【文章內(nèi)容簡介】 化了，降低了對外設(shè)管理的開銷和成本。 ATmega16 單片機(jī)的 I/O 口功能強(qiáng)大，因?yàn)樗哂心軌騿为?dú)設(shè)定為輸入或輸出的功能，設(shè)置上拉電阻，并且有高阻輸入、驅(qū) 動能力強(qiáng)等特性，這使的得 I/O 口得到充分的利用。片內(nèi)集成多種頻率的 RC 振蕩器，能夠自動上電復(fù)位、并且有看門狗和啟動延時等功能，所以 ATmega16 單片機(jī)外圍電路相對 AT89S52 簡單，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。 經(jīng)過比較，因?yàn)?AT89S52 單片機(jī)，具有位運(yùn)算，能較方便的應(yīng)用 I/O 口。但 PWM利用定時器中斷函數(shù)，模擬產(chǎn)生 PWM 脈沖，由于 PWM 頻率較高，勢必導(dǎo)致定時器中斷被頻繁觸發(fā)。此時，如果有其他對時序要求較高的模塊被同一單片機(jī)控制的話，有可能導(dǎo)致時序紊亂，無法控制。對于超聲波模塊，頻繁的中斷觸發(fā)，會導(dǎo)致計(jì)時不準(zhǔn)，使得換算出來的距離具有一定的誤差。而 AVR 單片機(jī)，由于采用的是精簡指令集，其不支持位操作，但具有較高的效率，抗干擾性和可靠性。它的 4 通道 PWM，具有硬 PWM 第 3 頁 共 47 頁 時序功能，使用時只需設(shè)置相關(guān)寄存器即可實(shí)現(xiàn) PWM 的產(chǎn)生。其 PWM 的產(chǎn)生為硬件生成，不會占用 CPU 的資源。即不會對其他驅(qū)動程序產(chǎn)生影響。但缺點(diǎn)是 PWM 必須使用一個定時器，對于一般三輪車，要消耗兩個定時器。 ATmega16 單片機(jī)不用考慮定時器做 PWM 引起的資源分配問題。因此選擇方案二。 電機(jī)的選擇方案論證 直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的選擇： 電機(jī)是系統(tǒng)的動力來源，電 機(jī)有著不同的類型，其中步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)最為常用。直流電機(jī)的特點(diǎn)是加上合適的電壓通過電機(jī)驅(qū)動即可進(jìn)行轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)圈精度不高；步進(jìn)電機(jī)的工作方式與直流電機(jī)不同，通過脈沖控制電機(jī)按照節(jié)拍進(jìn)行轉(zhuǎn)動，根據(jù)電機(jī)不同轉(zhuǎn)動的角度也各有差異，精確度高，但速度慢。電機(jī)的驅(qū)動方式各有不同，一般小型步進(jìn)電機(jī)可以通過 ULN2021 進(jìn)行驅(qū)動，直流電機(jī)需要的工作電流與步進(jìn)電機(jī)相比較大，需要使用 L298N 這類專用的驅(qū)動芯片控制，控制時單片機(jī)通過輸出 PWM 波調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動速度。 直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)都可以用于小車驅(qū)動。故有兩種方案。 方案一：直流電機(jī) 。直流電機(jī)由于加上了適當(dāng)減速比的減速器，具有良好的調(diào)速性能 [2]，通上電源即可連續(xù)不停的轉(zhuǎn)動，所以控制起來也相對簡單。調(diào)節(jié)電壓的大小可以改變電機(jī)的速度。 L298N 模塊做成的驅(qū)動電路可實(shí)現(xiàn) 直流電機(jī)的控制 ，可配合 PWM調(diào)速機(jī)制（即脈沖寬度調(diào)制方式）調(diào)速。此方案電路和控制都相對容易，相對性能比較好。 方案二：步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)之所以可以精確的實(shí)現(xiàn)位置控制，是因?yàn)樗峭ㄟ^輸入一個電脈沖信號就能使電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)動一定的角度，通過連續(xù)不斷的輸入點(diǎn)脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)連續(xù)的轉(zhuǎn)動，外加的脈沖頻率的不同，轉(zhuǎn)速的大小也不一樣 [2] 。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動并不受電壓波動和負(fù)載變化以及溫度、氣壓等環(huán)境因素的影響，僅與控制脈沖有關(guān)，但步進(jìn)電機(jī)的速度十分緩慢，且消耗 I/O 資源過多，不適合本作品。具體差別見表 21。 