【正文】 電氣領(lǐng)域，與國(guó)外的差距還是很明顯的，所以作為 電子信息 化學(xué)生，必須加倍努力，為逐步趕上國(guó)外先進(jìn)水平并超過(guò)之而努力。 為了適應(yīng) 智能控制 的發(fā)展在汽車智能化方向的發(fā)展要求，提出簡(jiǎn)易智能小車的構(gòu)想，目的在于：通過(guò)獨(dú)立設(shè)計(jì)并制作一輛具有簡(jiǎn)單智能化的簡(jiǎn)易小車，獲得項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)的能力，并掌握多通道多樣化傳感器綜合控制的方法。所以立“智能循跡小車”一題作為嘗試。 此項(xiàng)設(shè)計(jì)是在以楊老師提供的小車為基礎(chǔ)上，采用 AT89C52 單片機(jī)作為控制核心，實(shí)現(xiàn)能夠自主識(shí)別黑色引導(dǎo)線并根據(jù)黑線走向?qū)崿F(xiàn)快速穩(wěn)定的尋線行駛。 基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 2 1 設(shè)計(jì)任務(wù) 及方案 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 此次的設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)要求如下： ●具有單片機(jī)核心控制模塊； ●具有紅外遙控解碼模塊； ●具有電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 ； ●具有 路況檢測(cè) 模塊； ●具有光感模塊； ●具有聲控模塊； ●具有 七段數(shù)碼管顯示模塊 ； ●具有報(bào)警模塊； 設(shè)計(jì)方案論證 控制器選擇 方案一：采用 MSP430 單片機(jī) MSP430 是 德州儀器 (TI)的一種 RISC 混合信號(hào)處理器 ， MSP430 產(chǎn)品系列為電池供電測(cè)量應(yīng)用提供了最終解決方案。作為混合信號(hào)和數(shù)字技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者 ， TI 創(chuàng)新 生產(chǎn)的 MSP430， 使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠在保持獨(dú)一無(wú)二的低功率的同時(shí)同步連接至模擬信號(hào)、傳感器和數(shù)字組件。 MSP430 優(yōu)點(diǎn)： RAM 保持 ； 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式 ； 250uA/MIPS 有效 ； 高性能模擬器件 ；是 精確測(cè)量的理想選擇 ； 先進(jìn)的 16 位 RISC CPU 使得新的應(yīng)用僅需一段代碼即可實(shí)現(xiàn) ； 系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存允許更改代碼 、 更新字段和記錄數(shù)據(jù) 。但是， MSP430 每個(gè)管腳的驅(qū)動(dòng)能力較弱，有利于低功耗，但是在電源方面，處理器使用的功耗相對(duì)輸入幾基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 3 乎沒(méi)有多大影響。 MSP430 使用的主頻相對(duì)較低，處理速度較慢，在 本系統(tǒng)中要使用 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制 ，對(duì) 管腳輸出 都有較高的要求。所以在本系統(tǒng)中使用 MSP430 不利于系統(tǒng)的控制。 方案 二 ：采用 AT89S51 單片機(jī) [1] AT89S51 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S51 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解 決方案。 AT89S51 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器 ， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外， AT89S51 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 方案選擇： 綜上所述： 通過(guò)以上方案比較， 在本系統(tǒng)中 控制 器 選用第 二 個(gè)方案，使用 AT89S51 作控制器。 因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)成本低廉，操作起來(lái)方便，因此本設(shè)計(jì)控制器選用此方案。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 方案一：采用 L298N L298N 為 SGSTHOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片 ( Dual FullBridge Driver ) ，內(nèi)部包含 4 信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相 和四相步進(jìn)電機(jī)的專用 驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng) 2 個(gè)二相或 1 個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個(gè) HBridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng) 46V、 2A 以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接透過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機(jī)的 IO 端口來(lái)提供模擬時(shí)序信號(hào)， 但在 智能小車 電路 中 單片機(jī) IO 端口的使用 匱乏。該設(shè)計(jì)也不用于速度控制，相對(duì)來(lái)講 LG9110 成本基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 4 較低 。 方案二：采用 LG9110 LG9110 是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片 IC 之中，使外圍器件成本降低，整機(jī)可靠性提高。