【文章內容簡介】 法比 異步電 動 機簡單 ，只需給電機兩條控制線 加上 適當?shù)碾妷?就能使 電機 旋轉， 在正常工作電壓范圍，電壓越高直流 電機轉速越高。直流電動機調速 方法分為兩種：一種是 直接 調整電壓， 另一種 通過PWM 調速。 PWM 調速就是使加在直流電機兩端的電壓 波形 為 矩形波 ， 改變 矩形波 的占空比 就能 實現(xiàn) 電壓的改變，從而實現(xiàn) 電機轉速 的改變 。 (5)電源 模塊 ：由三 個 串聯(lián) 干電池作為電源 。 通過 7805 穩(wěn)壓芯片穩(wěn) 壓，通過 和 470μF電容進行濾波。 整體控制方案 確定 圖 為 循跡 小車的系統(tǒng)控制框圖 。 引導線是小車跟蹤的目標， 檢測系統(tǒng)檢測車的相對路徑 ， 然后 將此信息輸入到單片機，單片機 處理 此信息后 ， 將控制命令輸出到 驅動模塊 ，以控制小車的 直流電機 ，保證小車快速平穩(wěn)地沿預先設定好的路線行駛 。 圖 循跡 小車 系統(tǒng)控制框圖 采用 3 個 可充電池組 作為主電源。 STC89C52 單片機作為主控制器。 因為小車電機內部裝有減速齒輪組 ， 所以 不需考慮調速功能，采用電機驅動芯片 L298N 控驅動模塊和直流電機 光電 循跡 傳感器 單片機 黑色 引導線 沈陽理工大學 7 制 直流 電機， 而不使用步進電機。 L298N 是利用 TTL電平進行控制，通過改變芯片控制端的輸入電平，即可以對電機進行正轉、反轉和停止操作，亦能滿足直流減速電機的要求，用該芯片作為電機驅動具有的操作方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。 這樣單片機和循跡傳感器組成了一個帶有反饋信號的系統(tǒng)。 沈陽理工大學 8 3 系統(tǒng)的硬件設計 單片機電路的設計 一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計包含兩部分內容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內部的功能單元，如 ROM、 RAM、 I/O、定時器 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒?，設計相應的電路；二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如鍵盤、顯示器、 A/D、 D/A 轉換器等。 單片機的功能特性描述 單片機又稱單片微控制器 ,它不是完成某一個邏輯功能的芯片 ,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片 上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜。單片機內部也有和電腦功能類似的模塊，比如 CPU，內存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲器件。 單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器 /計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、 A/D 轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。 本課題選擇了 STC 公司的生產的 STC89C52 單片機。 STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，是帶 8K 字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲器。一個芯片上擁有 8 位 CPU，并且在系統(tǒng)可編程 Flash。 STC89C52 提供給為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)高靈活、超有效的解決方案。 STC89C52 具有以下標準功能 :8k 字節(jié) Flash， 512 字節(jié)RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器，內置 4KB EEPROM， 兩 個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結構，全雙工串行口。