【文章內(nèi)容簡介】 時，我們需要提前探知其前 方是否存在障礙物，這樣就可以在行進過程中，自動選擇遠離障礙物的路線。在避障模塊的選擇時，有兩種選擇，一種是使用紅外避障，還有一種是超聲波避障。紅外避障是通過發(fā)射和接收光信號，在通過一系列的轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，來判斷前方障礙物。這種方式容易受到其他光的干擾，使得檢測結(jié)果不準確。而且由于其光束比較集中，在探測時其探測的區(qū)間較小，可能會造成避障不成功。超聲波避障則是利用聲波信號遇到障礙物返回，測量其間隔時間來進行避障的。超聲波的測量范圍很廣，可以測量方向、距離等。測量距離可以采用主動測距法和被動測距法：被動測距法是 傳感器只有接受信號的功能，包括方位法和視差法；主動測距法是傳感器既發(fā)射信號又接收信號，包括 TOF 法、脈沖回波法、FMCW 法等。聲波在傳遞過程中，是發(fā)散形式的，可以大角度的檢測，這樣就可以保證不會存在死角。而且聲波的使用也比較廣泛，像雷達探測，金屬探傷等。 本小車采用了 HCSR04 超聲波避障模塊（如圖 5 所示），在其性能方面，有比較好的探測距離和角度。采用 I/O 口 TRIG 觸發(fā)測距，利用接收到信號后的電平差，來進行信號控制，從而選擇驅(qū)動小車兩個輪子來進行避障。模塊由 5V 電壓供電，接入端為 VCC 口， TRIG 為觸 發(fā)控制信號輸入口，回響信號則由端口 ECHO 進行輸出。 圖 5 HCSR04 超聲波模塊 8 圖 6 超聲波脈沖響應(yīng)時序圖 表 1 HCSR 電氣參數(shù) 電氣參數(shù) HCSR04 超聲波模塊 工作電壓 DC 5V 工作電流 15mA 工作頻率 40Hz 最遠射程 4m 最近射程 2cm 測量角度 15 度 輸入觸發(fā)信號 10uS 的 TTL 脈沖 輸出回響信號 輸出 TTL 電平信號，與射程成比例 規(guī)格尺寸 45*20*15mm 控制系統(tǒng)模塊 在本小車設(shè)計的控制系統(tǒng)中，我們 采用 STC 公司生產(chǎn)的一款單片機STC89C52。由于在小車的整個運行過程中，其需要處理的數(shù)據(jù)比較多，在驅(qū)動電機時，就需要通過單片機的 I/O 口來輸出控制信號，使得小車實現(xiàn)前進、后退以及轉(zhuǎn)彎等功能。在小車運動過程中，還需要接收很多的控制信號，像循跡信號、超聲波信號等。這樣就可以實現(xiàn)小車的速度控制、循跡行駛以及躲避障礙物等功能。 STC89C52 單片機（如圖 7 所示）有 40 個 I/O 口，其中 P0、 P P P3為并行 I/O 口。芯片時鐘的產(chǎn)生有兩種，內(nèi)部時鐘和外部時鐘，而內(nèi)部時鐘就是通過單片機引腳 XTAL1 和 XTAL2 外界晶振得到的。還有多個中斷源及優(yōu)先級等，可以對程序執(zhí)行功能的優(yōu)先進行區(qū)分，通過中斷來進行高優(yōu)先級的指令。 52 單片機是 8 位單片機，擁有 8K 字節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM，內(nèi)置4KB EEPROM，以及復(fù)位電路等。在單片機的 4 個并行 I/O 口中， P0 與 PP1 與 P2 擁有相似的功能，除了 P1 口是單功能口外，其余都為雙功能口。 9 圖 7 51 單片機引腳圖 電源選擇 在小車電源選擇時，我們需要特別注意，因為系統(tǒng)單片機的額定工作電壓為 5V。對于電機來說，用 5V 驅(qū)動又不能讓小車行駛，而過高的電壓可能會使系統(tǒng)芯片燒壞。因此，我們需要通過計算得到小車的可允許電壓電流范圍，一般采用 9V~12V 為好，本小車采用 9V 供電。這樣既可以保證電機驅(qū)動所需電壓，又不會因為電壓過大而造成元器件的燒壞。 10 第 3 章 硬件電路設(shè)計 總體設(shè)計 圖 8 小車總體框架圖 小車的整體系統(tǒng)（如圖 8 所示）是以 51 單片 機為 CPU，通過紅外對管來進行黑線檢測循跡行走，通過超聲波探測器進行障礙物感知，進行避障功能實現(xiàn)，通過驅(qū)動模塊來實現(xiàn)電機的驅(qū)動，從而達到小車的運動。 系統(tǒng)電路圖見附錄 1： 電源電路設(shè)計 在小車的電源系統(tǒng)，采用 9V 直流供電，為了防止在誤操作時接入過高的電流使整個電路燒毀，一般會在電路中接入防擊穿電容。 