序言：寫作是分享個人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了1篇的機(jī)電中超聲波雷達(dá)測距與知識模塊教學(xué)樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。

1前言

汽車電子集成化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化是世界汽車發(fā)展的主流趨勢，各職業(yè)類技術(shù)院校的汽車專業(yè)基本都開設(shè)了智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)相關(guān)方向的課程，該類課程的技術(shù)相關(guān)概念復(fù)雜、深奧、抽象，學(xué)生根本無法深刻理解其本質(zhì)含義。本文嘗試使用目前主流的軟硬件仿真系統(tǒng)Tinkercad與Proteus進(jìn)行聯(lián)合仿真，基于智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的車載超聲波雷達(dá)測距[1]模塊教學(xué)案例，仿真實(shí)現(xiàn)基本的車載超聲波雷達(dá)測距系統(tǒng)測距功能，使學(xué)生能透徹地理解其測距原理。Tinkercad仿真系統(tǒng)連線簡單明了，界面友好，通過幾根簡單的電路接線即可形象地顯示雷達(dá)測距原理與各模塊之間地邏輯關(guān)系，特別適合于沒有專業(yè)基礎(chǔ)或?qū)I(yè)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生入門學(xué)習(xí)，Proteus軟件則側(cè)重于實(shí)踐開發(fā)，如具體硬件模塊選型、元器件種類的選擇、各元器件參數(shù)的設(shè)置及具體的電子系統(tǒng)布線圖，而且可以完成整個超聲波雷達(dá)測距系統(tǒng)從硬件系統(tǒng)到軟件系統(tǒng)的細(xì)節(jié)基礎(chǔ)設(shè)計。顯然，整個教學(xué)實(shí)踐過程主要分成兩大步驟，即先進(jìn)行Tinkercad仿真實(shí)踐，然后再進(jìn)行Proteus仿真實(shí)踐。

