【文章內(nèi)容簡介】 月球成功發(fā)射了兩次無 人巡游探測器。 1997 年 由美國JPL( 全稱 JetPropulsion Laboratory 美國太空總署噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室 ) 研制的Sojourner 號探測車登上了火星。它驗(yàn)證了小型火星車的性能 并完成了一系列技術(shù)試驗(yàn)。 2020 年 1 月 美國的“勇氣號”和“機(jī)遇號”火星探測車再度登陸火星。前蘇聯(lián)在 19591976 年間 總共成功發(fā)射了兩個(gè)月球探測車 。 智能小車不僅僅在科研上有發(fā)揮之地，其 主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個(gè)方面 : (1) 軍事偵察與環(huán)境探測 現(xiàn)代戰(zhàn)爭對軍事偵察提出了更高的要求 世界各國普遍重視對軍事偵察的建設(shè)采取各種有 效措施預(yù)防敵方的突然襲擊并廣泛應(yīng)用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)不斷研制多用途的偵察器材和探測設(shè)備在車上裝備攝像機(jī)、安全激光測距儀、夜視裝置和衛(wèi)星全球定位儀等設(shè)備通過光纜操縱完成偵察和監(jiān)視敵情、情報(bào)收集、目標(biāo)搜索和自 主巡邏等任務(wù) 進(jìn)一步擴(kuò)大偵察的范圍提高偵察的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。 (2) 探測危險(xiǎn)與排除險(xiǎn)情 在戰(zhàn)場上或工程中 常常會遇到各種各樣的意外。這時(shí) 智能化探測小車就會發(fā)揮很好的作用。戰(zhàn)場上可以使用智能車輛掃除路邊炸彈、尋找和銷毀地雷。民 3 用方面可以探測化學(xué)泄漏物質(zhì)可以進(jìn)行地鐵滅火以及在強(qiáng)烈地震發(fā)生后到廢墟中尋找被埋人員等。 (3) 安全檢測受損評估 在工程建設(shè)領(lǐng)域 可對高速公路自動 尋 跡進(jìn)行道路質(zhì)量檢測和破壞分析檢測 。對水庫堤壩、海岸護(hù)岸堤、江河大壩進(jìn)行質(zhì)量和安全性檢測。在制造領(lǐng)域 可用于工業(yè)管道中機(jī)械損傷裂 紋等缺陷的探尋 對輸油和輸氣管線的泄漏和破損點(diǎn)的查找和定位等。 (4) 智能家居 在 家庭中 可以用智能小車進(jìn)行家具、遠(yuǎn)程控制家中的家用電器控制室溫等 。 課題研究的目的和意義 智能小車作為機(jī)器人的典型代表。它可以分為三大組成 部分 ： 傳感器檢測部分、執(zhí)行部分、 CPU。 其中最基本的 尋跡 功能的 實(shí)現(xiàn)就必須要感知導(dǎo)引線，感知導(dǎo)引線相 當(dāng)給機(jī)器人一個(gè)視覺功能。使用傳感器感知 線 路使小車實(shí)現(xiàn)自動識別路線，快速到達(dá)指定地點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)的尋 跡 小車?yán)?ATmega8 單片機(jī)為控制核心，通過傳感器對路面黑色軌跡進(jìn)行檢測，并將路面檢測信號通過 ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。單片機(jī)對采集到的信號予以分析判斷，及時(shí)控制直流電機(jī)不同的轉(zhuǎn)動狀態(tài) ,通過小車的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以調(diào)整小車的轉(zhuǎn)向，使小車達(dá)到沿著既定軌道行駛。 本設(shè)計(jì)用到的 ATmega8單片機(jī)。它是一款比較先進(jìn)的控制核心。 ATmega8 是一款采用低功耗 CMOS 工藝生產(chǎn)的基于 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的 8 位 單片機(jī) 。 AVR 單片機(jī)的核心是將 32 個(gè)工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結(jié)在一起，所有的工作寄存器都與 ALU（ 算術(shù)邏輯單元 ）直接相連，實(shí) 現(xiàn)了在一個(gè) 時(shí)鐘周期 內(nèi)執(zhí)行的一條指令同時(shí)訪問（讀寫）兩個(gè)獨(dú)立寄存器的操作。這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，使得大部分指令的執(zhí)行時(shí)間僅為一個(gè) 時(shí)鐘周期 。因此， ATmega8 可以達(dá)到接近1MIPS/MHz 的性能，運(yùn)行速度比普通 CISC 單片機(jī) 高出 10 倍。 這里的 尋跡 是指小車在黑色地板上循白線行走，通常采取的方法是紅外探測法。 紅外探測法即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)在小車行駛過程中不斷地向 地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā) 4 生漫反射反射光被裝在小車上的接收管接收，如果遇到黑線則紅外光被吸收小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限，一般不應(yīng)超過 3cm。 