具有超声波测距功能的智能小车设计

毕业论文(设计)题目具有超声波测距功能的智能小车设计

目录

1引言..........................................................................................................3

1.1课题研究的背景与前景.....................................................................................................3

1.1.1超声波测距发展历史简介.....................................................................................3

1.1.2单片机的发展历史.................................................................................................3

1.1.3液晶的发展历史.....................................................................................................4

1.2超声波测距的原理及误差分析.........................................................................................4

1.3本设计的主要目标和要求.................................................................................................52总体设计方案.........................................................................................53系统硬件设计.........................................................................................5

3.1电源电路设计模块.............................................................................................................5

3.2串行通信模块.....................................................................................................................6

3.2.1STC89C52单片机介绍............................................................................................6

3.2.2STC89C52引脚描述................................................................................................6

3.2.3单片机硬件资源.....................................................................................................8

3.2.4单片机串行通信协议介绍.....................................................................................8

3.3接收显示模块...................................................................................................................10

3.3.1LCD1602介绍........................................................................................................11

3.3.2LCD1602引脚功能说明........................................................................................13

3.3.3LCD1602的指令说明及时序...............................................................................14

3.3.4LCD1602的RAM地址映射及标准字库表...........................................................16

3.3.5LCD1602的一般初始化（复位）过程...............................................................17

3.4超声波测距模块...............................................................................................................18

3.4.1超声波测距介绍...................................................................................................18

3.4.2HC-SR04超声波测距模块....................................................................................19

3.4.3HC-SR04实物图以及接线....................................................................................19

3.4.4HC-SR04的电气参数表........................................................................................20

3.4.5HC-SR04的超声波时序图..................................................................................20

3.4.6HC-SR04的电路设计..........................................................................................21

3.5蓝牙串口无线模块...........................................................................................................22

3.5.1蓝牙转串口模块的选择.......................................................................................22

3.5.2HC06基本资料介绍..............................................................................................23

3.5.3HC06模块AT命令集............................................................................................23

3.6电机驱动模块...................................................................................................................24

3.6.1电机驱动模块的选择...........................................................................................24

3.6.2L298N基本资料介绍............................................................................................25

3.6.3直流电机模块.......................................................................................................274软件分析与设计....................................................................................27

4.1程序介绍............................................................................................................................27

4.2主程序介绍........................................................................................................................28

4.3超声波测距程序介绍........................................................................................................29

4.4电机驱动程序介绍............................................................................................................305系统的硬件制作与调试........................................................................31

5.1系统硬件制作...................................................................................................................31

5.2系统硬件调试...................................................................................................................316总结........................................................................................................32参考文献：................................................................................................32致谢............................................................................................................33

具有超声波测距功能的智能小车设计

曹之然

南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京210044

摘要：超声波测距部分、液晶显示部分、单片机控制部分、蓝牙遥控部分、直流驱动部分及电源部分在本设计之中一同组成了超声波测距小车。智能小车靠蓝牙遥控运行，智能小车利用7.2V直流电源通过7805稳压以后为芯片供电；这辆智能小车通过两块STC89C52单片机来达成使小车正常运转的目的。在测距进行的期间，HCSR-4超声波测距模块发射超声波，之后芯片本身采集回归的超声波，然后将回波信息传给STC89C52单片机。工序完成之后，系统通过软件程序计算出前方障碍物的距离，传送给液晶实时显示。控制者可以通过蓝牙遥控器发送各种控制指令，蓝牙检测模块HC-SR04收到信号解码完成并反馈给单片机，之后由单片机接收信号控制控制智能小车系统。

关键词：STC89C52单片机；LCD1602；蓝牙；HCSR-4超声波测距模

Intelligentcarwithultrasonicrangingfunction

CaoZhi-ran

SchoolofInformationandControl,NUIST,Nanjing210044,China

Abstract:Ultrasonicranging,LCDdisplaypart,theMCUcontrolpart,BluetoothremotecontrolpartandtheDCdrivepartandapowerpartinthisdesigntogetherconstitutetheultrasonicrangingcar.SmartcarbyBluetoothremotecontroloperation,intelligentcaruse7.2VDCpowersupplyafter7805steadychippowersupply;thiscarsmartcarbytwoSTC89C52microcontrollertoachievesothatthenormaloperationofthecar.DuringtherangingandHCSR-4ultrasonicrangingmoduleemittingultrasonic,ultrasonicacquisitionregressionoftheafterthechipitself,thentheechomessagetoSTC89C52microcontroller.Theprocessiscompleted,thesystemthroughthesoftwareprogramtocalculatetheobstacledistance,senttotheLCDdisplay.ControlthroughtheBluetoothremotecontrollersendsallcontrolinstructions,theBluetoothmoduleisusedfordetectingthehc-sr04receivedsignaldecodingcompletedandfeedbacktothemicrocontroller,afterbytheMCUreceivesthesignalcontrolsystemofsmartcar.

Keyword:STC89C52microcontroller;LCD1602;Bluetooth;HCSR-4

1引言

超声波测距在非接触测量领域有重要意义，主要优点有：不受电磁波、太阳光和灰尘之类的因素的干扰。距离的丈量标准通过超声波在障碍物以及芯片间的传输时间来计算，要被测量的物体没有被损毁风险。高频率的声音在空气之中的的前进的速度在一定的范围之中与其自身频率没有关联。鉴于上述优点，超声波测距在越来越广泛的领域内被加以应用。当今，社会上可以用超声波测距的地方越来越多，水库、油箱等液体表面的高精度测量和观察以及事物背部杂质的检测以及机械内损耗等方面越来越依赖于超声波测距技术。超声波测距这项技术在日常生活中，如在工业领域、医学领域、农业领域等方面也发挥着至关重要的作用。

1.1课题研究的背景与前景

1.1.1超声波测距发展历史简介

目前科学界说法来看，超声波测距是从f1galton在1876年在实验室里面做的气哨实验的相关研究开始的。那个时候Galton发出的声音频率抵达了300KHz，这个声音是人类第一次产生的高频率声音。超声波测距在其中的促进作用很大，1912的泰坦尼克号轮船在处女航中与冰山相撞后沉没，这令人无比心痛的悲剧事件使得科学家们要想出新的办法来测量未知的危险，在第一次世界大战后，超声波的在研究走在了进一步提升的道路上。

