【文章內(nèi)容簡介】 中受控電機(jī)的容量和直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向，本設(shè)計(jì)采用PWM波進(jìn)行調(diào)速。PWM的產(chǎn)生可通過單片機(jī)中的定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)，但是驅(qū)動(dòng)能力有限，因此PWM的輸出需通過驅(qū)動(dòng)電路才能驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。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)，簡單方便，因此本設(shè)計(jì)選擇方案三。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案一：在直流電機(jī)中，可用功率管構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如GTR集電極輸出型和射極輸出性驅(qū)動(dòng)電路。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：采用集成芯片L298N驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。L298N是一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；具有兩個(gè)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(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；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(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺直流電機(jī)。綜上分析，本設(shè)計(jì)選擇方案二。 電源模塊方案一：利用電池組構(gòu)成5V電源，直接給系統(tǒng)各部件供電，此電路結(jié)構(gòu)簡單成本低，但穩(wěn)定性不好，電機(jī)工作時(shí)易產(chǎn)生較大干擾電流竄入控制系統(tǒng)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。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)與大電流器件分重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì)10AT89C51LN289N 直流電機(jī)晶振 復(fù)位ST188 放大電路電源開供電，避免大電流器件對單片機(jī)造成干擾。在不超過單片機(jī)工作電壓范圍的情況下，又能驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。且這個(gè)電源結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，容易得到。綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇方案二。 顯示模塊本系統(tǒng)采用兩個(gè)顏色不同的的LED燈來顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，，綠色LED燈亮，紅燈熄滅，電機(jī)正常運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，，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。 系統(tǒng)工作原理本次設(shè)計(jì)利用ST188紅外傳感器作為路經(jīng)檢測元件，由于傳感器輸出信號微弱且?guī)в性胍舾蓴_，因此傳感器輸出接放大電路（施密特觸發(fā)器）進(jìn)行濾波整形，將傳感器信號轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的高低電平以供單片機(jī)查詢。系統(tǒng)上電后，單片機(jī)開始不停地掃描與檢測電路連接的I/O 口狀態(tài)。一旦檢測到某個(gè)I/O 口有信號變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，并通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)LN298N驅(qū)動(dòng)左、右電機(jī)。在驅(qū)動(dòng)過程中，單片機(jī)采用T0定時(shí)計(jì)數(shù)器，通過來產(chǎn)生PWM波，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)左右電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)則小車直走，若不同則實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。小車轉(zhuǎn)向主要通過兩不同占空比的PWM波通過驅(qū)動(dòng)電路來控制左右輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由于占空比不同因此兩輪轉(zhuǎn)速不同，左輪快則向右轉(zhuǎn)反之則左轉(zhuǎn)從而糾正小車的狀態(tài)，使之回到預(yù)設(shè)軌道上。 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。2) 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊，使單片機(jī)能正常工作。3) 前向通道模塊，包括傳感器電路和放大電路。4) 后向通道模塊，利用單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)芯片L298N驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。 電源模塊設(shè)計(jì) 智能車電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)由于電機(jī)在正常工作時(shí)對電源的干擾很大， 只用一組電源時(shí)會(huì)影響單片機(jī)的正常工作， 所以選用雙電源供電。一組5V 電源給單片機(jī)和控制電路供電， 另外一組5V、9V 電源給L298N 的+VSS、+VS供電。