【正文】 ab系列的 10臺(tái)自主車（ Navlab1— Navlab10）的研究，取得了顯著的成就。其中包括研究使用遠(yuǎn)程、 無(wú)人的方法來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，如機(jī)器人、遠(yuǎn)程監(jiān)控等。靈活應(yīng)用機(jī)電等相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí)，聯(lián)系實(shí)際電路設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)方法，達(dá)到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。 系統(tǒng) 總體框圖 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 ， 小車 系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)模塊 : 單片機(jī)控制模塊 、 軌跡檢測(cè)模塊 、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 。角度傳感器靈敏度合適，響應(yīng)速度好，但使用復(fù)雜，價(jià)格高昂，且不易購(gòu)買(mǎi)。但是也存在著許多不足。電壓比較器的功能是比較兩個(gè)電壓的大小，例如將一個(gè)信號(hào)電壓 Ui和一個(gè)參考電壓 Ur進(jìn)行比較，在 UiUr和 UiUr兩種不同情況下，電壓比較器輸出兩個(gè)不同的電平，即高電平和低電平。由于比較器的輸入信號(hào)是模擬量，而它的輸出電平是離散的，因此電壓比較器可作為模擬電路與數(shù)字電路之間的過(guò)渡電路。 ③ 如果選用集成運(yùn)放構(gòu)成比較器，為了提高響應(yīng)速度可以加限幅措施，以避 免集成運(yùn)放內(nèi)部的管子進(jìn)入深飽和區(qū)。所以抗干擾能力強(qiáng)。本重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 7 系統(tǒng)只需要完成信 號(hào)檢測(cè)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制，邏輯功能簡(jiǎn)單，對(duì)控制器的數(shù)據(jù)處理能力要求不高，所以不選擇此方案。 綜上分析，本設(shè)計(jì)使用方案三。轉(zhuǎn)向和動(dòng)力結(jié)合的電動(dòng)小車是使用兩個(gè)獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)各自帶動(dòng)一個(gè)輪胎位于兩側(cè)，通過(guò)兩個(gè)輪胎速度的改變實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向。 方案二：采用步進(jìn)電機(jī)。 旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變流，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。它的另一個(gè)缺 點(diǎn)是運(yùn)行條件要求高，維護(hù)運(yùn)行麻煩。 與 VM系統(tǒng)相比， PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)： 1) 由于 PWM調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動(dòng)很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá) 1： 10000左右。 其 性能可靠，具有自動(dòng)保護(hù)功能， 但是它們都屬于不可逆變速控制 ， 其電流不能反向 ， 無(wú)制動(dòng)能力 ， 也不能反向 驅(qū)動(dòng) ， 電機(jī)只能單方向旋轉(zhuǎn) ， 因此這種驅(qū)動(dòng)電路受到了很大的限制。 方案二：用電池串聯(lián) 68V電壓，接后續(xù)穩(wěn)壓電路，單片機(jī)與大電流器件分開(kāi)供電，避免大電流器件對(duì)單片機(jī)造成干擾 。 系統(tǒng)上電后， 單片機(jī) 開(kāi)始不停地掃描與 檢測(cè)電路 連接的 I/O 口 狀態(tài) 。 3) 前向通道模塊 ，包括傳感器電路和放大電路。同時(shí) LM2940 價(jià)格適中而且較容易購(gòu)買(mǎi)，非常適合在本設(shè)計(jì)中使用。由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。電容值無(wú)嚴(yán)格要求， CX CX2可在 20pF到 100pF之間取值。只要 VCC的上升時(shí)間不超過(guò) 1ms， 就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。時(shí)鐘頻率選用 6MHZ時(shí)， C取 22uF，Rs取 200Ω， RK取 1KΩ。因此，前向通道設(shè)計(jì)與被測(cè)對(duì) 象的狀態(tài)、特征、所處環(huán)境密切相關(guān)。同時(shí)使這些測(cè)量信號(hào)能滿足計(jì)算機(jī)輸入接口的電平要求。 2) 前向通道的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用 ST188紅外傳感器作為探測(cè) 行車路徑的檢測(cè)元件。當(dāng)紅外 線傳感器在白色物體上時(shí)，白色物體吸收的紅外線少，反射的紅外線少，紅外線接收器導(dǎo)通，輸出信號(hào)為 0。其中 X1與 Y1為第一級(jí)方向控制傳感器，X2與 Y2為第二級(jí)方向控制傳感器，并且黑線同一邊的兩個(gè)傳感器之間的寬度不得大于黑線的寬度。 對(duì)于圖 （ b）所示的遲滯比較器電路，上、下參考電壓可由以下兩個(gè)公式確定： 根據(jù)實(shí)際 +V=+5V且光電傳感器輸出最大會(huì)有 ，故 的范圍可設(shè)定為 +～ +，由此可估算 321 RRR 、 的阻值約為：?????? RRR 、 在本設(shè)計(jì)中選用 放大 器 LM324[12]，其簡(jiǎn)介如下： LM324為四運(yùn)放集成電路，采用 14腳雙列直插塑料封裝。 — 177?？刂茖?duì)象多為大功率伺 服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，電磁、機(jī)械干擾較為嚴(yán)重。