在中国，1956在超声波领域开始有了大规模研究。到目前为止，在所有领域都已经开展了研究和应用，其中有几个项目已接近或达到国际水平。

伴随着电脑技术的广泛应用，自动化和人工智能技术的快速提高，定位方面的研究越来越重要。超声波测距相对于目前存在的其他几种测距方式，如雷达、红外传、激光等比较，具有以下优点：

（1）不论在什么颜色或者光线的情况下，超声波本身的性质变化都可以忽略不计。所以可以用于检测透光的东西和不易漫反射的物体(如玻璃、、有机玻璃和抛光体等)。

（2）对于外部光以及电磁场不敏感的超声波，在黑暗的环境，灰尘或烟雾的环境下，具有相当大的优势。在强电磁干扰，有污染这些恶劣环境中也可以发挥意想不到的效果。

（3）超声波测距模块具备有简单的结构、不大的体积、低廉的成本、不复杂的技术难度，同时处理信息的方式简单，精确，小型化和集成化难度也不大。

正是因为上述种种原因，人们已经越来越关注超声波测距并在更多的在日常生活中对超声波测距加以利用和发展。

1.1.2单片机的发展历史

单片机在发展的过程中主要可以归纳为三个阶段：

初创阶段：从1970年开始到1980年。美国的英特尔公司生产的MCS-48系列单片机可以作为代表，由RAM和ROM、并口、定时器、CPU等构成单片机。这个时期的单片机因为受到了时代科学技术发展的局限性，各方面功能都不是非常的突出，所以能够完成的任务十分的单一，同时不具有良好的性价比。

发展阶段：1980年开始到1990年。美国英特尔公司的MCS-51和MCS-96系列单片机可以作为为代表，8位和16位的单片机类型开始在这个时代里面随着科技的发展崭露头角，单片机的指令功能得以增强，可以存贮的东西也变多，I/O端口的数量和种类也得以大幅的增加，拥有了A/D转换器。单片机能够从事的事情越来越多。

快速研发阶段：从1990年开始到现在。单片机在这个发展阶段里面取得了举世瞩目的成就，单片机的种类越来越多，甚至在各行各业的劳动工作之中，出现了特别适配的单片机，单片机的性能得以大幅度的提升，而且能够完成的任务越来越多。

1.1.3液晶的发展历史

液晶是一种拥有着特殊的物理性质、特殊的化学性质以及特殊的光学性质的新兴的高分子材料。从1950年左右开始就一直被广泛应用到轻薄型的显示上。组成液晶的分子，它们的形状比较特殊，拥有者流动性，也拥有者结晶的光学特性。液晶在特定条件之下可以结晶，在温度比较低的情况下被称之为液晶。液晶是一种有机化合物，其中心为碳。当一个液晶拥有两种物质，它的光学性质就开始变得特殊化，对电磁场的作用的敏感度也变得越来越强，就有了很高的应用价值。以液晶为主的显示材料通常被用于显示板等各个方面。这种光电显示材料巧妙使用了液晶的光电效应将电信号转换化为数字或字符以及图像信号。正常情况下，液晶的分子的排列顺序遵照某规则，呈通透状态，一旦加上电场的干扰，将会打乱液晶的分子排列，其中一部分就不再通透，色彩会加深，因而呈现数字图像。

1.2超声波测距的原理及误差分析

超声波测距的原理众所周知，发射点到被测量障碍的实际距离需要通过计算超声波测距模块发出超声波的时间和接收到超声波回波的测量时间来决定。因此，超声波测距的道理和雷达测距的作用道理是一样的。

测距的公式表示为：L=C×T

本式中设测量的距离长度为L；设超声波在空气中的传播速度为C；设丈量距离传输的接收发射时间差值是T(T是发射时间和接收时间数值之差的二分之一)。

超声波容易定向放射、长处主要有容易控制强度、良好的方向性、与障碍物可以不接触等，所以超声波是各种距离测量的理想工具。现阶段中国的超声波测距技术能够在测量之中达到实际上厘米级的测量精度。

根据上文中提及的超声波测原理L=C×T，所以我们便知道了：超声波测距的主要误差原因是传输速度误差和传输时间测量误差造成的。

所以说，只要控制好传输时间的测量误差和传输速度的测量误差，超声波测距的误差就可以很好地控制。

通过查阅相关资料，我们能够轻而易举地知道装备有12MHz晶振的单片机STC89C52能够达到的精度相当的高。所以本次设计之中，我们使用了装备有12MHz晶振的STC89C52单片机的定时器可以让我们测距结果尽可能的切确，这样能够让我们的超声波测距智能小车更加完善。

1.3本设计的主要目标和要求

超声波测距部分、液晶显示部分、单片机控制部分、蓝牙遥控部分、直流驱动部分及电源部分在本设计之中一同组成了超声波测距小车。智能小车靠蓝牙遥控运行，智能小车利用

7.2V直流电源通过7805稳压以后为芯片供电；这辆智能小车通过两块STC89C52单片机来达成使小车正常运转的目的。在测距进行的期间，HCSR-4超声波测距模块发射超声波，之后芯片本身采集回归的超声波，然后将回波信息传给STC89C52单片机。工序完成之后，系统通过软件程序计算出前方障碍物的距离，传送给液晶实时显示。控制者可以通过蓝牙遥控器发送各种控制指令，蓝牙检测模块HC-SR04收到信号解码完成并反馈给单片机，之后由单片机接收信号控制控制智能小车系统。

2总体设计方案

超声波测距智能通过硬件部分和软件部分两者组成。硬件部分主要用于实现接收发射超声波、液晶显示、接收蓝牙信号和驱动直流电机运行等功能。信号处理和操作，驾驶控制等功能是智能车的软件部分负责的。本设计使用了两块AT89C52单片机，一块负责驱动小车，一块负责其余模块的工作。系统结构如图2.1

