【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 然后顯示百位數(shù)，這樣 一直循環(huán)下去，那么我們將會(huì)看到連續(xù)的數(shù)字顯示 ,輪流點(diǎn)亮掃描過程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上四位顯示器并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示而不會(huì)有閃爍感。 LED 數(shù)碼管與單片機(jī)連接電路如圖 3－ 7所示。 基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 13 圖 3－ 7 數(shù)碼管 與單片機(jī)連接圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 智能小車驅(qū)動(dòng)電機(jī) 的要求 控制電機(jī)是本次設(shè)計(jì)中的重要元件，如果控制電機(jī)的性能不佳或使用不當(dāng)，將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。智能小車控制系統(tǒng)中對(duì)控制電機(jī)要求其體積小、重量輕、耗電少，另外還要求其有高可靠性、高精度和快速響應(yīng)等特點(diǎn)，主要集中在以下幾個(gè)方面 ● 高可靠性?？刂齐姍C(jī)的可靠性對(duì)保證任何自動(dòng)控制系統(tǒng)的正常工作極為重要，一旦發(fā)生故障，將會(huì)直接導(dǎo)致本 次 設(shè)計(jì)的失敗。 ● 高精度。在本次設(shè)計(jì)中對(duì)電機(jī)的響應(yīng)精度要求較高，因?yàn)槲覀兯拥拿}沖寬度是毫秒級(jí)得，有時(shí)甚至是微秒級(jí)的。從廣義上而言，直流電機(jī)特性的線性度基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 14 和失靈區(qū)會(huì)直接影響到系統(tǒng)的精度。 ● 啟動(dòng)、停止和反向均能連續(xù)有效的進(jìn)行，具有良好的響應(yīng)特性。 ● 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)的特性相同，且運(yùn)行特性穩(wěn)定。 ● 良好的抗干擾能力、體積小、重量輕。 常用的控制電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)兩大類。步進(jìn)電機(jī)效率較低，功率較小，雖然近年來不斷有小體積大功率的步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)，但其價(jià)格昂貴， 因此在小車類控制中常用 的是直流電機(jī)。直流電機(jī)能夠?qū)⑤斎氲碾妷盒盘?hào)變成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，改變控制電壓即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，用途很廣泛，主要有如下優(yōu)點(diǎn) ： ● 寬廣的調(diào)速范圍。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠隨著控制電壓的改變?cè)趯拸V的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。 ● 線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。直流電機(jī)在控制電壓一定時(shí)，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的變化 而變化。轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，轉(zhuǎn)速則隨電壓的變化而線性調(diào)節(jié)。線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高自控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度。 ● 與步進(jìn)電機(jī)相比，小體積較易獲得大功率。 直流電機(jī)調(diào)速 原理 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 可以用下式表示： n=(UIR)/Kφ 其中 U為電樞端電壓， I 為電樞電流， R為電樞電路總電阻， φ 為每極磁通量， K為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制可分為勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，改變電樞電壓可通過多種途徑實(shí)現(xiàn)，其中 PWM(脈寬調(diào)制 )便是常用 的改變電樞電壓的一種調(diào)速方法。 PWM 調(diào)速控制的基本原理是按一個(gè)固定頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)接通和斷開的時(shí)間比 (占空比 )來改變直流電機(jī)電樞上電壓的 占空比 ，從而改變平均電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)其速度增加，電機(jī)斷電時(shí)其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。