表 21 電機(jī)控制方式對比 直流電機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 調(diào)速性能 較好 較差 位置控制精度 較差 好 驅(qū)動 簡單 簡單 穩(wěn)定性 較好 好，僅與控制脈沖有關(guān) 速度 較快 緩慢 單片機(jī)資源消耗 小 大 如 表 21 所示 ， 步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)都有各自的特點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)雖然能夠進(jìn)行精確的位置控制，但行動緩慢；鑒于直流電機(jī)易于控制、驅(qū)動電 路相對簡單，足以滿足本 第 4 頁 共 47 頁 設(shè)計(jì)位置控制的精度。故本設(shè)計(jì)選擇使用直流電機(jī)。 避障模塊設(shè)計(jì)方案論證 超聲波傳感器與光電傳感器的選擇。 方案一：使用一個超聲波探頭。超聲波傳感器價格便宜，不容易受到粉塵、光線、電磁類的干擾，并且自帶溫度補(bǔ)償。但由于時間關(guān)系沒有添加溫度補(bǔ)償措施所以易受到環(huán)境中溫度的影響。但 它不受光照強(qiáng)弱和能見度的影響，能耗低、靈敏度高，即使在較復(fù)雜的環(huán)境內(nèi)也可以工作。 超聲波的發(fā)射器能夠不斷發(fā)射聲脈沖，由于頻率越高反射能力越強(qiáng)，接收換能器接收到遇到障礙物就反射回來的超聲波信號，根據(jù)回聲探測法，通過對聲速 以及時間的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)超聲波的測距及避障功能 [3]。 使用一個紅外線探頭。紅外線具有可見光直線傳播、反射、折射等特性。紅外傳感器發(fā)光管發(fā)出具有可見光直線傳播、反射、折射等特性的紅外光，通常閾值的設(shè)定及判定模塊是由電壓比較器與可調(diào)電位器構(gòu)成的 [1]，由于接收管接收的光強(qiáng)根據(jù)反射物體的距離而變化，接收管的電壓與障礙物的距離成反比，通過判斷發(fā)射光的強(qiáng)弱，實(shí)現(xiàn)紅外線測距以及避障的功能。 方案二：使用舵機(jī)帶動一對超聲波探頭進(jìn)行 180 度旋轉(zhuǎn)。由于方案一單個探頭會有檢測不到車頭兩側(cè)的障礙物，當(dāng)障礙物多時，會導(dǎo)致前方避障之后 撞到兩側(cè)的障礙物。而當(dāng)使用舵機(jī)帶動探頭的方案時，通過掃描檢測到各個方向的障礙物，過單片機(jī)對各方向返回的數(shù)據(jù)通對比，可以很好的分析出障礙物方向，通過調(diào)節(jié)小車兩側(cè)左右電機(jī)轉(zhuǎn)速差控制行駛方向?qū)崿F(xiàn)小車避障功能。 舵機(jī)是以周期為 20ms、寬度從 ~ 的脈寬調(diào)制信號作為控制信號的，相對對應(yīng)舵盤的位置是 0~180 度，呈連續(xù)線性變化。 也就是說， 給它提供特定寬度的脈沖信號，它的輸出軸就會轉(zhuǎn)動到一個與之相對應(yīng)的角度上 ，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會將輸出角度轉(zhuǎn)動到新的對應(yīng)的位置上 。 舵機(jī)有一個內(nèi)置的基準(zhǔn)電路，其不斷產(chǎn)生周期的 20ms，寬度 的基準(zhǔn)信號；另有一個比較器，將外加信號與基準(zhǔn)信號進(jìn)行比較，判斷出轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動角度大小，進(jìn)而產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)動信號 。由此可見， 舵機(jī)是一種精度很高的位置伺服的驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動最大角度不能超過 180 度 ，適用于那些需要角度不斷變化并可以停滯的驅(qū)動當(dāng)中。 但此方案具有編程復(fù)雜，占用資源多，判別速度慢等缺點(diǎn)。 方案三：采用多方向超聲波測距分析來實(shí)現(xiàn)避障。由于方案二的舵機(jī)在避障過程中不能及時的轉(zhuǎn)會前方繼續(xù)探測，同樣也會有撞到障礙物的情況發(fā)生 [3]。因此，在小車的車身前端左、中、右三方向放置超聲波探頭，單片機(jī)通過對三個方向超聲波返回的測距數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，確定障礙物位置，再通過調(diào)節(jié)小車左右電機(jī)轉(zhuǎn)速差控制小車行駛方向?qū)崿F(xiàn)避障。但是考慮到 可 能會有 一發(fā)射端發(fā)射的超聲波 會 被另外一端的接收端接收的問題 ， 為了防止 3 對超聲波探頭信號的相互干擾，所以各個超聲波發(fā)送信號都要相互間隔，為了消除上一次發(fā)出的超聲波影響，兩次測量時間應(yīng)為 20ms，這就使小車的反應(yīng)變得非常遲鈍。 