【正文】 控制技術(shù)、無線通信技術(shù)等相關(guān)知識(shí)實(shí)現(xiàn)小車的各種功能。 設(shè)計(jì)完成 以由無線 電 遙控、紅外線對(duì)管的自動(dòng)尋跡、紅外線自動(dòng)避障以及語(yǔ)音控制組成的硬件模塊 結(jié)合軟件 設(shè)計(jì)組成 多功能智能小車 ，共同實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)倒退、轉(zhuǎn)向行駛，自動(dòng) 根據(jù)地面黑線 尋跡導(dǎo)航，檢測(cè)障礙物后停止和語(yǔ)音信號(hào)的控制等功能 ，實(shí)現(xiàn)智能控制 ，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo) 。 2 2 總體設(shè)計(jì) 本課題設(shè)計(jì)主要是制作一款能進(jìn)行智能判斷并能做出正確反應(yīng)的小車。小車具有以下幾個(gè)功能：自動(dòng)避障功能；尋跡功能（按路面的黑色軌道行駛）；無線遙控功能和語(yǔ)音控制。作品既可以對(duì)高端智能化進(jìn)行剖析，也可以作為高級(jí)智能玩具發(fā)展對(duì)象， 同時(shí)可 成 為 大學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式控制 系統(tǒng) 的應(yīng)用實(shí)例。 作品以兩直流電動(dòng)機(jī)為主驅(qū)動(dòng)，通過各類傳感器件來采集各類信息，送入主控單元 AT89S51 單片機(jī)，處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)動(dòng)作，以達(dá)到自身控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用高電壓，高電流，四通道驅(qū)動(dòng)集成芯片 L293D；避障采用紅外線收發(fā)來完成，自動(dòng)尋跡采用紅外線接收二極管完成；無線遙控則是采用帶有 PT2272 解碼的 TDL9915接收模塊和帶有 PT2262編碼的 TDL99884發(fā)送模塊完成以及附加功能的語(yǔ)音模塊是以柱極式話筒脈沖波經(jīng)過處理后完成。最后 由控制單元處理數(shù)據(jù)后通過匯編程序有序合理的將各模塊信號(hào)整合在一起并完成相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了智能控制，相當(dāng)于簡(jiǎn)易機(jī)器人 [2]。 各模塊分析選擇 通過收集各硬 件模塊資料信息，對(duì)其進(jìn)行有效的分析選擇，最終選出最合理的設(shè)計(jì)方案。 主控單元 方案比較與選擇 方案一：采用各類數(shù)字電路來組成小車的控制系統(tǒng)，對(duì)外圍避障信號(hào)， 自動(dòng)尋跡 信號(hào)， 無線遙控 信號(hào)，語(yǔ)音控制信號(hào)進(jìn)行處理。本方案電路復(fù)雜，靈活性不高，效率低，不利于小車智能化的擴(kuò)展，對(duì)各路信號(hào)處理比較困難。 方案二：采用 AT89S51 單片機(jī)來作為整機(jī)的控制單元。紅外線探頭采用市面上通用的發(fā)射管與及接收頭，經(jīng)過比較芯片調(diào)制處理后由控制系統(tǒng)接收。路線尋找采用紅外線管對(duì)路面信號(hào)采集，送到單片機(jī)系統(tǒng)處理，同樣包括無線遙控信 號(hào)和語(yǔ)音控制信號(hào)。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來解決復(fù)雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)潔化，各類功能易于實(shí)現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求 [3]。 比較以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案二簡(jiǎn)潔、靈活、可擴(kuò)展性好，更能達(dá)到題目的設(shè)計(jì)要求，因此采用方案二來實(shí)現(xiàn)。 3 避障 單元 方案比較與選擇 方案一：采用超聲波避障，超聲波受環(huán)境影響較大，電路復(fù)雜，而且地面對(duì)超聲波的反射，會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)障礙物的判斷。 方案二：采用紅外線避障，利用單片機(jī)來產(chǎn)生 38KHz 信號(hào)對(duì)紅外線發(fā)射管進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，發(fā)射出去的紅外線遇到避障物的時(shí)候反射回來， 紅外線接收管對(duì)反射回來信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，輸出比較電平。