圖 9 小車電源電路 11 驅(qū)動電路設(shè)計 圖 10 驅(qū)動電路框架圖 在驅(qū)動電路部分設(shè)計時，我們要考慮的是驅(qū)動芯片的選擇，一般是在L298N 和 L293D 這兩 款芯片中選擇。對于 L298N 芯片，是使用的 15 腳直插式封裝模式，具有四通道驅(qū)動邏輯電路，可以很方便的驅(qū)動兩個電機。而且它的工作電壓以及單通道輸出電流都比較高，一般可達到 46V 和 2A。 L293D 在功能上和 L298N 基本一樣，但是它的工作電壓和通道電流都相比于 L298N 要小，其采用的是直插式 16 腳 SOIC20 封裝模式。所以，在應(yīng)用時，一般使用 L298N 而不采用 L293D，從經(jīng)濟方面來考慮， L298N 也更具有優(yōu)勢。 L298N輸出電壓的方式有兩種，一種是直接通過電源的調(diào)節(jié)來進行電壓輸出；另一種就是直接使用單片機上 的輸入輸出口提供電壓信號。 圖 11 L298N 引腳圖 12 小車采用兩輪驅(qū)動，使用 L298N 芯片組成的電路來驅(qū)動電機，驅(qū)動電路中，采用 7805 穩(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓。由于電機驅(qū)動所需要的電壓很大，因此使用 9V 電壓直接通過驅(qū)動芯片供電。通過八個 LED 燈來分別顯示每個車輪的轉(zhuǎn)動方向。 圖 12 電機驅(qū)動電路 該驅(qū)動芯片可驅(qū)動 2 路直流電機，使能端 ENA、 ENB 為高電平時有效，控制方式及直流電機狀態(tài)表如下所示。如果 PWM 直流電機的速度控制，需要設(shè)置 IN1 和 IN2，確定電機的旋轉(zhuǎn)方向，并使輸出 PWM 脈沖，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。請注意，當(dāng)使能信號是 0，電動機自由停止?fàn)顟B(tài)；若使能 ENA 信號為1，并且 IN1 和 IN2 都為 00 或 11 時，電機處于制動狀態(tài)。 表 2 L298N 驅(qū)動狀態(tài)表 ENA IN1 IN2 直流電機狀態(tài) 0 X X 停止 1 0 0 制動 1 0 1 正轉(zhuǎn) 1 1 0 反轉(zhuǎn) 1 1 1 制動 13 7805（如圖 13 所示）作為穩(wěn)壓芯片，在我們?nèi)粘Ｊ褂弥?，是使用最廣泛的。并且使用起來很簡單、很方便，只要簡單的接入電路中，給它一個穩(wěn)定的直流電壓源即可。 7805 一共有三個引腳，引腳 1 是 INPUT 即為整流器輸入電壓，引腳 2 為 GND，公共接地端，引腳 3 是 OUTPUT 輸出穩(wěn)壓后的 5V電壓 . 圖 13 LM7805 引腳圖 循 跡部分電路 圖 14 循跡模塊框架 在進行小車循跡電路設(shè)計時，我們要考慮到當(dāng)紅外對管檢測到黑線以后，如何進行下一步操作。首先將紅外對管接收的光信號轉(zhuǎn)化為電流信號，再將模擬電流信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。在這里我們就可以使用電壓比較器，進行電壓比較，來確定檢測到的黑線在哪一邊，再通過控制電機的轉(zhuǎn)動來驅(qū)動小車循著黑線行駛。一般常用的電壓比較器芯片為 LM339 和 LM393，其中LM339 為四電壓比較器，而 LM393 為雙電壓比較器。由于我們采用五個紅外對管進行黑線檢測，所以使用了一個 LM339 和一個 LM393。 14 圖 15 循跡模塊電路 避障部分電路 圖 16 超聲波模塊框架圖 15 在小車避障時，我們選用超聲波避障模塊，主要是因為其在進行檢測時，受到外界干擾較少，檢測距離相對較遠，可以多角度多范圍的進行檢測，這樣可以減少避障失敗的可能。超聲波電路主要由一個聲波發(fā)射口，一個聲波接收口以及 MAX232 和 EM78P153 組成。其中 MAX232 該產(chǎn)品是一款兼容 RS232標準的芯片， EM78P153 是采用高速 CMOS 工藝制造的 8 位單片機芯片。 通過揚聲器 T 發(fā)出的超聲波，如果遇到障礙物返回后，被傳感器接 收到。通過各級三極管放大電路，將所得信號放大。放大信號被傳送到 EM89P153單片機，通過處理，得到所需要的數(shù)字信號。然后再通過通信接口芯片MAX232，與 STC89C52 單片機通信，將信號傳到 52 單片機。