此外，空閑模式下， 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 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 表 STC89C52 單片機和 AT89S52 單片機的對比 STC89C52單片機 AT89S52 單片機 序存儲空間 8K 字節(jié) 8K 字節(jié) 數(shù)據(jù)存儲空間 512 字節(jié) 256 字節(jié) EEPROM 存儲空間 內帶 4K 字節(jié) 無 是否可以直接使用串口下載 可以 不可以 沈陽理工大學 9 晶振電路 在 STC89S52 單片機 上 內部有一個用于構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。時鐘可以由內部方式產生或外部方式產生。在 1 和 XTAL2 引腳上外接定時元件，內部振蕩器就產生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。 從 XTAL1 接入，如圖 所示。由于外部時鐘信號經(jīng)過二分頻觸發(fā)后作為外部時鐘電路輸入的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有要求 。 本設計選用的是 12MHZ無源晶振、 2 個 22pF 電容，使得一個機器周期是 1μs。 晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號，而 兩個電容則是 起到并聯(lián) 諧振 的作用 ， 如果沒電容，振蕩 電路 會因為沒有回路而停振， 電路不能正常工作 。 圖 單片機晶振電路圖 復位電路 復位電路的作用 是 在上電或復位過程中，控制 CPU的復位狀態(tài)：這段時間內讓 CPU保持復位狀態(tài)，而不是一上電或剛復位完畢就工作，防止 CPU 發(fā)出錯誤的指令、執(zhí)行錯誤操作，也可以提高電磁兼容性能。 89 系列單片機的復位信號是從 RST 引腳輸入到芯片內的施密特觸發(fā)器中的。 施密特觸發(fā)電路是一種波形整形電路，當任何波形的信號進入電路時，輸出在正、負飽和之間跳動，產生方波或脈波輸出。不同于比較器，施密特觸發(fā)電路有兩個臨界電壓且形成一個滯后區(qū)，可以防止在滯后范圍內之噪聲干擾電路的正常工作。如遙控接收線路，傳感器輸入電路都會用到它整形。 當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果 RST 引腳上有一個高電平并維持 2 個機器周期 (24 個振蕩周期 )以上，則 CPU就可以響應并將系統(tǒng)復位。 本設計采用的電容值為 10μF 的電容和電阻 采用 和 200Ω 的電阻 。如圖 沈陽理工大學 10 所示上電后，由于電容充電，使 RST 持續(xù)一段高電平時間。當單片機已在運行之中時，按下復位鍵也能使 RST 持續(xù)一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電且開關復位的操作 [6] [7]。 圖 單片機復位電路圖 光電傳感器模塊 循跡 光電傳感器原理， 就是 利用 黑線 對紅外線不同的反射能力通過光敏二極管或光敏三極管，接收反射回的不同光強信號，把不同光強轉換為電流信號，最后通過電阻，轉換為單片機可識別的高低電平。光電傳感器實現(xiàn) 循跡 的基本電路如 所示。 圖 循跡 傳感器電路圖 循跡傳感器 工作原理 ： TC 端是傳感器工作控制端，為高電平時，發(fā)光二極管不工作，傳感器休眠，為低電平時，傳感器啟動。 Signal 端為檢測信號輸出，當遇到黑線，沈陽理工大學 11 黑線吸收大量的紅外線，反射的紅外線很弱，光敏三極管不導通， Signal 輸出高電平 ；當遇到 白線 ，與黑線相反，反射的紅外線很強，使光敏三極管導通， Signal 輸出低電平。 這種探測方法，即利用紅外線在不同顏色的表面特征，具有不同的反射性能，汽車行駛過程中接收地面的紅外光。當紅外光遇到白色路線，地板發(fā)生漫反射，安裝在小型車的反射光接收器接收；如果是遇到黑色路線，紅外光將被黑線吸收，安裝在小車上的接收管沒有收到紅外光。控制器會根據(jù)是否收到反射的紅外光為判斷依據(jù)來確定的黑線的位置和小車的路線。紅外探測器距離通常是不應超過 15 厘米的。紅外發(fā)射和接收紅外線感應器，可以使自己或直接使用集成 紅外探頭。 調整左右傳感器之間的距離，兩探頭距離約等于 黑線 寬度最合適， 選擇 寬度 為 3 – 5 厘米 的黑線 。該傳感器的靈敏度是可調的，傳感器 有時 遇到 黑線 卻不能送出相應的信號，通過調節(jié)傳感器上的可調電阻，適當?shù)脑龃蠡驕p小 可改變 靈敏度。另外， 循跡 傳感器的 放置 也 是 有講究的，有兩種方法，一種是兩個都是放置在 黑線 內側緊貼 黑線 邊緣，第二種是都放置在 黑線 的外側，同樣緊貼 黑線 邊緣。 本設計 采用第二種方法。 單片機燒錄程序后 ， 就可以執(zhí)行循跡指令了 。 