智能小車的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

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1、摘 要 摘 要 80C52單片機(jī)是一款八位單片機(jī)，它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評(píng)。這里介紹的是如何使用80C52單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)智能小車的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)是結(jié)合科研項(xiàng)目而確定的設(shè)計(jì)類課題。本系統(tǒng)以設(shè)計(jì)題目的要求為目的，采用80C52單片機(jī)作為控制核心，采用紅外傳感器檢測道路面上的障礙，控制智能小車的自動(dòng)避障，快慢速行駛，按鍵開車停車，并可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄行駛時(shí)間，自動(dòng)避障，自動(dòng)尋線功能。最終完成智能車設(shè)計(jì)需要綜合單片機(jī)編程、模數(shù)電、Protel 設(shè)計(jì)、電路焊接、自動(dòng)控制算法設(shè)計(jì)等多方面內(nèi)容。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性能高。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果滿足要求，本文著重介紹了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法及測

2、試結(jié)果分析。 采用的技術(shù)主要有： （1） 通過編程來控制小車的速度； （2） 傳感器的有效應(yīng)用； （3） 顯示譯碼管的使用。 關(guān)鍵詞： 80C52單片機(jī);光電檢測器;PWM調(diào)速;智能小車 - I - ABSTRACT Design and create an intelligence electricity motive small car Abstract 80C52 is a 8 bit single chip computer. Its easily using and multi-function benefit l

3、arge users. This article introduces the UESTC graduation design with the 80C52 single chip computer. This design combines with scientific research object. This system regards the request of the topic, adopting 80C52 for controlling core, infrared reflection sensor for test the hinder. It can run in

4、a high and a low speed or stop automatically. It also can record the time, distance and the speed or searching light and mark automatically the electric circuit construction of whole system is simple, the function is dependable. Experiment test result satisfy the request, this text emphasizes introd

5、uced the hardware system designs and the result analyze. The adoption of technique as: (1) Speed control by program the engine； (2) Efficient application of the sensor; (3) The adoption of the new display chip. Keywords 80C52 single chip computer; light electricity detector; PWM speed adju

6、sting;Electricity motive small car 目 錄 目 錄 第一章 引 言 5 第二章 方案設(shè)計(jì)與論證 7 2.1 微處理器(MCU)和場可編程邏輯門陣列(FPGA)的選擇 7 2.2 直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的選擇 9 2.3 舵機(jī)和萬向輪的選擇 10 2.4 最終元器件選擇 11 第三章 硬件設(shè)計(jì) 13 3.1 課題的方案論證 13 3.1.1 主要任務(wù) 13 3.1.2 功能要求 13 3.1.3 性能指標(biāo) 13 3.2 課題工作 13 3.3 系統(tǒng)整體框圖 14 3.4 電源模塊設(shè)計(jì) 14 3.5 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14

7、 3.6 紅外探測模塊設(shè)計(jì) 16 3.7 后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 17 3.8 測速模塊設(shè)計(jì) 21 3.9 發(fā)光二級(jí)管電路的設(shè)計(jì) 22 3.10 七段譯碼管電路的設(shè)計(jì) 23 3.11 蜂鳴器電路的設(shè)計(jì) 25 3.12 外接排針模塊的設(shè)計(jì) 25 3.13 液晶顯示屏電路的設(shè)計(jì) 26 3.14 DS1302模塊的設(shè)計(jì) 26 3.15 M24C02BN6模塊的設(shè)計(jì) 26 3.16 巡線模塊的設(shè)計(jì) 26 3.17 火焰?zhèn)鞲衅鞯脑O(shè)計(jì) 27 第四章 軟件設(shè)計(jì) 30 4.1 基本原理 30 4.2 控制真值表和卡諾圖 30 4.3 端口定義 35 4.4 頭文件定義 36 4

8、.5 延時(shí)函數(shù)定義 38 4.6 PWM脈寬調(diào)制定義 38 4.7 隨機(jī)轉(zhuǎn)向模塊 39 4.8 初始化模塊 40 4.9 巡線模塊 41 4.10 行駛控制模塊 42 4.11 停車模塊 43 4.12 按鍵檢測模塊和點(diǎn)火啟動(dòng)模塊 44 4.13 傳感器檢測模塊 45 4.14 蜂鳴器模塊 46 4.15 發(fā)光二級(jí)管模塊 47 4.16 七段譯碼管模塊 47 4.17 主函數(shù)模塊 48 4.18 中斷模塊 49 第五章 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn) 51 5.1 在算法上的創(chuàng)新點(diǎn) 51 5.1.1 光線反射式避障 51 5.1.2 多種避障算法結(jié)合 51 5.1.3 U型死角

9、自動(dòng)倒車 52 5.2 在硬件上的創(chuàng)新點(diǎn) 52 5.2.1 雙核 52 5.2.2 點(diǎn)火啟動(dòng) 53 5.2.3 溫度檢測 53 5.2.4 日歷顯示 54 5.2.5 硬件可更改 54 5.2.6 兩種行駛方式 54 5.3 在程序上的創(chuàng)新點(diǎn) 54 5.3.1 大量使用狀態(tài)機(jī) 54 5.3.2 車速預(yù)置 55 5.3.3 邊沿判定 55 5.3.4 精確停車 56 第六章 測試與調(diào)試 57 6.1 測試方法與儀器 57 6.1.1 測試儀器 57 6.1.2 測試方法 57 6.2 測試數(shù)據(jù)和測試結(jié)果 57 6.2.1 定時(shí)精度 57 6.2.2 停車精度

10、 57 6.2.3 直線行駛精度 57 6.2.4 點(diǎn)火精度 58 第七章 問題與思考 59 第八章 結(jié)束語 61 致謝 63 參考文獻(xiàn) 64 外文翻譯 65 Intelligent Vehicle 65 中文翻譯 75 智能車 75 - 5 - 第一章 引 言 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)注。全國電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究，可見其研究意義重大，但是，各大智能車比賽項(xiàng)目或活動(dòng)大都是在預(yù)先設(shè)計(jì)好的賽道上進(jìn)行的，在實(shí)現(xiàn)智能避障時(shí)，卻顯得乏力。本設(shè)計(jì)就是在這樣的背景下提出的，

11、本題目是結(jié)合科研項(xiàng)目而確定的設(shè)計(jì)類題目。設(shè)計(jì)的智能電動(dòng)小車要求能夠?qū)崟r(shí)顯示行駛時(shí)間、速度、里程，具有自動(dòng)尋跡、避障功能，可程控行駛速度、精確定位停車。 根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動(dòng)車的基礎(chǔ)上，外加光電、紅外傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)小車的智能控制。 這種方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制靈活、可靠、精度高、易于調(diào)試和維護(hù)，可以根據(jù)不同環(huán)境，不同參數(shù)更改程序代碼，調(diào)整硬件結(jié)構(gòu)，使小車滿足要求的指標(biāo)。本設(shè)計(jì)采用MCS-51系列中的80C52單片機(jī)。以80C5

12、2為控制核心，利用紅外傳感器檢測道路上的障礙，控制電動(dòng)小車自動(dòng)避障，快慢速行駛，并可以自動(dòng)記錄時(shí)間、行駛里程，即時(shí)顯示速度，自動(dòng)循跡和尋光功能。 80C52是一片8位的微控制器，作為第三代微控制器，它的易用性和多功能性能滿足大多數(shù)場合的要求。第三代單片機(jī)包括了Intel公司發(fā)展MCS-51系列的新一代產(chǎn)品，如8xC152、80C51FA/FB、80C51GA/GB、8xC451、8xC452，還包括了Philips、Siemens、ADM、OKI、Harria-Metra、Atmel等公司以80C51為核心推出的各具特色、與80C51兼容的單片機(jī)。新一代的單片機(jī)的最主要的技術(shù)特點(diǎn)是向外部接口