外界對(duì)紅外信號(hào)的干擾比較小，且易于實(shí)現(xiàn)，價(jià)格也比較便宜，故采用方案二。 紅外線避障方法，利用一管發(fā)射另一管接收，接收管對(duì)外界紅外線的接收強(qiáng)弱來判斷障礙物的遠(yuǎn)近，由于紅外線受外界可見光的影響較大，因此通過調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生 38KHz 的載波來減少外界的一些干擾。只要障礙物在限定范圍內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的電平供單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)避障功能。 尋跡 單元 方案比較與選擇 方案一：采用發(fā)光二極管發(fā)光，用光敏二極管接收。由于光敏二極管受可見光的影響較大，穩(wěn)定性差。 方案二：利用 集成型紅外對(duì)管作為尋跡單元的傳感器，其中 紅外線發(fā)射管發(fā)射紅外線，紅外線二極管進(jìn)行接收。采用紅外線發(fā)射，外面可見光對(duì)接收信號(hào)的影響較小，再用射極輸出器對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離。本方案也易于實(shí)現(xiàn)，比較可靠，因此采用方案二。 當(dāng)小車底部的某邊紅外線收發(fā)對(duì)管遇到黑帶時(shí)， 可以檢測(cè)到 輸入電平為高電平，反之為低電平。結(jié)合單片機(jī)查詢方式，通過程序控制小車哪 邊 輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)來改變方向。 這樣不斷循環(huán)檢測(cè)，方向控制，使小車按黑線行走。 遙控 單元 方案比較與選擇 方案一： 由發(fā)射和接收兩大部分組成紅外遙控系統(tǒng)，應(yīng)用編 /解碼專用集成電路芯片 來進(jìn)行控制操作，發(fā)射部分包括鍵盤矩陣、編碼調(diào)制、 LED 紅外發(fā)送器；接收部分包括光、電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路 等。相對(duì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且使用的時(shí)候必須將遙控器前的紅外發(fā)射孔對(duì)準(zhǔn) 接收管 才可以。 方案二： 無線電遙控 也由 發(fā)射和接收兩大部分組成 ，由于無線電遙控模塊在市場(chǎng)上非常普及，加上 無線電遙控 有 傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、無方向性等優(yōu) 4 點(diǎn)， 對(duì)于小車的控制是一個(gè)不錯(cuò)的選擇 [4]。 方案三：超聲波遙控是利用超聲波來傳送指令的遙控，可以應(yīng)用于需要遙控、遙測(cè)的場(chǎng)合。采用 AX5326 與 AX5327 等構(gòu)成的遙控系統(tǒng)具有體積小、功 耗低、功能強(qiáng)大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但由于超聲波遙控價(jià)格相對(duì)上面兩種價(jià)格較貴，而且對(duì)于小車的遙控也太過于夸大化。 結(jié)合三種方案，最終選擇 用電量 、 發(fā)射、接受功率都不大，一般的小障礙 也可以穿越 ，而且遙控?zé)o方向性的無線電遙控。 采用帶有 PT2272 解碼的 TDL9915接收模塊和帶有 PT2262 編碼的 TDL99884發(fā)送模塊完成。 語(yǔ)音控制 單元 方案比較與選擇 方案一：采用柱極式話筒產(chǎn)生不同的頻率信號(hào)來完成聲音提示，經(jīng)放大整形后產(chǎn)生一個(gè)脈沖電平輸入給單片機(jī)完成聲音提示功能。但方案給人以提示的可懂性比較差 ，但在一定程度上能滿足要求，而且易于實(shí)現(xiàn)，成本也不高。 方案二：采用 DS1420 可分段錄放音模塊，能夠給人以直觀的提示，也可以實(shí)現(xiàn)更多電平轉(zhuǎn)換以讓單片機(jī)控制，但 DS1420 錄放音模塊價(jià)格比較高，程序編制過程過于復(fù)雜，所以方案二性價(jià)比不如方案一。 柱極式話筒接收聲波信號(hào)，通過三極管放大信號(hào)，使信號(hào)通過整流的二極管得到一個(gè)脈沖信號(hào)，并經(jīng)過 74HC04 取反后供單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制。 