而且采用 PWM 技術(shù)構(gòu)成的無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)．啟停時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 15 無沖擊，并且具有啟動(dòng)功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。 設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為 Vmax，且設(shè)占空比為 D=t／ T，則電機(jī)的 平均速度 Vd 為： Vd=VmaxD 由公式可知，當(dāng)改變占空比 D=t／ T時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度 Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講，平均速度與占空比 D并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可將其近似地看成線性關(guān)系。 在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路中，PWM 信號(hào)由 單片機(jī)產(chǎn)生 ，驅(qū)動(dòng) L298N 的 H橋 左右兩邊的三極管 開關(guān)來改變直流電機(jī)電樞上平均電壓 的大小 ，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī) PWM 調(diào)速。 當(dāng)用單片機(jī) I/O 口輸出 PWM信號(hào)時(shí)，可采用以下三種方法： 利用軟件延時(shí)。當(dāng)高電平延時(shí)時(shí)間到時(shí)，對(duì) I/O 口電平取反變成低 電平，然后再延時(shí)；當(dāng)?shù)碗娖窖訒r(shí)到時(shí)，再對(duì) I/O 口電平取反，如此循環(huán)就可得到 PWM信號(hào)。 利用定時(shí)器?？刂品椒ㄏ嗤皇窃谶@里利用單片機(jī)定時(shí)器來定時(shí)進(jìn)行高低電平的翻轉(zhuǎn)，而不用軟件延時(shí)。 利用單片機(jī) 單片機(jī) 自帶的 PWM 控制器。 但 本實(shí)驗(yàn)用的 STC89C52并沒有 PWM控制器，所以采用定時(shí)器產(chǎn)生 PWM 信號(hào)。 L298N 雙 H 橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 簡(jiǎn)介 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要功能是將主控芯片發(fā)出的信號(hào)通過電機(jī)控制芯片轉(zhuǎn)化為小車實(shí)際的動(dòng)作。本設(shè)計(jì)中采用的電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片 L298N。 L298N 是歐洲著名的SGS 公司的產(chǎn)品 ，為單塊集成電路、高電壓、高電流、四通道驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)用來接收 DTL 或者 TTL 邏輯電平，驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載 (比如繼電器，直流電機(jī) )，和開關(guān)電源晶體管。 L298N 芯片有一個(gè)電源引腳 VCC 和接地引腳 GND。四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)引腳和四個(gè) PWM 波控制引腳。 VCC 引腳可以接 +12V 電源用來給芯片和電動(dòng)機(jī)供電。還可從板內(nèi)?。?5V 電壓用來給單片機(jī)部分供電。 可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速、啟動(dòng)性能好 、 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大 、 可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī) 。 L298N 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物如圖 38所示： 基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 16 圖 38 L298N 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物 其 原理圖 如圖 39 所示 。 . 圖 39 L298N 原理圖 圖 直流電機(jī)由驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的電壓和電流，通過改變加在電動(dòng)機(jī)上的電壓的平均值來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。 L298N 可直接的對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，無須隔離電路。