【正文】 ....................... 32 第 1 頁 共 47 頁 引言 智能，是指在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下運(yùn)作并能夠自動預(yù)先設(shè)定模式，不需要人為的操作就能達(dá)到預(yù)期或是更高的目標(biāo)，為人類提供必要服務(wù)的集成智能化裝備。 主要開發(fā)一個能根據(jù)紅外線和超聲波檢測結(jié)果，自動避開障礙物的智能小車控制系統(tǒng)。 智能小車系統(tǒng)的設(shè)計思路采用了模塊化的方法，電路結(jié)構(gòu) 簡單， 系統(tǒng)成本低， 調(diào)試方便， 系統(tǒng)反應(yīng)快速、靈活， 小車調(diào)速平滑，功耗低， 設(shè)計方案正確、實施性強(qiáng)，各項指標(biāo)可靠、穩(wěn)定， 基本滿足設(shè)計要求。其中小車使用 AVR 單片機(jī)為主控芯片，它通過小車前端超聲波返回的數(shù)據(jù)來獲取小車距離障礙物的距離，并且用 LCD1602 顯示出來，當(dāng)小車與障礙物的距離大于某設(shè)定的距離時，小車會沿直線前進(jìn)，當(dāng)小車與障礙物的距離小于某設(shè)定的距離時，小車左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)以避開障礙物；車頭兩側(cè)由紅外線對管自動避障組成的硬件模塊組成，實現(xiàn)小車 第 2 頁 共 47 頁 左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)功能；并且此時 LED 閃爍。 方案一： AT89S52 單片機(jī)具有十分完備的功能，不僅能夠?qū)ζ瑑?nèi)某些特殊功能寄存器的某位進(jìn)行傳送、置位、清零、測試等處理，還能進(jìn)行位的邏輯運(yùn)算，使用起來得心應(yīng)手。采用精簡指令集，克服了瓶頸現(xiàn)象，指令執(zhí)行速度 (1Mips/MHz)得以提高，功能增強(qiáng) ；由于硬件結(jié)構(gòu)得到了簡化了，降低了對外設(shè)管理的開銷和成本。但 PWM利用定時器中斷函數(shù)，模擬產(chǎn)生 PWM 脈沖，由于 PWM 頻率較高，勢必導(dǎo)致定時器中斷被頻繁觸發(fā)。它的 4 通道 PWM，具有硬 PWM 第 3 頁 共 47 頁 時序功能，使用時只需設(shè)置相關(guān)寄存器即可實現(xiàn) PWM 的產(chǎn)生。 ATmega16 單片機(jī)不用考慮定時器做 PWM 引起的資源分配問題。電機(jī)的驅(qū)動方式各有不同，一般小型步進(jìn)電機(jī)可以通過 ULN2021 進(jìn)行驅(qū)動，直流電機(jī)需要的工作電流與步進(jìn)電機(jī)相比較大，需要使用 L298N 這類專用的驅(qū)動芯片控制，控制時單片機(jī)通過輸出 PWM 波調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動速度。直流電機(jī)由于加上了適當(dāng)減速比的減速器，具有良好的調(diào)速性能 [2]，通上電源即可連續(xù)不停的轉(zhuǎn)動，所以控制起來也相對簡單。 方案二：步進(jìn)電機(jī)。 表 21 電機(jī)控制方式對比 直流電機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 調(diào)速性能 較好 較差 位置控制精度 較差 好 驅(qū)動 簡單 簡單 穩(wěn)定性 較好 好，僅與控制脈沖有關(guān) 速度 較快 緩慢 單片機(jī)資源消耗 小 大 如 表 21 所示 ， 步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)都有各自的特點。 方案一：使用一個超聲波探頭。 超聲波的發(fā)射器能夠不斷發(fā)射聲脈沖，由于頻率越高反射能力越強(qiáng)，接收換能器接收到遇到障礙物就反射回來的超聲波信號，根據(jù)回聲探測法，通過對聲速 以及時間的計算，實現(xiàn)超聲波的測距及避障功能 [3]。 