【文章內容簡介】 影響，電動機的運行反應也會更加的敏捷。它的缺點也因此產生了，使用雙電源，可以更好地給減速電壓提供動力，但是增大了設計的體積，需要的器件同樣也會相應的增加。綜合以上的優(yōu)缺點，設計決定采用第二種方案。 避障單元方案比較與選擇方案一：采用紅外線測距。紅外線測距可以精確、快速的測到距離，在精確度上表現的非常的好，但是容易受到外界干擾。而且裝置在移動的物體上更是不易測量。方案二：采用的超聲波傳感器。超聲波傳感器的原理是：壓電陶瓷超聲波傳感器在電壓的變動下會發(fā)出超聲波，超聲波發(fā)出后，遇到前方的障礙物后會發(fā)生漫反射，因此就會被超聲波傳感器接上接收部分接收到。精度高，不易受到外界的干擾，操作簡單。 由于設計的智能小車是在移動中測得距離然后判斷的，紅外線表現非常的差。而超聲波測距的表現無論在性能上還是在操作上都符合要求，所有選擇方案二。此次設計選用的超聲波傳感器是HCSR04，如圖34所示為HCSR04超聲波傳感器的實物圖。 圖34 HCSR04超聲波傳感器4. 硬件系統的設計 單片機控制模塊CC253x芯片系列中選用的是8051 CPU作為它們的內核，這種內核是一種單周期的8051兼容內核。它存在三種不同的內存訪問總線，這三種訪問總線分別是CODE/XDATA，DATA 和SFR。單周期訪問DATA ，主SRAM和SFR。它還有一個用于調試的調試接口和一個包含18 輸入擴展中斷單元，為后期使用的時候帶來了很大的方便。 、ZigBee 和RF4CE 應用的片上系統簡稱SoC，為了它們提出的解決方案就是CC2530，在無線傳輸上極具優(yōu)越性。它能夠以非常低的材料成本建立強大的網絡節(jié)點。CC2530使用RF 收發(fā)處于現在領先地位的，它的各方面的功能表現的都非常優(yōu)良，8051 CPU在采用的是增強型的，在單片機界是非常領先的，因此CC2530這種單片機的系統可以隨時可編程閃存，它擁有8KB RAM ，在很多的方面都表現出強大的性能。CC2530 在閃存的選擇上有四種，它們分別是CC2530F32/64/128/256，每一種對應的是32/64/128/256KB的閃存，從而需求的不同選擇，使得單片機能夠最大化的利用。CC2530 對于不同工作需求可以選擇一個最適宜的運行模式，因此在功耗上合理的被控制。它的運算時間很快，在運行時間的轉換是非常的短的，也因此確定了CC2530在功耗上是很低的。CC2530F256體現了德州儀器的在單片機領域具有帶頭作用的 ZigBee協議棧 (ZStack?)。 CC2530單片機的最小系統圖如圖41所示。圖41 單片機最小系統 時鐘電路為CC2530單片機提供的時鐘有兩種方法：一種是單片內部時鐘方式和一種是外部石英晶振提供的外部時鐘方式。CC2530的晶振，有四個，兩個內部，兩個外部的。兩個內部的是RC晶振，一個是16M一個是32M，兩個外部是石英晶振。石英晶振的特點在于它的精度非常的高，但是會損耗很大的電能，啟動起來很慢。RC晶振與石英晶振相比精度就明顯偏低，但是它的耗電量卻很低，啟動的反應速度也是很快的。在上電時，單片機默認的是選擇使用內部的兩個RC晶振，因為我們要求單片機要快速的啟動，正好兩個RC晶振啟動速度比石英晶振要快很多的原因。，只有在一些特定的地方才能用到，因此再設計單片機的時候對于這個晶振可以選擇不接的。外部和內部兩個低頻的晶振是不可以一起上電的，換句話說這兩個晶振我們無法使用它們。在CC2530數據手冊上，SLEEPCMD這個寄存器的從第0位開始計第2位的說明是不正確，這一位的準確的解釋，是在CC2430的數據手冊中介紹SLEEP寄存器的第2位正確的解釋到了。如果這一位賦值為0時，兩個高頻晶振將會在同一時刻得電；如果位賦值為1時候，只有選擇的高頻晶振才會正常工作。CC2530數據手冊中還存在的不正確的地方是SLEEPSTA這個寄存器的第6位的解釋與第5位的解釋，CC2430的數據手冊對SLEEP寄存器的介紹中第6位和5位是它正確的解釋。 如圖42所示為CC2530的時鐘電路圖42 CC2530的兩個石英晶振時鐘電路 復位電路單片機的復位是靠單片機外部電路的復位電路實現的。片內也有一個復位電路，它的實現是依靠復位引腳RST依靠觸發(fā)器和復位電路相互連接，觸發(fā)器的作用是抑制噪聲的產生，復位電路每過一個機器周期對觸發(fā)器的輸出都會進行一次采樣。我們常用的復位電路有兩種形式一種是上電自動復位，一種是按鈕復位。上電復位，使RST這個引腳得電，并且得電的時間要大于10MS，單片機會回到復位狀態(tài)。