電源是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提，因此必須有一個(gè)合理的電源設(shè)計(jì)，且應(yīng)該主要注意穩(wěn)壓壓差和最大輸出電流兩個(gè)指標(biāo)能否滿足設(shè)計(jì)要求。對于小車來說電源設(shè)計(jì)應(yīng)注意兩點(diǎn)：1. 與一般的穩(wěn)壓電源不同，小車的電池電壓一般在68V ，還要考慮在電池?fù)p耗的情況下電壓的降低，因此常用的78系列穩(wěn)壓芯片不再能夠滿足要求，因此必須采用低壓差的穩(wěn)壓芯片， 為核心器件。2. 單片機(jī)必須與大電流器件分開供電，避免大電流器件對單片機(jī)造成干擾，影響單片機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。 低壓差穩(wěn)壓芯片 LM2940 簡介LM2940 系列是輸出電壓固定的低壓差三端端穩(wěn)壓器；輸出電壓有5V、8V、10V 多種；最大輸出電流1A；輸出電流1A 時(shí)，最小輸入輸出電壓差??；最大輸入電壓26V；工作溫度40～+125℃；內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過熱保護(hù)、電池反接和反插入保護(hù)電路。同時(shí)LM2940 價(jià)格適中而且較容易購買，非常適合在本設(shè)計(jì)中使用。 所示。重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì)12 LM2940 封裝和實(shí)物圖 與78 系列完全相同，實(shí)際應(yīng)用中電路也大同小異。 為參考電路圖。圖 LM2940 參考電路圖 所示，采用兩路供電，這樣可以使用其中一路單獨(dú)為單片機(jī)，指示燈等供電。另外一路提供L298N、光電管工作電壓。 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)簡單、可靠。用89C51單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng) [4]時(shí)，只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可 [2]。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。其應(yīng)用特點(diǎn)：有可供用戶使用的大量I/O口線，內(nèi)部存儲器容量有限，應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。1) 時(shí)鐘電路AT89C51雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外部附加電路。AT89C51單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種。內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì)13本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTALXTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設(shè)計(jì)采用最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。12MHZ之間選擇。電容值無嚴(yán)格要求，CXCX2可在20pF到100pF之間取值。所以本設(shè)計(jì)中，電容選擇30pF。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶體和電容應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用NPO電容。2) 復(fù)位電路AT89C51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位引腳RST通過在每個(gè)機(jī)器周期的對復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。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。最簡單的上電自動(dòng)復(fù)位電路中上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。只要VCC的上升時(shí)間不超過1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。時(shí)鐘頻率，R取10KΩ。 51 單片機(jī)最小系統(tǒng)除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)就是用的按鍵手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通而實(shí)現(xiàn)的。時(shí)鐘頻率選用6MHZ時(shí)，C取22uF，Rs取200Ω，RK取1KΩ。XTAL1XTAL2RESR110kX1CRYSTALC130pC230pC310uF重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì)14 80C51復(fù)位電路3) 程序存儲器MCS51具有64kB程序存儲器尋址空間，可以分為片內(nèi)ROM空間和片外ROM空間，主要用于存放程序（可執(zhí)行的二進(jìn)制代碼映像文件，包括程序中的數(shù)據(jù)信息）以及初始化代碼等軟件。在MCS51系列中，8051/89C51片內(nèi)分別駐留最低地址空間的4KB的ROM/EPROM，而8031則無內(nèi)部程序存儲器，需要外部擴(kuò)展EPROM [6]。80C52內(nèi)部駐留最低地址空間的8KB ROM，8032無內(nèi)部程序存儲器，也需要外部擴(kuò)展EPROM[5]。MCS51系列的程序計(jì)數(shù)器PC是16位的寄存器，它具有64KB的尋址能力。在使用邏輯地址尋址程序存儲器時(shí)，不分內(nèi)部和外部，CPU會(huì)自動(dòng)按指定地址去片內(nèi)或片外讀取程序的指令代碼。但是MCS51不會(huì)把程序的執(zhí)行從程序存儲器地址空間轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)存儲器地址空間，它不提供這種轉(zhuǎn)移指令 [5]。 前向通道設(shè)計(jì)單片機(jī)用于測控系統(tǒng)時(shí)，總要有與被測對象相聯(lián)系的前向通道 [5]。因此，前向通道設(shè)計(jì)與被測對象的狀態(tài)、特征、所處環(huán)境密切相關(guān)。在前向通道設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到傳感器或敏感元件選擇、通道結(jié)構(gòu)、信號調(diào)節(jié)、電源配置、抗干擾設(shè)計(jì)等。