如果 小車 向前行駛時 向左偏離了 黑線 ，那么右邊傳感器會產生一個 高 電平，單片機判斷這個信號，然 后向右拐回到 黑線 。兩傳感器輸出信號為 低 電平 時， 小車前進。如果小車向右偏離 黑線 ，左邊傳感器產生一個 高電平，單片機判斷這個信號，然后向左拐。 這樣， 小車 一定 不 會 偏離 黑線 。若兩 個 光電傳感器同時輸出的信號為高電平，即單片機判斷的都為高電平 時 ，小車向前直走 。 傳感器分布 傳感器通過信號采集，向單片機提供信息。因此傳感器合理的布局很重要，傳感器布局需要考慮小車行駛過程中信息檢測的準確度和前瞻性，能使在相同數(shù)量的傳感器下，獲得更多的數(shù)據(jù)。傳感器的布局一般有以下三種：一字型布局， M 型布局和活動型布局。 一字型布局 即所有傳感器在同一直線上。一字型布局分為等距排布型和非等距排布型。等距排布型不利于采集準確的彎道信息?？紤]到弧度信息采集的連貫性，非等距排布采用等角原則，即在垂直平分線上方處某點，以等角的引射線與直線的交點就是傳感器的分布點，此種方法檢測連貫簡單，更容易控制小車。 M型布局即傳感器的布局成 M型， M 型布局最適合檢測多彎道的軌跡。由于傳感器不在同一直線上，故小車轉彎時，左右兩邊后部的傳感器有較大的采樣空間，兩邊前端的傳感器則對采集的信號有更好的前瞻性， M 型中間底部的傳感器擇更好的確定小沈陽理工大學 12 車的位置。整個布局有利于在彎道處提高小車速度。但相對一字型布局， M 型布局容易產生不穩(wěn)定信號，從而產生信號震蕩，影響小車行駛的穩(wěn)定性。 活動型布局采用矩陣模式，將傳感器排布成矩陣形狀，通過對不同位置傳感器采集到信息的選擇來適應各種不同的跑道。這樣對不同路況有更強的適應性。 此種方案可調性大，但 此種方法需要較多傳感器，冗余較大，比較笨重，增加小車的重量，不利于小 車的加減速。 最終決定采用 M型布局 方法來對 4 個傳感器進行布局，這種 布局 方法 的前瞻性最好 。 電機驅動電路 本設計采用 L298N 電機專用驅動芯片帶動兩個 12V的直流電動機。 直流電機由 定子和轉子 兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為 定子 ，定子的主要作用是產生 磁場 ，由機座、主 磁極 、換向極、端蓋、軸承和 電刷 裝置等組成。運行時轉動的部分稱為 轉子 ，其主要作用是產生 電磁轉矩 和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，通常又稱為 電樞 ，由轉軸、電樞鐵心、 電樞繞組 、 換向器 等組成。 其中 L298N 是 ST 公司的產品，比較常見的是 15 腳 Multiwatt 封裝的 L298N，內部包含 4 通道邏輯驅動電路。可以驅動兩個直流電機 或 驅動兩個二相電機，也可 單 獨 驅動一個四相電機，輸出電壓最高可達 50V。直接通過電源來調節(jié)輸出電壓，直接通過 單片機的 IO 端口提供信號，使得電路簡單，使用更 方便。 L298N 可接受標準 的 TTL邏輯電平信號 VSS， VSS 通常 接 ~7V的 電壓。 4 腳 VS 接 電壓 源 ， VS 可接 電壓范圍 VIH 為~46V。 L298N 芯片 輸出電流可達 A，可驅動電感 負載。 L298N 是一個內部有 兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅動芯片 ，可以用來驅動直流電動機 、 步進電動機 。使用 標準邏輯電平信號控制， 直接連接 單片機管腳 ， 具有兩個使能控制端， 使能端 在不受輸入信號影響 的情況下 不允許器件工作。 L298N 有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作。 沈陽理工大學 13 L298N 引腳結構 圖 L298N 驅動芯片 表 L298N 引腳編號與功能 引腳編號 名稱 功能 1 電流傳感器 A 在該引腳和地之間接小阻值電阻可用來檢測電流 2 輸出引腳 1 內置驅動器 A的輸出端 1，接至電機 A 3 輸出引腳 2 內置驅動器 A的輸出端 2，接至電機 A 4 電機電源端 電機供電輸入端 ,電壓可達 46V 5 輸入引腳 1 內置驅動器 A的邏輯控制輸入端 1 6 使能端 A 內置驅動器 A的使能端 7 輸入引腳 2 內置驅動器 A的邏輯控制輸入端 2 8 邏輯地 邏輯地 9 邏輯電源端 邏輯控制電路的電源輸入端為 5V 10 輸入引腳 3 內置驅動器 B 的邏輯控制輸入端 1 11 使能端 B 內置驅動器 B 的使能端 12 輸入引腳 4 內置驅動器 B 的邏輯控制輸入端 2 13 輸出引腳 3 內置驅動器 B 的輸出端 1，接至電機 B 14 輸出引腳 4 內置驅動器 B 的輸出端 2，接至電機 B 15 電流傳感器 B 在該引腳和地