基于超聲波水上探障的智能船模

吳 琦 張 娜

（四川工商職業(yè)技術(shù)學院，四川 都江堰 611830）

基于超聲波水上探障的智能船模

吳 琦 張 娜

（四川工商職業(yè)技術(shù)學院，四川 都江堰 611830）

文中給出了基于超聲波的水上障礙檢測的智能船模，介紹了超聲波檢測及電機驅(qū)動部分的硬件結(jié)構(gòu)，超聲波探測接收部分的軟件設(shè)計，航模自動防撞的軟件設(shè)計。

超聲波；單片機；智能航模

（一）引言

市面上所銷售的船模大多是遙控的，而能智能航行的很少；其原因有兩點：一是船模在運行中經(jīng)常會遇到水上障礙物，如果不能對其進行自動檢測，則無法避開；二是船模的運行路徑不易控制。而超聲波在距離探測上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，如果將其應(yīng)用在船模上將能實現(xiàn)智能航行。

基于上述內(nèi)容，本文系統(tǒng)采用超聲波進行水上障礙物的探測，同時，通過預設(shè)路徑來實現(xiàn)智能航行。

（二）系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)主要由主控制器、超聲波模塊、按鍵電路、232接口、速度檢測電路、電機驅(qū)動電路、顯示電路組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

主控制器選用5V供電的單片機89S51，完成電機驅(qū)動控制、狀態(tài)顯示、速度檢測、預設(shè)路徑等功能。

超聲波模塊由一個單片機89S51與2組超聲波的發(fā)射、接收模塊組成，實現(xiàn)左右兩邊水上障礙物的探測功能。

電機驅(qū)動選用L293D芯片驅(qū)動2個微型直流電機，實現(xiàn)船模的前行、后退和轉(zhuǎn)彎等功能。

232接口選用MAX232芯片，實現(xiàn)通過PC機串行通信進行預設(shè)路徑；按鍵電路通過 5個按鍵實現(xiàn)手動預設(shè)路徑。速度檢測電路選用2個集成霍爾芯片，對安裝于螺旋槳上的2個微型薄磁鐵進行檢測，完成速度檢測的功能；顯示部分通過LED燈顯示電機和超聲波狀態(tài)。

（三）硬件設(shè)計

本系統(tǒng)以89S51單片機為核心，工作電壓為5V，用于驅(qū)動直流電機、產(chǎn)生并接受超聲波、檢測電機速度，本文主要介紹硬件電路中超聲波檢測以及電機驅(qū)動部分。

1.超聲波檢測電路

本文使用了左、右 2組超聲波探測器，對遇障礙后反射的超聲波進行檢測，每組超聲波探測器中包括發(fā)射和接受 2個部分，超聲波的工作頻率定為40kHz左右。

發(fā)射部分選用功率較小的超聲波發(fā)射頭SR40-10IN(B)，由89S51單片機的P0.0、P0.1引腳輸出40kHz的編碼方波，經(jīng)高頻三極管9018進行功率放大，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭輸出超聲波探測到的障礙信號。

接收部分，使用uA741運算放大器將接收到的微弱信號進行兩級放大，之后經(jīng)過耦合電容將放大后的接收信號輸入COMS非門74HC04進行整形，最后輸入。電路如圖2所示。

圖2 超聲波檢測電路

2.電機驅(qū)動電路

本文中船模的運動選用 2個微型直流電機，分別安裝于船尾左右兩側(cè)形成雙槳控制，而電機的驅(qū)動則使用 4通道推挽式二極管驅(qū)動芯片 L293D。該芯片每個通道可提供 600mA的輸出驅(qū)動電流，有過熱保護，最大可支持 36V電源電壓，輸入最大電壓可達7V，可提供最大功率4W，開關(guān)頻率可提供高達5kHz。且該芯片內(nèi)部含三態(tài)控制，當控制端為低電平時，輸出為高阻狀態(tài)，而當控制端為高電平時，輸出為輸入的驅(qū)動狀態(tài)。

本文將L293D驅(qū)動芯片的4通道組成2組輸出，可控制輸出的極性從而達到控制電機的正反轉(zhuǎn)。89S51單片機 P1.1、P1.4引腳輸出頻率為5kHz以下的PWM波，經(jīng)過非門74HC04連接L293D的2個控制端，通過調(diào)節(jié)占空比及頻率大小來得到輸出端的可調(diào)電壓，從而控制 2個電機的轉(zhuǎn)速。同時，單片機P1.0、P1.2、P1.3、P1.5引腳的輸出經(jīng)非門連接L293D的4個輸入端，通過輸入2組不同的電平，從而控制2個電機的正反轉(zhuǎn)。電路圖如圖3所示。