總體設(shè)計(jì)框圖 此系統(tǒng)是以單片機(jī)為控制核心，處理執(zhí)行各個(gè)外部傳感器檢測(cè)得到的電平信號(hào)，其中外部信號(hào)有四部分得到：尋跡模塊， 避障模塊，遙控模塊和語(yǔ)音模塊。最后把處理結(jié)果傳遞給小車電機(jī)，使得到相應(yīng)效果。如圖 21總體設(shè)計(jì)框圖 5 圖 21 總體 設(shè)計(jì) 框圖 單片機(jī)核心控制 語(yǔ)音控制 自動(dòng)尋跡 避障模塊 無線遙控 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 6 3 硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)硬件主要有六大模塊組成： 單片機(jī)控制模塊 、無線遙控模塊、紅外對(duì)管尋跡模塊、紅外線避障模塊、電機(jī)控制模塊和語(yǔ)音控制模塊。 單片機(jī)控制模塊 本模塊采用 51 系列單片機(jī)作為核心處理器。單片機(jī)控制系統(tǒng)基本由最小系統(tǒng)和外圍信號(hào) I/O 口組成，其中最小系統(tǒng)包括電源（地）， CPU 時(shí)序電路（一般使用 或者 12M 和 30P 電容組成），復(fù)位電路。有了以上三塊，單片機(jī)就能夠正常工作。 AT89S51 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89S51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高 性價(jià)比的解決方案。其應(yīng)用范圍廣，性能良好，可用于解決復(fù)雜的控制問題。利用AT89S51 的 I／ O 端口對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí) 判斷 監(jiān)控 來 控制 步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的反映 。 如圖 31 是較為常見的帶燒錄接口的單片機(jī)最小系統(tǒng)圖。 圖 31 帶燒錄接口的 單片機(jī)最小系統(tǒng) 7 時(shí)鐘電路 單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生有兩種方法：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。 系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。 AT89單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳 XTAL1 和 XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。 這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容 C1和 C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對(duì)外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為 12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值通常取 30PF。在焊接刷電路板時(shí)，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。 復(fù)位電路 復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來 實(shí)現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳 RST 通過一個(gè)觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個(gè)機(jī)器周期中由復(fù)位電路采樣一次。 復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。所謂上電復(fù)位，是指計(jì)算機(jī)加電瞬間，要在 RST 引腳出現(xiàn)大于 10MS 的正脈沖，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。按鈕復(fù)位是指用戶按下“復(fù)位”按鈕，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài) [5]。如圖 32是上電復(fù)位及按鈕復(fù)位的一種實(shí)用電路。 圖 32 復(fù)位電路 8 上電時(shí)， +5V 電源立即對(duì)單片機(jī)芯片供電，同時(shí)經(jīng)電阻 R對(duì)電容 C3充電。