【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 問(wèn)題，故為了解決超聲波傳感器的盲區(qū)問(wèn)題,系統(tǒng)加入了紅外測(cè)距傳感器模塊。該模塊由紅外發(fā)射電路、紅外接收電路、RS485通訊、ATmega16芯片、鍵盤(pán)接口電路、報(bào)警電路及LED顯示電路等組成。其組成框圖如圖2所示： 圖23 紅外測(cè)距的硬件設(shè)計(jì) 紅外測(cè)距的實(shí)現(xiàn)構(gòu)想在機(jī)器人制作中，多數(shù)系統(tǒng)采用單一傳感器進(jìn)行信息采集，超聲波傳感器因?yàn)榇嬖跍y(cè)量盲區(qū)的問(wèn)題，測(cè)距范圍一般在30～300cm之間；因而，在距離障礙物0～25cm之間時(shí)，超聲波傳感器將出現(xiàn)盲區(qū)。相反，紅外測(cè)距傳感器的探測(cè)距離較短，一般在幾十厘米之內(nèi)，它可以在一定程度上彌補(bǔ)超聲波傳感器近距離無(wú)法測(cè)量的缺點(diǎn)。所以，在可移動(dòng)機(jī)器人避障系統(tǒng)中我們裝上紅外傳感器進(jìn)行測(cè)距。在近距離時(shí)，紅外傳感器對(duì)距離信息進(jìn)行測(cè)量和采集。為了實(shí)現(xiàn)紅外測(cè)距，在硬件設(shè)計(jì)中，我們?cè)诳梢苿?dòng)機(jī)器人前方安裝一個(gè)紅外發(fā)射頭與一個(gè)紅外接收頭，并在電路板上將紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路與紅外接收電路ATmega16芯片的PCPC5口相接， 并且讓ATmega16芯片與RS485通訊、下載接口、鍵盤(pán)、報(bào)警電路與LED顯示器相連接，從而構(gòu)成完整的紅外測(cè)距系統(tǒng)。具體實(shí)現(xiàn)原理為紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)發(fā)射頭的紅外二極管發(fā)出紅外光，當(dāng)紅外光在遇到障礙物后反射回來(lái)，反射回來(lái)紅外光由紅外接收驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)紅外接收頭的光敏二極管接收到，并通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電壓值，因?yàn)榧t外光的強(qiáng)度會(huì)隨距離的縮小而增強(qiáng)，紅外接收電路轉(zhuǎn)化的電壓值會(huì)隨之增強(qiáng)。又因?yàn)殡妷号c距離成比例，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)換的電壓的計(jì)算，我們可以知道可移動(dòng)機(jī)器人與障礙物之間的距離。當(dāng)可移動(dòng)機(jī)器人與障礙物之間的距離達(dá)到危險(xiǎn)范圍時(shí)，由報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)。我們采用LED顯示器動(dòng)態(tài)顯示可移動(dòng)機(jī)器人與障礙物之間的距離， LED顯示器與ATmega16芯片的PA0~PAPC0~PC3接口相接，在可移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程，ATmega16芯片內(nèi)部會(huì)將電壓模擬量通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化為可顯示的數(shù)字量，然后通過(guò)LED顯示器顯示出。報(bào)警電路與ATmega16芯片的PC6引腳接口相接。RS485通訊接口一頭與ATmega16芯片的PD0、PD1引腳相接，另一頭與上位機(jī)相接，實(shí)現(xiàn)ATmega16芯片與上位機(jī)之間的通訊。下載接口一頭與ATmega16芯片的PBPBPBRESET引腳相接，另一頭與電腦連接，電腦在編寫(xiě)的程序經(jīng)下載口下載到ATmega16芯片中。鍵盤(pán)與ATmega16芯片的PBPBRESET引腳相接，通過(guò)鍵盤(pán)接口可對(duì)下載口進(jìn)行復(fù)位。 整個(gè)紅外測(cè)距系統(tǒng)由ATmega16芯片、紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、紅外接收驅(qū)動(dòng)電路、RS485通訊接口電路、ISP下載電路、鍵盤(pán)電路、報(bào)警電路與LED顯示電路構(gòu)成。 各硬件電路設(shè)計(jì)(1)電路組成：紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路是由一個(gè)簡(jiǎn)單的共射放大電路和一個(gè)作為開(kāi)關(guān)的三極管電路組成的模塊。