所示：

图2.1系统结构图

3系统硬件设计

3.1电源电路设计模块

这个设计全部工作模块的工作电压均为+5V，但是一般电池提供的只能是+7.2V，而且其随着使用电池的时间慢慢变长，电池的电压也会慢慢地下降，不稳定，所以我们采用了7805稳压芯片。我们设计之中以7805作为稳压芯片，它提供的电流区间可以是300mA到500mA，这和芯片供电的要求相吻合。设计采用锂电池供电模式。电机驱动电源和控制电路均是由它负责的。

DC/DC转换电路图3.1

所示

图3.1DC/DC转换电路图

3.2串行通信模块

3.2.1STC89C52单片机介绍

本设计中智能小车采用的单片机是STC89C52单片机[6-8]，它是低功耗高的并且高性能的8位的微型计算器。采用CMOS电路，那么其功耗就会比使用TTL门电路的产品低，做功损耗也会变少，工作稳定[1]。STC89C52单片机的内核是MCS-51，完全兼容以前版本的AT89C51单片机功能（特梅尔AT89C51是一种高效的微控制器，因为它是多功能的8位CPU和闪存芯片上的组合）。而且有了更多先进的设计，可以实现更多的实用功能。STC89C52单片机可以帮助大家了解单片机，是很适合成为学习的单片机应用的入门产品。

3.2.2STC89C52引脚描述

STC89C52单片机一共由四类，共计40个引脚组成。其引脚图如图3.2

所示：

图3.2STC89C52引脚原理图

(1)电源引脚（2根）

Vcc(40脚)：接+5V电压。

GND（20脚）：接地。

(2)晶振引脚（2根）

XTAL1——19脚以及XTAL2——18脚这两根引脚的作用是用于把来自外面的震荡信号传输到系统内部的时钟发生器的，为晶振引脚。时钟振荡电路图如图3.3

所示：

图3.3时钟振荡电路

(3)控制和复位引脚（4根）

ALE（30脚）：该引脚的作用是锁存它在锁存外部存储器的时候其中的低字节。当不访

问外部存储器时，ALE端口仍能产生固定脉冲信号，频率为振荡器的1/6。并且可以驱动8个TTL门电路[2]。

PSEN(29脚)：可以用来对信号的选通起到相关的作用，并在外面的存储器进行读操作时起相关功能。在读取指令时，每个机械周期可有两次脉冲有效。当读取数据时，则没有信号。PSEN和ALE一样，能够启动8个TTL门电路。

EA（31脚）：当此引脚为高电平时访问内部存储器，当内部存储器容量不够时则转为访问外部存储器。当此脚为低电平时，直接访问外部存储器[3]。

RST（9脚）：当单片机拥有晶振时，持续两个机械周期的高电平可是单片机复位。复位电路图如图3.4

所示：

(a)无手动复位功能

图3.4复位电路图（b）手动复位

(4)I/O引脚

P0口（32～39脚）：8位双向通讯口，可做并口使用，有0和高阻态两种状态，当外接驱动电路时需要接上拉电阻，以获得能够驱动电路的电压[12]。

P1端口（1～8脚）、P2端口（21～28脚）：这两个均是8位准双向通讯口，都有着两种状态（0和1），因故不能锁存。

P3口（10～17脚）：P3口除拥有8位准双向通信口功能之外也拥有第二种功能，具体功能如下表3.1所示：

表3.1P3口第二功能引脚

P3.0

P3.1

P3.2

P3.3

P3.4

P3.5

P3.6

P3.7RXD(串行口输入端)TXD（串行口输出端）第二功能INT0（专用请求端——外部中断0，当为电平为低电平时奏效）INT1（专用请求端——外部中断1，当为电平为低电平时奏效）T0（定时器/计数器，0脉冲输入端）T1（定时器/计数器，1脉冲输入端）WR（输出端——外部存储器写选通，当为电平为低电平时奏效）RD（输出端——外部存储器读选通，当为电平为低电平时奏效）

3.2.3单片机硬件资源

单片机的硬件资源主要包含有特殊功能寄存器、中断和堆栈、ROM（内部程序存储器）、RAM（内部数据存储器）、定时器、计数器、寄存器区、指令系统以及布尔处理器，如图3.5

所示：

图3.5单片机内部结构图

3.2.4单片机串行通信协议介绍

(1)协议简介：

控制机将地址，数据和校验和打包发送给显示机，显示机接收数据到buf1，数据校验完毕后将3个数据保存到buf2，供显示读取。

(2)通信格式：

每一组数据共5个字节：地址（一个字节），电容电压（一个字节），太阳能电压（一个字节），温度（一个字节），校验和（一个字节）。

例如:7f892342xx(3)地址设置

双机首地址必须一致，暂定0x7f[11]。(4)校验和

校验和是中间三个数据的逻辑运算，例如

checksum=(inbuf1[1]^inbuf1[2]^inbuf1[3]);//异或校验

//xx为892342的逻辑运算结果

checksum=(inbuf1[1]+inbuf1[2]+inbuf1[3]);//和校验(5)发送机参数设置

发送机将控制机将地址，数据和校验和打包发送,以下为发送机串口定义方面的一些参数设置。为了准确的和串口通讯的精确度匹配，本次设计中单片机的外部振荡电路选择12MHz的晶振。

voidinit_serialcom(void)//设置串口的初始化{

TMOD=0x20;//设定定时器1作为8位自动重装的方式运作SCON=0x50;//设置8位数据,可变的波特率TH1=0xFD;//设定定时器的初始值TL1=TH1;

PCON=0x00;//设置波特率不倍速EA=1;//开总中断ES=1;//开串口中断

控制机可能用不到ES，后续可以尝试删掉测试

TR1=1;//启动定时器1}

(6)接收机参数设置

接收机接收数据到buf1，数据校验完毕后将3个数据保存到buf2，供显示读取。

voidinit_serialcom(void)//设置串口的初始化{

TMOD=0x20;//设定定时器1为8位自动重装方式SCON=0x50;//设置8位数据,可变的波特率TH1=0xFD;//设定定时器的初始值TL1=TH1;

