【文章內(nèi)容簡介】 和 DAC2 中，進行 D/A 轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換的電流模擬信號分別從 AUD1 和 AUD2 輸出，輸入的數(shù)字量分別寫入 PDAC1 和 PDAC2單元。 超聲波測距模塊 1． 基本特性與參數(shù)指標 超聲波傳感器諧振頻率： 40KHz 模組傳感器工作電壓： 模組接口電壓： 自主移動機器人小 車設(shè)計 9 2． 主要功能 三種測距模式選擇跳線 J1（短距、中距、可調(diào)距）： 短距： 20cm100cm左右（根據(jù)被測物表面材料決定），精度 1cm； 中距： 70cm400cm左右（根據(jù)被測物表面材料決定）； 可調(diào)：范圍由可調(diào)節(jié)參數(shù)確定，當調(diào)節(jié)在合適的值時，最遠測距 700cm左右； 3． 結(jié)構(gòu)示意圖 圖 31 超聲波測距模組硬件框圖 圖 32 超聲波實物圖 一般應用時，只需要用兩條 10PIN排線把 J5與 SPCE061A的 IOB口低八位連接， J4與 IOB口高八位連接，同時設(shè)置好 J J2跳線就完成硬件的連接了。不同測距模式的選擇只需改變測距模式跳線 J1的連接方法即可。模組工作的性能與 被測物表面材料有很大關(guān)系，如毛料、布料對超聲波的反射率很小，會嚴重影響測量結(jié)果 自主移動機器人小 車設(shè)計 10 4． 超聲波測距原理 聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。當聲波受到尺寸大于其波長的目標物體阻擋時就會發(fā)生反射；反射波稱為回聲。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的，而且聲波從聲源到達目標然后返回聲源的時間可以測量得到，那么就可以計算出從聲波到目標的距離。這就是本系統(tǒng)的測量原理。這里聲波傳播的介質(zhì)為空氣，采用不可見的超聲波 ， 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波 接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 (s)，即： s=340t/2 超聲波測距模組的電路原理圖 圖 33 超聲波測距模組的主要電路原理圖 自主移動機器人小 車設(shè)計 11 整個電路可分為兩大部份，一部份是超聲波發(fā)射調(diào)理電路，另一部份是 超聲波回波接收處理電路。用于驅(qū)動超聲波傳感器的 40KHz 的方波由一片 NE555 搭成的多諧振蕩器生成，受控于控制器的 PLUS_EN 信號； 40KHz 的方波經(jīng) CD4049 調(diào)理后，成為振幅 18V 的方波，提高發(fā)射功率。 發(fā)射頭發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射后，反射到接收頭，而接收到的波形幅度非常小，所以在回波處理電路中，把接收到的波形放大了 5000 倍，用的是 NE5532搭成的兩級交流放大電路。經(jīng)放大后的波形送入， LM311 比較器；經(jīng)比較器調(diào)理后的波形成為方波，可送給 SPCE061A 的 EXT1 外部中斷。 在模塊電路的設(shè)計中一定要注意，超聲波發(fā)射頭和接收頭之間的干擾；一般壓電式的超聲波換能器都會存在余波的干擾，發(fā)射頭和接收頭間要有 5cm 的距離；而在 發(fā)射頭發(fā)射超聲波后的 3ms 內(nèi)，接收頭會一直接收到發(fā)射頭傳過來的非反射波，這是干擾波，在軟件處理的時候一定要注意清除掉此類的干擾。 超聲波電源接口 圖 34 超聲波電源接口 J3 為外部電源接口，最高電壓不要超過 12V， J2為電源選擇跳線， VCC_5 即為由 61 板通過 10PIN 的排線引入模組的電源， VCC 即為模組的放大器，調(diào)理電路的供電電源。當用戶使用 61 板為其供電時，要把 VCC 與 VCC_5 短接；而使用外部電源時，要把 VCC 與 VCC_5 短接。 超聲波測距模組與 61 板的接口如圖 35,36 所示： 自主移動機器人小 車設(shè)計 12 圖 35 超聲波測距模 組 接口 圖 36 超聲波與 61板進行 測距 連接實物圖 測距程序流程圖 超聲波測距的功能函數(shù)流程圖如圖 37。用戶只需進行六次測距操作，這六次的測量結(jié)果需要經(jīng)過處理后才可得到最終的測距返回值，然后將返回值化成距離。 L298N 電機驅(qū)動模塊 [4] L298N 是 SGS 公司的產(chǎn)品 ，內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個 H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準 TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動 46V、 2A以下的電機。 