13、電路擴(kuò)展，向更完善的控制功能擴(kuò)展，能與常用的外部接口功能單元如A/D、PWM、PCA(可編程計(jì)數(shù)器陣列)、WDT（看門狗監(jiān)視定時(shí)器）、高速I/O口、計(jì)數(shù)器的捕獲/比較邏輯等兼容。第三代微控制器中，在總線方面最重要的進(jìn)展是為單片機(jī)配置了芯片間的串行總線，為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更加靈活的方式。Philips公司還為80C51系列的8xC592單片機(jī)引入了具有較強(qiáng)功能的設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總線CAN（Controller Area Network BUS）。這些完善的總線結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的擴(kuò)展與配置打下了良好的基礎(chǔ)。 單片機(jī)發(fā)展到這一階段，表明單片機(jī)已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍采用的智能化控制工具，小到玩具

14、、家電行業(yè)，大到車載、艦船電子系統(tǒng)，遍及計(jì)量測試、工業(yè)過程控制、機(jī)械電子、金融電子、商用電子、辦公自動(dòng)化、工業(yè)機(jī)器人、軍事和航空航天等領(lǐng)域。為滿足不同的要求，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強(qiáng)運(yùn)算能力和多機(jī)通信能力的8位、16位、32位通用型單片機(jī)，小型廉價(jià)型、外圍系統(tǒng)集成的專用型單片機(jī)，以及形形色色各具特色的現(xiàn)代單片機(jī)。 本設(shè)計(jì)采用80C52RC芯片作為控制單元，80C52采用CMOS工藝，功耗很低。 該設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義，其無人駕駛的特性可以應(yīng)用于考古、地震救援、醫(yī)療器械、自動(dòng)搬運(yùn)等許多方面，尤其是在足球機(jī)器人研究方面具有很好的發(fā)展前景；在考古方面應(yīng)用到的超聲波傳感器進(jìn)行檢測，所以本設(shè)計(jì)與實(shí)際

15、結(jié)合，應(yīng)用性較強(qiáng)。 - 81 - 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 方案設(shè)計(jì)與論證 智能車制作是一個(gè)涵蓋電子、電氣、機(jī)械、控制等多個(gè)領(lǐng)域和學(xué)科的科技創(chuàng)新活動(dòng)。簡單點(diǎn)來說可以將其分為硬件電路（包括電源、MCU控制部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感器）、機(jī)械、算法三方面的設(shè)計(jì)。 根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具小車的基礎(chǔ)上，加裝光電傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)小車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測量，并將測量數(shù)據(jù)傳動(dòng)通過信號(hào)流的方式傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)小車的智能控制。 這種方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制簡單、靈活、可靠、精度高，測量

16、障礙的距離可調(diào)整，其整體模塊均可以通過軟件或硬件的調(diào)整來滿足各種場合的需求。 2.1 微處理器(MCU)和場可編程邏輯門陣列(FPGA)的選擇 方案一：場可編程邏輯門陣列作為控制核心 方案二：微處理器作為控制核心 場可編程邏輯門陣列的優(yōu)缺點(diǎn)： ·高速性。作為信號(hào)高速處理的標(biāo)準(zhǔn)模塊，擁有比MCU高出三個(gè)量級(jí)的頻率，這意味著FPGA可以擁有高速的信號(hào)處理能力，速度高到可以實(shí)現(xiàn)將信號(hào)進(jìn)行FFT變換，實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波，最后再進(jìn)行FFT變換還原信號(hào)，這樣大量的數(shù)據(jù)處理需要高速的數(shù)字器件完成。所以目前FPGA在通訊領(lǐng)域發(fā)揮著其不可替代的作用。 ·穩(wěn)步發(fā)展的技術(shù)。FPGA作為更新的技術(shù)，在幾年之內(nèi)

17、會(huì)變得更加快速、更加便宜，此技術(shù)的發(fā)展空間和發(fā)展?jié)摿薮蟆? ·大量的端口。相對(duì)于MCU的32個(gè)IO口，F(xiàn)PGA擁有高出MCU一個(gè)量級(jí)的端口數(shù)目，這為以后更好的技術(shù)的出現(xiàn)提供了硬件擴(kuò)展支持，設(shè)計(jì)者在進(jìn)行系統(tǒng)的初始設(shè)計(jì)期間，就能夠考慮到并適應(yīng)預(yù)期的技術(shù)發(fā)展，并提供額外的擴(kuò)展端口為技術(shù)升級(jí)做準(zhǔn)備。FPGA擁有的端口數(shù)為256、512、1024或者更多。 ·嚴(yán)謹(jǐn)。作為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼Z言，F(xiàn)PGA中變量和信號(hào)有所區(qū)分，不同進(jìn)制之間區(qū)分，這樣雖然降低了潛在的錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)，但是，這會(huì)使設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。 ·大量的警告和錯(cuò)誤。以xilinx的ISE為例，即時(shí)程序設(shè)計(jì)正確，在綜合的時(shí)候，也至少有十處警告，這說明了技術(shù)

18、的不成熟，有待改進(jìn)和發(fā)展。 ·支持的語言模塊太少。數(shù)字設(shè)計(jì)中，VHDL工具甚至不能很好地綜合for循環(huán)（可能造成無效或不可綜合），將for循環(huán)的每一次循環(huán)用單獨(dú)的器件實(shí)現(xiàn)，每個(gè)i值生成一組器件，以此來解開for循環(huán)并實(shí)現(xiàn)電路，這樣會(huì)造成器件的大量浪費(fèi)，這將是以一個(gè)極其昂貴的解決方式。不能運(yùn)用mod操作符求余，因?yàn)檫@個(gè)操作需要除法，多數(shù)VHDL工具不能綜合出觸發(fā)電路，除了二位除法（一次右移操作）等簡單除法。 與之相比，微處理器擁有成熟的技術(shù)，設(shè)計(jì)完善，編程實(shí)現(xiàn)時(shí)可以做到零錯(cuò)誤零警告，支持比硬件描述語言（VHDL）更好的C語言。設(shè)計(jì)簡單，設(shè)計(jì)程序簡潔有效，出錯(cuò)率大大降低。由寄存器組實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

19、記憶，與寄存器和觸發(fā)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)相比更加有效，支持自動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)更加簡單。比如clk時(shí)鐘信號(hào)，在FPGA中，需要為時(shí)鐘信號(hào)專門寫進(jìn)程，需要專門分配端口，再使用分頻得到想要的頻率，在MCU中，時(shí)鐘信號(hào)是所有器件的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，對(duì)于計(jì)時(shí)，僅僅需要打開寄存器讓寄存器計(jì)數(shù)即可。并且在數(shù)字設(shè)計(jì)中對(duì)MCU程序的設(shè)計(jì)是邏輯的，不需要特別的數(shù)學(xué)技能。而不像對(duì)電容器、晶體管或其他的元器件那樣，要求對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算才能了解和認(rèn)識(shí)他們的內(nèi)部特性和工作過程。 事實(shí)上，微處理器有很多的優(yōu)點(diǎn)： ·易于設(shè)計(jì)。MCU支持各種進(jìn)制之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)時(shí)不用考慮具體信號(hào)進(jìn)制，在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，MCU自動(dòng)將數(shù)值進(jìn)制轉(zhuǎn)換成為所賦值的信號(hào)