圖3 電機驅(qū)動電路

（四）軟件系統(tǒng)的設(shè)計

本文使用C語言在Keil C的軟件平臺上對系統(tǒng)的軟件進行設(shè)計。本系統(tǒng)軟件由 2個部分組成，分別是超聲波模塊的軟件設(shè)計、主控制器的軟件設(shè)計。

1.超聲波模塊的軟件設(shè)計

本文中，基于89S51單片機僅有2個定時計數(shù)器，為此采用左、右超聲波探測分時工作，而定時器、計數(shù)器則分時復用。

本文由單片機的2個I/O引腳分別以1622μs為周期，連續(xù)發(fā)射44個頻率為41.67KHz的脈沖的超聲波，同時用單片機的外部計數(shù)器對超聲波探測器接收端所接收的超聲波個數(shù)進行記數(shù)，而定時器則以0.5s為周期的對計數(shù)器所計數(shù)個數(shù)與設(shè)定值進行比較，如果接收超聲波的個數(shù)超過設(shè)定值時，表明超聲波檢測到障礙；否則，沒有障礙。同時，定時器在清零之后，將自動切換檢測的對象。

其中，主程序?qū)崿F(xiàn)發(fā)送41.67kHz的超聲波，而中斷服務(wù)程序則實現(xiàn)接收部分的處理。由于篇幅有限，此處只給出了左右超聲波接收部分的程序流程，如圖4所示。

圖4 左右超聲波接收部分流程圖

2.主控制器的軟件設(shè)計

本文中，主控制器89S51主要實現(xiàn)通過PC機的串行通信或手動控制按鍵進行預設(shè)路徑，在船模的航行中通過接受來自超聲波模塊的障礙信號，來控制電動機的正反轉(zhuǎn)；同時結(jié)合速度檢測，來控制電機的轉(zhuǎn)速，并通過LED顯示相關(guān)信息。

由于篇幅有限，此處只給出了船模運行控制部分的程序流程，如圖5所示。

圖5 船模運行控制部分程序流程圖

（五）系統(tǒng)測試及運行

本文在實際的運行測試過程中，針對超聲波的探測距離將船模分別放入2個有不同材料的池塘之中進行測試。其中，一個池塘使用表面較為平整的木板來模擬障礙物，另一個池塘的障礙物直接利用本身存在的天然石頭及人工假山。測試結(jié)果表明障礙物表面的平整度對探測的距離有影響，平整度較好的探測距離相對要遠，但無論哪種探測距離均能達到30cm以上，如表1所示。

表1 超聲波探測距離測試結(jié)果

本系統(tǒng)在實際運行過程中，通過不斷的測試發(fā)現(xiàn)隨著探測部分與障礙物之間的距離和角度不同，被反射回來并被接收到的超聲波的脈沖個數(shù)也有不同，隨著距離的接近以及直線正對角度的改良，接收到的超聲波個數(shù)將增多。同時，電動機在水中運轉(zhuǎn)的時候，將會對超聲波的探測產(chǎn)生一定的干擾，隨著負載的增加干擾情況存在有限的增大。

本文經(jīng)過反復長期不同情況下的測試、調(diào)整及運行，得到當單片機的PWM波處于800Hz～1200Hz頻率范圍，占空比處于30%～60%范圍時，船模的運行速度結(jié)合超聲波的探測距離可良好的避障。超聲波模塊分時探測，分時復用時間處于0.45s～0.7s范圍內(nèi)時，超聲波模塊的工作穩(wěn)定性與靈敏度相互協(xié)調(diào)較好。

（六）結(jié)論

在實際使用中，超聲波探測距離的方法有多種而且靈活，給應(yīng)用帶來了極大的方便。本文利用了超聲波探測水上障礙物來控制船模運行，通過測試成功實現(xiàn)船模運行中的避障功能，為船模的智能化航行提供了基礎(chǔ)。

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TP273+.5

A

1008-1151(2010)06-0147-02

2010-03-19

吳琦（1981－），男，四川工商職業(yè)技術(shù)學院助教，碩士，從事工業(yè)控制及射頻識別（RFID）的研究。