通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng) 培養(yǎng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力。在實(shí)踐過程中熟悉以單片機(jī)為核心控制芯片設(shè)計(jì)小車的檢測、驅(qū)動和顯示等外圍電路采用智能控制算法實(shí)現(xiàn)小車的智能循跡。靈活應(yīng)用機(jī)電等相關(guān)學(xué)科的理論知識聯(lián)系實(shí)際電路設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)方法達(dá)到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。在此過 程中加深對控制理論的理解和認(rèn)識 。 5 第二章 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案 任務(wù)要求 基于 ATmega8 單片機(jī)設(shè)計(jì)一智能 尋 跡小車。要求小車能按給定的黑線 自動尋找 軌跡 并按照軌跡平穩(wěn)的行駛。 實(shí)現(xiàn) 小車 自動 辨別黑 線行駛功能。 系統(tǒng)方案方框圖如圖 21 所示。 圖 21 系統(tǒng)方案方框圖 根據(jù)上述要求，本論文的主要工作內(nèi)容： （ 1）路面檢測模塊設(shè)計(jì)及實(shí)物傳感器的安裝 （ 2） ATmega8 主控芯片最小系統(tǒng)和下載電路設(shè)計(jì) （ 3） 直流電機(jī)的調(diào)速及 PID 跟蹤控制理論 設(shè)計(jì) 和軟件設(shè)計(jì) （ 1） 根據(jù)實(shí)物電路圖完成仿真電路圖設(shè)計(jì) （ 2） 軟件的總體設(shè)計(jì)及 ICC AVR 編程 （ 3） Proteus 仿真測試 理論及設(shè)計(jì)方案 驅(qū)動方面：尋跡小車采用后輪驅(qū)動，后輪左右兩邊各用一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動?？刂谱笥覂呻姍C(jī)的轉(zhuǎn)速以達(dá)到控制小車轉(zhuǎn)向的目的。為了讓小車能平穩(wěn)通過角度極端的彎道，在降低左電機(jī)速度，同時(shí)會給右電機(jī)加速。這種方式能更有效的控制小車轉(zhuǎn)向。 路面檢測方面： 本設(shè)計(jì)以白底黑線做為小車檢測基礎(chǔ)，小車由紅外線對管的檢測，按黑線循環(huán)行駛。由于 不同顏色的物體表面具 有不同的反射性質(zhì) ，紅外 探測 發(fā)射極向地面發(fā)射紅外線， 當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收 ；當(dāng) 黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到光電檢測 信息處理軟件控制 驅(qū)動電 機(jī) 控制小車 6 紅外光 。根據(jù)這種特點(diǎn)就可以檢測出小車的行駛軌跡。但由于 紅外探測器探測距離有限 和環(huán)境光線干擾會導(dǎo)致小車在檢測上帶來誤差。紅外探測距離可經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)得到最佳距離。環(huán)境光線帶來誤差可以靠軟件來避免。 系統(tǒng)總體框架 自動 尋 跡小車控制系統(tǒng)由主控制電路模塊 、 紅外檢測模塊 、 電機(jī)驅(qū)動模塊等部分組成 ,控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 22 所示 。 其工作原理是： 紅外檢測模 塊不斷 檢測 黑線 ，檢測到的紅外信號送到 ADC 轉(zhuǎn)換電路， ADC 轉(zhuǎn)化電路將轉(zhuǎn)換完的數(shù)字信號送到單片機(jī)， 單片機(jī)做出判斷并驅(qū)動 電機(jī)，來使尋線機(jī)器人可以自主的尋線行駛，自由轉(zhuǎn)彎。 圖 22 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)紅外檢測模塊 主控芯片 ATmega8 MUC 電機(jī)驅(qū)動模塊 7 第三章 主要元件 說明 與硬件設(shè)計(jì) 尋跡傳感器模塊 尋跡是 指小車在白色地板上循黑線行走， 由于黑線和白色地板對光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”。 通常采取的方法是紅外探測法。 即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn) ，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光過，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。由此過程可以判斷黑線的位置，從而單片機(jī)控制左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到尋跡行駛。 ITR8307 介紹 ITR8307 是一種光反射開關(guān)，其結(jié)構(gòu)包括一個(gè)材料為 GaAs(砷化鎵 )的紅外LED 發(fā)射機(jī)和一個(gè) NPN 晶體管的高敏紅外接收器。這個(gè)兩個(gè)組件并排封裝。可用于接收進(jìn)行短距離、大范圍的紅外線。 