20、的進(jìn)制，所以，設(shè)計(jì)時(shí)可以靈活寫十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，對(duì)硬件更有效的控制。而不像FPGA那樣，需要對(duì)進(jìn)制轉(zhuǎn)換單獨(dú)寫進(jìn)程或者調(diào)用函數(shù)實(shí)現(xiàn)。能使用各種高級(jí)語言，比如，使用mod函數(shù)實(shí)現(xiàn)取余操作。 ·靈活性和功能性。C語言本身支持直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，例如對(duì)內(nèi)存地址的操作、位操作等。C語言作為一種高級(jí)語言，對(duì)硬件的支持并不差于匯編語言，這個(gè)特性能在設(shè)計(jì)單片機(jī)程序時(shí)帶來很大便利，在稍后的設(shè)計(jì)部分中可見，單片機(jī)對(duì)C語言的兼容性將C語言的優(yōu)點(diǎn)繼承了下來。在這方面，VHDL相對(duì)薄弱。單片機(jī)中更高層的功能，如微處理器、存儲(chǔ)器和輸入輸出控制器，在使用這些器件時(shí)，數(shù)字設(shè)計(jì)者不用對(duì)最復(fù)雜而關(guān)鍵的片上組件及其互連技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，

21、因?yàn)檫@已經(jīng)由器件制造商設(shè)計(jì)出來并測試過了。這些都體現(xiàn)了微處理器的靈活和高效。 ·可編程性。如今大多數(shù)數(shù)字設(shè)計(jì)都是采用語言進(jìn)行編程來完成的。這些語言可以將數(shù)字電路的功能進(jìn)行規(guī)格化或者模型化。在構(gòu)建任何真實(shí)硬件之前，要使用編譯器和模擬器來測試硬件模型的運(yùn)行狀況，然后才將模型用特別的組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)電路。這就使得電路的設(shè)計(jì)具有相同性，對(duì)于同樣的電路，只用改變E2PROM的程序就可以實(shí)現(xiàn)功能的改變，從而帶來了極大的便利。微控制器這種集成電路在它們出廠后具有邏輯功能的編程能力。這些器件能夠通過重新編程來設(shè)置其功能，這就意味著，如果發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)中的差錯(cuò)，不需要在物理上替換器件或重新接線，就可以排除錯(cuò)誤。也意味

22、著，設(shè)計(jì)者可以自行設(shè)計(jì)出自己所想要的芯片。用同樣的電路，寫入不同的程序，系統(tǒng)就可以完成不同的功能，加上E2PROM電可擦除芯片的誕生，設(shè)計(jì)者們就不用專門為一種功能去設(shè)計(jì)一種電路，不用自己動(dòng)手搭建電路，就像在三十年前他們的教授所做過的那樣。 ·快捷性。如今，MCU的處理速度很快，對(duì)于時(shí)鐘為11.0592MHZ的微處理器而言，12個(gè)時(shí)鐘周期為一個(gè)機(jī)器周期，所以該MCU的頻率大約為1MHZ，也就是說，一秒鐘執(zhí)行10^6條指令，執(zhí)行一條指令的時(shí)間為1微妙。對(duì)于F22戰(zhàn)斗機(jī)而言，開加力時(shí)時(shí)速大約為M2.00，也就是680米每秒，單片機(jī)執(zhí)行一次指令時(shí)，F(xiàn)22大約能飛行0.68毫米，所以，對(duì)于普通的智能

23、小車而言，用單片機(jī)作為控制核心是完全可以勝任的。 ·經(jīng)濟(jì)性。單片機(jī)能夠在一片芯片里提供大量的功能。能夠重復(fù)使用的電路可以被集成到單個(gè)芯片里，以很低的成本進(jìn)行大量的生產(chǎn)，這樣就可以將那些計(jì)算器、數(shù)字手表、音樂生日卡之類的不同功能的器件集成在一起了。 本設(shè)計(jì)因?yàn)樾枰苯訉?duì)硬件進(jìn)行操作，需要簡易靈活的程序編寫，所以筆者選擇單片機(jī)作為控制核心。 2.2 直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的選擇 直流電機(jī)的工作原理： 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子為三組呈60°的漆包線圈，在線端口焊接六個(gè)60°圓弧銅 片。這些銅片構(gòu)成換向片，兩個(gè)彈性銅片靠在換向片兩側(cè)，作為供電電刷。當(dāng)電源通過電刷向漆包線圈供電時(shí)，線框中就會(huì)有電流流過

24、。直流電機(jī)的定子為一對(duì)磁極，由導(dǎo)磁良好的鋼鐵制成，磁極的磁力由一個(gè)U型永久磁鐵產(chǎn)生，將磁極放置在漆包線圈兩側(cè)，形成磁場，漆包線圈處于磁場中。當(dāng)線圈通過電流時(shí)，三個(gè)線圈就會(huì)受到磁場的洛倫茲力，受力方向依照左手定理判斷。受到磁場的作用力的線圈會(huì)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)了60°后，原通電線圈斷電，下一組通電線圈通電，使整個(gè)轉(zhuǎn)子繼續(xù)受到相同旋轉(zhuǎn)方向的力，這就是直流電機(jī)的工作原理。 直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)： ·控制簡單。直流電機(jī)的控制相對(duì)于步進(jìn)電機(jī)要簡單，直流電機(jī)的兩個(gè)接口加正電壓時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，加負(fù)電壓時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，易于控制。 ·轉(zhuǎn)速快。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速不受控制，所以外加電壓時(shí)，直流電機(jī)一直處于最佳工作狀態(tài)，無保留地

25、發(fā)揮出其最大轉(zhuǎn)速。 ·成本低。相對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，直流電機(jī)的成本更低，價(jià)格易于接受。更重要的是，兩個(gè)直流電機(jī)僅需要一片L298N芯片即可完成控制，所以，選擇直流電機(jī)能使得電路更簡單。 ·無法控制轉(zhuǎn)過角度。所以對(duì)于速度的測試需要和外部傳感器配合使用，增加了硬件的設(shè)計(jì)難度。同時(shí)因?yàn)闊o法控制轉(zhuǎn)過角度，所以無法通過軟件精確控制直流電機(jī)的行駛距離。 步進(jìn)電機(jī)的工作原理： 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的器件。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為步距角，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目

26、的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。 步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)： ·角度、轉(zhuǎn)速可控。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，使得步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差。所以在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常簡單。 ·控制較為復(fù)雜。需要四個(gè)接口輸入，所以如果使用步進(jìn)電機(jī)，智能小車需要兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，也就是八個(gè)接口，這就使得需

27、要兩片L298N芯片，使成本增加。這樣設(shè)計(jì)就需要額外增加步進(jìn)電機(jī)的費(fèi)用和另一片L298N芯片的費(fèi)用。 ·無法實(shí)現(xiàn)較高的速度。步進(jìn)電機(jī)的精確控制性決定了其扭矩較大，這樣也使得步進(jìn)電機(jī)趨向于驅(qū)動(dòng)力而不是旋轉(zhuǎn)速度，使得步進(jìn)電機(jī)速度有所限制。 本設(shè)計(jì)中使用控制簡單的直流電機(jī)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)中創(chuàng)新的光線反射式避障不需要精確控制行駛距離，這樣可以節(jié)約出步進(jìn)電機(jī)和一片L298N芯片及其外部電路的成本。 2.3 舵機(jī)和萬向輪的選擇 根據(jù)控制方式，舵機(jī)應(yīng)該稱為微型伺服馬達(dá)。舵機(jī)能夠利用簡單的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)比較精確的角度，所以非常適合機(jī)器小車使用。舵機(jī)簡單的說就是集成了直流電機(jī)、電機(jī)控制器和減速器，并封