按鈕復位，也就在單片機外部通過合理的電路連接一個按鈕，使用者可以通過自己的意愿按這個按鈕，使單片機進去復位狀態(tài)。設計采用的是按鈕電平復位,選擇的CC2530由于是高集成的本身的電路板上已經設計好了復位電路,在這個CC2530電路板上標有S3的按鈕就是復位按鈕。復位電路如圖43所示。圖43復位電路 電機驅動模塊的設計電機驅動模塊作為帶動電機核心部位，在選擇芯片方面必須要選擇穩(wěn)定性能比較好的，因此選擇是專用芯片L298N作為控制電機的電機驅動芯片，L298N采用的全橋驅動，它在響應頻率也表現的非常優(yōu)越，一片L298N可以同時驅動兩個直流電機。L298N 的IN1，IN2，IN3，IN4端口與單片機的輸出端口相接，對單片機合理的編程使這四個引腳得到提前計算好的數據，就可以按照醫(yī)院驅動兩個直流電動機運行與停止。L298N是使用的標準TTL邏輯電平信號。VSS端口上可以連接的電壓為4．5V到7 V電。L298N的4引腳VS是芯片電源電壓端口，VS可以連接的電壓范圍VIH從＋2．5到46 V。，可以用來帶動具有電感性能的負載。1端口與15端口是用來形成電流傳感信號的，這個電流傳感信號的產生是這兩個端口下的發(fā)射極可以連接電流采樣電阻的原因。L298可以同一時刻對2個直流動機進行驅動，且相互不受影響，OUT1與OUT2配合使能端ENA可以驅動一個電機，OUT3與OUT4配合使能端ENB也可以驅動一個電動機。IN1，IN2，IN3，IN4端口可與單片機的IO口相連，單片機向它們發(fā)出的電平信號，它們采集到這些信號后，會由這些信號來控制電機的狀態(tài)。EnA為OUT1，OUT2的使能端，當它得電的情況下OUT1和OUT2才可以使用，EnB是OUT3，OUT4的使能端，用法和EnA一樣。在EnA為高電平時，OUT1與OUT2這兩個端口才可以有電壓變化，這時控制它們的電壓變化是由IN1和IN2接收到的電壓情況控制，例如：IN1為高電壓，IN2為低電平，則電機正轉，讓電機反轉只需把IN2與IN1的電平調反，當它們兩個同時接收到的都是高電平時電動機會處于剎車狀態(tài)，當同時為低電平的時候電動機停止。L298N芯片如圖44所示。圖44 L298N引腳圖設計使用L298N同時控制四個電動機，M1是左側兩個電動機并聯，M2是右側兩個電動機并聯。電動機M1的兩個端口與L298N的OUT1和OUT2相連接。M2與OUT3和OUT4相連接。L298N芯片接收到CC2530發(fā)來的信息是通過IN1~IN4，它們和CC2530單片機輸出端口的P1_2~P1_5相連接。使能端ENA與ENB與CC2530單片機的輸出端口P1_0和P1_1相連接。電路連接如圖45所示。圖45 L298N外圍電路 超聲波避障電路的原理與設計 HCSR04模塊工作原理a）電氣參數HCSR04模塊參數如下表41所示。表41 模塊參數電氣參數HCSR04超聲波模塊工作電壓DC 5V工作電流15mA工作頻率40khz最遠射程4m最近射程2cm測量角度15176。輸入觸發(fā)信號10us的TTL脈沖輸入回響信號輸出TTL電平信號，與射程成比例規(guī)格尺寸45*20*15cmb）基本工作原理選用IO口TRIG觸發(fā)測距，給TRIG端超過10us的邏輯高電平。當TRTG加了超過10us的高電平，HCSR04模塊負責發(fā)射超聲波的模塊就會發(fā)射8個40KHZ的方波，同時HCSR04模塊上負責接收超聲波的部分會檢測是否有信號反射回來。一旦接收到反射回來的信號， ECHO傳給單片機的的一個負責接收的IO口輸出一個高電平，高電平的時間等于超聲波從發(fā)射到反射回來的時間。只要利用該時間乘以超聲波在空氣中傳播的速度然后再除以二，就可以算出測障礙物距離超聲波模塊有多遠。為了讓發(fā)射信號與遇到障礙物反射回來的信號不發(fā)生干擾，因此測量周期一般要在60ms以上。HCSR04模塊的工作時序如圖46所示。觸發(fā)信號10uS的TTL模塊內部發(fā)出信號循環(huán)發(fā)出8個40KHz脈沖輸出回響信號回響電平輸出與檢測距離成比例圖46 超聲波時序圖 超聲波發(fā)射電路HCSR04模塊內部負責產生超聲波并發(fā)射電路如圖47所示，主要是由Em78p153單片機作為控制部分、MAX232作為比較部分，再由用來發(fā)射超聲波的超聲波發(fā)射頭T40這三部分共同組成。