【文章內(nèi)容簡介】 設(shè)計方案單片機(jī)電路無線接收模塊超聲波避障模塊紅外測速模塊電源模塊直流電機(jī)電機(jī)驅(qū)動循跡傳感器L C D 顯示模塊防撞模塊圖 23 智能循跡小車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖智能循跡小車主要包括了 STC12C5A60S2 單片機(jī)主控電路模塊，TSL1401 線性CCD 循跡模塊， NRF24L01 無線接收模塊，超聲波 HC_SR04 避障模塊，紅外 ST188測速模塊，NOKIA5110 顯示模塊和 PNMOS 對管構(gòu)成的 H 橋電機(jī)驅(qū)動模塊等。主要工作原理是通過 TSL1401 線性 CCD 循跡模塊采集的黑線路經(jīng)或 NRF24L01無線接收模塊接收遙控器的數(shù)據(jù)，然后由 STC12C5A60S2 產(chǎn)生 PWM 來控制電機(jī)驅(qū)動模塊改變電機(jī)的工作狀態(tài)，最后實現(xiàn)小車循跡。 系統(tǒng)設(shè)計步驟1. 根據(jù)設(shè)計要求，確定控制方案。2. 利用 Altium Designer 設(shè)計合理的硬件原理圖。3. 畫出程序流程圖，使用 C 語言進(jìn)行編程。尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與制作74. 將各元件焊接在 PCB 板上，并將程序燒錄到單片機(jī)內(nèi)。5. 進(jìn)行調(diào)試以實現(xiàn)控制功能。 確定整體控制系統(tǒng)方案1. 主控使用 40 引腳的 STC12C5A60S2 單片機(jī)芯片，因為其內(nèi)部集成 10 位ADC、2 路 PWM 等，可以節(jié)省外圍設(shè)備。2. 整個系統(tǒng)由 、3V、5V 三種直流電供電。其中 電源是由直接提供的可充電電池供電，5V、 是通過 電池來實現(xiàn)的。3. 電機(jī)驅(qū)動模塊由 2 片 PMOS 管 IRF4905 和 2 片 NMOS 管 IRF3205 組成了一個H 橋，可以通過 PWM 來控制電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)。4. 路徑識別采用 TSL1401 線性 CCD，通過對賽道黑白的識別來控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向。5. 無線模塊采用 NRF24L01 來傳輸數(shù)據(jù)，從而可以通過遙控器控制小車。6. 避障模塊主要是通過超聲波 HC_SR04 測距，提前控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，避開障礙物。7. 速度檢測模塊由紅外對管 ST188 檢測后輪胎轉(zhuǎn)速，然后數(shù)據(jù)處理為速度并實時顯示在現(xiàn)實。8. 顯示模塊采用 NOKIA5110 通過 5 個普通 IO 口與單片機(jī)通信， 84x48 的點陣，可以顯示 4 行漢字，能充分滿足需求。尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與制作83 系統(tǒng)的硬件設(shè)計圖 31 系統(tǒng)總體原理圖 單片機(jī)電路 圖 32 STC12C5A60S2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)的簡介STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘 /機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代 8051 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)、H_uzet尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與制作98051，但速度快 812 倍。內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路，2 路 PWM，8 路高速 10位 A/D 轉(zhuǎn)換(250K/S，即 25 萬次/秒)，針對電機(jī)控制，強干擾場合。 單片機(jī)的主要特點1. 增強型 8051 CPU，1T，單時鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051；2. 