電路原理如圖4所示圖4 紅外發(fā)射電路（2）電路工作原理：在共射放大電路中，紅外發(fā)光二極管TLN205接于共射放大電路的集電極，與基極和發(fā)射極相接的二極管起溫度補(bǔ)償作用。控制管腳Vin與Atmega16芯片管腳PC4相接。當(dāng)控制管腳Vin有信號(hào)輸入時(shí),控制電路的三極管導(dǎo)通,同時(shí)整個(gè)電路導(dǎo)通,紅外發(fā)光二極管TLN205發(fā)射出紅外光. 紅外接收電路電路組成，紅外接收驅(qū)動(dòng)電路是由紅外接收管TPS708和兩個(gè)電壓串聯(lián)負(fù)反饋模擬運(yùn)算放大電路組成的模塊。 紅外接收驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)為兩極放大是因?yàn)樵谠S多情況下，輸入信號(hào)是很微弱的，要把這樣微弱的信號(hào)放大到足以帶動(dòng)負(fù)載，僅用一級(jí)電路放大定是做不到的，必須經(jīng)多級(jí)放大，以滿足放大倍數(shù)和其他性能方面的要求。并且，根據(jù)信號(hào)源和負(fù)載性質(zhì)的不同，對(duì)各級(jí)電路有不同要求，輸入級(jí)一般要求有盡可能高的輸入電阻和較低的靜態(tài)工作電流。電路圖如圖5所示：電路工作原理:紅外發(fā)光管TLN205 發(fā)射出的紅外光,在遇到前面的障礙物反射后,由紅外接收管TPS708 接收,此時(shí)TPS708 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與光強(qiáng)相對(duì)應(yīng)的電流。電流經(jīng)由LM358 兩級(jí)放大后,在輸出端可以得到一個(gè)0～3V 的模擬電壓,作ATmega16單片機(jī)PC4的模擬輸入量。單片機(jī)在完成初始化和端口選擇后,即開(kāi)始進(jìn)行A/ D 轉(zhuǎn)換,重復(fù)等待與檢查轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志值是否已為零,最后將轉(zhuǎn)換結(jié)果在LED上顯示出來(lái)。圖5 紅外接收電路（3）運(yùn)算放大電路定量分析：我們采用負(fù)反饋模擬運(yùn)算放大電路，是因?yàn)樨?fù)反饋具有提高增益穩(wěn)定性、展寬放大器通頻帶與減少非線性失真和噪音三大優(yōu)點(diǎn)，并且負(fù)反饋還有對(duì)相應(yīng)的輸出量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)作用。根據(jù)閉環(huán)增益方程求對(duì)的導(dǎo)數(shù)，得 即微分 閉環(huán)增益的相對(duì)變化量為 上式表明，負(fù)反饋的引入使放大器的放大倍數(shù)穩(wěn)定性提高到了倍，而且負(fù)反饋越深，穩(wěn)定性越高。輸入信號(hào)加在集成運(yùn)放同相輸入斷的電路稱(chēng)為同相比例運(yùn)算電路，在紅外接收驅(qū)動(dòng)電路中就采用同相比例運(yùn)算進(jìn)行兩級(jí)放大。下面對(duì)同相比例運(yùn)算電路進(jìn)行定量分析： 圖6由圖6可知而 所以 整理得 式子表明，輸出電壓與輸入電壓之間存在著比例運(yùn)算關(guān)系，比例系數(shù)由與的值決定。與集成運(yùn)放本身的參數(shù)無(wú)關(guān)。 因?yàn)檩斎攵送ㄟ^(guò)集成運(yùn)放的輸入電阻接地，故同相比例運(yùn)算電路的輸入電阻很大，的大小對(duì)信號(hào)源影響不大，但如果太小，當(dāng)很小時(shí)，會(huì)影響輸出電壓。 若要獲得閉環(huán)電壓放大倍數(shù)，由電壓放大倍數(shù)定義可得： 若 則 即輸出電壓與輸入電壓相等，相位相同，此時(shí)同相比例運(yùn)算電路稱(chēng)為電壓跟隨器。 RS485通訊（1）電路組成：在可移動(dòng)機(jī)器人紅外測(cè)距系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中, 通信傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)的RS485計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)串行通信方式，通過(guò)串口按一定的通信協(xié)議接收來(lái)自計(jì)算機(jī)串口RS485的信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后按一定的規(guī)律傳送到顯示屏上顯示。