28、裝在一個(gè)便于安裝的外殼里的伺服單元。舵機(jī)內(nèi)安裝了一個(gè)電位器檢測輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，控制板能根據(jù)電位器的信息能比較精確的控制和保持輸出軸的角度。這樣的直流電機(jī)控制方式叫閉環(huán)控制。 舵機(jī)的工作原理是：控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直 流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 總而言之，控制電路接收信號(hào)源的控制脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪組將電機(jī)的速度成倍數(shù)

29、縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出。電位器和齒輪組的末級(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；電路板檢測并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持目標(biāo)角度。 舵機(jī)的控制信號(hào)為周期20ms，脈寬0.5ms-2.5ms之間的PWM信號(hào)，在20ms的周期中，輸入脈沖寬度與舵機(jī)輸出角度之間的關(guān)系： 0.5ms -90° 1.0ms -45° 1.5ms 0° 2.0ms 45° 2.5ms 90° 可見，使用舵機(jī)可以獲得精確的轉(zhuǎn)角，這樣的方式能提高機(jī)器小車的行駛 速度，但是，精確轉(zhuǎn)角的方式使得機(jī)器小車要想轉(zhuǎn)彎必須以要有一個(gè)固定的轉(zhuǎn)角，要求小車的轉(zhuǎn)彎路線為

30、圓弧，小車不能原地轉(zhuǎn)彎，且因?yàn)槎鏅C(jī)需要用到定時(shí)器，而定時(shí)器本身在程序較復(fù)雜時(shí)中斷時(shí)間不準(zhǔn)確，所以舵機(jī)有控制不準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)。 使用萬向輪的優(yōu)點(diǎn)在于轉(zhuǎn)彎不需要轉(zhuǎn)角，可以原地轉(zhuǎn)彎，因?yàn)槠洳恍枰獔A弧轉(zhuǎn)向，所以萬向輪可以精確控制小車的行進(jìn)路線，缺點(diǎn)是無法精確控制轉(zhuǎn)角。 本設(shè)計(jì)中采用萬向輪的方式轉(zhuǎn)向，因?yàn)槿f向輪是從動(dòng)輪，兩個(gè)主動(dòng)輪和一個(gè)從動(dòng)輪呈三角形分布，所以在平面上從動(dòng)輪那個(gè)點(diǎn)的受力完全由兩個(gè)主動(dòng)輪給予，其轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)速度完全依靠于兩個(gè)主動(dòng)輪，使用簡單有效，而且，使用萬向輪的方式可以為單片機(jī)省下一個(gè)定時(shí)器。 2.4 最終元器件選擇 元器件選擇：E18-D80NK型光電反射式傳感器3個(gè)、STC

31、89C52RC型單片機(jī)1塊、RS232芯片1塊、11.0592M系統(tǒng)晶振1個(gè)、LED發(fā)光二級(jí)管2個(gè)、共陽七段數(shù)碼管4個(gè)、蜂鳴器1個(gè)、L298N芯片1塊、直流電機(jī)2個(gè)、電容電阻若干。電容選擇1uF和30pF，電阻選擇1K和10K兩種。 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第三章 硬件設(shè)計(jì) 3.1 課題的方案論證 3.1.1 主要任務(wù) 設(shè)計(jì)一臺(tái)具有避障功能的智能小車。該智能小車?yán)眉t外傳感器檢測周圍障礙情況，用控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來控制機(jī)器人的前進(jìn)方向，以躲避障礙物。用單片機(jī)作為控制核心，完成硬件和軟件的設(shè)計(jì)。 3.1.2 功能要求 （1）小車能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)躲避在車前方，左方，右方的障礙物，達(dá)到

32、智能的效果。 （2）狀態(tài)和時(shí)間顯示功能：第一個(gè)數(shù)碼管可以顯示小車當(dāng)前狀態(tài)，第三個(gè)和第四個(gè)數(shù)碼管可以顯示小車實(shí)際行駛時(shí)間。 （3）按鍵轉(zhuǎn)換功能：小車在上電復(fù)位后，由獨(dú)立按鍵1控制，按鍵1按下后，小車行駛，再次按下時(shí)，小車停止。 （4）報(bào)警功能：小車在遇到障礙物時(shí)候進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警。 （5）障礙燈：兩個(gè)LED燈用于顯示小車周圍障礙物的狀況。 3.1.3 性能指標(biāo) （1）紅外傳感器的探測距離為10cm以上。 （2）紅外傳感器的響應(yīng)時(shí)間小于1毫秒。 （3）智能小車遇到障礙物到做出反應(yīng)的時(shí)間小于2毫秒。 （4）智能小車能夠在直線，彎道，S型彎道，發(fā)卡彎道等完成無碰撞行駛。 （

33、5）智能小車能夠在放置零散障礙物的平面空間內(nèi)行駛無碰撞。 3.2 課題工作 一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：一是最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)微控制器能工作的最精簡的電路，該設(shè)計(jì)方法固定，可以參考大多數(shù)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后，單片機(jī)可以使用其內(nèi)部的基本功能單元，如ROM、RAM、I/O端口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷寄存器等，單片機(jī)能正常工作，能按照程序控制其I/O端口。二是擴(kuò)展設(shè)計(jì)，在單片機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)無法完成需求工作時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的外部電路，添加外圍設(shè)備，如獨(dú)立按鍵，LED燈、七段譯碼管、蜂鳴器、AD/DA轉(zhuǎn)換器等，來完成需求功能。 3.3 系統(tǒng)整體框圖 圖3-

34、1 系統(tǒng)整體框圖 3.4 電源模塊設(shè)計(jì) 電源是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提，因此必須有一個(gè)合理的電源設(shè)計(jì)，對(duì)于小車電機(jī)部分的工作電源，要求在電池耗損時(shí)電壓降低的情況下也能正常驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所以給電機(jī)供6V直流電壓，使用四節(jié)五號(hào)電池串聯(lián)供電，這樣，即使存在電池耗損，整個(gè)電池盒的供電大于3V，這樣的電壓也足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常工作。同時(shí)考慮到大電流器件可能會(huì)對(duì)單片機(jī)造成干擾，影響單片機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，所以，本設(shè)計(jì)為單片機(jī)和電機(jī)控制芯片L298N這兩塊芯片單獨(dú)供電，均采用四節(jié)五號(hào)電池串聯(lián)供電。 3.5 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 可編程Flash 存

35、儲(chǔ)器。擁有8 位CPU 和可編程Flash，具有以下功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，最高運(yùn)行頻率35Mhz，6T/12T可選。具體使用到的模塊包括：ADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、定時(shí)器模塊、PWM脈沖寬度調(diào)制模塊、中斷模塊、I/O端口和實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。 單片機(jī)是小車的控制中心，單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是小車正常行駛的前提，最小系統(tǒng)指的是能夠保證單片機(jī)正常運(yùn)行的最精簡的硬件設(shè)計(jì)，如圖3-2所示，為STC89C52RC單片機(jī)的最小系統(tǒng)參考電路圖