方案二：使用舵機(jī)帶動一對超聲波探頭進(jìn)行 180 度旋轉(zhuǎn)。 也就是說， 給它提供特定寬度的脈沖信號，它的輸出軸就會轉(zhuǎn)動到一個與之相對應(yīng)的角度上 ，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會將輸出角度轉(zhuǎn)動到新的對應(yīng)的位置上 。 方案三：采用多方向超聲波測距分析來實現(xiàn)避障。 第 5 頁 共 47 頁 綜上所述，超聲波傳感器測距范圍一般在 30~300cm 之間，設(shè)定測量的周期為 20ms一次才能防止相互干擾；而 紅外測距傳感器的測量速度十分快，可以在一定程度上彌補(bǔ)超聲波傳感器的缺點，大大增加了小車的反應(yīng)速度。但數(shù)碼管一般只適合數(shù)字顯示，一位數(shù)碼管能顯示一位數(shù)據(jù)，且占用的 I/O 多，編程相對復(fù)雜。 經(jīng)過對兩種顯示方案優(yōu)缺點的衡量，本設(shè)計決定采用方案二。 電機(jī)控制采用的脈沖寬度調(diào)制（ PWM）技術(shù)，單片機(jī)輸出的方波的頻率是恒定的，該脈沖寬度調(diào)制，用于改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，輸出電壓的平均值的方波，當(dāng)輸出低電平時，電機(jī)停止時，輸出電平高，電機(jī)最高速。 第二種方案是使用 電池，首先輸出給電機(jī)供電，然后通過 7805 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓出5V 的電壓給傳感器和單片機(jī)供電。 3 元器件介紹 AVR 單片機(jī)主控芯片介紹 ATmega16 是全靜態(tài)的基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的高性能、低功耗 8 位 CMOS 微控制器。從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾以及通過鎖定位的編程來加密用戶程序 [5]。 L298N 有可達(dá) 46V 最高工作電壓以及可達(dá) 3A 瞬間峰值電流， 2A 的持續(xù)工作電流，最大工作電流為 ， 25W 的額定功率。 直流電機(jī) 我們通常將可以把直流電能與幾點能相互轉(zhuǎn)換的電機(jī)稱為直流電機(jī)，當(dāng)它將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能時是直流電動機(jī)，而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的時候稱為直流發(fā)電機(jī)。輸入信號端 IN1接高電平輸入端 IN2接低電平，電機(jī) M1正轉(zhuǎn)，反之 IN1接低電平輸入端 IN2接高電平，則反轉(zhuǎn)。 表 31 驅(qū)動器驅(qū)動直流電機(jī)方式 超聲波傳感器 超聲波傳感器 概述 超聲波測距模塊具有 GPIO、串口等多種通信方式，寬電壓輸入的范圍是 ~ ，在穩(wěn)定可靠的工作環(huán)境下，可以實現(xiàn) 0m~ 的測距，靜態(tài)功耗低于 2mA，在測距的過程中，傳感器并不用接觸到物體，在 20 到 +70 度的工作環(huán)境下，能夠通過自帶溫度傳感器對超聲波模塊的測距結(jié)果進(jìn)行校正。 另一個是 間距彎排針的 5 Pin 接口，如圖 34 所示。 3 號 Pin 當(dāng)為 UART 模式時，接外部電路 UART 的 RX 端； 當(dāng)為電平觸發(fā)模式時，接外部電路的 Echo 端。 光電傳感器 光電傳感器是光源、光學(xué)通路和光電元件組成的對環(huán)境進(jìn)行檢測的傳感器，他能夠?qū)z測到的環(huán)境中的變化轉(zhuǎn)化成光信號的變化，再通過光電元件將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。 