該芯片有兩個(gè) TTL/CMOS 兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，每通道能通過(guò) 750800mA 的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá) ；同時(shí)它具有較低的輸出飽和壓降；內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向 沖擊電流，使它在驅(qū)動(dòng)繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或開關(guān)功率管的使用安全可靠。 LG9110 被廣泛應(yīng)用于玩具汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、和開關(guān)功率管等電路上。 方案 三 ：使用分立原件搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 使用分立原件搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路造價(jià)低廉，在大規(guī)模生產(chǎn)中使用廣泛。但分立原件 H 橋電路工作性能不夠穩(wěn)定，較易出現(xiàn)硬件上的故障，故我們放棄了這一方案。 綜上所述：通過(guò)以上方案比較，在本系統(tǒng)中電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選用第二個(gè)方案，使用 LG9110 作為驅(qū)動(dòng)電路。因?yàn)樵?LG9110 驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，成本低廉，操作起來(lái)方便，因此本設(shè)計(jì)控制器選用此方 案。 路況檢測(cè)模塊 采用紅外發(fā)送接收探頭來(lái)檢測(cè)實(shí)時(shí)路況信息，并傳回單片機(jī)處理。紅外發(fā)射探頭發(fā)射紅外信號(hào)，遇地面或障礙物反射回紅外接收探頭，紅外接收探頭接收到從地面或障礙物反射回的紅外信號(hào)之后給單片給一個(gè)電平信號(hào)，來(lái)判斷整體路況信息。 基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 5 2 系統(tǒng)硬件電路與實(shí)現(xiàn) 本設(shè)計(jì)采用了 AT89C52 單片機(jī)作為主控芯片來(lái)處理各個(gè)模塊的運(yùn)營(yíng)，系統(tǒng)硬件總框圖如圖 圖 系統(tǒng)硬件總體框圖 紅外 遙控 及解碼模塊 紅外遙控是一種無(wú)線、非接觸控制技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)，信息傳輸可靠，功耗低，低成本，易實(shí)現(xiàn)等顯著優(yōu)點(diǎn)，被諸多電子設(shè)備特別是家用電器廣泛采用，并越來(lái)越多的 應(yīng) 用到 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。 紅外遙控由發(fā)送和接收兩個(gè)部分組成。發(fā)送部分由主芯片將待發(fā)的二進(jìn)制信號(hào)編碼調(diào)制為一系列的脈沖串信號(hào)，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號(hào)紅外信號(hào)接收端普遍采用價(jià)格便宜，性能可靠的一體化紅外接收頭（如 HS0038，它接收紅外頻率為 38KHz，周期為 26us）接收紅外信號(hào)，它同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、檢波、整形，得到 TTL 電平的編碼信號(hào)，再送給單片機(jī)，經(jīng)單片 機(jī)解碼并執(zhí)行，去控制相關(guān)對(duì)象。 如圖 所示。 AT89C52 遙控模塊 路面檢測(cè)模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 報(bào)警模塊 顯示模塊 基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 6 圖 紅外遙控解碼框圖 二進(jìn)制信號(hào)的調(diào)制 二進(jìn)制信號(hào)的調(diào)制 由 遙控器的主芯片 來(lái)完成，它把編碼后的二進(jìn)制信號(hào)調(diào)制成頻率為 38KHz 的間斷脈沖串，相當(dāng)于用二進(jìn)制信號(hào)的編碼乘以頻率為 38KHz 的脈沖信號(hào)得到的間斷脈沖串，即是調(diào)制后用于紅外發(fā)射二極管發(fā)送的信號(hào)。如圖 所示， A 是二進(jìn)制信號(hào)的編碼波形， B 是頻率為 38KHz(周期為 26us) 的連續(xù) 脈沖串， C 是經(jīng)調(diào)制后的間斷脈沖串（相當(dāng)于 C=AB），用于紅外發(fā)射二極管發(fā)送的波形。圖 中 ，待發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)為 101。如圖 所示 。 遙 控器 一體化紅外接收頭 單片機(jī) 發(fā)送 接收解調(diào) 解碼 基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 7 圖 二進(jìn)制信號(hào)的調(diào)制 二進(jìn)制信號(hào)的解調(diào) 二進(jìn)制信號(hào)的解調(diào)由一體化紅外接收頭 HS0038 來(lái)完成，它把收到的紅外信號(hào)經(jīng)內(nèi)部處理并解調(diào)復(fù)原，輸出圖 中波形 E（正好是對(duì)圖 中波形 A 的取反）， HS0038 的解調(diào)可理解為：在輸入有脈沖串時(shí)，輸出端輸出低電平，否則輸出高電平。一體化紅外接收頭HS0038 的 1 腳 GND 接電源地， 2 腳 VCC 接 +5V， 3 腳 OUT 為數(shù)據(jù)輸出（ TTL 電 平 ， 反 相 輸 出 ） ， 可 直 接 與 單 片 機(jī) 相 聯(lián) 。 圖 HS0038 解調(diào)出的波形 二進(jìn)制信號(hào)的解碼 二進(jìn)制信號(hào)的解碼由接收單片機(jī)來(lái)完成，它把紅外接收頭送來(lái)的二進(jìn)制編碼波形通過(guò)解碼，還原 出發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)。