由于需要驅(qū)動(dòng)電路在接收到單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)時(shí)就能立即做出動(dòng)作因此使能端既 ENA、 ENB 引腳直接 +5v，即讓電機(jī)直使能。通過單片機(jī)基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 17 的 I/0 輸入芯片控制端的電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)、停止的操作，表 31是其輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系。操作非常方便，能滿足直流減速電機(jī)的大電流 要求。 L298N 是雙 H橋驅(qū)動(dòng)芯片，包含兩個(gè) H橋電路。每個(gè) H 橋電路原理大體如圖 310所示： 圖 310 H橋電路圖 表 31輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系 IN1(IN3) IN2(IN4) 電機(jī)運(yùn)行情況 1 0 正轉(zhuǎn) 0 1 反轉(zhuǎn) 1 1 剎車 0 0 停止 若 H 橋的 1端為低電平， 2端為高電平時(shí)，三極管 Q4導(dǎo)通， Q1 截止，此時(shí)Q3 的基極為低電平， Q2 的基極為高電平，因此三極管 Q2 和 Q6 導(dǎo)通， Q3 和 Q5截止，電流流向如圖 311所示，電機(jī)正轉(zhuǎn)。 基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 18 圖 311 電機(jī)正轉(zhuǎn) 示意圖 若 H 橋的 1端為 高電平， 2端為低電平時(shí)，三極管 Q1導(dǎo)通， Q4截止，此時(shí)Q3 的基極為 高 電平， Q2 的基極為 低 電平，因此三極管 Q3 和 Q5 導(dǎo)通， Q2 和 Q6截止，電流流向如圖 312所示，電機(jī) 反 轉(zhuǎn)。 圖 312 電機(jī) 反 轉(zhuǎn) 示意圖 HC— SR04 超聲波測(cè)距模塊 模塊特點(diǎn) HC— SR04 超聲波測(cè)距模塊可提供 2cm400cm 的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到 3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。 本模塊性能基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 19 穩(wěn)定，測(cè)度距離精確。能和國(guó)外的 SRF05,SRF02 等超聲波測(cè)距模塊相媲美。 模塊高精度，盲區(qū)（ 2cm）超近 。 主要技術(shù)參數(shù) 如表 32所示 表 32 HC— SR04 超聲波測(cè)距模塊 參數(shù) 實(shí)物圖 如圖 313 所示， 板上 各引腳 的含義： VCC供 5v 電源 、 Trig 觸發(fā)控制信號(hào)輸入 、 Echo 回響信號(hào)輸出 、 out（空腳）、 GND 為地線。 Trig 引腳是內(nèi)部上拉 10K的電阻，用單片機(jī)的 IO 口拉 高 Trig引腳，然后給一個(gè) 持續(xù)時(shí)間 10us 以上的脈沖信號(hào) ,OUT 腳為此模塊作為防盜模塊時(shí)的開關(guān)量輸出腳，測(cè)距模塊不用此腳 。但是此模塊應(yīng)先插好在電路板上再通電，避免產(chǎn)生高電平的誤動(dòng)作，如果產(chǎn)生了，重新通 電方可解決。 圖 313 HC— SR04 超聲波測(cè)距模塊實(shí)物圖 基本工作原理 基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 20 ● 采用 IO 口 Trig 觸發(fā)測(cè)距 ,給至少 lOus 的低電平信號(hào)； ● 模塊自動(dòng)發(fā)送 8 個(gè) 40khz 的方波，自動(dòng)檢測(cè)足否有信號(hào)返回； ● 如果有信號(hào)返回，通過 IO 口 Echo 輸出一個(gè)高電平脈沖，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。 超聲波測(cè)距模塊與單片機(jī)相連的接線方法 把單片機(jī)的 P2 口的第四位定義為 Trig 位，單片機(jī)的 P3 口的第二位定義為Echo 位，然后單片機(jī)的引腳就可以直接用杜邦線接在超聲波傳感器的相應(yīng)引腳上。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的引腳用作輸入口的時(shí)候需要先給單片機(jī)的相應(yīng)引腳一個(gè)高電平，然后從才能輸入信號(hào)，因此在發(fā)送觸發(fā)脈沖的時(shí)候應(yīng)先把單片機(jī)的相應(yīng)引腳拉高。在程序中先用指令產(chǎn)生 一個(gè) 持續(xù)時(shí)間 20us 的 低 電平 脈沖 ,就可以在接收口Echo 等待高電平輸出 。 一有 高電平 輸出就可以開 啟 定時(shí)器計(jì)時(shí) ,當(dāng) Echo 引腳 變?yōu)榈碗娖綍r(shí) 關(guān)閉定時(shí)器 T0， 就可以讀 出 定時(shí)器的值 ,此時(shí) 定時(shí)器里面計(jì)下的數(shù)就是此 次測(cè)距 時(shí)超聲波傳播 的時(shí)間 ,就 可算出距離 。 如此不斷的 循環(huán) 測(cè) 量 ,就可以達(dá)到移動(dòng)測(cè)量 的 目的了。 