聲波發(fā)射調(diào)理電路和接受處理電路、超聲波發(fā)射頭和接收頭四部分組成。

模塊通過超聲波發(fā)射調(diào)理電路經(jīng)發(fā)射頭發(fā)射出超聲波，當(dāng)超聲波接觸前方障礙物時根據(jù)波的反射反射到接收頭，經(jīng)超聲波回波接收處理電路處理，最后由單片機(jī)計(jì)算距離。

超聲波小車自動測距變速系統(tǒng)軟硬件整體框架見圖5。

圖5 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)框架圖

以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，將所需程序錄入單片機(jī)，并使之與自動報(bào)警模塊、自動變速模塊、L298N驅(qū)動模塊以及超聲波測距儀鏈接，利用超聲波測距儀與前方障礙物發(fā)射、接收信號，并返回到單片機(jī)，由單片機(jī)計(jì)算距離，同時完成小車的自動控制［3-4］。

2.2 各部分的軟件連接

主程序清單如下:

3 存在問題及展望

由于本設(shè)計(jì)在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)需要花費(fèi)較高，因此采用小車模擬，但小車模擬與在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)此功能有很大不同，應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)中較為困難，測距量程的增加和測量精度的提高都是需要改進(jìn)的方向。超聲波測距在真實(shí)環(huán)境中受周邊環(huán)境干擾較大，因此誤差處理以及市場化問題，在后續(xù)工作中都會進(jìn)行改進(jìn)與解決。

之后的研究將盡可能的使之運(yùn)用到實(shí)際，改善模擬狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)中的不兼容情況，因?yàn)槌暡ㄖ赶蛐詮?qiáng)、能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，并且利用超聲波測距比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時控制，所以相信本設(shè)計(jì)是有很大的實(shí)用性和有商業(yè)價(jià)值的。

［1］陳國呈.PMW變頻調(diào)速及軟開關(guān)店里變換技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011:73-75.

［2］吳斌方，劉民.超聲波測距傳感器的研究［J］.湖北工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(6):26-28.

［3］孫存英.超聲波探測技術(shù)原理實(shí)驗(yàn)［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2010，23(1):1-3.

［4］陳玉琳.基于時差法的超聲波測速向儀設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2010，26(4):21-23.