【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 量的干電池給系統(tǒng)調(diào)試帶來(lái)很大的不便，因此，我們放棄了這種方案。 方案 2：采用 3 節(jié) 可充電式鋰電池串聯(lián)共 給直流電機(jī)供電，經(jīng)過 7812 的電壓變換后給支流電機(jī)供電，然后將 12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī) 系統(tǒng)和其他芯片供電。鋰電池的電量比較足，并且可以充電，重復(fù)利用，因此，這種方案可行。再說(shuō)實(shí)驗(yàn)室里已有鋰電池沒必要再花錢買干電池或蓄電池，能夠節(jié)省開支，因此，我們選擇了這種方案。 綜上考慮，我們選擇了方案 2。 穩(wěn)壓模塊 方案 1： 采用兩片 7812 將電壓穩(wěn)壓至 12V后給直流電機(jī)供電，然后采用一片 7809 將電壓穩(wěn)定至 9V，最后經(jīng) 7805 將電壓穩(wěn)至 5V，給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電，但 7809 和 7805 壓降過大，使 7809 和 7805 消耗的功率過大，導(dǎo)致 7809和 7805 發(fā)熱量過大，因此，我們放棄了這種方案。 方 案 2：采用兩片 7812 將電壓穩(wěn)壓至 12V后給直流電機(jī)供電，然后采用 2576將電壓穩(wěn)至 5V。 2576 的輸出電流最大可至 3A，完全滿足系統(tǒng)要求。 綜上考慮，我們選擇了方案 2。 尋跡傳感器模塊 方案 1：用光敏電阻組成光敏探測(cè)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(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時(shí)，阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。 但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。因此我們考慮其他 更加穩(wěn)定的方案。 方案 2：用 RPR220 型光電對(duì)管。 RPR220 是一種一體化反射型光電探測(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度，硅平面光電三極管。 RPR220 采用 DIP4 封裝，其具有如下特點(diǎn)：塑料透鏡可以提高靈敏度。 內(nèi)置可見光過濾器能減小離散光的影響。體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來(lái)時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光電對(duì)管調(diào)理電路簡(jiǎn)單，工作性能 穩(wěn)定。 方案 3：用 ST188 紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對(duì)管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面 后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測(cè)出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測(cè)出黑線繼而輸出高電平。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求，但有點(diǎn)受外界環(huán)境因素影響，但我們從實(shí)驗(yàn)室中已有的器件可以完全做出性能較穩(wěn)定的巡跡傳感器，既合理利用了實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的資源，又節(jié)省了我們做這個(gè)項(xiàng)目的開支。因此，我們選擇了這個(gè)值得我們?nèi)L試的方案。 綜上所述，我們選擇了方案 3。 電機(jī)模塊 本系統(tǒng)為智能電動(dòng)車，對(duì)于電動(dòng)車來(lái)說(shuō)，其驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇就顯得十分重要。由于本實(shí)驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑的準(zhǔn)確 定位和精確測(cè)量，我們綜合考慮了一下兩種方案。 方案 1：采用直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便。 但它存在著直流換向問題 ， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 維護(hù) 檢修 不方便 。 方案 2：采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。由于步進(jìn)電機(jī)具有定時(shí)定位且不受負(fù)載變化的影響，所以采用步進(jìn)電機(jī)能夠通過無(wú)線模塊裝置實(shí)現(xiàn)很好的控制。經(jīng)綜合比較考慮，我們選擇了此方案。 為了能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，因此我們最終選擇了方案 2。