超聲波時(shí)序圖 圖 314 超聲波測(cè)距時(shí)序圖 以上時(shí)序圖表明我們只需要提供一個(gè) 10us 以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將自動(dòng)發(fā)出 8 個(gè) 40kHz 周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 21 信號(hào)?；仨懶盘?hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。由此通過發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)的時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。 距離 =高電平持續(xù)時(shí)間 *聲速 (340m/s)/2 超聲波測(cè)距原理及系統(tǒng)組成 超聲波測(cè)距是借助于超聲脈沖回波渡越時(shí)間法來實(shí)現(xiàn)的，設(shè)超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時(shí)間為 t，超聲波在空氣中的傳播速度為 c，則從傳感器到目標(biāo)物體的距離 D 可用下式求出： D = ct /2 相應(yīng)的系統(tǒng)框如圖 315 所示： 圖 315 超聲波測(cè)距原理框圖 基本原理：經(jīng)發(fā)射器發(fā)射出長(zhǎng)約 6mm，頻率為 40kHZ 的超聲波信號(hào)。此信號(hào)被物體反射回來由接收頭接收，接收頭實(shí)質(zhì)上是一種壓電效應(yīng)的換能器。它接收到信號(hào)后產(chǎn)生 mV級(jí)的微弱電壓信號(hào)。 基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 22 圖 316 超聲波檢測(cè)電路 速度檢測(cè)模塊 采用光電編碼器對(duì)驅(qū)動(dòng)輪后輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了實(shí)時(shí)檢測(cè)，將反饋信號(hào)輸入核心控制單元，并進(jìn) 行處理，從而對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速、加減速進(jìn)行準(zhǔn)確快速的調(diào)節(jié)。本智能車的測(cè)速采用光柵編碼器，它每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈都會(huì)輸出一定個(gè)數(shù)的脈沖，通過在單位時(shí)間內(nèi)測(cè)量得到的脈沖數(shù)，就可以得出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。光柵編碼器由光柵盤和光柵式光電開關(guān)組成。光柵盤可以自己制作，光柵式光電開關(guān)為配對(duì)并集成的LED 管和光敏三極管。 LED(發(fā)射端 )的出射光照射到一小段距離之外的光敏三極管 (接收端 )上，傳感器的狀態(tài)隨出射光是否被遮擋而改變。光電開關(guān)外圍電路如圖 317 所示。 圖 317 經(jīng)施密特觸發(fā)器的光電開關(guān)外圍電路 基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 23 電路 A為傳感器的發(fā)射端提供了限流電阻 R1。 Rl可以選 220Ω 一 1kΩ 。與反射式光電開關(guān)不同的是，在這里 LED 管的亮度不需要很高。事實(shí)上，如果 LED管過亮，不僅增加功耗，而且紅外光容易穿過阻光區(qū)域，造成誤信號(hào)。因此，可以從高阻值的電阻開始選用 (約 1 kΩ )，當(dāng)發(fā)生誤差信號(hào)問題時(shí)，只需將電阻值下調(diào)。 電路 B為傳感器接收器 (光敏三極管 )的外圍電路。如果接收端使用的是 PNP型光敏三極管，則采用電路 C。對(duì) B與 C的兩個(gè)電路來說， R3 決定著靈敏度，其取值范圍由具體的接收端光敏三極管所決定，一般為 10 kΩ 一 20 MΩ 。但光電開 關(guān)直接輸出的信號(hào)并不理想，為了使光電開關(guān)的輸出信號(hào)數(shù)字化，提高抗噪聲能力，應(yīng)用施密特觸發(fā)器。 使用施密特觸發(fā)器后，可將所得信號(hào)直接送給單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)其計(jì)數(shù)，進(jìn)而算出小車的速度。 電源模塊的設(shè)計(jì) 智能小車的供電設(shè)施是一塊充電電池，它有 低成本 ， 循環(huán)壽命長(zhǎng) ， 無污染 ，安全性能好 ， 溫度使用范圍廣 等特點(diǎn)。最高輸出電壓 8V,有很強(qiáng)的續(xù)航能力。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電壓波動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響單片機(jī)的正常工作，為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，系統(tǒng)采用兩組電源供電如圖 318， 319所示∶ 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i