其實物及引腳圖如 圖 38及 39所示 自主移動機器人小 車設(shè)計 13 測 距 初 始 化鍵 盤 掃 描 初 始 化啟 動 測 距 鍵是 否 按 下 ？進 行 一 次 測 距測 距 結(jié) 果 播 報及 出 錯 處 理清 看 門 狗開 始YN 圖 37測距程序流程圖 圖 38 L298N實物圖 自主移動機器人小 車設(shè)計 14 圖 39 L298N管腳圖 L298N 主要特點 (1)工作電壓高，最高工作電壓可達 46V； (2)輸出電流大，瞬間峰值電流可達 3A，持續(xù)工 作電流為 2A；額定功率 25W。 (3)內(nèi)含兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載； (4)采用標準邏輯電平信號控 制； (5)具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作； (6)可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用 L298N 芯片驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機。 電機驅(qū)動模塊連接圖 [5] 小車 的兩個直流 電機和驅(qū)動模 塊 L298N 的連接如圖 310。 L298 有兩路電源分別為邏輯電源和動力電源，圖 310 中 6V 為邏輯電源， 12V 為動力電源。 J4接入邏輯電源， J6 接入動力電源， J1與 J2分別為單片機控制兩個電機的輸入端， J3與 J5 分別與兩個電極的正負極相連。 ENA 與 ENB 直接接入 6V 邏輯電源也就是說兩個電機時刻都工作在使能狀態(tài)，控制電機的運行狀態(tài)只有通過 J1與 J2兩個接口。輸入信號端IN1接高電平輸入端 IN2 接低電平， J3 連接的電機正轉(zhuǎn)。（如果信號端 IN1接低電平， IN2接高電平， J3連接的電機反轉(zhuǎn)）控制另一臺電機是同樣的 方式，輸入信號端 IN3自主移動機器人小 車設(shè)計 15 接高電平，輸入端 IN4接低電平， J5 連接的電機正轉(zhuǎn)。（反之則反轉(zhuǎn)）， PWM 信號端 A控制電機 1調(diào)速， PWM 信號端 B控制電機 2 調(diào)速。 圖 310電機驅(qū)動模塊連接圖 通過 對 驅(qū)動模塊的邏輯輸入端輸入不同的電平，其對應的 電機轉(zhuǎn)動狀態(tài)表如表31 表 31 電機轉(zhuǎn)動狀態(tài)表 左電機 右電機 左電機 右電機 小車運行狀態(tài) IN1 IN2 IN3 IN4 1 0 1 0 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 前行 1 0 0 1 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 左轉(zhuǎn) 1 0 1 1 正轉(zhuǎn) 停 以左電機為中心原地左轉(zhuǎn) 0 1 1 0 反轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn) 1 1 1 0 停 正轉(zhuǎn) 以右電機為中心原地右轉(zhuǎn) 0 1 0 1 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 后退 通過編寫相應驅(qū)動程序，用單片機的 IOA 口來控制驅(qū)動模塊， 進而控制小車的轉(zhuǎn)動狀態(tài)， 來完成小車的避障功能。 自主移動機器人小 車設(shè)計 16 4 軟件設(shè)計 軟件設(shè)計是實現(xiàn)小車智能運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵所在，相當于人類大腦思維活動，通過軟件設(shè)計可將各個變化信號數(shù)據(jù)有效的結(jié)合處理，產(chǎn)生相應的動作反應。 軟件調(diào)試平臺 軟件調(diào)試采用 μ’nSP?集成開發(fā)環(huán)境， μ’nSP?集成開發(fā)環(huán)境集程序的編輯，編譯，鏈接，調(diào)試以仿真等功能為一體。具有友好的交互界 面，下拉菜單，快捷鍵和快速訪問命令列表等，使編輯，調(diào)試工作方便且高效。此外。它的軟件仿真功能可以在不連接仿真板的情況下模擬硬件的各項功能來調(diào)試程序 。 IDE 的開發(fā)界面如圖 41 圖 41 μ’nSP? IDE的開發(fā)界面 對于超聲波測距模塊 的數(shù)據(jù)采集的變化，則可以通過集成開發(fā)環(huán)境在線觀察，其對應變量的數(shù)值在如圖 42的變量表 watch 窗口 圖 42變量表 Watch窗口界面 自主移動機器人小 車設(shè)計 17 程序設(shè)計流程圖 根據(jù)本設(shè)計的設(shè)計思路，機器人小車的 主要 程序設(shè)計 包括： 主 程序， 超聲波測距 程序，其程序設(shè)計流程圖如圖 43所示 初 始 化測 距是 否 有 障 礙倒 車左 轉(zhuǎn)前 進是否報 警比 較 距 離 是 否 2 0 c m 圖 43程序設(shè)計流程圖 自主移動機器人小 車設(shè)計 18 5 制作安裝與調(diào)試 硬件制作 由于 61板制板比較復雜且工藝要求較高，手工制板無法滿足要求則選擇了現(xiàn)成的 61 精簡開發(fā)板，車體源于廢舊的小車玩具進行改裝。