【正文】 電氣領(lǐng)域，與國外的差距還是很明顯的，所以作為 電子信息 化學生，必須加倍努力，為逐步趕上國外先進水平并超過之而努力。 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，提出簡易智能小車的構(gòu)想，目的在于：通過獨立設(shè)計并制作一輛具有簡單智能化的簡易小車，獲得項目整體設(shè)計的能力，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。 此項設(shè)計是在以楊老師提供的小車為基礎(chǔ)上，采用 AT89C52 單片機作為控制核心，實現(xiàn)能夠自主識別黑色引導線并根據(jù)黑線走向?qū)崿F(xiàn)快速穩(wěn)定的尋線行駛。 基于單片機的智能小車的設(shè)計 2 1 設(shè)計任務(wù) 及方案 設(shè)計任務(wù)及要求 此次的設(shè)計任務(wù)是設(shè)計一款基于單片機的智能小車的設(shè)計。設(shè)計要求如下： ●具有單片機核心控制模塊； ●具有紅外遙控解碼模塊； ●具有電機驅(qū)動模塊 ； ●具有 路況檢測 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 ； ●具有報警模塊； 設(shè)計方案論證 控制器選擇 方案一：采用 MSP430 單片機 MSP430 是 德州儀器 (TI)的一種 RISC 混合信號處理器 ， MSP430 產(chǎn)品系列為電池供電測量應(yīng)用提供了最終解決方案。作為混合信號和數(shù)字技術(shù)的領(lǐng)導者 ， TI 創(chuàng)新 生產(chǎn)的 MSP430， 使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠在保持獨一無二的低功率的同時同步連接至模擬信號、傳感器和數(shù)字組件。 MSP430 優(yōu)點： RAM 保持 ； 實時時鐘模式 ； 250uA/MIPS 有效 ； 高性能模擬器件 ；是 精確測量的理想選擇 ； 先進的 16 位 RISC CPU 使得新的應(yīng)用僅需一段代碼即可實現(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 每個管腳的驅(qū)動能力較弱，有利于低功耗，但是在電源方面，處理器使用的功耗相對輸入幾基于單片機的智能小車的設(shè)計 3 乎沒有多大影響。 MSP430 使用的主頻相對較低，處理速度較慢，在 本系統(tǒng)中要使用 電機驅(qū)動控制 ，對 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 [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 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(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 具有以下標準功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32位 I/O 口線，看門狗定時器 ， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6 向 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。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、 定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 方案選擇： 綜上所述： 通過以上方案比較， 在本系統(tǒng)中 控制 器 選用第 二 個方案，使用 AT89S51 作控制器。 因為該單片機成本低廉，操作起來方便，因此本設(shè)計控制器選用此方案。 電機驅(qū)動芯片的選擇 方案一：采用 L298N L298N 為 SGSTHOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片 ( Dual FullBridge Driver ) ，內(nèi)部包含 4 信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相 和四相步進電機的專用 驅(qū)動器，可同時驅(qū)動 2 個二相或 1 個四相步進電機，內(nèi)含二個 HBridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準 TTL 邏輯準位信號，可驅(qū)動 46V、 2A 以下的步進電機，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機的 IO 端口來提供模擬時序信號， 但在 智能小車 電路 中 單片機 IO 端口的使用 匱乏。該設(shè)計也不用于速度控制，相對來講 LG9110 成本基于單片機的智能小車的設(shè)計 4 較低 。 方案二：采用 LG9110 LG9110 是為控制和驅(qū)動電機設(shè)計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，整機可靠性提高。該芯片有兩個 TTL/CMOS 兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個輸出端能直接驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)運動，它具有較大的電流驅(qū)動能力，每通道能通過 750800mA 的持續(xù)電流，峰值電流能力可達 ；同時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載的反向 沖擊電流，使它在驅(qū)動繼電器、直流電機、步進電機或開關(guān)功率管的使用安全可靠。 LG9110 被廣泛應(yīng)用于玩具汽車電機驅(qū)動、步進電機驅(qū)動、和開關(guān)功率管等電路上。 方案 三 ：使用分立原件搭建電機驅(qū)動電路 使用分立原件搭建電機驅(qū)動電路造價低廉，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：通過以上方案比較，在本系統(tǒng)中電機驅(qū)動芯片選用第二個方案，使用 LG9110 作為驅(qū)動電路。因為該 LG9110 驅(qū)動能力強，成本低廉，操作起來方便，因此本設(shè)計控制器選用此方 案。 路況檢測模塊 采用紅外發(fā)送接收探頭來檢測實時路況信息，并傳回單片機處理。紅外發(fā)射探頭發(fā)射紅外信號，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之后給單片給一個電平信號，來判斷整體路況信息。 