2車載超聲波雷達(dá)測距原理Tinkercad仿真

Tinkercad是世界著名圖形設(shè)計公司Autodesk（AutoCAD為其代表產(chǎn)品之一）近年來新推出的一款開源軟硬件電子仿真設(shè)計系統(tǒng)，該設(shè)計系統(tǒng)提供了許多市場上典型的開源硬件處理器及電子元器件，可以進(jìn)行電子電路設(shè)計及單片機(jī)或嵌入式系統(tǒng)仿真設(shè)計，并支持C或C++語言進(jìn)行系統(tǒng)編程。在Tinkercad網(wǎng)站完成Autodesk賬戶的注冊之后，如圖1所示，進(jìn)入Tinkercad電子電路設(shè)計界面，界面簡單明了，只需把右側(cè)“基本組件”的元器件拖拽至左側(cè)”電路設(shè)計區(qū)”，采用簡單的連線即可完成車載雷達(dá)系統(tǒng)硬件設(shè)計。其中，微處理器芯片采用ArduinoUNO，雷達(dá)傳感器采用HC-SR04型號。在教學(xué)過程中，重點(diǎn)向?qū)W生闡明雷達(dá)傳感器四個引腳的物理意義，分別是電源引腳VCC、地引腳GND、Trig引腳為超聲波觸發(fā)引腳、Echo為雷達(dá)反饋信號接收引腳，引腳物理意義闡述清楚，學(xué)生即可初步理解超聲波測距原理，與蝙蝠探測食物昆蟲距離類似，超聲波測距雷達(dá)系統(tǒng)只需計算發(fā)射的超聲波信號與接收的超聲波信號時間間隔，聲波速度乘以間隔時間除以2即為汽車與障礙物之間的距離。如圖1所示，Arduino單片機(jī)[2]的5V電源引腳接到面包板的正極，Arduino單片機(jī)板的GND引腳接到面包板的負(fù)極，雷達(dá)傳感器HC-SR04的VCC與GND引腳再分別接到面包板的正負(fù)極，即Arduino單片機(jī)通過面包板給雷達(dá)傳感器HC-SR04供電。Arduino單片機(jī)的9號引腳通過面包板連接到HC-SR04的Trig端子，用以觸發(fā)HC-SR04工作，8號引腳通過面包板連接到雷達(dá)傳感器HC-SR04的Echo端子，用以接收超聲波反射信號，該反射信號為高電平，高電平持續(xù)時間即為超聲波從發(fā)射到探測到障礙物后反射的時間間隔。同時，在8號超聲波信號接收引腳外接一個簡易示波器，用以直觀顯示超聲波傳感器的返回高電平信號持續(xù)時間。其中示波器的分辨率設(shè)置為10ms（具體分辨率參數(shù)設(shè)置可根據(jù)不同的系統(tǒng)實(shí)測后設(shè)定）。在連接完成硬件電路之后，點(diǎn)擊“圖標(biāo)菜單欄”右側(cè)的“代碼”按鈕進(jìn)行程序編輯，編輯完成右側(cè)所示代碼區(qū)代碼。車載雷達(dá)測距仿真案例采用Arduino單片機(jī)，該類型單片機(jī)具有強(qiáng)大的函數(shù)庫功能，在編程過程中避免初學(xué)學(xué)生陷入復(fù)雜的單片機(jī)寄存器編程操作，使得編程更容易上手，軟硬件結(jié)合方便學(xué)生更好地理解車載雷達(dá)測距原理。如圖2所示，在代碼區(qū)，Arduino單片機(jī)核心函數(shù)有兩個，一個是setup函數(shù)，該函數(shù)主要用來設(shè)置Arduino單片機(jī)引腳工作模式，根據(jù)前述硬件連線方式，采用pinMode函數(shù)設(shè)置8號引腳為接收雷達(dá)測距傳感器反饋信號引腳，9號引腳為雷達(dá)測距傳感器觸發(fā)信號引腳。Arduino單片機(jī)第二個核心函數(shù)為loop循環(huán)函數(shù)，該函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)具體的系統(tǒng)功能，在每一個循環(huán)內(nèi)，利用digitalWrite函數(shù)先設(shè)定9號引腳為高電平，然后利用延遲函數(shù)delayMicroseconds令9號引腳的高電平持續(xù)10微秒，只有這樣，雷達(dá)傳感器才能觸發(fā)工作，最后利用digitalWrite函數(shù)設(shè)置9號引腳為低電平，這樣便完成一次雷達(dá)傳感器SR04的觸發(fā)工作。最終，每一個循環(huán)，9號引腳高電平持續(xù)10微秒一次，雷達(dá)傳感器SR04觸發(fā)工作一次。在每一個循環(huán)最末尾利用delay函數(shù)延遲100毫秒，以避免雷達(dá)傳感器觸發(fā)工作太頻繁，影響示波器信號的采樣與顯示。點(diǎn)擊圖1中Tinkercad上方菜單欄里的“開始模擬“按鈕，進(jìn)入Tinkercad仿真環(huán)境，在仿真狀態(tài)下，如圖2所示，點(diǎn)擊超聲波傳感器，在其圖形的上方出現(xiàn)一個帶有綠點(diǎn)的扇形區(qū)域，該綠點(diǎn)即為障礙物，通過鼠標(biāo)拖拽該綠點(diǎn)，使其與超聲波傳感器的距離不停變化，雷達(dá)傳感器SR04上的距離數(shù)值也不停變化，同時，示波器的電壓脈沖信號寬度大小將隨著綠點(diǎn)障礙物的遠(yuǎn)近發(fā)生變化，學(xué)生通過Tinkercad的簡單仿真，即可充分理解障礙物距離、超聲波發(fā)射與返回間隔時間、超聲波傳感器返回高電平信號持續(xù)時間三者之間嚴(yán)密的邏輯關(guān)系。