36、。 圖3-2 STC89C52RC單片機(jī)最小系統(tǒng)參考圖 圖3-2中的STC89C52RC單片機(jī)最小系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成： 1. 晶振電路：單片機(jī)要能正常工作必須設(shè)計(jì)一個(gè)外部的時(shí)鐘源，這個(gè)時(shí)鐘源由晶振電路產(chǎn)生，具體電路為圖中的Y1、C2、C3部分，電容典型值為30pF，晶振典型值為12Mhz。 2. 復(fù)位電路：STC89C52RC單片機(jī)為高電平復(fù)位，也就是說RST（9）腳上只要有持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平就能使單片機(jī)復(fù)位，上電復(fù)位的原理是利用電容充電的一段時(shí)間將復(fù)位腳拉至高電平，使單片機(jī)完成復(fù)位，C1可以選用1uF的瓷片電容，R1在電容充電結(jié)束后將復(fù)位腳拉至低電平，保證單片機(jī)的正

37、常工作。 其中，單片機(jī)的十二個(gè)晶振周期為一個(gè)機(jī)器周期，微處理器在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)能執(zhí)行一條指令，所以，機(jī)器周期也稱為指令周期。 3. ISP 下載部分：如圖中的Header5X2部分就是下載接口，電路是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的ISP下載線來設(shè)計(jì)的，與常用的并口下載線，串口下載線和筆記本用的USBASP 下載線兼容，只需將下載線接口插到本接口上就可以向單片機(jī)燒寫程序。同時(shí)，ISP 的下載接口在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)，否則會(huì)造成程序下載的失敗。 1. 下載線接口中的電源和單片機(jī)共用一個(gè)電源。 2. 下載線接口中用到的P1.5到P1.7 腳不能連接外部器件，如果要連接外部器件可以設(shè)計(jì)為可插拔的方式，防止影響程

38、序的下載。在本設(shè)計(jì)中，筆者將這三個(gè)端口用于傳遞三個(gè)光電傳感器的反饋信號(hào)，所以在下載程序的時(shí)候，需要將這三個(gè)光電傳感器停用，即將它們斷電，否則，下載器會(huì)提示無法正常下載。 4.電源和地：如圖所示，單片機(jī)的二十管腳為GND，接地，四十管腳為VCC，接電源，同時(shí)注意將第三十一管腳拉高，三十一腳即EA腳為內(nèi)外存儲(chǔ)器的選擇腳，由于本設(shè)計(jì)只使用內(nèi)部存儲(chǔ)器，因此需要將此腳連至高電平，否則單片機(jī)無法正常工作。 5.上拉電阻：P0口與其他三組I/O口不同，P0口沒有內(nèi)部上拉電阻，因此如果需要驅(qū)動(dòng)LED等外部器件時(shí)需要在P0口加上10K的上拉電阻，并且加外部上拉電阻的方式有助于增強(qiáng)端口的驅(qū)動(dòng)能力。 3.6

39、紅外探測模塊設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中筆者采用光電反射式傳感器組作為探測模塊的核心，這種傳感器將發(fā)射管和接收管放置在一個(gè)塑料殼內(nèi)，發(fā)射管和接收管均為長方形，尺寸為4mm*3mm，系統(tǒng)中我們?cè)O(shè)計(jì)探測距離在10cm 左右,此時(shí)探測環(huán)境良好,不易受到其它光線的干擾。傳感器采用E18-D80NK式反射紅外傳感器。該封裝形狀規(guī)則,便于安裝。探測距離在3CM到80CM范圍內(nèi)可調(diào),完全能滿足探測距離要求。傳感器由于發(fā)射和接受的是紅外光，所以常見光對(duì)它的干擾較小。 光電反射式傳感器的原理圖如3-2所示，其具體原理為：當(dāng)電源穩(wěn)定供電時(shí)，紅外發(fā)射管不斷地發(fā)射出紅外光，當(dāng)發(fā)射出的紅外光遇到障礙物時(shí)，發(fā)射出的紅外光會(huì)發(fā)生漫

40、反射，反射回傳感器，這時(shí)傳感器的三極管就會(huì)導(dǎo)通，傳感器的I/O端口與地導(dǎo)通，輸出為低電平，反之，發(fā)射出的紅外光沒有遇到障礙物，發(fā)射出的紅外光無法返回傳感器，傳感器的三極管就會(huì)截止，傳感器的I/O口經(jīng)10K歐的電阻與電源相連，輸出為高電平。 所以從宏觀上來看，光電反射式傳感器在電路正常工作的情況下，有障礙物時(shí)輸出低電平，沒有障礙物時(shí)輸出高電平，為低電平有效器件。 在實(shí)際測試中，需要指出，光電反射式傳感器是基于障礙物能反射部分紅外光，在極端條件下，比如黑色完全不反光的障礙物，這種障礙物能夠完全吸收紅外光，所以，光電反射式傳感器無法檢測這種障礙物，或者檢測精度下降。 圖3-3 E18-

41、D80NK型反射紅外傳感器原理圖 E18-D80NK型反射紅外傳感器的技術(shù)參數(shù)： 1.輸出電流 DC：100mA/5V 2.消耗電流 DC：<25mA 3.響應(yīng)時(shí)間：<1ms 4.指向角：15° 5.有效距離：3-80cm可調(diào) 6.監(jiān)測物體：反光物體（實(shí)際測試中黑色墻壁不可檢測） 7.工作環(huán)境：-25°C ~ 55°C 8.標(biāo)準(zhǔn)檢測光照強(qiáng)度：<3000LX 3.7 后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 前面已經(jīng)提到，由于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力不足，無法驅(qū)動(dòng)像電機(jī)這樣的大功率外部器件，因此必須外加驅(qū)動(dòng)電路。電機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)芯片很多，在本設(shè)計(jì)中筆者選用硬件設(shè)計(jì)簡單，驅(qū)

42、動(dòng)效率高的L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，L298N芯片是一種集成大功率H橋芯片。 如圖3-4所示，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括四個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。 圖3-4 簡易H橋電路原理圖 要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)另一對(duì)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過電機(jī)，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，保證H

43、橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要。如果三極管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從正極穿過兩個(gè)三極管直接回到負(fù)極。此時(shí)，電路中除了三極管外沒有其他任何負(fù)載，理論上電路上的電流趨近于無窮大，實(shí)際上，電流可能大到燒壞三極管?；谏鲜鲈颍趯?shí)際驅(qū)動(dòng)電路中通常要用硬件電路控制同側(cè)三極管不能同時(shí)導(dǎo)通。 圖3-5所示就是H橋電路的改進(jìn)電路，它在基本H橋電路的基礎(chǔ)上增加了四個(gè)與門和兩個(gè)非門。四個(gè)與門與同一個(gè)使能信號(hào)相接，這樣，用使能信號(hào)就能控制整個(gè)電路的開關(guān)。兩個(gè)非門通過提供同側(cè)三極管反相的信號(hào)，可以保證任何時(shí)候在H橋的同側(cè)最多只有一個(gè)三極管導(dǎo)通。 圖3-5 改進(jìn)后的H橋電路原理圖 圖3