圖 31 外觀及內(nèi)部電路圖 ①：陰極 ②：陽極 ③：集電極 ④：發(fā)射極 尺寸單位： mm 8 ITR8307 的 輸入輸出及反應(yīng)速度參數(shù)如 31 表所示 表 31 ITR8307 參數(shù)表如下 傳感器電路圖 傳感器 ITR8307 是尋線的主要元件， PD0 接單片機(jī)。單片機(jī)控制 PD0 高低電平，從而控制紅外發(fā)射 LED 是否發(fā)射紅外光。 ADC0 接單片機(jī)。些端口的信號傳入單片機(jī)，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后，得到電壓值。根據(jù)電壓值判斷是否檢測到黑線。 電路圖如圖 32 所示： 參數(shù) 符號 基本 值 最大值 單位 條件 輸入 25℃標(biāo)準(zhǔn)大氣 壓下的功率 Pd 75 mW 正向電壓 VF V IF=20mA 反向電流 IR 10 mA VR=5V 峰值波長 λP 940 nm 輸出 暗電流 ICEO 100 nA VCE=10V CE 飽和電壓 VCE(sat) V IC=2mA IB= 速度 上升速度 tr 20 μsec VCE=2V IC=100μA RL=1KΩ 下降速度 tf 20 μsec 工作溫度 Topr 25 80 ℃ 焊接溫度 Tsol 260 ℃ 9 圖 32 傳感器 ITR8307 電路圖 傳感器的安裝 查閱 ITR8307 傳感器 規(guī)格書 ，圖 33 主 要 說明傳感器發(fā)射極電流與反射板距離關(guān)系。實(shí)驗(yàn)采用鋁板為反射板。從圖中可知傳感在距離 處，發(fā)射極電流比上集電極電流達(dá)到最高。但考慮到距離太過貼近，設(shè)計(jì)傳感器安裝距地面 2~3 mm。 圖 33 發(fā)射極電流與距離 d 關(guān)系圖 發(fā)射極電流與距離 d (mm)關(guān)系 發(fā)射極電流相對集電極電流百分比（%） IF=4mA VCE=2V Ta=25℃ 傳感 器距離鋁板 d (mm) 10 控制器模塊 ATmega8 介紹 ATmega8 是 ATMEL 公司在 2020 年第一季度推出的一款新型 AVR 高檔單片機(jī)。在 AVR 家族中， ATmega8 是一種非常特殊的單片機(jī)，它 的芯片內(nèi)部集成了較大 容量的存儲器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，具備 AVR 高檔單片機(jī) MEGE系列的全部性能和特點(diǎn)。但由于采用了小引腳封裝（為 PDIP 28和 TQFP/MLF32），所以其價(jià)格僅與低檔單片機(jī)相當(dāng)，再加上 AVR 單片機(jī)的系統(tǒng)內(nèi)可編程特性，使得無需購買昂貴的仿真器和編程器也可進(jìn)行單片機(jī) 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，同時(shí)也為單片機(jī)的初學(xué)者提供了非常方便和簡捷的學(xué)習(xí)開發(fā)環(huán)境。 ATmega8 引腳 如圖 34 所示 。 圖 34 ATmega8 PDIP 封裝引腳圖 11 ATmega8 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)及主要 性能 （ 1） 高性能、低功耗的 8 位 AVR 微控制器，先進(jìn)的 RISC 精簡指令集結(jié) 構(gòu) 130 條功能強(qiáng)大的指令，大多數(shù)為單時(shí)鐘周期指令 32 個(gè) 8 位通用工作寄存器 片內(nèi)集成硬件乘法器（執(zhí)行速度為 2 個(gè)時(shí)鐘周期） （ 2） 片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器以及工作存儲器 8K 字節(jié)的 Flash 程序存儲器，擦寫次數(shù)：＞ 10000 次 支持可在線編程（ ISP） 512 個(gè)字節(jié)的 E2PROM，擦寫次數(shù)： 100000 次 可編程的程序加密位 （ 3） 豐富強(qiáng)大的外部接口（ Peripheral）性能 2 個(gè)具有比較模式的帶預(yù)分頻器（ Separate Prescale）的 8 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1 個(gè)帶預(yù)分頻器 （ SeParat Prescale） 具有比較和捕獲模式的 16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器 2 個(gè) PWM 通道，可實(shí)現(xiàn)任意相位和頻率可調(diào)的 PWM 脈寬調(diào)制輸出 6 通道 A/D 轉(zhuǎn)換（ PDIP 封裝）， 4 路 10 位 A/D+2 路 8 位 A/D 帶片內(nèi) RC 振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器 片內(nèi)模擬比較器 （ 4） 特殊的微控制器性能 可控制的上電復(fù)位延時(shí)電路和可編程的欠電壓檢測電路 內(nèi)部集成了可選擇頻率（ l/2/4/8MHZ） 、可校準(zhǔn)的 RC 振蕩器 外部和內(nèi)部 的中斷源 18 個(gè) （ 5） I/O 口和封裝 最多 23 個(gè)可編程 I/O 口，可任意定義 I/O 的輸入 /輸出方向 輸出時(shí)為推挽輸出，驅(qū)動能力強(qiáng)，可直接驅(qū)動 