3車載超聲波雷達(dá)測距系統(tǒng)Proteus仿真

Proteus仿真軟件界面較復(fù)雜，菜單欄與工具欄功能強(qiáng)大，對學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識及操作技能要求較高，學(xué)生通過前期Tinkercad軟件系統(tǒng)仿真，已經(jīng)理解了車載雷達(dá)系統(tǒng)的基本原理、核心雷達(dá)傳感器SR04的測距原理及主要端子的功能及信號特點(diǎn)，對車載雷達(dá)測距系統(tǒng)的編程邏輯也有了一定了解。以此為基礎(chǔ)，學(xué)生可以細(xì)致全面地在Proteus仿真軟件實(shí)現(xiàn)車載雷達(dá)系統(tǒng)的硬件設(shè)計及軟件仿真，如圖4所示，與Tinkercad軟件仿真類似，Arduino通過IO2與IO3引腳分別連接雷達(dá)測距模塊的ECHO與TR端子相連，即IO2引腳接收雷達(dá)傳感器的反饋測距信號，IO3引腳控制雷達(dá)傳感器工作觸發(fā)。同時，IO2（ECHO）引腳連接到示波器模塊的A通道，IO3引腳（TR）引腳連接到示波器模塊的B通道，在程序仿真運(yùn)行時，能實(shí)時顯示SR04雷達(dá)模塊的工作時序，顯示曲線明顯比Tinkercad示波器更加詳實(shí)細(xì)致，SR04雷達(dá)模塊的觸發(fā)信號與輸出回想信號（反饋信號）在Proteus示波器動態(tài)數(shù)據(jù)顯示中具有更強(qiáng)的對比度與可調(diào)整性。在授課過程中，Proteus仿真比Tinkercad仿真更能說明如圖3所示的雷達(dá)模塊SR04工作時序原理圖，即Arduino通過IO3（TR）引腳持續(xù)輸出10微秒以上高電平觸發(fā)雷達(dá)模塊SR04工作，SR04模塊連續(xù)發(fā)出8個40KHz雷達(dá)脈沖，Arduino通過IO2（ECHO）收到SR04模塊反饋回聲信號，回聲高電平信號持續(xù)時間與所測障礙物距離成正比。得益于Proteus元器件庫的系統(tǒng)全面，學(xué)生更能細(xì)節(jié)掌握LCD顯示模塊[3]的硬件電路布線及LCD基于Arduino的軟件編程函數(shù)庫。如圖3所示，Arduino的IO8號引腳連接LCD1602模塊的數(shù)據(jù)/指令寄存器選擇控制端，IO9引腳連接LCD1602模塊的R/W讀寫選擇控制端，IO10引腳連接LCD1602模塊的使能端E。Arduino的IO4～I(xiàn)O7四個引腳分別連接LCD1602模塊的D4～D7端，使得LCD1602模塊工作于4位顯示模式下。Proteus程序代碼比Tinkercad程序代碼更加詳實(shí)具體，全面細(xì)致。在Proteus仿真編程中，除了要求學(xué)生更加熟練掌握利用digitalWrite函數(shù)與delayMicroseconds延遲函數(shù)觸發(fā)雷達(dá)模塊SR04工作的編程技能，還要求學(xué)生掌握利用pulseIn函數(shù)讀取雷達(dá)反饋信號高電平脈沖寬度，從而通過計算獲得雷達(dá)測距數(shù)值。此外，還要求學(xué)生掌握關(guān)于液晶顯示模塊LCD1602的Arduino庫函數(shù)庫LiquidCrystal里面常見的顯示參數(shù)與顯示模式設(shè)置相關(guān)函數(shù)的編程。在實(shí)踐教學(xué)過程中，學(xué)生需掌握的Arduino軟件編程庫函數(shù)如表1所示。至此，分別通過Tinkercad仿真與Proteus仿真，學(xué)生由淺入深，循序漸進(jìn)地掌握了車載雷達(dá)測距系統(tǒng)測距原理、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計及布線、軟件系統(tǒng)編程。

4結(jié)論

智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)相關(guān)課程概念深奧難懂，硬件化實(shí)現(xiàn)困難，采用仿真系統(tǒng)不僅可以大大降低硬件成本，把深奧抽象的概念理論轉(zhuǎn)化成看得見的可視化的仿真結(jié)果，使學(xué)生不再局限于理論知識的粗淺了解，對車載雷達(dá)測距系統(tǒng)有了深刻的理解與認(rèn)知，大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與教學(xué)效果。Tinkercad電子電路仿真軟件特點(diǎn)是界面友好，操作極其簡單。所以在本教學(xué)案例中，主要用該軟件來進(jìn)行簡單的系統(tǒng)原理仿真，使無理論與實(shí)踐基礎(chǔ)的學(xué)生對車載雷達(dá)測距系統(tǒng)有初步理解及概念。但其不足也較明顯，其核心芯片及元器件種類有限，芯片與元器件硬件資源庫遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上Proteus的全面系統(tǒng)，具體的芯片引腳及端口不如Proteus標(biāo)注詳實(shí)具體，不能體現(xiàn)系統(tǒng)連線布線細(xì)節(jié)，且Proteus能直接生成PCB圖，更貼合實(shí)際嵌入式系統(tǒng)設(shè)計情況。但Proteus對學(xué)生操作技能要求較高，要求學(xué)生必須掌握所設(shè)計系統(tǒng)基本原理，相關(guān)微處理器芯片及核心元器件主要信號物理意義及布線原理。兩款仿真軟件的結(jié)合，更能優(yōu)勢互補(bǔ)，達(dá)到最佳的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn):

[1]基于超聲波雷達(dá)的自動泊車自適應(yīng)測距與定位設(shè)計[J].張海煥,陳彩霞,馬逸.科技視界.2020（28）.

[2]基于Arduino的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計[J].李宗峰.信息技術(shù)與信息化.2021（06）.

[3]TFT-LCD源驅(qū)動電路設(shè)計和仿真[D].申國輝.上海交通大學(xué).2015.

作者:陸人定 單位:常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院