44、-5所示的H橋電路的真值表如表4-3所示，描述如下： EN=0時(shí)，Q1Q2Q3Q4均截止，電機(jī)不轉(zhuǎn)； EN=1，DIR-L=1，DIR-R=0時(shí)，Q2Q3導(dǎo)通，電機(jī)正轉(zhuǎn)； EN=1，DIR-L=0，DIR-R=1時(shí)，Q1Q4導(dǎo)通，電機(jī)反轉(zhuǎn)； EN=1，DIR-L=0，DIR-R=0時(shí)，Q2Q4導(dǎo)通，電機(jī)不轉(zhuǎn)； EN=1，DIR-L=1，DIR-R=1時(shí)，Q1Q3導(dǎo)通，電機(jī)不轉(zhuǎn)； H橋電路雖然有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際制作過程中，由于元件較多，電路的搭建較為麻煩，增加了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，因此在本設(shè)計(jì)中筆者采用H橋集成驅(qū)動(dòng)芯片L298N。L298N 的工作原理和以上介紹的H橋相同，引腳

45、圖如圖3-6所示： 其管腳與H橋電路輸入控制基本相同，5、7、10、12為輸入管腳，分別為兩路DIR-L、DIR-R，2、3、13、14為輸出管腳，分別為兩路電機(jī)供電，6、11為兩路時(shí)能管腳ena，enb，1、15為兩路電流感應(yīng)管腳，通常情況下不用，使用大電阻10K歐隔離這兩個(gè)管腳，接地即可，4為電機(jī)供電電壓，為圖示中H橋電路的正極，當(dāng)對(duì)角線三極管打開時(shí)，就是4腳為電機(jī)提供電壓，9為邏輯供電電壓，為H橋芯片的三極管提供正常工作電壓，8為GND，為接地管腳。 圖3-6 集成H橋芯片L298N管腳圖 L298N芯片作為一種功率轉(zhuǎn)換的集成高功率電路，支持高達(dá)46V的直流操作電壓，可通過高達(dá)

46、4A的直流電流，低保和電流，過溫保護(hù)，邏輯0電壓高達(dá)1.5V（高噪聲免疫）。 L298N 是ST 公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯

47、片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。L298 的參考電路圖如圖3-15 所示。 圖3-7 集成H橋芯片L298N外部電路原理圖 原理圖分析：J1部分為單片機(jī)傳遞給L298N芯片的數(shù)據(jù)控制端口，J4部分為芯片輸出組和供電組，J2和J3這兩個(gè)三針跳線盒的作用是當(dāng)1、2兩個(gè)端口用跳冒連接后，A、B兩個(gè)信號(hào)為高電平，直接使ena、enb兩個(gè)時(shí)能信號(hào)為高電平，這時(shí)，L298N上電后能即時(shí)工作，同時(shí)單片機(jī)無法控制L298N的使能端，因單片機(jī)的輸入電阻很大，所以外加5V電壓的ena、enb端口吸收電流不大，所以不考慮加大電阻隔離。 VSS端口的C1電容是為了去除供

48、電電壓的紋波波動(dòng)，根據(jù)電容的阻直流通交流的特性，供電電壓的交流波動(dòng)會(huì)通過此電容直流流向GND，這樣設(shè)計(jì)是為了使芯片的供電電源更穩(wěn)定有效。 輸出端口的八個(gè)續(xù)流二極管是為了消除電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的尖峰電壓保護(hù)電機(jī)而設(shè)計(jì)，簡化電路時(shí)可以不加。 注意到工作時(shí)L298N芯片的功耗較大，所以設(shè)計(jì)中因加裝散熱片。 3.8 測速模塊設(shè)計(jì) 在智能小車的設(shè)計(jì)中，測速是必不可少的一部分，但是本設(shè)計(jì)中避障傳感器太大，因此無法在輪子處增加一個(gè)避障傳感器來對(duì)車輪軸條個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，所以筆者沒有考慮速度測試，而選擇直接對(duì)小車進(jìn)行開環(huán)控制。 測速的原理是對(duì)車輪軸條進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)小車行駛時(shí)，軸條發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，那么，對(duì)軸條計(jì)數(shù)后

49、除以輪子上一圈的總軸條數(shù)可以得到輪子旋轉(zhuǎn)圈速，在乘以輪子周長可以得到行駛距離，加上定時(shí)器定時(shí)就可以得到在單位時(shí)間內(nèi)小車的行駛距離即可得到小車的行駛速度，對(duì)小車的行駛速度求差分即可得小車的加速度。 同理，用黑白碼盤也可以對(duì)小車進(jìn)行測速。 圖3-8 測速用黑白碼盤 3.9 發(fā)光二級(jí)管電路的設(shè)計(jì) 顯示模塊中先解釋如何驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管：數(shù)字電路中通常使用CMOS電路漏極開路輸出驅(qū)動(dòng)發(fā)光二級(jí)管，注意選擇合適的上拉電阻R，使發(fā)光二級(jí)管開啟時(shí)流過合適的電流。典型發(fā)光二級(jí)管正常發(fā)光所需要的電流為10毫安，所需壓降為1.6V，假設(shè)VCC為5V，那么，需要的限流電阻R應(yīng)為（5-1.6）/0.01=3

50、40歐。 同時(shí)注意到，單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力只能提供4毫安的電流，通常不能用來驅(qū)動(dòng)發(fā)光二級(jí)管，但是單片機(jī)可以吸收24毫安的電流，所以，單片機(jī)可以用于吸收發(fā)光二級(jí)管的電流，在實(shí)際中設(shè)計(jì)如下： 圖3-9 STC89C52RC單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖 兩個(gè)發(fā)光二極管的設(shè)計(jì)與連接如下：正極與VCC相連，負(fù)極通過470歐的電阻與單片機(jī)相連，電阻起限流作用，這里筆者適當(dāng)增加電阻阻值來限制LED燈的發(fā)光強(qiáng)度，使其變暗。 那么根據(jù)原理圖，發(fā)光二極管的使用方法如下：當(dāng)單片機(jī)P1.2端口輸出低電平時(shí)，LED兩端存在壓差，發(fā)光二極管啟動(dòng)，正常發(fā)光。反之，P1.2端口輸出高電平，LED兩端不存在壓差，發(fā)光二級(jí)

51、管截止，不發(fā)光。在實(shí)際使用中，可以利用單片機(jī)通過控制端口電平的方式來控制發(fā)光二級(jí)管的亮滅。 3.10 七段譯碼管電路的設(shè)計(jì) 七段譯碼管是由七個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成，形成8字形，所以其使用方法，使用原理和發(fā)光二級(jí)管LED一樣。其具體原理圖如下： 圖3-10 七段譯碼管原理圖 這是七段譯碼管的原理圖，J7部分為數(shù)碼管的控制排針，當(dāng)跳冒沒連接2、3排針時(shí)，Q1Q2Q3Q4四個(gè)三極管沒有連接到VCC上，三極管截止，四個(gè)數(shù)碼管全不亮。當(dāng)跳冒連接2、3排針時(shí)，Q1Q2Q3Q4四個(gè)三極管連接到VCC上，當(dāng)這四個(gè)三極管的另一個(gè)管腳為低電平時(shí)，三極管兩端導(dǎo)通，使9、10、11、12端口連接到VCC上，

52、三極管為共陽三極管，即abcdefgdp這八個(gè)發(fā)光二級(jí)管的正極均連接在一起，一起連接到外面的9、10、11、12端口上，那么，當(dāng)P0口輸出對(duì)應(yīng)的電平產(chǎn)生段選碼，P2控制口輸出對(duì)應(yīng)的電平產(chǎn)生位選碼時(shí)，對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管就按照輸入的段碼發(fā)光，顯示對(duì)應(yīng)的信息。和發(fā)光二極管原理一樣，這里的發(fā)光二級(jí)管的導(dǎo)通電壓為1.6V，VCC為5V，發(fā)光二級(jí)管的正常導(dǎo)通電流為10毫安，所以這里的限流電阻和LED一樣，R=（5-1.6）/0.01=340歐，因?yàn)闆]有340歐姆規(guī)格的通用電阻，這里使用330歐姆的電阻代替之。 其中，P0端口稱為段選端口，P2.0到P2.3端口稱為位選端口，從宏觀上來看，當(dāng)跳冒連接2、3端口