PCON=0x00;//设置波特率不倍速EA=1;//开总中断ES=1;//开串口中断TR1=1;//启动定时器1}

(7)数据调试

发送和接收都是十六进制0x开头，可用串口调试助手，找到串口，进行如下设置，即可进行调试，调试方法根据协议来制定。串口调试参数设置如图3.6所示：

图3.6串口调试参数设置

(8)串行模块接线图

本设计中单片机的通信将使用P3口的第二功能，如上文所说。因故下面我们将列出串行输入口P3.0RXD和串行输出端口P3.1TXD的布线图，如下图3-6

所示：

图3.7串行通讯模块接线图

3.3接收显示模块

接收显示模块电路主要包括STC89C52、振荡电路和LCD1602，电路图如3.8所示：

图3.8液晶显示模块接线图

3.3.1LCD1602介绍

1602液晶全程1602字符型液晶，也叫做LCD1602[13]。是一种点阵型液晶模块，可以用来用来显示字母、数字以及符号等信息。若干5*7和5*11这一类点阵字符位共同组建了LCD1602模块。在LCD1602之中，每个点阵字符位均可以显示出一个字符，而且每位之间将会有一个点距的间隔，同时每一行之间也会有相应的间隔，所以可以显示行间距以及字符间距，也因故LCD1602不能很好地显示图形。

1602LCD可以显示两行，每行16个字符。

LCD1602是基于HD44780的液晶芯片，所以LCD1602可以适用基于HD44780编写的控制程序。

1602的管脚如图3.9

所示：

图3.91602管脚图

一百六十个不同的点阵字符图形被存储在液晶模块LCD1602里面的的CGROM（字符发生存储器）里面。它们分别为：英语字母的大小写，阿拉伯语，日语的假名，常用符号，每个字符和图形都有固定的代码与之相应。LCD1062显示屏的接线图如图3.10所示，操作指令表如表3.2

所示：

图3.10液晶显示模块引脚接线图表3.2液晶显示模块操作指令表

操作读状态写指令RS=0，RW=0，

读数据写数据RS=1，RW=0，D0~D7=数据，E=H脉冲

输入RS=0，RW=1，E=1D0~D7=指令码，E=H脉冲

RS=1，RW=1，E=1

1602LCD有两种型号，一种是带背光的，另外一种是不带背光的。其中带背光的比不带背光的厚，在实际应用中，带不带背光并无差别，功能完全相同，所以在实际生活中可以根据自己的需要选择带有背光的或者不带有背光的。现将两者的对比图展示在文中，以供大家选择。

两者尺寸差别如图3.11所示：

图3.11液晶显示屏的尺寸类型图

液晶显示屏的主要特性概要如下：显示容量:16×2个字符芯片工作电压:4.5—5.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm3.3.2LCD1602引脚功能说明

1602液晶显示器使用符合规范的无显示光的14脚接口，也可以是有显示光的16脚接口，如下表3.3所示，给出了它们每个的情况：

表3.3引脚接口说明表

编号12345678

符号VSSVDDVLRSR/WED0D1

引脚说明电源地电源正极液晶显示偏压数据/命令选择读/写选择使能信号数据数据

编号[**************]

符号D2D3D4D5D6D7BLABLK

引脚说明数据数据数据数据数据数据背光源正极背光源负极

LCD1602共有十六个引脚，每个引脚都拥有着自己的功能和作用，在整个电路中起到特定的效果。

现将各个引脚的说明全部汇总列出制作成表格并呈现出来，各个引脚的详细情况表如下表3.4所示：

表3.4各个引脚的详细情况表

引脚第1脚第2脚第3脚

VSS为地电源VDD接5V正电源

说明

VL是液晶显示器对比度调整端，对比度最弱时要接正电源，对比度最高时要接地，“鬼影”会产生在对比度过高时，10K的电位器可以在使用的时候调整对比度

第4脚RS是寄存器选择，电平为高时采用数据寄存器、电平为低时采用指令寄存器

第5脚R/W是读写信号线，电平为高时采用读操作，电平为低时采用写操作。当RS和R/W均为低电平时能够写入指令或者显示地址，当RS为低电平但是R/W为高电平时能够读忙信号，当RS为高电平并且R/W为低电平时能够写入数据

第6脚第7～14脚第15脚第16脚

E端是使能端，当E端的电平由高变低时，LCD1602液晶模块执行命令D0～D7为8位双向数据线背光源正极背光源负极

3.3.3LCD1602的指令说明及时序

共计有十一条控制语句被包含在LCD1602内部，如下表3.5所示：

表3.5液晶模块内部控制器控制指令表

序

号[1**********]11

指令清显示光标返回置输入模式显示开/关控制光标或字符移位置功能

置字符发生存贮器地址

置数据存贮器地址

读忙标志或地址写数到CGRAM或DDRAM从CGRAM或DDRAM读数

RS[1**********]

R/W[1**********]

D700000001BF

D60000001

D5000001

D400001DL

D30001S/CN

D2001DR/LF

D101I/DC**

D01*SB**

字符发生存贮器地址

显示数据存贮器地址计数器地址

要写的数据内容读出的数据内容

LCD1602液晶的读操作、写操作、屏幕操作、光标操作都是依靠指令编程才能实现。（说明：1为高电平、0为低电平），它的指令详解如表3.6所示：

表3.6液晶模块控制指令详解表

指令指令1指令2指令3

指令含义

清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置光标复位，光标返回到地址00H

光标和显示模式设置I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。

指令4显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁

指令5指令6

光标或显示移位S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标功能设置命令DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符

指令7指令8指令9

字符发生器RAM地址设置DDRAM地址设置

读忙信号和光标地址BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙

指令10指令11

写数据读数据

基于HD44780芯片的其他芯片的时序表如表3.7所示：

表3.7基本操作时序表

读状态输入RS=L，R/W=H，E=H输出D0—D7=状态字

写指令输入

RS=L，R/W=L，D0—D7=指令码，输出

E=高脉冲

RS=H，R/W=H，E=H

RS=H，R/W=L，D0—D7=数据，E=高脉冲

输出输出

无

读数据写数据

输入输入

D0—D7=数据无

读操作时序图如图3.12所示：

图3.12读操作时序

写操作时序图和图3.13

所示：

图3.13写操作时序

3.3.4LCD1602的RAM地址映射及标准字库表

LCD1602液晶显示模块必须确认模块的忙标志的电平为低，在任何一条指令被执行之前都必须确认，此时，是不忙的状态，如果不这样做的话，那么这条指令就会失去作用效果。在显示字符之前，必须先输入显示字符地址。LCD1602的内部显示地址如图3.14