ATmega16單片機(jī)通過(guò)RS485通訊系統(tǒng)將紅外發(fā)射與紅外接收等信息傳送給上位機(jī)，同時(shí)上位機(jī)的控制信息通過(guò)下行鏈路發(fā)送給主控板。RS485通訊接口如圖7所示:圖7 RS485通訊（2）電路工作原理介紹: RS485通訊在應(yīng)用過(guò)程中,采取命令控制字格式與數(shù)據(jù)傳輸格式兩種合理化建議控制格式。1)命令控制字格式“命令控制字”主要用于上位機(jī)對(duì)采集模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,工作方式設(shè)置以及一些必要的命令。命令控制字格式如表1所示:2)數(shù)據(jù)傳輸格式表1　命令控制字格式幀頭命令字命令字反碼0x7eCommandCommand_V通訊格式為定長(zhǎng)命令,即傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容字節(jié)數(shù)為固定長(zhǎng)度(22Bytes) 。格式如下:表2　數(shù)據(jù)傳輸格式幀頭B0BBB3B4—B11B12—B19校驗(yàn)B20幀尾B210xfe傳感器狀態(tài)超聲波距離紅外距離BBB3異或0xfc　　B1對(duì)應(yīng)超聲波傳感器狀態(tài), B2對(duì)應(yīng)紅外傳感器狀態(tài),B3對(duì)應(yīng)碰撞開(kāi)關(guān)狀態(tài)。a)通信方式 字串5 考慮到紅外光反射的原因，在全雙工方式下發(fā)送的信號(hào)也可能會(huì)被本身接收，因此紅外通信需采用異步半雙工方式，即通信的某一方發(fā)送和接收是交替進(jìn)行的。這里設(shè)置單片機(jī)的串行口采用方式3通信；通信的數(shù)據(jù)格式為每幀11位，包括1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位奇偶校驗(yàn)位和1位停止位；片內(nèi)定時(shí)器T1作為波特率發(fā)生器，選擇傳送的波特率為1200bps，則定時(shí)器T1的初值應(yīng)設(shè)置為T(mén)L1=TH1=E8H，另外應(yīng)禁止定時(shí)器T1中斷，以免因定時(shí)器T1溢出而產(chǎn)生不必要的中斷。 b)通信協(xié)議 字串9進(jìn)行紅外通信之前，通信雙方首先要根據(jù)系統(tǒng)的功能要求制訂某種特定的通信協(xié)議，然后才能編寫(xiě)相應(yīng)的通信程序。(3) RS485介紹RS485是一種低成本、易操作的通信系統(tǒng)，RS485總線收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅(qū)動(dòng)器將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)輸出；在接收端，接收器將差分信號(hào)變成TTL電平，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測(cè)低達(dá)200mV的電壓，故數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)千米以外。RS485總線采用二線方式，為保持總線平衡傳輸需要在傳輸線兩端并接一個(gè)電阻。 由于RS485無(wú)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，協(xié)議應(yīng)自定義，RS485總線的協(xié)議制定和軟件編程對(duì)系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃杂泻艽笥绊憽Ａ硗釸S485總線是異步半雙工的通信總線，在某一個(gè)時(shí)刻，總線只能呈現(xiàn)一種狀態(tài)，所以這種方式一般適用于主機(jī)對(duì)分機(jī)的查詢方式通信，總線上必然有一臺(tái)始終處于主機(jī)地位的設(shè)備在巡檢其它的分機(jī)。因此采用RS485總線連接的多個(gè)站點(diǎn)，任意時(shí)刻只能有一個(gè)站點(diǎn)在“說(shuō)”，其它站點(diǎn)只能處于“聽(tīng)”狀態(tài)。如果有多于1個(gè)的站點(diǎn)在“說(shuō)”，數(shù)據(jù)將在通信總線上碰撞，結(jié)果使處于接收狀態(tài)的站點(diǎn)收不到正確的數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，對(duì)每個(gè)字節(jié)進(jìn)行校驗(yàn)的同時(shí)，應(yīng)盡量減少特征字和校驗(yàn)字。所以需要制定一套合理的通信協(xié)議來(lái)協(xié)調(diào)總線的分時(shí)共用。這里采用的是數(shù)據(jù)包通信方式，通信數(shù)據(jù)是一幀或一包地發(fā)送，每包數(shù)據(jù)都有引導(dǎo)碼、長(zhǎng)度碼、地址碼、命令碼、內(nèi)容、校驗(yàn)碼等部分組成。