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 方 案 1：采用專用芯片 ULN2021 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。 ULN2021 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由七個(gè)硅 NPN 達(dá)林頓管組成。 它的 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá) 500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。 用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。所以有必要考慮這個(gè)方案。 方案 2：采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N。 298 內(nèi)部就是 8 個(gè)功率管加驅(qū)動(dòng)電路，使用起來(lái)電路簡(jiǎn)單，但驅(qū)動(dòng)電流只能達(dá)到 2A，要增加電流可用兩片并聯(lián)或選用類似的大電流的芯片，還有一點(diǎn)是電壓限制， 298 最高 電壓只能用到 40V， 低速時(shí)電機(jī)會(huì)振動(dòng)。 因此，我們放棄了這種方案。 方案 2：對(duì)于直流電機(jī)用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。由分立元件構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。 綜上所述，我們考慮選用了方案 1。 無(wú)線發(fā)射接收模塊 方案 1： PT2262 和 PT2272 無(wú)線模塊。 PT2262/PT2272 是一種 CMOS 工藝制造的低功耗低價(jià)位通用編解碼電路， PT2262/PT2272 最多可有 12 位(A0A11)三態(tài)地址端管腳 (懸空 ,接高電平 ,接低電平 ),任意組合可提 供531441 地址碼 ,PT2262 最多可有 6 位 (D0D5)數(shù)據(jù)端管腳 ,設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從 17 腳串行輸出，可用于無(wú)線遙控發(fā)射電路。 該無(wú)線模塊使用方便，編程簡(jiǎn)單實(shí)用，且遙控控制的范圍較遠(yuǎn)。因此可考慮此方案。 方案 2：其他無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，如 nRF40紅外線或藍(lán)牙模塊，由于其價(jià)格較昂貴，不利于調(diào)試，而且系統(tǒng)中不需傳輸大量的數(shù)據(jù)，因此我們放棄了此方案。 綜上所述，我們考慮選用了方案 1。 避障模塊 方案 1： 紅外傳感器。紅外避障傳感器（以下簡(jiǎn)稱紅外）。紅外具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管，發(fā) 射管發(fā)射一定頻率的紅外信號(hào)，接收管接收這種頻率的紅外信號(hào)，當(dāng)紅外的檢測(cè)方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外信號(hào)反射回來(lái)被接收管接收，經(jīng)過處理之后，通過數(shù)字傳感器接口返回到機(jī)器人主機(jī)，機(jī)器人即可利用紅外波的返回信號(hào)來(lái)識(shí)別周圍環(huán)境的變化。該傳感器對(duì)環(huán)境光線的適應(yīng)能力比較強(qiáng)。我認(rèn)為可考慮此方案。 方案 2：超聲波傳感器。 超聲波是一種一定頻率范圍的聲波。它具有在同種媒質(zhì)中以恒定速率傳播的特性 , 而在不同媒質(zhì)的界面處 ,會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象。但超聲波在應(yīng)用于避障方面由于存在盲區(qū)可能會(huì)使小車無(wú)法檢測(cè)到前面的障礙物，致使無(wú)法達(dá)到避障的 效果。因此，我們放棄了這種方案。 通過兩種方案的比較，紅外傳感器的性能較穩(wěn)定，我們選擇了方案 1。 最終方案 經(jīng)過反復(fù)論證，我們最終確定了如下方案： （ 1）車架用普通電路板手工制作。 （ 2）采用 51 單片機(jī)作為主控制器。 （ 3）用蓄鋰離子電池經(jīng) 7812 穩(wěn)壓后為直流電機(jī)供電，將 12V 電壓經(jīng) 2576降壓、穩(wěn)壓后為單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。 （ 4）用 ST188 光電傳感器進(jìn)行尋跡。 （ 5）采用紅外傳感器到達(dá)避障效果。 （ 6）專用驅(qū)動(dòng)芯片 ULN2021 作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。 （ 7） 運(yùn)用 PT2262 和 PT2272L4 對(duì)小車進(jìn)行無(wú)線控制。