最后通過 52 單片機的處理，得到小車避障所需的控制信息。 圖 17 超聲波檢測電路 MAX232 為 16 腳直插式封裝芯片，其主要的作用是來進行電平轉(zhuǎn)換。其內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)可分為三部分：由端口 1— 6 以及四個電容構(gòu)成的電荷泵電路，由引腳 714 組成的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道電路以及供電電路，一般可以產(chǎn)生 12V 和+12V 兩種電壓。 EM89P153 單片機芯片，其內(nèi)部有 512*13 位一次性的 ROM，程序代碼可以通過 EM下載到 EM89P153芯片中。工作電壓范圍為 ；片內(nèi)有 4MHz校準 RC 振蕩器；振蕩器起振時間預(yù)分頻系數(shù)可編程；片內(nèi)可按位編程；兩個雙向 I/O 口； 5 級堆棧； 3 個中斷源，外部中斷，輸出引腳狀態(tài)變化中斷，TCC 溢出中斷； 8 位實時定時 /計數(shù)器（ TCC）；每個指令周期為兩個時鐘周期。 16 主控電路設(shè)計 小車的主控電路是以 52 單片機作為控制芯片，結(jié)合復(fù)位電路、晶振電路來控制整個系統(tǒng)的運行。在電路中，我們 一般使用的晶振位 12MHz，這樣的話，單片機的每一個機器周期為 1uS，這樣在利用單片機時鐘進行計時時，比較方便。 圖 18 最小單片機系統(tǒng) 17 第 4章 程序設(shè)計 主程序設(shè)計概述 在小車整體設(shè)計過程中，不僅有著大量的硬件電路設(shè)計，更多的是對于系統(tǒng)軟件的分析設(shè)計。因為在硬件電路搭建完以后，只有通過軟件程序的控制，才可以讓小車按照設(shè)想的運行路徑進行行駛，達到所需要的功能。由于小車整體功能比較多，如果在最開始程序設(shè)計時就進行整體設(shè)計的話，無疑會對整個設(shè)計工作帶來困難，而且在設(shè)計完成后進行運行調(diào)試時 ，也會造成困難。因此，我在設(shè)計程序時，采用了模塊化設(shè)計，即先對每一個部分子功能模塊進行設(shè)計，在驗證各個功能程序的完整性以及正確性以后，再把各個子程序組合成一個完整的程序。 主程序流程圖 圖 19 系統(tǒng)程序流程圖 18 驅(qū)動程序流程圖 圖 20 驅(qū)動程序流程圖 循跡程序流程圖 圖 21 循跡程序流程圖 19 避障程序流程圖 圖 22 避障程序流程圖 20 第 5章 制作安裝與調(diào)試 小車的安裝 在小車各個部分的電路 焊接完成后，我們就開始對小車進行整體組裝。利用購買的高強度塑料制成的模型作為小車的車體，然后分別將各模塊按照功能安裝固定好。紅外循跡模塊固定在車體底部，因為其作用是來檢測地面黑線存在，而且其工作距離也有一定限制，所以不能放在離地面太高的地方。超聲波探測模塊則應(yīng)該置于小車正前方，其目的主要是用來發(fā)現(xiàn)前方障礙物，其安裝高度要合適。對于驅(qū)動模塊和最小單片機系統(tǒng)，安裝在小車正中間，因為其要與各模塊之間進行連接。供電電源則放在小車車尾，這樣有利于小車整體重量的均勻分布，也可以在進行充電時，更加方便拆裝。 小車 運動模式調(diào)試 對小車的左右轉(zhuǎn)彎進行調(diào)試時，可以在程序里給定每個電機引腳信號，看小車的轉(zhuǎn)動是否滿足所設(shè)定的方向。通過調(diào)試可知，小車的運動方向與初始設(shè)置相同，能夠?qū)崿F(xiàn)。 圖 23 小車驅(qū)動調(diào)試圖 21 為了便于明確知道小車電機轉(zhuǎn)向的控制信號，表 3 給出了每個 I/O 的控制信號，通過對其進行不同的改變，可以選擇在不同情況下電機的各種運動狀態(tài)，從而得到小車行駛的數(shù)據(jù)。 表 3 運動調(diào)試結(jié)果 I/O 口 結(jié)果 輸入電平 1 0 1 0 直線前進 1 0 0 1 右 轉(zhuǎn)彎 0 1 1 0 左轉(zhuǎn)彎 0 1 0 1 后退 1 1 1 1 停止 小車循跡調(diào)試 小車的循跡是通過五路紅外對管實現(xiàn)，當(dāng)左側(cè)檢測到有黑線時，左側(cè) LED指示燈會亮（圖 24），當(dāng)右側(cè)指示燈亮?xí)r，那么小車檢測到的黑線在右側(cè)