【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 3 1 設(shè)計(jì)方案 通過(guò)收集各硬件模塊資料信息，對(duì)其進(jìn)行有效的分析選擇，最終選出最合理的設(shè)計(jì)方案。 總體設(shè)計(jì) 智能小車(chē)采用前輪驅(qū)動(dòng)，前輪左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)制前面兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速起停，從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬(wàn)向輪，起支撐的作用。將循跡光電管分別裝在車(chē)體下的左右。當(dāng)車(chē)身下左邊的傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，主控芯片控制左輪電機(jī)停止，車(chē)向左修正，當(dāng)車(chē)身下右邊傳感器檢測(cè)到黑線時(shí) ，主控芯片控制右輪電機(jī)停止，車(chē)向右修正。 避障的原理和尋跡一樣，在車(chē)身右邊裝一個(gè)光電管，當(dāng)其檢測(cè)到障礙物時(shí)，主控芯片給出信號(hào)報(bào)警并控制車(chē)子倒退，轉(zhuǎn)向，從而避開(kāi)障礙物?？傮w框架圖如圖 11所示 。 圖 11 設(shè)計(jì)總體框架圖 單片機(jī)控制模塊 本模塊采用單片機(jī) 89S52 作為核心處理器。單片機(jī)控制系統(tǒng)基本由最小系統(tǒng)和外圍信號(hào) I/O 口組成，其中最小系統(tǒng)包括電源（地）， CPU 時(shí)序電路（一般使用 的晶振 或者 12M 和 30P 電容組成）， 復(fù)位電路。有了以上三塊，單片機(jī)就能夠正常工作 [1]。 信號(hào)采集部分 電機(jī)控制單元 轉(zhuǎn)速控制單元 數(shù)碼管顯示 89S52 發(fā)光二極管指示 蜂鳴器指示 4 AT89S52 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)， 片內(nèi)含 可反復(fù)擦寫(xiě) 1000 次的只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS52 指令系統(tǒng)及 80S52 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89S52 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。其應(yīng)用范圍廣，性能良好，可用于解決復(fù)雜的控制問(wèn)題。利用 AT89S52的 I／ O端口對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷監(jiān)控 來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的反映。如圖 12 是 AT89S52 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖 [2]。 圖 12 AT89S52 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖 其中 RST 接的是一個(gè)復(fù)位電路，用手動(dòng)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)位。 AT89S52 內(nèi)部沒(méi)有晶振，需要外加晶振電路，按照程序要求，選用的晶振頻率為 12MHZ，分別連接 18和 19 號(hào)引腳。另外 和 和串口通信電路相連， 和 分別連接右、左伺服電動(dòng)， 和 分別接的是右胡須和左胡須， 和 分別是左右紅外檢測(cè)器， 和 分別是左右紅外發(fā)射器， 、 和 分別與 ISP 下載接口相連， GND 接地和 VCC 接 +5V電源 [3]。 5 主控模塊 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我認(rèn)為此設(shè)計(jì)屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問(wèn)題。具體如下： 采用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車(chē)，以實(shí)現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。 本模塊主要是對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行分析，同時(shí)給出 PWM 波控制電機(jī)速度，起停。以及再檢測(cè)到障礙報(bào)警等作用。電路圖如圖 13 所示 。 圖 13 主控電路 充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)小車(chē)的自動(dòng)控制，而在這一點(diǎn)上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來(lái)它的優(yōu)勢(shì) ——控制簡(jiǎn)單、方便 、快捷。這樣一來(lái)，單片機(jī)就可以充分 6 發(fā)揮其資源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn) [4]。 針對(duì)本設(shè)計(jì)特點(diǎn) ——多開(kāi)關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長(zhǎng)處理多開(kāi)關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)。根據(jù)這些分析 ,我選定了 AT89S52 單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控裝置，52 單片機(jī)具有功能強(qiáng)大的位操作指令， I/O 口均可按位尋址，程序空間多達(dá) 8K，對(duì)于本設(shè)計(jì)也綽綽有余，更可貴的是 52 單片機(jī)價(jià)格非常低廉 [5]。 復(fù)位電路 復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳 RST 通過(guò)一個(gè)觸發(fā)器與復(fù)位電 路相連，它的輸出在每個(gè)機(jī)器周期中由復(fù)位電路采樣一次。 復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。所謂上電復(fù)位，是指計(jì)算機(jī)加電瞬間，要在 RST 引腳出現(xiàn)大于 10ms 的正脈沖，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。按鈕復(fù)位是指用戶按下 “復(fù)位 ”按鈕，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。 上電時(shí)， +5V 電源立即對(duì)單片機(jī)芯片供電，同時(shí)經(jīng)電阻 R 對(duì)電容 C3 充電。 C3上電壓建立的規(guī)程就產(chǎn)生一定寬度的負(fù)脈沖，經(jīng)反向后， RST 上出現(xiàn)正脈沖使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了上電復(fù)位。