【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 3 硬件設(shè)計(jì) 小車(chē)車(chē)體設(shè)計(jì)小車(chē)的車(chē)體是整個(gè)智能小車(chē)的載體，在這個(gè)載體上，添加合適的控制單元以實(shí)現(xiàn)智能化，因此這個(gè)小車(chē)車(chē)體需要符合相關(guān)的設(shè)計(jì)要求。我們有以下兩種方案可以考慮：方案1：市場(chǎng)上存在很多不同型號(hào)的電動(dòng)玩具小車(chē)，這種小車(chē)都有完整的車(chē)體和車(chē)輪以及電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路。但是這種小車(chē)存在很多的缺點(diǎn)，由于是成品電動(dòng)玩具車(chē)，一般都是裝配緊湊，要想在其才車(chē)體上安裝用于檢測(cè)的傳感器十分困難。還有就是這種小車(chē)一般采用的都是前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動(dòng)的模式，不能方便迅速的進(jìn)行原地90度或180度旋轉(zhuǎn)。而且這種電動(dòng)玩具車(chē)多為直流電機(jī)，力矩小，負(fù)載性能差，且不易調(diào)速，因此我們放棄了此方案。方案2：買(mǎi)現(xiàn)成的車(chē)模。經(jīng)過(guò)反復(fù)考慮論證，我們制定了買(mǎi)左右兩輪分別驅(qū)動(dòng)，后萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)向的車(chē)模方案。即左右輪分別用兩個(gè)轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的直流減速電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，后裝一個(gè)萬(wàn)向輪。這樣，當(dāng)兩個(gè)直流電機(jī)轉(zhuǎn)向相反同時(shí)轉(zhuǎn)速相同時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松的實(shí)現(xiàn)小車(chē)坐標(biāo)不變的90度和180度的轉(zhuǎn)彎。綜上考慮，本設(shè)計(jì)選擇方案2。 電源模塊 本設(shè)計(jì)為避障小車(chē)的設(shè)計(jì)，由于小車(chē)需要獨(dú)立運(yùn)行進(jìn)行避障，因此系統(tǒng)采用電池供電，我們考慮了如下幾種方案為系統(tǒng)供電。 方案1：采用12V蓄電池為系統(tǒng)供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。但是蓄電池的體積過(guò)于龐大，在小型電動(dòng)車(chē)上使用極為不方便。因此我們放棄了此方案。 方案2： V干電池共9V做電源，經(jīng)過(guò)7805的電壓變換后為單片機(jī)，傳感器供電。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證小車(chē)工作時(shí)，單片機(jī)、傳感器的工作電壓穩(wěn)定能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求，而且電池更換方便。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用方案2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊是小車(chē)運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是小車(chē)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障的實(shí)現(xiàn)方法，因此合適的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊就顯得尤為重要。我們有以下幾種方案可以考慮。 方案1： 利用繼電器控制電機(jī)，通過(guò)繼電器的開(kāi)關(guān)來(lái)切換小車(chē)的速度，此方案電路簡(jiǎn)單，但是其有嚴(yán)重缺點(diǎn)，就是繼電器的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，不利于小車(chē)較為精準(zhǔn)的躲避障礙，且易損壞,壽命較短,可靠性不高。 方案2： 利用電阻或者電位器控制電機(jī)，電阻或電位器控制電機(jī)的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制電機(jī)速度的目的。但是，數(shù)字電阻元器件成本較高，且電機(jī)的電流較大，采用分壓的方法會(huì)降低效率，而且是指操作困難。 方案3： 利用三極管控制電機(jī)，三極管控制電機(jī)的電路原理簡(jiǎn)單，而且加速性能強(qiáng)，利用功率三極管組成的H型橋式電路如下圖31所示。圖31 H型橋式電路 用單片機(jī)控制功率三極管在占空比可調(diào)的狀態(tài)下工作，精準(zhǔn)的對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。H型橋式電路工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高，H型橋式電路保證了簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速大小和運(yùn)行方向的控制，由于電子三極管的開(kāi)關(guān)速度很快，其穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是被廣泛采用的 PWM調(diào)速技術(shù)?，F(xiàn)市面上有很多此種芯片，我選用了L298N，L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，該驅(qū)動(dòng)芯片的工作頻率較高，而且一枚芯片可以控制兩個(gè)直流電機(jī)的運(yùn)行，還具有控制使能端。利用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能可靠?jī)?yōu)良。 因此本設(shè)計(jì)選用方案3。 電機(jī)模塊本系統(tǒng)為智能自動(dòng)巡航電動(dòng)車(chē)，對(duì)于電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)，其驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的選擇就顯得十分重要。我們綜合考慮了一下兩種方案。 方案1： 采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專(zhuān)用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成。驅(qū)動(dòng)單元與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接耦合，也可理解成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)微機(jī)控制器的功率接口。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但用好步進(jìn)電機(jī)實(shí)非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)。且步進(jìn)電機(jī)輸出力矩低，轉(zhuǎn)速升高力矩會(huì)下降，在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于有特定速度要求的系統(tǒng)。