53、時(shí)，位選端口為低電平的對(duì)應(yīng)數(shù)碼管亮，其顯示為P0口送的段選數(shù)據(jù)。比如P2.3端口低電平，P0端口為0xc0時(shí)，即P0為11000000時(shí)，顯示數(shù)據(jù)為0，這八位數(shù)據(jù)從低位到高位排列成數(shù)字0。 所以，對(duì)P0送如下數(shù)組，P0就可以顯示出0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F、不顯示、H、L、橫杠這些不同的字符。 {0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90, 0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xff,0x89,0xc7,0xdf}; 3.11 蜂鳴器電路的設(shè)計(jì) 圖3-11 蜂鳴

54、器原理圖 蜂鳴器的啟動(dòng)原理和數(shù)碼管的啟動(dòng)原理一樣，如圖3-11所示，Q5三極管的一端接VCC，另一端接單片機(jī)P2.4端口，當(dāng)單片機(jī)控制P2.4端口輸出低電平時(shí)，三極管Q5導(dǎo)通，蜂鳴器兩端存在VCC的壓差，蜂鳴器工作。 3.12 外接排針模塊的設(shè)計(jì) 如圖3-11所示，J11、J12、J13、J14、J15為五個(gè)外接排針，能為三個(gè)光電傳感器、兩個(gè)循跡傳感器、一個(gè)火焰?zhèn)鞲衅鳌㈦p核芯片B供電。同時(shí)因?yàn)樽钚∠到y(tǒng)的設(shè)計(jì)簡單，單片機(jī)PCB板上所有的器件共VCC、共GND，所以，這些排針不僅可以用于對(duì)外界傳感器供電，也可以用于外界電源對(duì)單片機(jī)供電，這樣排針就有兩種不同的用途。 發(fā)光二級(jí)管D0的用

55、途是顯示外界電源是否正常供電，一端通過限流電阻接VCC，另一端接地，D0亮表示外界電源正常有效。 電容C9選擇1uF作為通交流，阻直流的濾波器，其作用是消除電源的紋波波動(dòng)和交流分量。使電源工作穩(wěn)定，為所有器件提供直流電壓。 3.13 液晶顯示屏電路的設(shè)計(jì) 如圖3-11所示，J1為LCD1602液晶顯示插槽，R10為電位器，R10是一個(gè)滑動(dòng)變阻器，可以通過螺絲旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)其阻值的方式來控制液晶顯示屏的亮暗。 但是在實(shí)際組裝的時(shí)候，三個(gè)光電傳感器剛好擋住液晶顯示屏，所以液晶屏無法安裝，不僅如此，筆者在實(shí)際焊接時(shí)，因?yàn)閷CD1602顯示屏的排針焊反了，導(dǎo)致筆者的液晶顯示屏直接報(bào)廢。這里特

56、別強(qiáng)調(diào)一下，LCD1602的排針是在下面的，焊點(diǎn)在液晶屏的上面，注意不要焊反。 3.14 DS1302模塊的設(shè)計(jì) DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時(shí)鐘芯片，內(nèi)含有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，可通過簡單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，可提供秒分時(shí)日日期月年等日歷信息。DS1302芯片的設(shè)計(jì)與DS1302芯片datasheet所提供的典型電路接法相同，按照Datasheet畫原理圖焊接即可。 DS1302中CE復(fù)位腳，I/O數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，SCLK串行時(shí)鐘。 3.15 M24C02BN6模塊的設(shè)計(jì) M24C02BN6是E2PROM器件，是單片機(jī)中存儲(chǔ)下載程序

57、的部分，采用256*8-bit的組織結(jié)構(gòu)和兩線串行接口，最大存儲(chǔ)2KB程序。電路接法與芯片Datasheet所提供的典型電路接法相同，按照Datasheet畫原理圖焊接即可。 24C02中A2A1A0是器件地址輸入引腳，SDA為串行地址和數(shù)據(jù)輸入輸出，SCL串行時(shí)鐘輸入，WP寫保護(hù)引腳。 3.16 巡線模塊的設(shè)計(jì) 巡線模塊與反射式紅外傳感器的原理相似，巡線傳感器的原理圖如3-11所示，其具體原理為：當(dāng)電源穩(wěn)定供電時(shí)，紅外發(fā)射管不斷地發(fā)射出紅外光，當(dāng)發(fā)射出的紅外光遇到地面時(shí)，發(fā)射出的紅外光會(huì)發(fā)生漫反射，反射回傳感器，這時(shí)傳感器的三極管就會(huì)根據(jù)反射回傳感器的紅外光線的強(qiáng)弱按照三極管伏安特性

58、曲線（非線性曲線）改變電流大小，見圖3-12所示，電流大小乘以R2電阻的阻值即為比較器LM339的4管腳的輸入電壓，與受電位器控制的5腳電壓一并影響輸出電壓，運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)與兩個(gè)輸入端的信號(hào)電壓差成正比，輸出電壓=A0（E1-E2），其中，A0是運(yùn)放的低頻開環(huán)增益（如100dB，即100000倍），E1是同相端的輸入信號(hào)電壓，E2是反相端的輸入信號(hào)電壓。當(dāng)5腳電壓高于4腳端時(shí)，輸出端輸出高電壓。當(dāng)4腳端電壓高于5腳端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339 用在弱信號(hào)檢測等場合是比較理想的。LM

59、339 的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端需要接上拉電阻，以提高輸出端的帶負(fù)載能力。 在傳感器感應(yīng)到黑線時(shí)，接收三級(jí)管處于截止?fàn)顟B(tài)，電流很微弱，相當(dāng)于大電阻，電流微弱使4腳電壓低，4腳電壓低于5腳電壓，輸出為高電平。反之，當(dāng)傳感器檢測到地面時(shí)，接收三極管導(dǎo)通，電流較大，相當(dāng)于小電阻，電流增加使運(yùn)算放大器4腳電平升高，4腳電壓高于5腳電壓，輸出為低電平。 所以從宏觀上來看，巡線傳感器在電路正常工作的情況下，檢測到黑線時(shí)輸出高電平，檢測正常地面時(shí)輸出低電平，為高電平有效器件。 也可以將運(yùn)算放大器的4腳和5腳反接，這時(shí)傳感器為低電平有效器件。 圖3-12 巡線傳

60、感器原理圖 3.17 火焰?zhèn)鞲衅鞯脑O(shè)計(jì) 火焰?zhèn)鞲衅鞯脑砼c上述傳感器大體相同，當(dāng)二極管N1檢測到火焰時(shí)，二極管導(dǎo)通，輸出大電流，等效于電阻較小，這樣R1上的壓降也較大，3腳電壓較低。當(dāng)二極管N1沒有檢測到火焰時(shí)，二極管截止，輸出小電流，等效于大電阻，R1的壓降較小，3腳電壓較高。同時(shí)，這個(gè)3腳的電壓可以直接作為輸出，其輸出的是一個(gè)火焰強(qiáng)度的模擬信號(hào)。電容C2的作用是濾除比較器3腳輸入電壓中的交流分量，同理，電容C1的作用是濾除電源電壓的交流分量，使電源電壓穩(wěn)定有效。 發(fā)光二極管D1作為電源指示燈，使用R3作為D1的限流電阻，當(dāng)電源穩(wěn)定后，D1正常發(fā)光。電阻R2作為電位器，通過R2的分壓