如圖 ，把波形 E 解碼還原成數(shù)據(jù)信息 101。 圖 為紅外信號(hào)的編碼格式 基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 8 圖 紅外信號(hào)的編碼格式 單片機(jī)紅外 接收硬件電路 的實(shí)現(xiàn) 圖 中，一體化紅外接收頭 IR 的圓形面為紅外接收面，它與SE303 紅外發(fā)射管的有效收發(fā)直射距離為 35m。 傳輸開始 8 位數(shù)據(jù) 傳輸結(jié)束 20 個(gè)脈沖 高位在前，低位在后 10 個(gè)脈沖 基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 9 圖 紅外接收電路 3 腳接電源， 2 腳接地，一腳接單片機(jī)的 （外部中斷 0），當(dāng)有紅外信號(hào)輸入時(shí)， 1 腳解調(diào)之后將數(shù)據(jù)信息傳送給單片機(jī)引起單片機(jī)中斷，從而對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行解碼。 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 模塊 在幾乎所有的遙控車大都采用了直流電機(jī)來(lái)控制小車的行為 ，直流電機(jī)有兩個(gè)控制端，通過(guò)改變輸入電平的 不同來(lái)改變電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn) 。圖 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的硬件電路圖。 基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 10 圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 在圖 中，單片機(jī)通過(guò)控制 ~ 引腳電平的高低來(lái)控制直流電機(jī) M M2 的正反轉(zhuǎn)。當(dāng) ~ 輸入為 1010 時(shí)，兩電機(jī)均處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)小車表現(xiàn)為整體前進(jìn)；當(dāng) ~ 輸入為 0101時(shí)，兩電機(jī)均處于反轉(zhuǎn)模式，小車整體表現(xiàn)為后退。當(dāng) ~ 輸入為 1001 以及 0110 時(shí)，一電機(jī)正轉(zhuǎn)，另一電機(jī)反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了左右轉(zhuǎn)向功能。 很顯然，僅僅只靠單片機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)小車的行為是不 現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)閱纹瑱C(jī)自身管腳輸出的高電平 的電壓是很微弱的，這種電壓直接控制電機(jī)會(huì)使得電機(jī)馬力不足，沒(méi)能夠帶動(dòng)整個(gè)小車運(yùn)行，所以在這種情況之下，最適合的就是運(yùn)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)完成小車的驅(qū)動(dòng)，這里我們采用了一款價(jià)格低廉的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L9110 來(lái)完成它的使命，實(shí)際上L298N 這款芯片能夠更好的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并能實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的功能，但由于小車自身重量因數(shù)和電壓?jiǎn)栴} 我們就采用 L9110 了 。 下面給出關(guān)基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 11 于 L9110 的相關(guān)數(shù) 據(jù)手冊(cè)。 圖 LG9110 的實(shí)物圖 特點(diǎn)： ■ 低靜態(tài) 工作電流； ■ 寬電源電壓范圍 ； ■ 每通道 具有 800mA 連續(xù)電流輸出能力； ■ 較低的飽和壓降 ； ■ TTL/CMOS 輸出電平兼容，可直接連接 CPU； ■ 輸出內(nèi)置鉗位二極管，適用于感性負(fù)載 ； ■ 控制和驅(qū)動(dòng)集成于單片 IC 之中 ； ■ 具備管腳高壓保護(hù)功能； 基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 12 圖 LG9110 管腳圖 管腳定義 如表 表 LG9110 的管腳定義 序號(hào) 符號(hào) 功能 1 OA A 路輸出管腳 2 VCC 電源電壓 3 VCC 電源電壓 4 OB B 路輸出管腳 5 GND 地線 6 IA A 路輸入管腳 7 IB B 路輸入管腳 8 GND 地線 基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 13 L9110 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片有八個(gè)管腳，其中兩個(gè)電源管腳和兩個(gè)接地管腳，另外有兩個(gè)輸入（ IA/IB）、和兩個(gè)輸出管腳 (OA/OB),兩個(gè)輸出管腳接，電機(jī)的兩極，而兩輸入管腳和單片機(jī)連接，從而控制電機(jī)的狀態(tài)。 圖 為 L9110 的 硬件連接圖。 圖 LG9110 硬件連接圖 況 檢測(cè) 模塊 采用了紅外發(fā)射和接收探頭來(lái)探測(cè)路況信息。紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號(hào)，經(jīng)路面反射傳回給紅 外接收管進(jìn)行判斷處理。 由于黑線和白紙對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷“道路” 情況和前方是否存在障礙物 。筆者在該模塊中利用了簡(jiǎn)單、應(yīng)用也比較普遍的檢測(cè)方法 —— 紅外探測(cè)法。 圖 為路況檢測(cè)模塊的硬件設(shè)計(jì)原理圖。 基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 14 圖 路況檢測(cè)模塊硬件連接圖 上電之后紅外發(fā)射管 V V6