此后將 61 板、車體、驅(qū)動電路板按照設(shè)計要求組裝，各 部分之間用自制杜邦線連接。確認組裝無誤則上電測試。61板的結(jié)構(gòu)圖及說明如圖： 圖 51 61板的結(jié)構(gòu)圖 表 51 61板 框圖說明 POWER 5vamp。3V供電電路 PLL 鎖向環(huán)外部電路 Power－電源指示燈 Sleep－睡眠指示燈 RESET 復位電路 K4 復位按鍵 PROBE 在線調(diào)試器串行 5pin接口 S5 EZPROBE和 PROBE切換的撥斷開關(guān) J1 J3 耳機插孔和兩 pin喇叭插針 DAC 一路音頻輸出電路， 采用 SPY0030集成音頻放大器 MIC 麥克風輸入電路 OSC 32768晶振電路 VREF A/D轉(zhuǎn)換外部參考電壓輸入接口 R/C 芯片其他外圍電阻、電容電路 K1~K3 擴展的按鍵：接 IOA0~IOA2 SPCE061A 61板核心： 16位微處理器 PORTA/B 32個 I/O口 自主移動機器人小 車設(shè)計 19 凌陽 61精簡開發(fā)板的實物圖如圖 52 所示 。 圖 52 61開 發(fā)板實物圖 系統(tǒng)調(diào)試 本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分：硬件調(diào)試，軟件調(diào)試和軟硬件調(diào)試。 由于在系統(tǒng)設(shè)計中采用模塊設(shè)計法，所以方便對各電路模塊功能進行逐級測試： 61 板 的 測 試 、電機驅(qū)動模塊 的調(diào)試 、超聲波測距模塊 的調(diào)試 。 最后將各模塊組合后結(jié)合軟件進行整體測試 。 硬件調(diào)試 (1) 61 板測試 第一步、連接電源，可以連接 3節(jié)電池，也可以直接接 5V的穩(wěn)壓源 現(xiàn)象：當電源接通時，紅色的發(fā)光二極管會點亮。同時會有語音提示： 歡迎進入自檢模式 ，此時因為還沒有連線，所以會聽到： I/O 測試失敗 的警告，所以 就要進行第二步的操作； 第二步、用連線分別將 I/OA 口的低 8 位和 IOB 口的低 8 位相連， IOA 口的高 8自主移動機器人小 車設(shè)計 20 位和 IOB 口的高 8位相連，然后按下 REST 復位鍵 現(xiàn)象：當按下復位鍵后，程序從第一調(diào)開始運行開始執(zhí)行，語音提示 歡迎進入自檢模式 ，當聽到語音： I/O 測試成功 后，進行第三步操作； 第三步、按 K1 鍵進行睡眠功能測試 現(xiàn)象：如果測試成功，會看到綠色的發(fā)光二極管亮滅一下，并有語音提示 睡眠測試成功 ，否則提示 睡眠測試失敗 ，然后進行第四步操作； 第四步、按下 K2鍵進行 A/D 轉(zhuǎn)換 的測試 現(xiàn)象：語音提示： A/D 測試成功 ，否則提示 A//D 測試失敗 ，進入最后一步操作； 第五步、拔掉第一步測試時的連接線，并按下 K3鍵測試 MIC 輸入及 D/A 轉(zhuǎn)換輸出是否正常 現(xiàn)象：可以在 MIC上輕輕的拍幾下，同時聽是否有聲音輸出，如果有，則說明MIC輸入和 D/A 轉(zhuǎn)換輸出部分正常。 以上操作，只有當 I/O測試成功時，按鍵才會有效 經(jīng)過上述檢驗，各個部分工作都是正常的。 (2)超聲波測距模塊 調(diào)試 對于超聲波測距模塊的調(diào)試是結(jié)合軟件共同實現(xiàn)，將編寫好的超聲波測距程序下載到 61板中， 同時在線用 μ’nSP?集成開發(fā)環(huán)境 進行測量結(jié)果的觀測。 期望實現(xiàn)的功能是， Back_data 顯示測得的距離，如果測 量出錯則 Back_data 為 0，則喇叭發(fā)出“咚”的聲音， 測量正確，則 Back_data 顯示測的距離，同時喇叭語音播報距離 ，播報的格式為“ ..點 ..米”。如表 52 是超聲波調(diào)試記錄。 表 52 超聲波調(diào)試記錄 測試次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 放置距離 20cm 25cm 40cm 45cm 55cm 65cm 70cm 80cm 90cm 100cm Back_dat值 0 35 65535 48 351 0 65535 655 92 0 由上表可以看出，超聲波測距模塊工作不正常， 10 次測量中僅有兩次正確，出現(xiàn)了問題，我首先檢查測距程序，經(jīng)過反復的修改，程序確定無誤。那就是硬件的問題了，由于超聲波測距模塊是買的成品，我研究