C3上電壓建立的規(guī)程就產(chǎn)生一定寬 度的負(fù)脈沖，經(jīng)反向后， RST上出現(xiàn)正脈沖使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了上電復(fù)位。按鈕按下時(shí)， RST 上同樣出現(xiàn)高電平，實(shí)現(xiàn)了按鈕復(fù)位。在應(yīng)用系統(tǒng)中，有些外圍芯片也需要復(fù)位。如果這些芯片復(fù)位端的復(fù)位電平和單片機(jī)一致，則可以與單片機(jī)復(fù)位腳相連，因此，非門在這里不僅起了反向作用，還增大了驅(qū)動(dòng)能力，電容 C1， C2 起慮波作用，防止干擾竄入復(fù)位端產(chǎn)生誤動(dòng)作[5]。 燒寫接口電路 RST 置高電平，然后向單片機(jī)串行發(fā)送編程命令。 (SCK)輸入移位脈沖， (MISO)串行輸出， (MOSI)串行輸入 。 被燒寫的單 片機(jī)一定是最小系統(tǒng)（單片機(jī)已經(jīng)接好電源，晶振，可以運(yùn)行） 。如圖 33 燒寫接口電路。 圖 33 燒寫接口電路 無線遙控模塊 此模塊實(shí)現(xiàn)了無線電遠(yuǎn)距離控制小車的停啟、方向行駛的功能，在整個(gè)小車系統(tǒng)中起到不可忽視的作用。 9 無線遙控 工作原理 圖 34是無線電遙控設(shè)備方框圖，由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。發(fā)射機(jī)主要包括編碼電路和發(fā)射電路。編碼電路由操縱器 (操縱開關(guān)或電位器等 )控制，操縱者通過操縱器；使編碼電路產(chǎn)生所需要的控制指令。這些控制指令是具有某些特征的、相互間易于區(qū)分的電信號(hào) ，例如：用頻率為 270Hz 的正弦信號(hào)作為控制左舵的指令，用頻率為 350Hz 的正弦信號(hào)作為控制右舵的指令，即不同頻率的正弦信號(hào)代表不同的控制指令。除了可利用頻率特征外，還可用正弦信號(hào)的幅度及相位特征、脈沖信號(hào)的幅度、寬度及相位特征以及碼組特征等表示各種指令。 圖 34 無線電遙控設(shè)備方框圖 編碼電路 產(chǎn)生的指令信號(hào)都是頻率較低的電信號(hào)，無法直接傳送到遙控目標(biāo)上去，還要將指令信號(hào)送到發(fā)射電路，使它載在高頻信號(hào) (載波 )上，才能由發(fā)射天線發(fā)送出去。我們把指令信號(hào)載到載波上去的過程叫調(diào)制，調(diào)制作用由發(fā)射電路的調(diào)制 器完成。發(fā)射電路的主要作用是產(chǎn)生載波，并由調(diào)制器將指令信號(hào)調(diào)制在載波上，經(jīng)天線將已調(diào)載波發(fā)送出去。接收機(jī)由接收電路及譯碼電路組成。接收電路又包括高頻部分及解調(diào)器部分。由接收天線送來的微弱信號(hào)經(jīng)接收機(jī)高頻部分的選擇和放大后，送到解調(diào)器。由于 “ 卸 ” 下來的各種指令信號(hào)是混雜在一起的、還要送到譯碼電路譯碼。譯碼電路的工作就象把卸下來的貨物鑒別分類，再分別送到使用場(chǎng)地一樣，它對(duì)各種指令信號(hào)進(jìn)行簽別，送到相應(yīng)的執(zhí)行放大電路。執(zhí)行放大電路把指令信號(hào)放大到具有一定的功率，用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械動(dòng)作，例如 電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、電磁鐵的吸動(dòng)等，帶動(dòng)被控的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控目標(biāo)的控制 [6]。 10 本模塊采用的無線遙控是市場(chǎng)上現(xiàn)成的 帶有 PT2272解碼的 TDL9915接收模塊和帶有 PT2262 編碼的 TDL99884發(fā)送模塊，如圖 35。 圖 35 TDL9915 和 TDL99884 PT2262/2272 芯片 編碼芯片 PT2262 發(fā)出的編碼信號(hào)由：地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個(gè)完整的碼字，解碼芯片 PT2272 接收到信號(hào)后，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對(duì)后， VT 腳才輸出高電平，與此同時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù) 腳也輸出高電平，如果發(fā)送端一直按住按鍵，編碼芯片也