所示。

图3.141602LCD内部显示地址

在对LCD1602的初始化设置中，必须先设置它的显示模式，在LCD1602显示字符的运作状态下，光标会自动右移。但是在新一次指令被输入之前，LCD1602均需判断是否处于忙的状态。

一百六十个不同的点阵字符图形被存储在液晶模块LCD1602里面的的CGROM（字符发生存储器）里面。它们分别为：英语字母的大小写，阿拉伯语，日语的假名，常用符号，每个字符和图形都有固定的代码与之相应。

字符代码与图形对应表如表3.8所示：

表3.8CGROM和CGRAM

中的对应表

3.3.5LCD1602的一般初始化（复位）过程

延时15mS

写指令38H（不检测忙信号）延时5mS

写指令38H（不检测忙信号）延时5mS

写指令38H（不检测忙信号）

每新写一次指令，读数据操作与写数据操作都务必检测忙信号写指令38H：显示模式设置写指令08H：显示关闭写指令01H：显示清屏

写指令06H：显示光标移动设置写指令0CH：显示开及光标设置

3.4超声波测距模块3.4.1超声波测距介绍

因为超声波测距这一测距方式相对于其他的测距方式有着很多优点，而且环保健康，对生活环境没有任何毒害作用，所以，在我们的日常生活中和科学探索领域里面，超声波测距的应用越来越广，更多的科学技术发展领域、日常生活中，我们更加依赖于超声波测距这一项非常具有前景的新兴的科学技术。

HC-SR04被选中作为超声波测距模块，在本次设计中得以使用。具体操作方式为：给HC-SR04的放射端高电平信号，让其瞄准前方，发射超声波。在超声波放射出去的同时，我们通过程序操控定时器开始计时，发射出来的声波在空气之中前行，遇到前方障碍物即返回，待HC-SR04接收到回波的时候，传送命令，通过程序控制定时器停止计时。假设忽略温度影响，在一般情况下和温度中，空气中超声波的传输速度是340米每秒，设T是从开始到结束记录的数据，设S是障碍物到测距智能小车之间的距离，那么我们可以得知，距离S=340*T/2。这便是为我们大家所熟知的时间差测距法。超声波测距原理图如图3.15

所示：

图3.15超声波测距原理图

使用方法：

(1使用IO触发以测量距离，给TRIG以25US的高电平信号（至少10US）；(2)模块自主发射8个频率为40khz的方波信号，自主检测信号的返回与否；

(3)当发现有信号通过ECHO返回时，ECHO立即输出一高电平，高电平所存在的时间值就是超声波从发射到返回的时间。

通过单片机IO端口操作，TRIG放射出25US的高电平（最低要10US），之后就可以让接收口ECHO等待静候高电平的出现。定时器要在ECHO电平从低变到高伊始就开始准备进行计时，在ECHO由高电平变为低电平的时候就需要看定时器的读数，他们之间记录的数值的相差值就是超声波所传播的时间。

3.4.2HC-SR04超声波测距模块

本设计采用HC-SR04超声波测距模块。HC-SR04模块能共进行非接触式距离感测功能，它能够提供的范围是2cm-400cm，测量的误差能够切确到3毫米；HC-SR04超声波测距模块主要包含了超声波发射器、接收器以及控制电路。；HC-SR04超声波测距模块的运作基于：让IO端口TRIG启动测距，给25us的高电平信号（最少不得低于10us）；；HC-SR04将会自主的放射出八个频率为40khz的方波，并将等待是否有回波；如果有回波被接受到，利用IO端口ECHO放射出一个比较高的电平，而超声波在空气中传输所花费的时间和高电平持续的时间将会是一模一样的。3.4.3HC-SR04实物图以及接线

HC-SR04的实物图如图3.16所示：HC-SR04的规格图如图3.17

所示：

图3.16HC-SR04

规格图

图3.17HC-SR04规格图

HC-SR04一共有四条线，分别为：VCC（提供5V电源），GND（用于接地），TRIG（用于触发控制信号输入），ECHO（用于接收回响信号输出），都已在实物图中标注3.4.4HC-SR04的电气参数表

HC-SR04的电气参数表如表3.9所示：

表

3.9HC-SR04的电气参数表

电气参数

工作电压工作电流工作频率最远射程最近射程测量角度输入触发信号输出回响信号规格尺寸

DC5V15mA40Hz4m2cm15度

超声波测距模块HC-SR04

10uS的TTL脉冲

输出TTL电平信号，与射程成比例45*20*15mm

3.4.5HC-SR04的超声波时序图

HC-SR04的超声波时序图如下图3.18所示

图3.18HC-SR04超声波模块的时序图

如上图所示，时序图说明了我们仅仅要给与25us的脉冲触发信号（最低不得低于10us），HC-SR04超声波测距模块内部就放射出8个以40kHz为周期的电平并在之后将会接收回波。只要收到回波信号，那么输出回响信号的脉冲宽度与障碍物到超声波测距智能小车之间的距离将会存在着正比的关系。透过这个原理，我们只需要利用发射信号时时间的读数和接收到回波时时间的读书，二者相减，我们就能够计算得到需要测量的距离，即障碍物到小车之间的距离。

对回响信号的影响：

(1)这个模块不应该带电连接，如果出现一定要带电连接的特殊情况，那么就要让模块内的GND端率先接地，不然的话就将影响这个模块的工作情况；

(2)在超声波测距进行的时候，障碍物的面积需要保证大于等于0.5平方米。同时被测量的平面要保持尽量平整，不然的话测量的结果将会受到影响。3.4.6HC-SR04的电路设计