其中引導(dǎo)碼是用于同步每一包數(shù)據(jù)的引導(dǎo)頭；長(zhǎng)度碼是這一包數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度；命令碼是主機(jī)對(duì)分機(jī)(或分機(jī)應(yīng)答主機(jī))的控制命令；地址碼是分機(jī)的本機(jī)地址號(hào)；“內(nèi)容”是這一包數(shù)據(jù)里的各種信息；校驗(yàn)碼是這一包數(shù)據(jù)的校驗(yàn)標(biāo)志，采用和校驗(yàn)方式。 為了可靠的工作，在RS485總線狀態(tài)切換時(shí)需要做適當(dāng)延時(shí)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。具體的做法是在數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)下，先將控制端置“1”，延時(shí)lms左右的時(shí)間，再發(fā)送有效的數(shù)據(jù)，一包數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后再延時(shí)lms后，將控制端置“0”。這樣的處理會(huì)使總線在狀態(tài)切換時(shí)，有一個(gè)穩(wěn)定的工作過(guò)程。通訊速率快慢在我們通訊系統(tǒng)中是以波特率的高低來(lái)衡量。在選擇通訊系統(tǒng)時(shí)我們選擇的原則是：距離短可以選擇較高的波特率，距離長(zhǎng)則選擇較低的波特率。當(dāng)我們選擇較低的波特率時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)比正常速度（同樣波特率相比較）慢得多，很可能線路已受到干擾，數(shù)據(jù)校驗(yàn)經(jīng)常出錯(cuò)，不斷重傳，造成通訊速度特慢，此時(shí)應(yīng)檢查網(wǎng)絡(luò)是否采取本文所提到的抗干擾措施，同時(shí)還可以采取提高通訊波特率的方法，以快速通過(guò)線路的方式，減少干擾的影響。 RS485是采用平衡式（差分式）線路，對(duì)同時(shí)出現(xiàn)在兩條信號(hào)線DATA+和DATA的干擾有較強(qiáng)的抑制能力，當(dāng)兩條線絞在一起時(shí)，對(duì)通訊各種分布參數(shù)耦合過(guò)來(lái)的干擾信號(hào)則可平均地分配到這兩條線上，因此對(duì)RS485的平衡式線路而言，用雙絞線可獲得抗干擾能力。因此，建議采用無(wú)屏蔽的雙絞線，如果有條件可采用屏蔽雙絞線，但屏蔽線兩端要接好地，才有屏蔽效果。如果距離較短，可采用一般的電話線。如果線中有多股雙絞線，應(yīng)采用其中一對(duì)雙絞線；如果距離較長(zhǎng)時(shí)，網(wǎng)線的電阻不容忽視，網(wǎng)線存在的電阻會(huì)使信號(hào)衰減，降低網(wǎng)絡(luò)通訊的可靠性。因此距離較長(zhǎng)，應(yīng)選用銅芯較粗的絞線，理論上講一根線兩端電阻不應(yīng)超80Ω。 （1） 電路組成：報(bào)警電路將揚(yáng)聲器接于PNP三極管的發(fā)射極，在基極與集電極之間接有一個(gè)10K電感，基極電感為1K。電路如圖8所示：圖8 報(bào)警電路（2）電路工作原理：紅外接收傳感器接收到反射回來(lái)的紅外光，通過(guò)光強(qiáng)轉(zhuǎn)換的電壓可判斷出可移動(dòng)機(jī)器人與障礙物之間的距離，當(dāng)可移動(dòng)機(jī)器人與障礙物之間的距離到達(dá)危險(xiǎn)距離時(shí)，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，由Atmega16單片機(jī)給報(bào)警電路的輸入口輸出一個(gè)電壓信號(hào)，這時(shí)PNP三極管導(dǎo)通，有電流流過(guò)揚(yáng)聲器，使揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 鍵盤(pán)(1)電路組成:我們將鍵盤(pán)設(shè)定為對(duì)下載數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)位,所以鍵盤(pán)輸入單元采用獨(dú)立式鍵盤(pán)，由3個(gè)按鍵組成，其中兩個(gè)按鍵與Atmega16芯片的PBPB6口相接，另一個(gè)按鍵與Atmega16芯片的RESET口相接。電路如圖9所示：圖9 鍵盤(pán)（2）電路工作原理：鍵盤(pán)在下載出現(xiàn)問(wèn)題或芯片需要復(fù)位時(shí)，可通過(guò)程序設(shè)定進(jìn)行復(fù)位。 電源 1電路組成：該穩(wěn)壓電源由變壓電路、整流電路、濾波