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示： 圖 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 二、硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計(jì) 微控制器模塊的設(shè)計(jì) 我們?cè)陂_發(fā)過程中使用 51 單片機(jī)，方便程序的調(diào)試和整機(jī)的測(cè)試，待系統(tǒng)調(diào)試完成后，將單片機(jī)從開發(fā)板上取下，安裝在小車系統(tǒng)板的單片機(jī)座中，由于本次設(shè)計(jì)要求中，小車需要完成的任務(wù)比較簡(jiǎn)單，因此我們只在小車系統(tǒng)板的單片機(jī)系統(tǒng)中保留了晶振和復(fù)位電路。 巡跡模塊電路的設(shè)計(jì) 我們?cè)O(shè)計(jì)并論證了 ST188 光電傳感器的檢測(cè)及調(diào)理電路，電路原理圖如下圖所示 ： 紅外光的發(fā)送接收選用型號(hào)為 ST188 的對(duì)管。當(dāng)小車在白色地面行駛時(shí)，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號(hào)，經(jīng)白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號(hào)，那么圖中光敏三極管將導(dǎo)通，比較器輸出為低電平；當(dāng)小車行駛到黑色引導(dǎo)線時(shí)，紅外線信號(hào)被黑色吸收后，光敏三極管截止，比較器輸出高主控芯片 51 單片機(jī) ULN2021 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 電壓比較器 光電傳感器 穩(wěn)壓電源 模塊 無(wú)線模塊 紅外傳感器 電平，從而實(shí)現(xiàn)了通過紅外線檢測(cè)信號(hào)的功能。將檢測(cè)到的信號(hào)送到單片機(jī) I/O口，當(dāng) I/O 口檢測(cè)到的信號(hào)為高電平時(shí)，表明紅外光被地上的黑色引導(dǎo)線吸收了，表明小車處在 黑色的引導(dǎo)線上；同理，當(dāng) I/O 口檢測(cè)到的信號(hào)為低電平時(shí)，表明小車行駛在白色地面上。 在小車具體的循跡行走過程中，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。這 4 個(gè)紅外探頭的具體位置如圖 2 所示。圖中循跡傳感器共安裝4 個(gè)，全部在一條直線上。其中 InfraredMR 與 InfraredML 為第一級(jí)方向控制傳感器， InfraredSR 與 InfraredSL 為第二級(jí)方向控制傳感器。小車行走時(shí)，始終保持黑線（如圖 2 中所示的 行走軌跡黑線）在 InfraredMR 和 InfraredML 這兩個(gè)第一級(jí)傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，第一級(jí)探測(cè)器一旦探測(cè)到有黑線，單片機(jī)就會(huì)按照預(yù)先編定的程序發(fā)送指令給小車的控 制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再對(duì)小車路徑予以糾正。若小車回到了軌道上，即 4 個(gè)探測(cè)器都只檢測(cè)到白紙，則小車會(huì)繼續(xù)行走；若小車由于慣性過大依舊偏離軌道，越出了第一級(jí)兩個(gè)探測(cè)器的探測(cè)范圍，這時(shí)第二級(jí)動(dòng)作，再次對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行糾正，使之回到正確軌道上去?？梢钥闯?，第二級(jí)方向探測(cè)器實(shí)際是第一級(jí)的后備保護(hù)，從而提高了小車循跡的可靠性。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè) 計(jì) 我們采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 ULN2021 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖 3 所示： 驅(qū)動(dòng)電路圖 圖 3 ULN2021 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列 ,由七個(gè)硅 NPN 達(dá)林頓管組成。 該電路的特點(diǎn)如下 : ULN2021 的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè) ,在 5V 的工作電壓下它能與 TTL 和 CMOS 電路 直接相連 ,可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器。 紅外具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射一定頻率 的紅外信號(hào)，接收管接收這種頻率的紅外信號(hào)，當(dāng)紅外的檢測(cè)方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外信號(hào)反射回來(lái)被接收管接收，經(jīng)過處理之后，通過數(shù)字傳感器接口返回到小車上的單片機(jī)的端口，機(jī)單片機(jī)即可利用紅外波的返回信號(hào)來(lái)識(shí)別周圍環(huán)境的變化，從而控制小車做出相應(yīng)的變向運(yùn)