HC-SR04超声波传感器的内部结构及电路工作原理如图3.19和图3.20所示，该传感器主要包括两大部分：发射电路和接收电路。只需要对它给予的脉冲触发信号在10us以上，HC-SR04超声波测距模块内部就放射出8个以40kHz为周期的电平并在之后将会接收回波。只要收到回波信号，那么输出回响信号的脉冲宽度就会和要测量的距离成正比。通过这个原理，利用发射信号到收到的回响信号的时间计算差值，我们就能够计算得到需要测量的距离。公式在上文中已经有提及。

超声波传感器发射电路图如图3.19

所示：

图3.19超声波传感器发射电路图

以方波发生芯片，40kHz的晶振以及MAX232芯片等为主体，这些元件一起共同组建了超声波传感器中发射电路部分。当方波发生芯片从单片机那里接收到触发信号之后，这个芯片便开始了工作过程，发射40kHz的方波信号，TTL电平通过电平转换芯片MAX232被转换成可以使振荡器被驱动工作的高电压，更进一步的，发射亟需的40kHz的超声波。

超声波传感器接收电路图如图3.20所示：

图3.20超声波传感器接收电路图

超声波测距智能小车的制作过程中选取了TL740C芯片作为了前置放大电路、带通滤波电路和后级放大电路设计的核心。TL740C芯片把会接收到的波形放大（通过如整形放大、积分放大、检波放大、滤波放大或者限幅放大等放大方式），让超声波测距模块更好的接收超声波回波并准确测量出数据。

当被测量的距离遥远的时候，收到的回波信号将会越来越微弱，而再经过转换后的信号电平的幅值将会变得越来越小，所以我们必须要让信号通过一些放大，来让输出的功率达到我们所需要的要求。同时为了防止信号出现太大的失真的情况发生，接收电路可以保证有4MHz的宽带。经过放大之后的交流信号需要被送进比较器，然后再输入一个方波信号，同时让触发器被触发，向控制中心发出中断的请求。3.5蓝牙串口无线模块3.5.1蓝牙转串口模块的选择

在本设计中，蓝牙串口模块分为主机模块和子模块（从机模块）。其中主机模块能够和从机模块相配对，进而通信，但是从机模块和另一个从机模块之间不能通信，主机模块和另一个主机模块之间也不能进行通信。子模块还能够与计算机、智能随身设备等先进设备的蓝牙进行连接。在本设计中，蓝牙模块主要用于接收命令信号（来自移动终端发送），因此在本设计中，我们需要子模块。蓝牙串口模块的工作原理方面，只要是用名字为偶数的模块之间是相互兼容的，例如：HC-04与HC-06是想相互兼容的，HC-03蓝牙模块与HC-05蓝牙模块是相互兼容的。但是HC-04蓝牙模块和HC-06蓝牙模块是很早的蓝牙模块。使用这些模块的时候，用户们不能够自由切换使用主模块或子模块，并且AT指令集相当的匮乏，你如说不能够修改蓝牙名（只有子模块才能修改蓝牙的名字），不能变更蓝牙密码，不能修改波特率，不能够查看模块资料版本等这些基本但就是不能执行的不方便的地方。

但是在我们的超声波测距智能小车里面我们只要达到非常简单的连接的目的，所以还是

选择使用了HC-06这个型号。

HC-06蓝牙模块只能记得最近的和它连接过的子模块，而且只能够和这个子模块连接，必须要等到KEY（26脚）接收到高电平启动之后才能够解除和这个子模块的连接（26脚默认的电平应该为低）。3.5.2HC06基本资料介绍

(1)以CSR为核心芯片，符合目前市场上普遍做法，采用了V2.0蓝牙协议。

(2)3.3.V电压时串口模块工作的推荐电压。如果工作有底板，可以是3.1V-6.5V的电压。(3)使用者能够自行改变波特率。可用的波特率有：1200，2400，4800，9600,19200，

38400，57600，115200。

(4)本设备的主要内核大小是28毫米*15毫米*2.35毫米。地板的大小是27毫米*47

毫米。

(5)当进行配对操作时，工作电流需达到50mA，其他情况下配对电流是28mA。(6)本产品没有休眠状态，所以没有休眠电流。(7)产品能在GPS导航，工业方面等方面发挥作用。(8)能够和一切含有蓝牙模块的智能设备进行配对操作。(9)1234是出厂的时候从机默认的配对密钥，以后请自行更改。3.5.3HC06模块AT命令集

(1)测试通讯

发送：AT（返回OK，一秒左右发一次）返回：OK(2)改蓝牙串口通讯波特率发送：AT+BAUD11---------12006---------38400B---------921600

返回：OK1200

发送：AT+BAUD2

返回：OK2400

5---------19200

2---------24007---------57600

3---------48008---------115200

4---------9600

9---------230400A---------460800

C---------1382400

为了防止信号的干扰作用让我们的蓝牙系统工作出现不稳定的情况，所以使用的时候波特率必须低于115200。

波特率在被调整为不小于115200后的情况下，计算机是没有办法操作的，需要通过系统上面的编程让设定改变，然后波特率高于115200的情况下才能重新操作此波特率，并且才能够重新发AT命令设低波特率。

使用AT命令来设置波特率，在下一次通电的时候就不需要再一次设置波特率了，因为它是能够掉电保存的。

(3)改蓝牙名称发送：AT+NAMEname返回：OKname

参数name（名字）：需要设定的蓝牙名称，也就是蓝牙被搜索的时候显示的名称。必须

要低于20个字符。例如：

发送AT+NAMEabc；返回OKname。

当这个时候，蓝牙的名称就被改成了abc，这个参数是可以在电流消失后继续被保存的，因故只要修改一次即可。随后在掌上电脑上面重新加载便能看见重新命名的蓝牙。

(4)改蓝牙配对密码发送：AT+PINXXXX；返回：OKsetpin。

参数XXXX：这是我们需要设置的蓝牙之间的配对密钥，长度为4个字节大小。这个命令从机模块或主机模块都可以使用。如果是从模块机，从机适配器或智能装置将弹出窗口，要求输入密钥，这个时候，我们手动输入此设置密码可以连接。主机的情况，就是在使用蓝牙模块关闭设备的时候（设备是从机）找到设备的配对密码，再键入蓝牙模块，然后我们的主蓝牙模块可以自动连接到设备。

