超声波小车自动测距变速系统

赵欣哲，杨培培，刘文凯

(中国石油大学(华东)，山东 黄岛 266580)

当今社会，随着汽车的逐步增多，交通拥堵现象已成为现在公路上的常见问题。对于长时间的堵车问题，司机不得不重复启动刹车的过程，以保证车的不断前行并且和前方车辆保持安全距离。但这一过程由人为控制不仅会浪费燃油，造成污染，而且长时间的堵车会浪费司机很多的时间。本设计——超声波自动测距变速系统则可以解决这一问题。本设计可以让方向盘脱离双手，在堵车过程中司机可以打开此系统实现车辆自动控制前进，并与前方车辆保持安全距离，当超出安全距离后自动报警，此时司机便可以转为手动模式继续驾驶。因此，本设计与实际相结合，现实意义很强［1-2］。

1 各模块功能及特点

1.1 设计原理

本设计通过超声波不断测量与前方车辆的距离，由单片机计算速度，利用L298N驱动系统和PWM技术实现车子随之变速，这样就可以很好的解决堵车时车辆缓缓前进的问题。由单片机的控制可以精确的计算车前进的速度以节约燃料，减少污染浪费。

US-100超声波测距模块可实现2 cm～4.5 m的非接触测距功能，拥有2.4～5.5 V的宽电压输入范围，在选择好模式下，模块将距离值转化为340 m/s时的时间值的2倍，通过Echo端输出一高电平，可根据此高电平的持续时间来计算距离值。即距离值=(高电平时间*340 m/s)/2。

图1 VS-100超声波测距模块图示

1.2 各模块功能特点

1.2.1 动态测距模块(US-100超声波测距模块)

超声波测量法:超声波测距指向性强，能量消耗缓慢，且实用性强，易于做到实时控制。

本次使用的US-100超声波测距模块静态功耗低于2 mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠。

1.2.2 小车驱动模块(L298N驱动模块)

采用ST公司原装全新的L298N芯片，电路稳定工作，可以直接驱动两路3～16 V直流电机，并提供了5 V输出接口(输入最低只要6 V)，可以给5 V单片机电路系统供电(低纹波系数)，支持3.3 V CUARM控制，可以方便的控制直流电机速度和方向，也可以控制2相步进电机，5线4相步进电机。

L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，其输出电流为2 A，最大电流为4 A，最高工作电压为50 V，用于驱动感性负载，其输入端可以与单片机直接相连，从而方便地受单片机控制。驱动直流电机时只需改变输入端的逻辑电平即可实现点击的止转、正转和反转。

图2 L298N驱动模块

1.2.3 核心控制器STC12C5A60S2单片机

STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟、机器周期(1T)的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S)，针对电机控制，强干扰场合。

为了提高系统稳定性和满足系统的功能实现，采用STC12C5A60S2单片机作为核心控制器，设计超声波小车自动测距变速系统。

图3 STC12C5A60S2单片机

1.2.4 提示报警模块

采用单片机自带的声音模块。可以实现前方障碍物在某段距离中以大于某速度离开时启动鸣笛报警功能。

2 各模块的连接

2.1 结构设计

超声波测距模块组硬件框图见图4。

图4 超声波测距模块组硬件框图

测距模块由超声波发射调理电路和接受处理电路、超声波发射头和接收头四部分组成。

模块通过超声波发射调理电路经发射头发射出超声波，当超声波接触前方障碍物时根据波的反射反射到接收头，经超声波回波接收处理电路处理，最后由单片机计算距离。

超声波小车自动测距变速系统软硬件整体框架见图5。

图5 系统软硬件设计框架图

以STC12C5A60S2单片机为核心，将所需程序录入单片机，并使之与自动报警模块、自动变速模块、L298N驱动模块以及超声波测距仪链接，利用超声波测距仪与前方障碍物发射、接收信号，并返回到单片机，由单片机计算距离，同时完成小车的自动控制［3-4］。

2.2 各部分的软件连接

主程序清单如下:

3 存在问题及展望

由于本设计在现实中实现需要花费较高，因此采用小车模拟，但小车模拟与在现实中实现此功能有很大不同，应用在现实中较为困难，测距量程的增加和测量精度的提高都是需要改进的方向。超声波测距在真实环境中受周边环境干扰较大，因此误差处理以及市场化问题，在后续工作中都会进行改进与解决。

之后的研究将尽可能的使之运用到实际，改善模拟状态与实际状态中的不兼容情况，因为超声波指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，并且利用超声波测距比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，所以相信本设计是有很大的实用性和有商业价值的。

［1］陈国呈.PMW变频调速及软开关店里变换技术［M］.北京:机械工业出版社，2011:73-75.

［2］吴斌方，刘民.超声波测距传感器的研究［J］.湖北工学院学报，2004(6):26-28.

［3］孙存英.超声波探测技术原理实验［J］.大学物理实验，2010，23(1):1-3.

［4］陈玉琳.基于时差法的超声波测速向仪设计的实现［J］.大学物理实验，2010，26(4):21-23.