第 5 頁 共 47 頁 綜上所述，超聲波傳感器測距范圍一般在 30~300cm 之間，設(shè)定測量的周期為 20ms一次才能防止相互干擾；而 紅外測距傳感器的測量速度十分快，可以在一定程度上彌補(bǔ)超聲波傳感器的缺點(diǎn)，大大增加了小車的反應(yīng)速度。因而，本設(shè)計(jì)采用多路紅外和超聲波傳感器進(jìn)行距離信息的測量和采集 。 顯示模塊設(shè)計(jì)方案論證 方案一：采用七段 LED 數(shù)碼管顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)碼管簡易且常用，顯示具有高亮、光衰弱少、可視距離遠(yuǎn)、壽命長的優(yōu)點(diǎn)。但數(shù)碼管一般只適合數(shù)字顯示，一位數(shù)碼管能顯示一位數(shù)據(jù)，且占用的 I/O 多，編程相對復(fù)雜。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 示而不會有閃爍感 [4]。 方案二：采用 LCD1602 液晶顯示。液晶顯示界面較為友好，成本較低，具有耗能少、 可同時顯示數(shù)據(jù)多、電路簡單、占用 I/O 口少、 PCB 布線簡單、控制指令簡單、編程簡單等優(yōu)點(diǎn) [4]。 經(jīng)過對兩種顯示方案優(yōu)缺點(diǎn)的衡量，本設(shè)計(jì)決定采用方案二。 直流調(diào)速方案設(shè)計(jì) 在智能避障小汽車的研制開發(fā)過程中，智能小車要能夠根據(jù)周圍障礙物的具體位置情況自動控制行駛方向是非常關(guān)鍵的。主要功能是單片機(jī)當(dāng)接收到避障模塊返回的數(shù)據(jù)時，通過驅(qū)動兩個車輪調(diào)節(jié)小車的行駛速度，然后改變兩個車輪的轉(zhuǎn)速差，利用萬向輪，調(diào)節(jié)行 駛方向。 本設(shè)計(jì)根據(jù) PWM 脈寬調(diào)制原理，電機(jī)速度的改變是通過改變輸出方波的占空比使負(fù)載上的平均電流功率從零到百分之百變化而實(shí)現(xiàn)的，它的優(yōu)點(diǎn)是電源的輸出電壓在工作條件變化時能夠保持恒定，能量功率、能得到充分利用，電路的效率高。 電機(jī)控制采用的脈沖寬度調(diào)制（ PWM）技術(shù)，單片機(jī)輸出的方波的頻率是恒定的，該脈沖寬度調(diào)制，用于改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，輸出電壓的平均值的方波，當(dāng)輸出低電平時，電機(jī)停止時，輸出電平高，電機(jī)最高速。在軟件實(shí)現(xiàn)上，采用定時器中斷來實(shí)現(xiàn)方波的產(chǎn)生，使電機(jī)速度的控制不受其他影響。當(dāng)定時器定時到固定的 時間便產(chǎn)生中斷，將輸出電平取反，不斷循環(huán)計(jì)時便能產(chǎn)生穩(wěn)定的方波，不會因?yàn)槠渌绦虻难訒r而改變輸出頻率。 電源模塊設(shè)計(jì)方案論證 第一種方案可以用雙電源， 和 5V 單獨(dú)供電，這樣具有很好的抗干擾能力，但是，成本很高，做出來的東西比較笨重。 第二種方案是使用 電池，首先輸出給電機(jī)供電，然后通過 7805 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓出5V 的電壓給傳感器和單片機(jī)供電?？紤]的就是小車的帶負(fù)載能力，通過試驗(yàn)得知，小車在運(yùn)行時質(zhì)量越大，避障的可靠性越差。通過電容進(jìn)行濾波，并且安置撥碼開關(guān)，使小車運(yùn)行的開關(guān)更加方便、穩(wěn)定。 第 6 頁 共 47 頁 通過對比 兩種顯示方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)決定采用方案二。 3 元器件介紹 AVR 單片機(jī)主控芯片介紹 ATmega16 是全靜態(tài)的基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的高性能、低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期， ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1 MIPS/MHz，擁有只需兩個時鐘周期的硬件乘法器、非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器。 16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編 Flash，擦寫壽命為一萬次，同步進(jìn)行讀與寫的操作，擦寫壽命為十萬次。同時 Flash、 EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程是由 SPI 接口實(shí) 現(xiàn)的。