按鈕按下時(shí)， RST 上同樣出現(xiàn)高電平，實(shí)現(xiàn)了按鈕復(fù)位。在應(yīng)用系統(tǒng)中，有些外圍芯片也需要復(fù)位。因 此，非門(mén)在這里不僅起了反向作用，還增大了驅(qū)動(dòng)能力，電容 C1， C2 起慮波作用，防止干擾竄入復(fù)位端產(chǎn)生誤動(dòng)作 [6]。 時(shí)鐘電路 單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生有兩種方法：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。 系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。 AT89S52單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容 C1 和 C2 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路 ，接在放大器的反饋回路中。對(duì)外接電容的值雖然沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為 12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值通常取 30PF。在焊接刷電路板時(shí)，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作 [7]。 7 顯示模塊 方案一：采用 LED 數(shù)碼管，我們這次做的小車(chē)只是顯示小車(chē)的速度，并沒(méi)有其他的輸出，雖然數(shù)碼管消耗大，但是輸出穩(wěn)定。 方案二：采用液 晶顯示，這種方法雖然能減少硬件資源的浪費(fèi)，但是考慮本次的用途，我們放棄本方案。 故選用方案一。 電源的選擇 在電源模塊中使用的是 LM7805穩(wěn)壓芯片，它在 ，能實(shí)現(xiàn) 5V的穩(wěn)壓輸出。因此為了簡(jiǎn)化了電路，便于小車(chē)的組裝，綜合考慮采用 LM7805的穩(wěn)壓芯片輸出 5V電壓。 用 LM78系列三端穩(wěn)壓 IC來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓 IC型號(hào)中的 LM78后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓 ，本設(shè)計(jì)用的LM7805表示輸出電壓為正 5V。因?yàn)槿斯潭煞€(wěn)壓電路的使用方便，所以在本設(shè)計(jì)制作中采用 [8]。 該系統(tǒng)的電源模塊電路圖如圖 14所示 。 圖 14 電源模塊接線圖 其中 C C2分別 為輸入端和輸出端濾波電容。 8 2 硬件設(shè)計(jì) 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊 采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，加速能力強(qiáng)，采用由達(dá)林頓管組成的 H 型橋式電路 (如圖 21)。 圖 21 H 橋式電路 用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之 工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高， H 型橋式電路保證了簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開(kāi)關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的 PWM 調(diào)速技術(shù)?，F(xiàn)市面上有很多此種芯片，我選用了 L298N[9]。 這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。 避障模塊 在避障線路中有兩種避障方式 ：超聲波避障和紅外線避障。 超聲波避障， 其缺 9 點(diǎn)為 超聲波受環(huán)境影響較大，電路復(fù)雜，而且地面對(duì)超聲波的反射，會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)障礙物的判斷。紅外線避障，利用單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生 38KHz 信號(hào)對(duì)紅外線發(fā)射管進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，發(fā)射出去的紅外線遇到避障物的時(shí)候反射回來(lái)，紅外線接收管對(duì)反射回來(lái)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，輸出比較電平。 其優(yōu)點(diǎn)有 外界對(duì)紅外信號(hào)的干擾比較小，且易于實(shí)現(xiàn)，價(jià)格也比較便宜 [10]。 本設(shè)計(jì)采用 紅外線避障方法，利用一管發(fā)射另一管接收，接收管對(duì)外界紅外線的接收強(qiáng)弱來(lái)判斷障礙物的遠(yuǎn)近，由于紅外線受外界可見(jiàn)光的影響較大，因此通過(guò)調(diào)制信 號(hào)產(chǎn)生 38KHz 的載波來(lái)減少外界的一些干擾。只要障礙物在限定范圍內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的電平供單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)避障功能。 驅(qū)動(dòng)電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般采用 H 橋式驅(qū)動(dòng)電路， L298N 內(nèi)部集成了 H 橋式驅(qū)動(dòng)電路，從而可以采用 L298N 電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過(guò)單片機(jī)給予 L298N 電路 PWM 信號(hào)來(lái)控制小車(chē)的速度，起停。引腳圖如圖 22 所示。 圖 22 L298N 引腳圖 本設(shè)計(jì)的電路采用的是與 L298N 相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)，從而控制小車(chē)的前進(jìn)，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)和后退。 驅(qū)動(dòng)原理圖如圖 23 所示 。 10 圖 23 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 紅外對(duì)管尋跡模塊 紅外線尋跡的原理 尋跡是指小車(chē)在白色地板上循黑線行走，本系統(tǒng)采取的方法是紅外探測(cè)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(chē)行駛過(guò)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)生漫反射，反射光被裝在小車(chē)上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車(chē)上的接收管接收不到紅外光。由此過(guò)程來(lái)改變接收管的輸出電壓，單片機(jī)以電壓的變化為依據(jù)執(zhí)行小車(chē)電機(jī)確定行走路線 [11]。尋跡模塊實(shí)現(xiàn)原理圖如圖 24 所示 。 11