第 9 頁 共 47 頁 LCD1602 液晶顯示 液晶顯示 LCD 實物圖見圖 35。它由若干個 5 7 或者 5 11 等點陣字符位組成，一個點距作為每位之間的間隔，字符尺寸為 (W H)mm每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每行之間也有間隔，所以在 LCD1602顯示中也是有字符間距和行間距的。 3腳液晶顯示器對比度的調(diào)整端 V0，對比度最弱是當(dāng)接正電源時，對比度最高時是當(dāng)接地電源由于對比度過高即可能產(chǎn)生 ―鬼影 ‖，可使用一個 1K 的電位器來調(diào)整對比度。超聲波由空氣進(jìn)行傳播，途中如果遇到障礙物則被彈回，當(dāng)超聲波模塊接收器接收到超聲波的反射波后，將會產(chǎn)生一個提示信號并由 Echo 腳反饋給單片機(jī)，此時單片機(jī)將立 即停止計時器的計時，并取出計數(shù)寄存器中的值進(jìn)行換算。 圖 42 紅外線收發(fā)電路 第 11 頁 共 47 頁 單片機(jī)主控電路 此模塊是小車的單片機(jī)驅(qū)動部分，它負(fù)責(zé)控制超聲波模塊、紅外線測距模塊、液晶顯示模塊、 L298N 控制模塊及警示燈模塊的工作。 圖 43 單片機(jī)主控電路 電源電路 使用 電池，首先輸出給電機(jī)供電，然后通過 7805 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓出 5V 的電壓給傳感器和單片機(jī)供電。 第 12 頁 共 47 頁 圖 44 電源電路 本模塊只需要一組電源 即可滿足智能小車的電機(jī)驅(qū)動、單片機(jī)控制、傳感器等所有單元的供電，需求設(shè)計非常合理。在單片機(jī)電路中利用一組 I/O 口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，再從另一組 I/O 口分配三個 I/O 口作為指令與數(shù)據(jù)選擇和控制。由于從單片機(jī)中輸出的信號功率很弱，即使在沒 有任何外在負(fù)載的情況下也無法正常帶動電機(jī)，為了解決這一點我在實際電路中加入了電機(jī)的驅(qū)動芯片以提高輸入電機(jī)信號的功率，從而能夠根據(jù)需要控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。它的具有幾個時能端子可以外接高低電平進(jìn)行控制，本設(shè)計利用單片機(jī)進(jìn)行軟件控制，極大地滿足本設(shè)計的功能需求。 L298N 芯片具有較大的驅(qū)動功率，可在 6~46V 的直流電壓下，提供最大 2A 的額定電流，并且具有過熱自動關(guān)斷及電流反饋檢測的強(qiáng)大功能，十分安全可靠；但為了能保證 L298N 的正常工作，我另外安裝了幾個續(xù)流二極管。其外形、管腳分布如圖 47 所示。通過這個原理實現(xiàn)了直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。要想可控制地改變電壓比較麻煩，所以就產(chǎn)生了通過利用斷續(xù)供電的方式即脈寬調(diào)試方式改變供給電機(jī)的平均功率，這同樣 第 15 頁 共 47 頁 也實現(xiàn)改變電機(jī)速度的目的。采用 PWM 進(jìn)行電機(jī)調(diào)速控制，實際是保持加在電機(jī)電樞上的脈沖電壓頻率保持不變，調(diào)節(jié)脈沖的寬度。 圖 49 PWM 等效圖示意圖 PWM 方式可以方便地實現(xiàn)調(diào)速功能。但由于阻力 f 是無法確定的，因為在不同的電機(jī)、不同的減速箱、不同的轉(zhuǎn)速都會使 f 產(chǎn)生變化，所以無法保證每次電機(jī)的阻力 f 相同，這就使得同樣的 PWM 得不到同樣的速度。 