在通道電路設(shè)計(jì)中還涉及到模擬電路諸多問題。1) 前向通道的含義當(dāng)將單片機(jī)用作測控系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)中總要有被測信號輸入通道，有計(jì)算機(jī)拾取必要的輸入信息。作為測試系統(tǒng)，對被測對象拾取必要的原始參量信號是系統(tǒng)的核心任務(wù)，對控制系統(tǒng)來說，對被控對象狀態(tài)的測試以及對控制條件的監(jiān)測也是不可缺少的環(huán)節(jié)。對被測對象狀態(tài)的測試一般都離不開傳感器或敏感元件，這是因?yàn)楸粶y對象RSTRKC230pCRS重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì)15的狀態(tài)參數(shù)常常是一些非電物理量，如溫度、壓力、載荷、位移等，而計(jì)算機(jī)是一個(gè)數(shù)字電路系統(tǒng)。因此，在前向通道中，傳感器、敏感元件及其相關(guān)電路占有重要地位。對被測對象的信號的拾取其主要任務(wù)就是最忠實(shí)地反映被測對象的真實(shí)狀態(tài)，它包括實(shí)時(shí)性與測量精度。同時(shí)使這些測量信號能滿足計(jì)算機(jī)輸入接口的電平要求。因此，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的前向通道體現(xiàn)了被測對象與系統(tǒng)相互聯(lián)系的信號輸入通道，原始參數(shù)輸入通道。由于在該通道中主要是傳感器與傳感器有關(guān)的信號調(diào)節(jié)、變換電路，故也可稱為傳感器接口通道 [7]。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，對信號輸入、傳感、變換應(yīng)作廣義理解，例如開關(guān)量的檢測及信號輸入，在單片機(jī)的各種應(yīng)用系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。最簡單的開關(guān)量輸入通道就是一個(gè)具有TTL電平的狀態(tài)開關(guān)，如水銀溫度觸點(diǎn)、溫度晶閘管、時(shí)間繼電器、限位開關(guān)等。故只要反映外界狀態(tài)的信號輸入通道都可稱為前向通道。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)間序列來控制外部的運(yùn)行狀態(tài)；分布式測控系統(tǒng)中的智能控制總站完成上級主計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場測、控子站計(jì)算機(jī)之間的指令、數(shù)據(jù)傳送。這些應(yīng)用系統(tǒng)沒有被測對象，故不需要前向通道。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行車路徑的檢測元件。紅外線傳感器采用反射接收原理，一個(gè)紅外線傳感器配置了一個(gè)紅外線發(fā)接受器、一個(gè)紅外線接受器及其上拉電阻。紅外線發(fā)射器通電后不斷會(huì)發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外線照射物體。紅外線接收器在接受到一定強(qiáng)度的紅外線會(huì)后導(dǎo)通。如圖通過在紅外線的正極接出一個(gè)信號來觀察紅外線接收器是否導(dǎo)通。當(dāng)紅外線接收器導(dǎo)通時(shí)，輸出信號為0；反之則為1。紅外線在不同顏色的物體上反射程度是不同的，當(dāng)紅外線傳感器在黑色物體時(shí)，黑色物體吸收大量紅外線，反射少量紅外線，紅外線接收其不足以導(dǎo)通，輸出信號為1。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，輸出信號為0。因此本設(shè)計(jì)采用紅外線傳感器模塊與有黑線的路面組合使用。重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì)16 紅外線傳感器的應(yīng)用電路3) 紅外傳感器ST188簡介ST188含一個(gè)反射模塊（發(fā)光二極管）和一個(gè)接收模塊（光敏三極管），實(shí)。通過發(fā)射紅外信號，看接收信號變化判斷檢測物體狀態(tài)的變化。A、K之間接發(fā)光二極管，C、E之間接光敏三極管（二者在電路中均正接，但要串聯(lián)一定阻值的電阻），其特點(diǎn)如下：① 采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成。② 檢測距離：413mm。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 測試條件 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集電極暗電流 Iceo Vce=20V 1 uAL3 mAL4 mA輸出 集電極亮電流 ILVce=15VIF=8mA L5 mA紅 外 線 紅 外 線接 收 器發(fā) 射 器V C CR215KR1220G N D輸 出 信 號重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì)17左X2左X1右Y1右Y2 右輪左輪飽和壓降 Vce IF=8mA，Ic= VTr 10 us傳輸特性 響應(yīng)時(shí)間 TfIF=200mA，Vce=5VRc=100Ω 10 us4) 傳感器的安裝在小車具體的循跡行走過程中，為了能精確測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)紅外探測頭，進(jìn)行兩級方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。： 傳感器安裝圖圖中循跡傳感器全部在一條直線上。其中X1與Y1為第一級方向控制傳感器，X2與Y2為第二級方向控制傳感器，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。小車前進(jìn)時(shí)，始終保持在X1和Y1這兩個(gè)第一級傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，第一級傳感器就能檢測到黑線，把檢測的信號送給小車的處理、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號對小車軌跡予以糾正。若小車回到了軌道上，即4個(gè)探測器都只檢測到白紙，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，越出了第一級兩個(gè)