基于單片機的智能小車的設(shè)計 5 2 系統(tǒng)硬件電路與實現(xiàn) 本設(shè)計采用了 AT89C52 單片機作為主控芯片來處理各個模塊的運營，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 紅外遙控是一種無線、非接觸控制技術(shù)，具有抗干擾能力強，信息傳輸可靠，功耗低，低成本，易實現(xiàn)等顯著優(yōu)點，被諸多電子設(shè)備特別是家用電器廣泛采用，并越來越多的 應(yīng) 用到 計算機系統(tǒng)中。 紅外遙控由發(fā)送和接收兩個部分組成。發(fā)送部分由主芯片將待發(fā)的二進制信號編碼調(diào)制為一系列的脈沖串信號，通過紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號紅外信號接收端普遍采用價格便宜，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，它同時對信號進行放大、檢波、整形，得到 TTL 電平的編碼信號，再送給單片機，經(jīng)單片 機解碼并執(zhí)行，去控制相關(guān)對象。 如圖 所示。 AT89C52 遙控模塊 路面檢測模塊 電機驅(qū)動模塊 報警模塊 顯示模塊 基于單片機的智能小車的設(shè)計 6 圖 紅外遙控解碼框圖 二進制信號的調(diào)制 二進制信號的調(diào)制 由 遙控器的主芯片 來完成，它把編碼后的二進制信號調(diào)制成頻率為 38KHz 的間斷脈沖串，相當于用二進制信號的編碼乘以頻率為 38KHz 的脈沖信號得到的間斷脈沖串，即是調(diào)制后用于紅外發(fā)射二極管發(fā)送的信號。如圖 所示， A 是二進制信號的編碼波形， 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 發(fā)送 接收解調(diào) 解碼 基于單片機的智能小車的設(shè)計 7 圖 二進制信號的調(diào)制 二進制信號的解調(diào) 二進制信號的解調(diào)由一體化紅外接收頭 HS0038 來完成，它把收到的紅外信號經(jīng)內(nèi)部處理并解調(diào)復原，輸出圖 中波形 E（正好是對圖 中波形 A 的取反）， HS0038 的解調(diào)可理解為：在輸入有脈沖串時，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 相 聯(lián) 。 圖 HS0038 解調(diào)出的波形 二進制信號的解碼 二進制信號的解碼由接收單片機來完成，它把紅外接收頭送來的二進制編碼波形通過解碼，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 為紅外信號的編碼格式 基于單片機的智能小車的設(shè)計 8 圖 紅外信號的編碼格式 單片機紅外 接收硬件電路 的實現(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 個脈沖 高位在前，低位在后 10 個脈沖 基于單片機的智能小車的設(shè)計 9 圖 紅外接收電路 3 腳接電源， 2 腳接地，一腳接單片機的 （外部中斷 0），當有紅外信號輸入時， 1 腳解調(diào)之后將數(shù)據(jù)信息傳送給單片機引起單片機中斷，從而對紅外信號進行解碼。 電機驅(qū)動 模塊 在幾乎所有的遙控車大都采用了直流電機來控制小車的行為 ，直流電機有兩個控制端，通過改變輸入電平的 不同來改變電機的運轉(zhuǎn) 。圖 為電機驅(qū)動模塊的硬件電路圖。 基于單片機的智能小車的設(shè)計 10 圖 電機驅(qū)動模塊 在圖 中，單片機通過控制 ~ 引腳電平的高低來控制直流電機 M M2 的正反轉(zhuǎn)。當 ~ 輸入為 1010 時，兩電機均處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時小車表現(xiàn)為整體前進；當 ~ 輸入為 0101時，兩電機均處于反轉(zhuǎn)模式，小車整體表現(xiàn)為后退。當 ~ 輸入為 1001 以及 0110 時，一電機正轉(zhuǎn)，另一電機反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了左右轉(zhuǎn)向功能。 很顯然，僅僅只靠單片機來驅(qū)動小車的行為是不 現(xiàn)實的，因為單片機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會使得電機馬力不足，沒能夠帶動整個小車運行，所以在這種情況之下，最適合的就是運用電機驅(qū)動芯片來完成小車的驅(qū)動，這里我們采用了一款價格低廉的電機驅(qū)動芯片 L9110 來完成它的使命，實際上L298N 這款芯片能夠更好的驅(qū)動電機，并能實現(xiàn)電機調(diào)速的功能，但由于小車自身重量因數(shù)和電壓問題 我們就采用 L9110 了 。 下面給出關(guān)基于單片機的智能小車的設(shè)計 11 于 L9110 的相關(guān)數(shù) 據(jù)手冊。 圖 LG9110 的實物圖 特點： ■ 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，適用于感性負載 ； ■ 控制和驅(qū)動集成于單片 IC 之中 ； ■ 具備管腳高壓保護功能； 基于單片機的智能小車的設(shè)計 12 圖 LG9110 管腳圖 管腳定義 如表 表 LG9110 的管腳定義 序號 符號 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 基于單片機的智能小車的設(shè)計 13 L9110 電機驅(qū)動芯片有八個管腳，其中兩個電源管腳和兩個接地管腳，另外有兩個輸入（ IA/IB）、和兩個輸出管腳 (OA/OB),兩個輸出管腳接，電機的兩極，而兩輸入管腳和單片機連接，從而控制電機的狀態(tài)。 圖 為 L9110 的 硬件連接圖。 圖 LG9110 硬件連接圖 況 檢測 模塊 采用了紅外發(fā)射和接收探頭來探測路況信息。紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號，經(jīng)路面反射傳回給紅 外接收管進行判斷處理。 由于黑線和白紙對光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強弱來判斷“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單、應(yīng)用也比較普遍的檢測方法 —— 紅外探測法。 圖 為路況檢測模塊的硬件設(shè)計原理圖。 基于單片機的智能小車的設(shè)計 14 圖 路況檢測模塊硬件連接圖 上電之后紅外發(fā)射管 V V6