影響直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的原因還有一點，這是由電機(jī)的原理決定，在電機(jī)的額定電壓下，電機(jī)的最快轉(zhuǎn)速就是在其的空載速度，也就是說，當(dāng)電機(jī)負(fù)載很輕時，稍加驅(qū)動功率就能使其達(dá)到了最快的速度，此時即使再提高 PWM 也無法繼續(xù)提高電機(jī)速度了，應(yīng)為PWM 的改變并不會再次提升電壓，因此當(dāng)電 機(jī)具有很輕的負(fù)載時， PWM 連改變速度的能力也大為減弱。 光警示電路 本光警示電路，由一個 LED，一個限流電阻，一個上拉電阻 組成。故可根據(jù) U＝ IR 計算出限流電阻的取值。如 圖 410 光警示電路所示， 電阻用于限流可以保護(hù)二極管不燒，也能調(diào)節(jié)亮度。在 RST 引腳出現(xiàn)低電平后的第二個機(jī)器周期后立刻執(zhí)行復(fù)位操作。除了上電復(fù)位外，有時還需要進(jìn)行手動復(fù)位來排除故障。圖中 S R7構(gòu)成了按鍵的復(fù)位電路。C情況下的標(biāo)稱數(shù)值。在 5V， 25176。 表 41 內(nèi)部 RC 振蕩器頻率范圍 第 18 頁 共 47 頁 5 軟件設(shè)計 本設(shè)計系統(tǒng)軟件采用模塊化 結(jié)構(gòu)，由主程序﹑避障子程序、電機(jī)驅(qū)動子程序﹑顯示子程序﹑測量距離子程序、光警示子程序構(gòu)成。 Csb_Init()。 } 避障子程序 避障函數(shù)就是輪詢幾個傳感器的返值然后做出對應(yīng)的操作： void Car_Void(void) { uchar ult_scan = 0。 //判斷超聲波是否檢測到障礙。 //根據(jù)三探頭的狀態(tài)做出動作判斷 if(!ult_scan amp。 rinf_scan) control_flag = 1。amp。 !linf_scan amp。amp。 else if(!ult_scan amp。 !rinf_scan) control_flag = 1。amp。 !linf_scan amp。 } 電機(jī)驅(qū)動子程序 L298N通過改變對應(yīng)電平值的方式，驅(qū)動小車的前后左右行駛： void Car_Stop() //停止 { RIN1_clr。 } void Car_Straight(void) //前進(jìn) { RIN1_clr。 //左 電機(jī)為高電平 } void Car_Turn_Right(void) //右轉(zhuǎn) { RIN1_clr。 第 21 頁 共 47 頁 } void Car_Turn_Left(void) //左轉(zhuǎn) { RIN1_set。 } 控制電平有兩個： RIN1和 RIN2，其中一個高另一個低就是前進(jìn)或后退。 clr_rs。 _delay_ms(5)。 PORTC = data。 clr_en。39。39。39。 temp[1] = data % 100 / 10。 Write_Com(0xcd)。 //寫數(shù)據(jù) } } 初始化函數(shù)： void Lcd_Init() //LCD 初始化 { DDRA |= 0xe0。 第 23 頁 共 47 頁 Write_Com(0x38)。 Write_Com(0x01)。 uchar i。 Write_Com(0xc0)。 } 測量距離子程序 值得獲取和轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換方法與定時器分頻值有關(guān) : volatile uchar csb_flag = 0。 //從定時器寄存器中取值 temp = temp 。 Sent_Lcd(csb_data)。 第 24 頁 共 47 頁 } void Csb_Init(void) //超聲波初始化 { Lcd_Init()。 PORTD |= 0x01。 //地位寄存器 } 0x05 也就是說是 0101，也就是 1024 分頻，本設(shè)計選用的是 8MHz 內(nèi)部 RC 振蕩器作為時鐘源，而 1024 分頻后就是 8000000/1024=，每秒鐘震蕩 次數(shù)是 次，用 1/=，得出每震蕩一次花時間 秒，通過在啟動超聲波的時候給計時器的計時寄存器清零，然后接到返回信號的時候暫停定時器就能知道中間一共震蕩了多