61、改變比較器2腳的電壓，這個(gè)電壓我們可以給其命名為基準(zhǔn)電壓，改變這個(gè)基準(zhǔn)電壓可以改變傳感器的精度和檢測范圍。 在火焰?zhèn)鞲衅髡９ぷ骱螅瑱z測到火焰時(shí)，3腳電壓較低，低于2腳的基準(zhǔn)電壓，比較器1腳輸出低電平，當(dāng)1腳為低電平時(shí)，火焰指示燈D2兩端存在電壓壓差，D2指示燈發(fā)光。反之，沒有檢測到火焰時(shí)，3腳電壓較高，高于2腳的基準(zhǔn)電壓，比較器1腳輸出高電平，D2指示燈熄滅。 從宏觀上總結(jié)：檢測到火焰時(shí)，輸出端1腳輸出低電平數(shù)字信號(hào)，沒檢測到火焰時(shí)，輸出端1腳輸出高電平數(shù)字信號(hào)，該傳感器為低電平有效器件。輸出段 3腳為火焰檢測的模擬信號(hào)，該模擬信號(hào)電壓值越低，表示火焰強(qiáng)度越大。 圖3-13

62、二極管伏安特性曲線 圖3-14 火焰?zhèn)鞲衅髟韴D 第4章 軟件設(shè)計(jì) 第四章 軟件設(shè)計(jì) 4.1 基本原理 設(shè)計(jì)的智能小車擁有三個(gè)光電式傳感器（型號(hào)：E18-D80NK），分別安裝在智能小車的左方、前方、右方，兩個(gè)巡線傳感器，安裝在小車的車頭的下方，一個(gè)火焰?zhèn)鞲衅鳎惭b在智能小車的底盤部分，這樣智能小車就可以隨時(shí)監(jiān)控左前右三個(gè)方向的障礙物情況，兩個(gè)巡線傳感器隨時(shí)監(jiān)控是否踩到黑線，火焰?zhèn)鞲衅麟S時(shí)監(jiān)測前方是否著火，這些傳感器即時(shí)反饋周圍的環(huán)境狀況給STC89C52RC單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)光電傳感器的反饋信號(hào)控制L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，L298N芯片將單片機(jī)的信號(hào)進(jìn)行功放，使得外

63、部電路能夠帶動(dòng)左右兩個(gè)直流電機(jī)，智能小車的功能就實(shí)現(xiàn)了。 4.2 控制真值表和卡諾圖 真值表中，左前右三列代表著小車左前右三個(gè)光電傳感器的反饋電平，0/1分別代表三個(gè)光電傳感器反饋低電平和高電平，狀態(tài)代表著將左前右三個(gè)傳感器這三位反饋數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)表示，小車姿態(tài)代表著小車在這些狀態(tài)時(shí)應(yīng)該采取的行駛方式，左輪信號(hào)和右輪信號(hào)代表著單片機(jī)需要給控制芯片發(fā)送的控制信號(hào)，蜂鳴器和LED列描述了小車在這些不同的狀態(tài)下的工作方式。 狀態(tài) 左 前 右 小車姿態(tài) 左輪信號(hào) 右輪信號(hào) 蜂鳴器 LED 0 0 0 0 后退 0 1 0 1 無聲音 亮

64、 亮 1 0 0 1 右轉(zhuǎn) 1 0 0 1 長鳴叫 長閃 滅 2 0 1 0 前進(jìn) 1 0 1 0 無聲音 滅 滅 3 0 1 1 微右轉(zhuǎn) 1 0 0 0 短鳴叫 短閃 滅 4 1 0 0 左轉(zhuǎn) 0 1 1 0 長鳴叫 滅 長閃 5 1 0 1 隨機(jī) - - - - 長鳴叫 長閃 長閃 6 1 1 0 微左轉(zhuǎn) 0 0 1 0 短鳴叫 滅 短閃 7 1 1 1 前進(jìn)

65、1 0 1 0 無聲音 滅 滅 表4-1 控制真值表 狀態(tài)0時(shí)，三個(gè)傳感器的狀態(tài)均為低電平，意味著智能小車左前右三個(gè)方向都存在障礙物，這時(shí)小車通過檢測到的電平數(shù)據(jù)感知到前方不可通行，小車后退，如圖4-1所示。 狀態(tài)1時(shí)，小車左方和前方都有障礙物，這時(shí)小車需要快速改變行進(jìn)方向，通過單片機(jī)的控制使得小車的左輪正轉(zhuǎn)，右輪反轉(zhuǎn)，在宏觀上表現(xiàn)為小車圍繞小車中心發(fā)生旋轉(zhuǎn)，小車右轉(zhuǎn)。 狀態(tài)2在實(shí)際測試中很難發(fā)生，代表著小車行進(jìn)在很窄的路面上，因?yàn)樾≤囎笥覂蓚€(gè)傳感器幾乎不可能同時(shí)有效，兩個(gè)傳感器電平變化之間肯定存在一定的時(shí)差，先變化的那個(gè)傳感器電平變低的同時(shí)，小車檢測到左右兩邊有一邊是

66、障礙，這時(shí)小車的狀態(tài)為3或者6，小車采取微轉(zhuǎn)向的方式以躲避障礙物。小車在單個(gè)傳感器有效的情況下會(huì)一直微轉(zhuǎn)向直到小車左右都沒有障礙，所以，左右兩個(gè)傳感器很難同時(shí)有效。 圖4-1 狀態(tài)0示意圖 圖4-2 光線反射式避障 狀態(tài)3和狀態(tài)6作為本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)，智能小車能夠在探測到障礙物時(shí)如同光線照射到鏡面上那樣發(fā)生鏡面反射，有入射角等于反射角，前文中已經(jīng)提到，萬向輪的優(yōu)點(diǎn)在于轉(zhuǎn)彎不需要轉(zhuǎn)角，可以原地轉(zhuǎn)彎，因?yàn)槠洳恍枰獔A弧轉(zhuǎn)向，所以萬向輪可以精確控制小車的行進(jìn)路線，缺點(diǎn)是無法精確控制轉(zhuǎn)角。為什么在萬向輪根本無法精確控制轉(zhuǎn)角的情況之下，小車還能正確地入射角等于反射角呢？因?yàn)橹悄苄≤嚴(yán)米笥业膫鞲衅鳈z測左右障礙物，如果存在障礙物，則靠近障礙物那邊的輪子正轉(zhuǎn)，沒有障礙物那邊的輪子不轉(zhuǎn)，這時(shí)小車開始圍繞小車遠(yuǎn)離障礙物的那只輪子開始轉(zhuǎn)向，由于光電傳感器的探測距離固定。根據(jù)勾股定理，有入射角等于反射角，如圖4-2所示。因?yàn)楦饩€照射到鏡面所發(fā)生的現(xiàn)象相同，略微不同之處在于光線照射到鏡面上，其反射點(diǎn)在鏡面上，而小車行駛靠近障礙物的反射點(diǎn)與障礙物有一定的距離，所以我們可以命名這種轉(zhuǎn)向方式為鏡面發(fā)射式