LED 等大電流負(fù)載 輸入口可定義為三態(tài)輸入，可以設(shè)定帶內(nèi)部上拉電阻，省去外接上拉電阻 （ 6） 寬工作電壓 （ ATmega8） 12 主要 I/O 口分配 表 32 單片機(jī)的主要 I/O 分配如 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 接收由傳感器的信號 PD0 PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 控制傳感器紅外發(fā)射器的通斷電 PB1 PB2 輸出 PWM 波控制左右電機(jī)轉(zhuǎn)速 PC6 單片機(jī)復(fù)位 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路一般由晶振和電容組成。單片機(jī)必須在周期性的時(shí)鐘信號的作用下工作，如果沒有時(shí)鐘信號的限制，那單片機(jī)的工作就亂套。對于 ATmega8 單片機(jī)來說，它內(nèi)部有經(jīng)過校正的內(nèi)部 RC 振蕩器，所以在對時(shí)鐘精度要求不高的場合，我們可以省去時(shí)鐘電路。 下載電路 這里選用現(xiàn)在普遍的 ISP 下載線路。 ISP 接口使用 ATmega8 四個(gè)接口： MOSI RST SCK MISO 。連接單片機(jī)電路如 圖 35 所示 。 圖 35 ISP 下載電 路 13 復(fù)位電路 復(fù)位電路的作用：單片機(jī)復(fù)位電路就好比電腦的重啟部分，當(dāng)電腦在使用中出現(xiàn)死機(jī)，按下重啟按鈕電腦內(nèi)部的程序從頭開始執(zhí)行。單片機(jī)也一樣，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行中，受到環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時(shí)候，按下復(fù)位按鈕內(nèi)部的程序自動從頭開始執(zhí)行。 與傳統(tǒng)的 51 單片機(jī)相比， AVR 單片機(jī)內(nèi)置復(fù)位電路，并且在熔絲位里，可以控制復(fù)位時(shí)間，所以， AVR 單片機(jī)可以不設(shè)外部上電復(fù)位電路，依然可以正常復(fù)位，穩(wěn)定工作。 但要 注意， AVR 單片機(jī)是低電平復(fù)位。 復(fù)位電路 設(shè)計(jì)很簡單：直接拉一只 10K 的電阻到 VCC 即可 (R1)。為 了可靠，再加上一只 的電容 (C0)以消除干擾、雜波。 二極管 D1(1N4148)的作用有兩個(gè)：作用一是將復(fù)位輸入的最高電壓鉗在 Vcc+ 左右，另一作用是系統(tǒng)斷電時(shí)，將 R0(10K)電阻短路，讓 C0 快速放電，讓下一次來電時(shí)，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。 總的復(fù)位電路 如圖 36 所示 ： 圖 36 復(fù)位電路圖 電機(jī)驅(qū)動模塊 本設(shè)計(jì)使用 小 型直流電機(jī) 。 直流電機(jī)由 脈寬調(diào)制（ PWM） 調(diào)速， 其工作原理是：通過改變“接通脈沖”的寬度，使直流電機(jī)電樞上的電壓的“占空比”改變，從而改變電樞電壓的平均值，控制 電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，我們可以通過單片機(jī)， 14 生成固定頻率的脈沖信號，通過改變脈沖信號中的“占空比”來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖 37 中 Q1 和 Q2 為大功率三極管，直接控制直流電機(jī)的通斷電。 D7 和 D8 二極管為續(xù)流二極管， 其作用是在電機(jī)斷電時(shí)，由于電感的存在，電動機(jī)的電樞電流可通過續(xù)流二極管形成回路而繼續(xù)流動，因此盡管電壓呈脈動狀，而電流還是連續(xù)的。 電機(jī)脈寬調(diào)制（ PWM） 調(diào)速 控制圖，如圖 37 圖 37 PWM 控制電路圖 15 第四章 信息處理與程序設(shè)計(jì) 直流電機(jī)調(diào)速 脈寬調(diào)制 PWM 工作原理 脈寬調(diào)制 的全稱為： Pulse Width Modulator，簡稱 PWM，由于它的特殊性能，常被用于直流負(fù)載回路中、燈具調(diào)光或直流電動機(jī)調(diào)速。 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個(gè)具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。 PWM 信號仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有 (1)，要么完全無 (0)。電壓或電流源是以一種通 (1)或斷 (0)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被 斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進(jìn)行編碼。 脈寬調(diào)制（ PWM），控制方式就是采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，其工作原理是：通過改變“接通脈沖”的寬度，使直流電機(jī)電樞上的電壓