通用 I/O 口（36/40/44 個） ，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/ 弱上拉（普通 8051 傳統(tǒng) I/O口）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，強推挽 /強上拉，僅為輸入/高阻，開漏每個 I/O 口驅(qū)動能力均可達(dá)到 20mA，但整個芯片最大不要超過 120mA；3. 內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路（外部晶體 12M 以下時，復(fù)位腳可直接 1K電阻到地） ；4. 時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，內(nèi)部 R/C 振蕩器(溫漂為177。5% 到177。10%以內(nèi))用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內(nèi)部 R/C 振蕩器還是外部晶體 /時鐘常溫下內(nèi)部 R/C 振蕩器頻率為： 單片機(jī)為：11MHz ～17MHz 單片機(jī)為：8MHz～12MHz5. 共 4 個 16 位定時器 兩個與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時器/計數(shù)器，16 位定時器 T0 和 T1，沒有定時器 2，但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器,再加上 2 路 PCA 模塊可再實現(xiàn) 2 個 16 位定時器；6. 3 個時鐘輸出口，可由 T0 的溢出在 ，可由 T1 的溢出 輸出時鐘，獨立波特率發(fā)生器可以在 口輸出時鐘；7. 外部中斷 I/O 口 7 路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的 PCA 模式，Power Down 模式可由外部中斷喚醒， INT0/,INT1/,T0/, T1/, RxD/,CCP0/(也可通過寄存器設(shè)置到 ), CCP1/(也可通過寄存器設(shè)置到 )；8. PWM（2 路）/ PCA（可編程計數(shù)器陣列 ,2 路） 也可用來當(dāng) 2 路 D/A 使用 也可用來再實現(xiàn) 2 個定時器 也可用來再實現(xiàn) 2 個外部中斷(上升沿中斷/ 下降沿中斷均可分別或同時支持) ；9. A/D 轉(zhuǎn)換, 10 位精度 ADC，共 8 路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá) 250K/S(每秒鐘 25 萬次)；尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與制作1010. 通用全雙工異步串行口(UART)，由于 STC12 系列是高速的 8051，可再用定時器或 PCA 軟件實現(xiàn)多串口；11. STC12C5A60S2 系列有雙串口，后綴有 S2 標(biāo)志的才有雙串口， RxD2/(可通過寄存器設(shè)置到 )，TxD2/(可通過寄存器設(shè)置到 )。 路徑檢測模塊 、OI圖 33 TSL1401 線性 CCD 循跡模塊路徑檢測模塊是智能車系統(tǒng)信號的輸入模塊主要檢測的賽道對道路偏離量，這些信息是小車沿賽道運行的信息基礎(chǔ)獲得更多、更遠(yuǎn)、更精確的塞到信息是提高車模運行速度的關(guān)鍵。所以，路徑檢測的好壞直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣。對于小車路徑信息的采集的方式如下所示：方案一：紅外傳感器的檢測方式，優(yōu)點：電路設(shè)計相對簡單、檢測速度信息快、調(diào)試簡單、成本低。缺點：道路參數(shù)檢測精度低、道路參數(shù)檢測種類少、傳感器的個數(shù)較多、檢測距離前瞻較短、耗電量較大。方案二：線陣 CCD 檢測方法，優(yōu)點：檢測前瞻距離大、檢測范圍寬、檢測道路參數(shù)較多。缺點：電路設(shè)計復(fù)雜、軟件計算量大、監(jiān)測信息更新速度快。綜上所述每個方案都有自己的優(yōu)缺點，綜合考慮線陣 CCD 檢測方法比較好，它能夠使檢測到的道路信息更加的精確，有利于小車的速度提高。 TSL1401 線性 CCD 簡介TSL1401 線性 CCD 傳感器陣列由一個 1281 的光電二極管陣列，相關(guān)的電荷放尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與制作11大器電路，和一個內(nèi)部的像素數(shù)據(jù)保持功能，它提供同時集成起始和停止時間所有像素。 