圖47 超聲波發(fā)射電路 超聲波模塊接收電路HCSR04模塊內部負責接收超聲波的電路連接如圖48所示，主要由用來比較數據的TL074運算放大器及用來采集超聲波的超聲波接收探頭R40共同組成。圖48 超聲波接收電路 超聲波模塊電路超聲波模塊一共引出四個引腳，其中一個接VCC，一個接GND，剩下兩個一個是ECHO一個是TRIG,分別接到單片機的IO口上。設計中，把超聲波的ECHO引腳接到單片機的P0_1口，TRIG引腳接到單片機的P1_6。連接如圖49所示。圖49 超聲波模塊引腳圖5 .軟件設計 軟件調試平臺設計選用的調試平臺是IAR Embedded Workbench IDE，嵌入式IAR Embedded Workbench對大量的微處理器和微控制器都很適用，無論是8位、16位以及32位的在使用中基本不會遇到什么問題，使用者無論是對老的項目還是新的項目，都不會對它感到生疏，能夠快速的進入正軌。它提供了一個功能非常強大的開發(fā)環(huán)境，而且這個研發(fā)環(huán)境繼承能來很強，本身功能比較全面，更重要的是簡單易學，不會在入門的時候耽誤太多的時間，而且支持大多數目標即使是一些特殊的目標。嵌入式 IAR Embedded Workbench 在各個方面的表現都都體現出簡單易學，上手比較簡單，給使用者節(jié)約了大量的時間，使工作效率得到大幅度提升。IAR Embedded Workbench IDE的使用，對于CC2530來說，在使用過程中比較直接方便特別在調試過程中更能體現出他的優(yōu)點。 主程序流程圖 整個設計分為上位機和下位機，對于上位機來說，是使用VB做的控制界面，可以發(fā)送各種想要發(fā)送的指令。下位機即智能小車收到上位機發(fā)送過來的指令后，會按照接收到的信息，判斷選擇的運行模式。在選擇的模式下，小車會有相應的功能執(zhí)行相應的功能，中間可以隨時接受上位機發(fā)送過來的新的指令，如果沒有收到新的指令小車會按著上次收到的指令繼續(xù)運行。如圖51所示為系統主程序流程圖。開始設置時鐘SWITCHLIGHT接收模塊模塊判斷發(fā)射模塊設置節(jié)點執(zhí)行對應功能結束 圖51 主程序流程圖 發(fā)射程序設計無線模塊分為發(fā)射部分和接收部分。其中發(fā)射部分通過數據線與上位機相連接。上位機可以向發(fā)射部分發(fā)送數據，發(fā)送的數據就是需要控制小車的指令。當數據完整的發(fā)送到發(fā)射模塊上后，發(fā)射模塊會判定接收到的數據合法性，如果數據合法會依無線形式發(fā)送出去。然后等待上位機下次指令的到達。發(fā)射模塊流程圖如圖52所示。接收模塊接收數據判斷數據合法發(fā)送數據等待 圖52 發(fā)射模塊流程圖 接收部分程序設計接收部分，為整個設計的執(zhí)行部分。根據要求小車有自動避障與遠程控制兩個功能。 自動避障智能小車在收到上位機發(fā)來信息是選擇了自動避障時。小車會開始行駛，同時向HCSR04的Trig引腳發(fā)一個持續(xù)10uS以上的高電平，HCSR04會發(fā)射8個40Hz的脈沖，當超聲波發(fā)射出去后如果遇到障礙物后被反射回來。HCSR04收到反射回來的超聲波，會通過自帶的單片機進行處理，算出從發(fā)射到接收之間的時間，然后會給HCSR04的Echo引腳一個高電平，Echo引腳高電平持續(xù)的時間就是HCSR04從發(fā)射超聲波到接收到反射回來的時間?？刂破饕簿褪窃O計中CC2530通過IO口采集到HCSR04模塊傳送過來這個高電平的，就是小車離障礙物距離就是高電平持續(xù)的時間乘以超聲波在空氣傳播的速度除以2，設計的程序會計算出距離。在計算出來距離以后會對提前設置的數值進行比較，檢查障礙物是不是在應該躲避的范圍之內，如果在則會執(zhí)行轉彎避開障礙物，如若不在則繼續(xù)行駛。如圖52所示為自動避障流程圖。等待等待接收數據障礙物距離繼續(xù)行駛停止判斷是否接收到指令遠近接收部分自動避障啟動超聲波模塊 圖53 自動避障流程圖 遠程控制 在選擇了遠程控制模式情況下，小車并不會直接行駛，會等待下一步指令的下達，在收到行駛指令后會開始沿直線行駛，同時無線模塊一直處于接收狀態(tài)，如果接收到新的指令，會立即判斷下一步行駛的狀態(tài)，可分為：加速，減速，停止，左轉，右轉。執(zhí)行過新的指令以后無線模塊會繼續(xù)恢復到等待接收的狀態(tài)，以達到實時控制的要求。同時在執(zhí)行的任何狀態(tài)下都可以切換到避障模式下。如圖53所示為遠程控制流程圖接收模塊遠程控制接收數據123