主要防治 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)通道﹑電源以及空間電磁場(chǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的干擾。 如圖 所示， H 橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括 4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。 重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 22 圖 所示為另一對(duì)三極管 Q2 和 Q3 導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)。而 2個(gè)非門(mén)通過(guò)提供一種方向輸人，可以保證任何時(shí)候在 H 橋的同側(cè)腿上都只有一個(gè)三極管能導(dǎo)通。 P 2 . 5P 2 . 4P 2 . 3P 2 . 2P 2 . 1P 2 . 0I N15I N27E N A6O UT 12O UT 23E N B11O UT 313O UT 414I N310I N412S E N S A1S E N S B15G ND8VS4V C C9 U2L 2 9 8左輪右輪+ 6 V重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 25 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 ，單片機(jī)需要通過(guò)查詢與檢測(cè)電路相接的 I/O口狀態(tài)，以判斷行車軌跡狀況，然后通過(guò)不同占空比的 PWM波，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。 對(duì)于 PWM波的產(chǎn)生不同的單片機(jī)雖然有不同的方式但是大致的原理是一樣的，對(duì)于 51單片機(jī)由于沒(méi)有自帶 PWM波產(chǎn)生的寄存器因此需要通過(guò)軟件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。速度等級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)周期的高電平脈沖的個(gè)數(shù)。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。第二級(jí)通常是在超出第一級(jí)的控制范圍的情況下發(fā)生作用，它也是最后一層保護(hù)，所以它必須要保證小車回到正確軌跡上來(lái)，則通常使第二級(jí)轉(zhuǎn)向力度大于第一級(jí)，即 Turn_left2 Turn_left1， Turn_right2 Turn_right1 (其中Turn_left2， Turn_left1， Turn_right2 ， Turn_right1為小車轉(zhuǎn)向力度，其大小通過(guò)改變單片機(jī)輸出的占空比的大小來(lái)改變 )，具體數(shù)值在實(shí)地實(shí)驗(yàn)中得到。i75。 t++。 } void turn_left1( ) { zkb1=5。 } 重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 32 4) 主程序。IN3=0。軟件 仿真可以隨意修改源程序。 Proteus 軟件仿真結(jié)果 利用 Proteus軟件仿 真 設(shè)計(jì)。 while(1) { IN1=1。 } void turn_right2( ) { zkb1=60。 void qianjin( ) { zkb1=30。 if(tzkb2) ENB=1。 void delay_1ms(uint d) { uint i。在經(jīng)過(guò)了方向調(diào)整后，小車再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測(cè)黑線重復(fù)上述動(dòng)作。精確地講 ， 平均速度與占空比并不是嚴(yán)格的線性關(guān)重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 27 系 ， 在一般的應(yīng)用中 ， 可以將其近似地看成線性關(guān)系。定時(shí)計(jì)數(shù)器若干時(shí)間（比如 ）中斷一次 ， 就使 。也就是說(shuō)用單片機(jī)產(chǎn)生一定周期的方波，而且方波中高電平的時(shí)間可以已自己調(diào)整，這就是 PWM 波。 E NA B L EIN1IN2Q3NP NQ4NP NU1A N DU2A N DU3A N DU4A N DU5NO TU6NO TQ1NP NQ2NP N+ V SR S A重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 24 圖 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路圖 在驅(qū)動(dòng)電路中，主要利用單片機(jī) PWM波形控制 電機(jī)轉(zhuǎn)速。 圖 所示就是基于這種考慮的改進(jìn)電路，它在基本 H 橋電路的基礎(chǔ)上增加了 4 個(gè)與門(mén)和 2個(gè)非門(mén)。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 H 橋驅(qū)動(dòng)電路是較為常見(jiàn)的一種，圖 所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。將單片機(jī)輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，以滿足伺服驅(qū)動(dòng)的功率要求。輸出伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制信號(hào)，而伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的狀態(tài)反饋信號(hào)通常是作為檢測(cè)信號(hào)輸入前向通道。在電路中， LM324的一個(gè)輸入端需接滑動(dòng)變阻器，通過(guò)改變滑動(dòng)變阻器的阻值來(lái)提供合適的比較電壓。 重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 18 圖 遲滯比較器 如果用遲滯比較器處理圖 (a)所示的輸入信號(hào) Vin ，當(dāng) Vin 上升超過(guò)上參考電壓 VHREF )(時(shí) ， 遲滯比較器跳變（ A點(diǎn)）：當(dāng) Vin 下降小于下參考電壓V LREF )( 時(shí) ， 遲滯比較器才再次跳變（ C點(diǎn)）。 