從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾以及通過鎖定位的編程來加密用戶程序 [5]。 ATmega16 微控制器的特點(diǎn)是：掉電檢測上可電復(fù)位并可編程，片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的 RC 振蕩器，片內(nèi)或片外有中斷源，有 32 個可編程的 I/O 口， PDIP 封裝的 40 引腳 ,TQFP 封裝的 44 引腳和 MLF 封裝的 44 引腳。 ATmega16 的工作電壓為 ~，速度等級是 0~16 MHz，在 1MHz， 3V， 25℃ 時的功耗：在正常模式下是 mA，空閑模式下為 mA，掉電模式則小于 1μA。 L298N 驅(qū)動芯片 驅(qū)動芯片介紹 L298N 是 ST 公司開發(fā)的一種尺寸為 8cm 的采用 15 腳封裝、高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。 L298N 有可達(dá) 46V 最高工作電壓以及可達(dá) 3A 瞬間峰值電流， 2A 的持續(xù)工作電流，最大工作電流為 ， 25W 的額定功率。 L298N 信號控制采用的是邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)，控制信號直流工作電壓是 5V，電機(jī)的直流電壓是 3V~46V，一般建議使用小于 36V。 L298N 內(nèi)有兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，能夠用來驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)和直流電動機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載 [2]。 驅(qū)動芯片特點(diǎn) L298N 驅(qū)動芯片具有信號指示、轉(zhuǎn)速可調(diào)抗干擾能力強(qiáng)、 PWM 平滑調(diào)速，可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)等特點(diǎn)，由于過電壓和過電流的保護(hù)， L298N 芯片驅(qū)動電機(jī)可以單獨(dú)控制兩臺直流電機(jī)，因此，對于本設(shè)計(jì)起到了至關(guān)重要的作用。 直流電機(jī) 我們通常將可以把直流電能與幾點(diǎn)能相互轉(zhuǎn)換的電機(jī)稱為直流電機(jī)，當(dāng)它將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能時是直流電動機(jī)，而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的時候稱為直流發(fā)電機(jī)。 由于直流 /步進(jìn)兩用驅(qū)動器 L298N可以直接控制兩臺直流電機(jī)。分別為 M1和 M2，引腳 A， B用于控制電機(jī)的速度通 過 PWM脈寬調(diào)制信號的輸入。當(dāng)不需要改變速度時，將兩引腳接 5V電壓，使電機(jī)工作在最高速狀態(tài)，即可通過短接帽短接來實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。輸入信號端 IN1接高電平輸入端 IN2接低電平，電機(jī) M1正轉(zhuǎn)，反之 IN1接低電平輸入端 IN2接高電平，則反轉(zhuǎn)。而另一臺電機(jī)的控制方法同樣是輸入信號端 IN3接高電平，輸入端IN4接低電平，電機(jī) M2正轉(zhuǎn)，反之則反轉(zhuǎn)。 PWM信號端 A控制 M1調(diào)速， PWM信號端 B 第 7 頁 共 47 頁 控制 M2調(diào)速。驅(qū)動器驅(qū)動直流電機(jī)方式見表 31。 表 31 驅(qū)動器驅(qū)動直流電機(jī)方式 超聲波傳感器 超聲波傳感器 概述 超聲波測距模塊具有 GPIO、串口等多種通信方式，寬電壓輸入的范圍是 ~ ，在穩(wěn)定可靠的工作環(huán)境下，可以實(shí)現(xiàn) 0m~ 的測距，靜態(tài)功耗低于 2mA，在測距的過程中，傳感器并不用接觸到物體，在 20 到 +70 度的工作環(huán)境下，能夠通過自帶溫度傳感器對超聲波模塊的測距結(jié)果進(jìn)行校正。有兩種輸出方式，分別是電平方式和 UART（跳線帽選擇）方式，無奇偶校驗(yàn)的 UART 模式下串口配置的波特率為 9600，起始位為 1 位，停止位為 1 位，數(shù)據(jù)位為 8 位 [8]。低于 15 度的感應(yīng)角度，探測距離為 到，探測精度保持在 +1%。 本模塊實(shí)物圖的正面圖與背面圖如圖 3 32所示： 圖 31 US100正面圖 第 8 頁 共 47 頁 圖 32 US100 背面圖 接口說明 本模塊共有兩個接口，一個是模式選擇跳線接口