例：发送AT+PIN0000；返回OKsetpin。

这个时候，蓝牙配对密码就被设置为0000。我在我们的设备出厂到我们购买使用的期间，它的默认配对密钥是1234。这个参数在电流消失的时候可以继续被保存，所以只需修改一次就可以了。3.6电机驱动模块3.6.1电机驱动模块的选择

方案一：

使用A3972驱动模块。A3972的设计独立于接收和分配机，也是建立在双台（频道）的基础上的。因为这些原因，在这个驱动模块里面包含了电路，可以进行电机切换，因故能够让不同时间工作的两路电机的启动，但是并不经济实惠。

方案二：

L298N是ST公司生产的芯片。有以下几个特点：最高可以承受达到46V的工作电压，可以让两个二项电机工作，在让输出电压改变这个方面的操作上，可以直接利用电源来执行；能够直接通过单片机的I/O端口发射信号，而且拥有相对简单的电路，所以使用起来是比较方便的。

通过以往的实验数据来看，L298N驱动模块使用过程中相当可靠，能够得到良好的实验效果。L298N驱动模块的电路的电气性能良好、电路的散热性能十分优良。因故在超声波测距智能小车里面，L298N被选中来作为超声波测距智能小车的电机驱动模块。L298N模块在控制电机的正转操作、反转操作以及停止操作方面是依靠通过程序改变I/O端口的输入控制并且改变控制端的电平造成变化来达成的。

L298N电机驱动模块的引脚图如表3.10所示：

表3.10L298N模块逻辑关系图

EnA01111

Ln1X1010

Ln2X0110

运转状态停止正传反转立停停止

L298N电机驱动模块的主要特性：(1)可实现电机正反转及调速。(2)启动性能好，启动转矩大。(3)工作电压可达到36V，4A。(4)可同时驱动两台直流电机。3.6.2L298N基本资料介绍

L298N使用了15脚封装的封装模式。L298N的主要特性有：(1)较高的工作电压，工作电压的峰值甚至达到了46V；

(2)较大输出电流，输出电流的瞬间峰值电流能够有3A，持续工作电流是2A；(3)内部有两个H桥的高电压、大电流全桥式驱动器，能够驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈这些感性负载；

(4)L298N使用了标准逻辑电平信号来加以控制；它有着两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况之下可以让或禁止器件驱动运作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分能够在低电压下运行；

(5)L298N能够外接检测电阻，把变化的量反馈回控制电路。

(6)L298N驱动电机能够驱动两个二相电机，或者用来使一个四相电机运作，也能够直接利用电源来使输出的电压发生变化；L298N的主要引脚功能表如表3.11所示：

表3.11L298N主要引脚功能表

引脚+5VVCCGND

Output1—Output2Output3—Output4EN1、EN2

功能芯片电压5V

电机电压，最大可接50V共地接法输出端，接电机1输出端，接电机2

高电平有效，EN1、EN2分别为IN1和IN2、IN3和IN4的使能端

Input1~Input4输入端，输入端电平和输出端电平是对应的

L298N电机驱动模块的实物图如图3.21所示：L298N电机驱动模块的内部原理图如图3.22所示：L298N电机驱动模块的管脚名称命名图如图3.23

所示：

图3.21L298N

实物图

图3.22L298n

内部原理图

图3.23L298n管脚名称命名

3.6.3直流电机模块

如果使用直流/步进两用驱动器的话能够同时驱动两台直流电机运作。假设他们是M1与M2。引脚A、B能用做用在输入PWM信号，然后能够改变或控制电机的转速。（如果不需要让电机的转速变动可以把两引脚都接5V电压，这样就会一直保持速度最快的状态）这样的话改变电机的正转或者反转就变得更加轻而易举，如果信号端口IN1和信号端口IN2分别接入高电平和低电平这两个不同的电平的话，那么M1在这种情况之下就会正转。（如果信号端口IN1和信号端口IN2分别接入低电平和高电平这两个不同的电平的话，那么M1在这种情况之下就会反转。）我们也可以用同样的方式控制另外一台电机：如果信号端口IN3和信号端口IN4分别接入高电平和低电平这两个不同的电平的话，那么M2在这种情况之下就会正转（如果信号端口IN3和信号端口IN4分别接入低电平和高电平这两个不同的电平的话，那么M2在这种情况之下就会反转）

输入信号如表3.12所示：

表3.12PWM信号端输入信号表

输入PWM信号改变脉宽可调速

电机

旋转方式

控制端IN1

控制端IN2

控制端IN3

控制端IN4

调速端A

调速端B

正转

M1

反转停止正转

M2

反转停止

高低低//低

低高低//低

///高低/

///低高/

高高高///

///高高高

4软件分析与设计

4.1程序介绍

本系统软件设计包含两个部分，一是对小车运动状态的控制的小车运行程序；另一个是对数据的采集和显示的车载程序。虽然两部分的硬件搭建、线路连接和电源供应有共通之处，但是两个部分在程序运行上是互相独立，没有干扰的。总的来说，这两部分共包含：超声波测距程序，LCD1602显示程序，电机控制程序，蓝牙传输程序。超声波测距数据的采集取决于小车前方障碍物与小车距离的大小。蓝牙传输程序决定了操作指令能否准确传送到小车上，如果错误，小车将不能向指定方向运行，小车也就无法采集操作员需要的距离数据。电机控制程序决定了小车的运转状态，以及转速等的控制，使小车能够以适当稳定的速度运行。