該陣列是由 128 個像素，其中每一個具有光敏面積 3, 平方微米。 像素之間的間隔是 8 微米。 操作簡化內(nèi)部控制邏輯，需要只有一個串行輸入端(SI)的信號和時鐘。主要特點：1. 1281 個傳感器單元組織；2. 每英寸 400 點（DPI）傳感器間距；3. 高線性度和均勻度；4. 寬動態(tài)范圍：4000：1（72 分貝） ；5. 輸出參考地；6. 低圖像延遲：％典型值；7. 操作為 8MHz；8. 單 3V 到 5V 供應(yīng)；9. 軌到軌輸出擺幅（AO） ；10. 沒有外部負(fù)載電阻。 線性 CCD 的主要工作原理TSL1401CL 的核心是 128 個光電二極管組成的感光陣列，陣列后面有一排積分電容，光電二極管在光能量沖擊下產(chǎn)生光電流，構(gòu)成有源積分電路，那么積分電容就是用來存儲光能轉(zhuǎn)化后的電荷。積分電容存儲的電荷越多，說明前方對應(yīng)的那個感光二極管采集的光強越大。反映在像素點上就是，像素灰度低。光強接近飽和，像素點灰度趨近于全白，則呈白電平。模擬輸出(A0) 的電壓由公式 (31)給出： (31)Vout 是為白色狀態(tài)下的模擬輸出電壓；Vdrk 是黑暗條件下的模擬輸出電壓；Re 是器件的響應(yīng)性，對于給定的光的的波長在 ；Ee 是在 的時間輻照；Tint 為積分時間，以秒為單位。尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與制作12 環(huán)境光影響問題試驗表明 TSL1401 線性 CCD 的輸出信號和環(huán)境光線密切相關(guān)，在自然光條件比晚上燈光下 AO 引腳輸出電壓值高出很多，正對著光線比背著光線輸出電壓高，白熾燈光下比日光燈下輸出電壓高。因此，同一參數(shù)（曝光時間、鏡頭光圈）難以適應(yīng)各種環(huán)境，在光線較弱環(huán)境下的參數(shù)在強光下會出現(xiàn)輸出飽和，在較強光線下調(diào)節(jié)好的參數(shù)在弱光下輸出電壓過低，甚至處于截止?fàn)顟B(tài)。在智能車應(yīng)用中，白天自然光環(huán)境和晚上燈光環(huán)境、正對光和背光、不同的比賽場地之間都不能采用相同的曝光參數(shù)。與輸出電壓密切相關(guān)的參數(shù)是曝光量，曝光量取決于 CCD 模塊所采用的鏡頭光圈大小和程序所控制的曝光時間。智能車為適應(yīng)各種運行環(huán)境，必須實時感知環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境閉環(huán)調(diào)節(jié)曝光量，使得在不同環(huán)境中曝光量都處于一個合理的范圍，這樣才能保證在不同環(huán)境中 CCD 輸出電壓在合理范圍，以利于算法提取黑線信息。鏡頭相關(guān)參數(shù)一旦選定在智能車運行難以改變，曝光時間比較容易通過程序控制，因此比較容易實現(xiàn)的調(diào)整曝光量方法是通過軟件調(diào)整曝光時間。 無線模塊 、MOQJWB圖 34 NRF24L01 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊 無線 NRF24L01 簡介NRF24L01 是 NORDIC 公司最近生產(chǎn)的一款無線通信通信芯片，采用 FSK 調(diào)制，內(nèi)部集成 NORDIC 自己的 Enhanced Short Burst 協(xié)議。可以實現(xiàn)點對點或是 1 對 6 的無尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與制作13線通信。無線通信速度可以達(dá)到 2M(bps)。NORDIC 公司提供通信模塊的 GERBER 文件，可以直接加工生產(chǎn)。嵌入式工程師或是單片機(jī)愛好者只需要為單片機(jī)系統(tǒng)預(yù)留 5個 GPIO，1 個中斷輸入引腳，就可以很容易實現(xiàn)無線通信的功能，非常適合用來為MCU 系統(tǒng)構(gòu)建無線通信功能。主要特點：1. 全球開放 ISM 頻段，最大 0dBm 發(fā)射功率，免許可證使用； 低工作電壓：正常工作電壓 ～ ； 2. 高速率：最高 2Mbps，這樣使得信號空中停留時間極短，減小了無線碰撞的可能( 軟件設(shè)置 1Mbps 或者 2Mbps 的空中傳輸速率)； 3. 多頻點：125 頻點，可以應(yīng)用于多點通信以及跳頻的實現(xiàn)； 4. 