綜合比較考慮，我們放棄了此方案。 方案2：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。由于其內(nèi)部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生大扭力。能夠較好的滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求，因此本設(shè)計(jì)選擇此方案。 檢測(cè)模塊檢測(cè)模塊，是小車(chē)自動(dòng)避障的“眼睛”，它的存在至關(guān)重要，它為單片機(jī)提供障礙信號(hào)，為小車(chē)的運(yùn)行提供參考數(shù)據(jù)。檢測(cè)的方法很多，比如超聲波檢測(cè)、紅外線(xiàn)檢測(cè)等，綜合考慮，紅外線(xiàn)線(xiàn)檢測(cè)更加實(shí)用，因此我們采用紅外線(xiàn)檢測(cè)，市場(chǎng)上有現(xiàn)成的紅外E18D50NK光電開(kāi)關(guān)，完全符合我們本次設(shè)計(jì)的要求，且使用簡(jiǎn)單，因此我們采用這種紅外避障傳感器作為檢測(cè)模塊。 最終方案 經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，最終確定如下方案：車(chē)模用兩驅(qū)車(chē)模。采用STC89C52單片機(jī)作為主控制器。用6節(jié)干電池供電。用紅外E18D50NK光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行避障巡航。L298N作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。4 硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計(jì) 主控制模塊主控制最小系統(tǒng)電路圖如圖41所示：圖41 最小系統(tǒng)電路圖 單片機(jī)的復(fù)位電路與振蕩電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用STC系統(tǒng)列單片機(jī)，相比其他系列單片機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)。一般STC單片機(jī)資源比其他單片機(jī)要多，而且執(zhí)行速度快；STC系列單片機(jī)使用串口對(duì)單片機(jī)進(jìn)行燒寫(xiě)，下載程序較為方便；STC51單片機(jī)內(nèi)部集成了看門(mén)狗電路；且具有很強(qiáng)抗干擾能力。 單片機(jī)的置位和復(fù)位，都是為了把電路初始化到一個(gè)確定的狀態(tài)，一般來(lái)說(shuō)，單片機(jī)復(fù)位電路作用是把一個(gè)例如狀態(tài)機(jī)初始化到空狀態(tài)，而在單片機(jī)內(nèi)部，復(fù)位的時(shí)候單片機(jī)是把一些寄存器以及存儲(chǔ)設(shè)備裝入廠(chǎng)商預(yù)設(shè)的一個(gè)值。 單片機(jī)復(fù)位電路原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳RST上外接電阻和電容，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上時(shí)復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時(shí)間必須大于單片機(jī)的兩個(gè)機(jī)器周期。具體數(shù)值可以由RC電路計(jì)算出時(shí)間常數(shù)。 復(fù)位電路由上電復(fù)位和上電與按鍵均有效的復(fù)位兩種基本形式。上電復(fù)位要求接通電源后，單片機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。上電瞬間RST引腳獲得高電平，隨著電容器的充電，RST引腳的高電平將逐漸下降。RST引腳的高電平只要能保持足夠的時(shí)間（2個(gè)機(jī)器周期），單片機(jī)就可以進(jìn)行復(fù)位操作。上電與按鍵均有效復(fù)位其原理和上電復(fù)位基本相同，另外在單片機(jī)運(yùn)行期間，還可以利用按鍵完成復(fù)位操作。本系統(tǒng)采用上電與按鍵均有效的復(fù)位電路，如下圖42所示：圖42 復(fù)位電路 單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快，單片機(jī)執(zhí)行的所有指令都要依賴(lài)于這種時(shí)鐘頻率。一般工作條件下，普通晶振頻率絕對(duì)精度一般可達(dá)百萬(wàn)分之五十。高級(jí)晶振頻率的精度更高。壓控振蕩器（VCO）可以在外加電壓的作用下于一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。 單片機(jī)晶振是為了給系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。一般情況下一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，以便于各部分保持同步。在部分特殊情況下使用不同的晶振，但是要通過(guò)電子調(diào)整頻率的方法保持同步。 晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)，可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來(lái)提供。，由于單片機(jī)內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個(gè)晶振和兩個(gè)容量在15pF至50pF之間的電容即可，如圖43所示。圖43 振蕩電路 由于單片機(jī)P0口內(nèi)部不含上拉電阻，為高阻態(tài)，不能正常地輸出高/低電平，因而該組I/O口在使用時(shí)必須外接上拉電阻。 電源設(shè)計(jì)電源部分的設(shè)計(jì)主要采用7805芯片，使用7805芯片搭建的電路的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、實(shí)用，7805三端穩(wěn)壓IC內(nèi)部電路具有過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)功能，這使它的性能很穩(wěn)定。能夠?qū)崿F(xiàn)1A以上的輸出電流。器件具有良好的溫度系數(shù)，因此產(chǎn)品的應(yīng)用范圍很廣泛，而且價(jià)格便宜。并且完全能夠滿(mǎn)足壁障小車(chē)單片機(jī)控制系統(tǒng)和L298N芯片的邏輯供電的供電需要。 7805芯片有3個(gè)引腳，分別為輸入IN端、輸出OUT端和接地GND端。7805芯片的輸入電壓可以為9V、12V、15V不等，輸出電壓穩(wěn)定在5V。7805芯片如圖44所示。 圖44 7805芯片基于這樣的情況再結(jié)合電機(jī)的工作電壓，選取了6節(jié)干電池9V作為7805的輸入電源，搭建的電源部分電路如下圖45所示：圖45 系統(tǒng)電源模塊電路圖 驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般采用H橋式驅(qū)動(dòng)電路，L298N內(nèi)部集成了H橋式驅(qū)動(dòng)電路，從而可以采用L298N電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過(guò)單片機(jī)給予L298N電路PWM信號(hào)來(lái)控制小車(chē)的速度，起停。其引腳圖如圖46所示，驅(qū)動(dòng)電路原理圖