液晶显示程序用来采集，处理数据显示。液晶显示的数据将会在一定的时间内产生变化，使人直接观察车距障碍物的距离。所以这几个方面的程序处理显得很是重要。

综上，此系统的软件程序主要包括两个部分的主程序，超声波测距程序、液晶显示程序、电机控制程序和蓝牙传输程序的流程图。

4.2主程序介绍

对于小车车载系统的主程序而言，拥有测量显示的任务，所以要进行一系列必要的初始化设置，这些设置运行时执行进行一次即可。初始化完成之后，距离数据的采集、处理，液晶的实时显示以及进入中断后的处理工作则是在一个大循环里进行的，液晶屏幕上显示的数据也就会实时变化显示。而系统一旦触发中断时，系统就会立即进入中断服务子程序执行相应的操作命令，而一旦中断服务子程序中的操作完成后，系统就会自动跳出中断，从中断处继续向下运行。其中外部中断程序里包含对于超声波信息的处理，这里的超声波信号的处理之所以用外部中断触发处理，是因为外部中断的感应精确灵敏，只要感应到外部中断就会进入中断进行信号的处理。如果采用端口扫描的话，可能会出现超声波信号到达时而程序并没有扫描到这一句程序的情况。这样超声波到达时间的计算就会出现错误，从而对距离的测量产生影响。所以采用外部中断的方式比I/O端口扫描的方式更加高效准确。

对于小车的运行驱动程序，只要把相应的初始化设置好后，进入一个死循环中等待蓝牙发送信号，通过串口通讯协议到达主系统，触发中断，使系统立即进入串口中断子程序，执行小车运行状态的命令。串口中断子程序结束后，系统跳出中断继续等待下一个信号的到来。如此一直循环下去。

驱动小车运行过的主程序流程图如图4.1

所示：

图4.1小车运行主程序

车载系统的主程序流程图如图4.2

所示：

图4.2车载系统主程序

4.3超声波测距程序介绍

如图4.3所示，是本系统的超声波测距模块的流程图。

程序中通过单片机中的外部中断功能，来感应并计算超声波发出与返回的时间长度，此方法的灵敏性和准确性都有很好的保证。假设单片机得到的时间为t，则由计算公式课得到距离distance=0.17*t，然后把这个数据进行处理后，送给液晶显示屏进行显示。

这个超声波往回的时间计算是通过单片机里面的定时器功能计算达成的。STC89C52单片机中有两个定时器，分别为定时器0和定时器1，这两个定时器都是16位的定时器，此处只需要采用其中一个即可，本系统采用的是定时器0。一般使用定时器的时候，编程有以下几个特定的步骤：

(1)设定定时器的工作模式，即设定TMOD的值(一般常用的是模式1：TMOD=0x01)；

(2)装入预置数到THX和TLX中（其中x=1或2）；

(3)打开总中断EA和定时器中断0/定时器1；

(4)使定时器/计数器运作：TR0/TR1=1。

上面四个步骤合起来叫做定时器的初始化。同时本系统还用到外部中断0，所以在程序中设置TMOD的值为TMOD=ox19，并把中断方式设置为下降沿中断，那么T的时间差就可以具体表现为计算高电平持续的时间，即上升沿到来时候计时器开始运作，即开始计时，

下降沿到来进入外部中断，让计时器的运作即刻停止，这样计时就结束了。

图4.3超声波测距流程图

4.4电机驱动程序介绍

如图4.4所示，是本系统电机驱动模块的程序流程图。

其中a表示从蓝牙模块接收到信号，而且经过转化处理而得到的十进制数。由于电机的转动需要控制，所以采用定时器0进行延时处理，是电机能够正常转动。当接收的数据大小为1时，两个电机均以相同的速度正转，从而能够直线前进；当接收的数据大小为2时，两个电机均以相同的速度反转，从而能够直线后退；当接收的数据大小为3时，右电机正转，左电机停止，从而能够向左转弯；当接收的数据大小为4时，左电机正转，右电机停止，从而能够向右转弯；当接收到的数据大小为0

时，两个电机均停止，则小车停止。

图4.4电机驱动程序流程图

5系统的硬件制作与调试

5.1系统硬件制作

以下几个工序共同构成了本系统的硬件制作部分：

(1)广泛阅读文献，查找相关资料；

(2)初步确定需要的零部件，并且进行购买；

(3)通过运用面包板的搭线制作和初步调试，发现本次制作中存在的相关问题，并加以解决，调试完成；

(4)用AltiumDesigner10软件进行电路原理图的绘制，并生成了PCB文件。在把PCB文件交于淘宝厂家加工制作，再拿回焊接时，由于发现PCB板存在相应问题，无法达成设计目的，所以在成品中并未使用PCB板。

(5)在(4)的原理图的基础上，在洞洞板上进行了硬件电路的焊接。

PCB制作原理图如图5.1

所示：

图5.1PCB原理图

5.2系统硬件调试

在系统样机完成以后，对样机做了最终的测试，确保样机能够完成预期设想的功能。总的系统的实物图如图5.3所示，通过加电实验，系统能够完成如下功能：

(1)通过手机上的蓝牙功能与小车上的蓝牙模块通信，给小车发送前进、后退、左转转、停止命令时，小车能够完全按照指令运行、工作。

(2)安装在小车前端的超声波测距模块能够实时的检测前方障碍物与小车之间的距离大小，液晶屏实时的显示出来，给人直观感受。

6总结

本设计提出了一种具有超声波测距功能的智能小车设计，通过超声波测距模块、蓝牙模块、液晶显示模块和电机驱动模块达成了小车的功能。为日常生活中在某些情况下代替量尺等工具提供了一种解决办法。

通过这次实用系统的设计，巩固了我之前所学的有关单片机的知识，也使得我的单片机的应用能力有了一定的提升，同时也发现了自身的不足。在这次设计中，是我第一次接触和运用超声波测距模块和蓝牙通信模块，从中学到了许多新的东西，这也为我以后的设计创新打下了坚实的基础。

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致谢

首先，我在这里向在这个毕业设计中和四年的大学生活中给了我帮助和关怀的老师和同学表示衷心的感谢！

在这次毕业论文的设计过程中，毛鹏老师在许多方面给了我极大的帮助，包括论文的选题方面、相关的资料查询、硬件选择以及软件使用上的建议等，这对我来说是一次非常有意义的经历。设计期间，毛老师还对我的生活学习等各个方面表示了关心，令我十分感动，毛老师对于我的这些指导将会是我日后生活工作中的一笔宝贵的财富。所以在此，我特别向毛鹏老师致敬！

现在，我要今天参加答辩，给予我建议以及指导的所有老师们致以最崇高的问候！