超小型： 天線內(nèi)置，體積小巧，規(guī)格：15x29mm（包括天線） ；低功耗：快速的傳輸速率也降低了收發(fā)功耗；5. 很低的應(yīng)用成本：NRF24L01 集成了 RF。NRF24L01 應(yīng)用的是 SPI 接口，可以與單片機(jī)的 SPI 接口直接相連。沒有 SPI 接口的單片機(jī)可以利用單片機(jī)的 I/O口進(jìn)行模擬，內(nèi)部有 FIFO，用于數(shù)據(jù)緩存，因此 NRF24L01 可以與各種高低速微處理器接口，便于使用低成本單片機(jī)。 無線 NRF24L01 的工作原理NRF24L01 模塊的原理圖如圖 35 所示：尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與制作14圖 35 NRF24L01 模塊的原理圖從單片機(jī)控制的角度來看，我們只需要它的的六個控制和數(shù)據(jù)信號，分別為 CSN、 SCK、 MISO、MOSI、IRQ、CE。 CSN；芯片的片選線， CSN 為低電平芯片工作 。 SCK；芯片控制的時鐘線（SPI 時鐘）。 MISO：芯片控制數(shù)據(jù)線（Master input slave output）。 MOSI：芯片控制數(shù)據(jù)線（Master output slave input）。 IRQ：中斷信號。無線通信過程中 MCU 主要是通過 IRQ 與 NRF24L01 進(jìn)行通信。 CE：芯片的模式控制線。在 CSN 為低的情況下， CE 協(xié)同 NRF24L01 的 CONFIG 寄存器共同決定 NRF24L01 的狀態(tài)（掉電、發(fā)射、接收、待機(jī)Ⅰ、待機(jī)Ⅱ） 。發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先將 NRF24L01 配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點地址TX_ADDR 和有效數(shù)據(jù) TX_PLD 按照時序由 SPI 口寫入 NRF24L01 緩存區(qū)，TX_PLD必須在 CSN 為低時連續(xù)寫入，而 TX_ADDR 在發(fā)射時寫入一次即可，然后 CE 置為高電平并保持至少 10μs，延遲 130μs后發(fā)射數(shù)據(jù)。 若自動應(yīng)答開啟，那么 NRF24L01 在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號（自動應(yīng)答接收地址應(yīng)該與接收節(jié)點地址TX_ADDR 一致） 。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功，TX_DS 置高，同時 TX_PLD從 TX FIFO 中清除。若未收到應(yīng)答，則自動重新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動重發(fā)已開啟)，若重發(fā)次數(shù)(ARC)達(dá)到上限，MAX_RT 置高，TX FIFO 中數(shù)據(jù)保留以便在次重發(fā)。MAX_RT或 TX_DS 置高時，使 IRQ 變低，產(chǎn)生中斷，通知 MCU。最后發(fā)射成功時,若 CE 為低則 NRF24L01 進(jìn)入空閑模式 1。若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且 CE 為高，則進(jìn)入下一次發(fā)射。 若發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)且 CE 為高，則進(jìn)入空閑模式 2。接收數(shù)據(jù)時,首先將 NRF24L01 配置為接收模式，接著延遲 130μs 進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當(dāng)接收方檢測到有效的地址和 CRC 時，就將數(shù)據(jù)包存儲在 RX FIFO中，同時中斷標(biāo)志位 RX_DR 置高，IRQ 變低，產(chǎn)生中斷，通知 MCU 去取數(shù)據(jù)。若此時自動應(yīng)答開啟，接收方則同時進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號。最后接收成功時，若 CE變低，則 NRF24L01 進(jìn)入空閑模式 1。尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與制作15