圖 ST188實(shí)物圖 ③ 光電特性 如表 31：（ Ta=25℃ ） 表 31： ST188光電特性（ Ta=25℃ ） 項(xiàng)目 符號(hào) 測(cè)試條件 最小 典型 最大 單位 輸入 正向壓降 VF IF=20mA V 反向電流 IR VR=3V 10 uA 輸出 集電極暗電流 Iceo Vce=20V 1 uA 集電極亮電流 IL Vce=15V IF=8mA L3 mA L4 mA L5 mA 飽和壓降 Vce IF=8mA， Ic= V 傳輸特性 響應(yīng)時(shí)間 Tr IF=200mA， Vce=5V Rc=100Ω 10 us Tf 10 us 紅外線 紅外線接收器發(fā)射器V C CR21 5 KR12 2 0G N D輸出信號(hào)重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 17 左 X 2 左 X 1 右 Y 1 右 Y 2 右輪 左輪 4) 傳感器的安裝 在小車具體的循跡行走過(guò)程中，為了能精確測(cè)定黑線位置并確定小車行走的方向，需要同時(shí)在底盤(pán)裝設(shè) 4個(gè)紅外探測(cè)頭，進(jìn)行兩級(jí)方向 糾正控制，提高其循跡的可靠性。當(dāng)紅外線接收器導(dǎo)通時(shí)，輸出信號(hào)為 0；反之則為 1。 并不是所有單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)都有前向通道，例如時(shí)序控制系統(tǒng)，只根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的時(shí)間序列來(lái)控制外部的運(yùn)行狀態(tài)；分布式測(cè)控系統(tǒng)中的智能控制總站完成上級(jí)主計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)、控子站計(jì)算機(jī)之間的指令、數(shù)據(jù)傳送。因此，在前向通道中，傳感器、敏感元件及其相關(guān)電路占有RS TRKC23 0 pCRS重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 15 重要地位。但是 MCS51不會(huì)把程序的執(zhí)行從程序存儲(chǔ)器地址空間轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間，它不提供這種轉(zhuǎn)移指令 [5]。其中電平復(fù)位是通過(guò) RST端經(jīng)電阻與電源 Vcc接通而實(shí)現(xiàn)的。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。本設(shè)計(jì)采用最常用的內(nèi)部時(shí)重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 13 鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) AT89C51是片內(nèi)有 ROM/EPROM的單片機(jī)，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠。 2. 單片機(jī)必須與大電流器件分開(kāi)供電，避免大電流器件對(duì)單片機(jī)造成干擾，影響單片機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。 圖 系統(tǒng)原理圖重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 11 根據(jù)各 模塊 方案 選擇 結(jié)果 ，本次設(shè)計(jì)所涉及到的硬件部分主要包括： 1) 電源模塊 ， 電源采用干電池接后續(xù)穩(wěn)壓電路為各模塊獨(dú)立供電。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)， ， 輸出低電平，綠燈熄滅，紅燈亮，電機(jī)停轉(zhuǎn)，系統(tǒng)須復(fù)位后才能正常運(yùn)行。 綜上分析，本設(shè)計(jì) 選擇方案二 。 綜上，考慮到本設(shè)計(jì)重在尋跡，且 PWM波可由軟件直接實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單方便，因此本設(shè)計(jì)選擇方案三 。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，即通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)進(jìn)行直流調(diào)速。它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。若車輪直徑為 6cm，則小車的最大速度可以達(dá)到smvrV /??????? ? 能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求。可用變速齒輪改變其速度來(lái)達(dá)到本系統(tǒng)要求。由主控制器分別進(jìn)行控制，器件和控制程序較多。價(jià)格便宜，使用方便。 MCU 控制模塊 方案一：采用 FPGA作為系統(tǒng)的主控制器。而滯回比較器則解決了這個(gè)問(wèn)題。 減小比較 器響應(yīng)時(shí)間的主要方法有 ： ① 盡可能使輸入信號(hào)接近理想情況，使它在閾值附近的變化接近理想階躍 重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 6 且幅度足夠大。 2)非線性 由于比較器中運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)或正 反饋狀態(tài)，它的兩個(gè)輸入端之間的電位差與開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)的乘積通常超過(guò)最大輸出電壓，使其內(nèi)部某些管子進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)，因此在絕大多數(shù)情況下輸出與輸入不成線性關(guān)系，即在放大、運(yùn)算等電路中常用的計(jì)算方法對(duì)于比較器不再適用。但在實(shí)際操作中，往往滿足了高共模抑制比的要求，卻使運(yùn)算放大器輸出飽和；重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 5 為獲得單片機(jī)能識(shí)別的 TTL電平