【正文】 兩單片機通訊。 [15,1819] 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 14 頁 通過綜合分析以上各個方案的優(yōu)缺點及考慮性價比等客觀因素 ，本文選擇方案三，即采用 RISC 的 8 位 AVR 單片機 。 車模及轉(zhuǎn)向方案 根據(jù)小車轉(zhuǎn)向方式的不同，有以下兩種方案。 方案一：舵機轉(zhuǎn)向車模。 該方案具有轉(zhuǎn)向精準的優(yōu)點，但是缺乏靈活性，不便于大角度的轉(zhuǎn)向。 方案二：雙輪差速轉(zhuǎn)向車模。 通過分別對左右兩側(cè)的電機進行電壓控制，使左右兩側(cè)車輪產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速，從 而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。該方案轉(zhuǎn)向具有高度的靈活性，能實現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)向，甚至能使車模原地打轉(zhuǎn)。 通過綜合分析以上各個方案的優(yōu)缺點及考慮性價比等客觀因素 ，本文選擇方案二，即 雙輪差速轉(zhuǎn)向車模。 綜上分析可得，本設(shè)計應用 8 位的 AVR 單片機作為主控制器， 采用 單一電源結(jié)合穩(wěn)壓芯片和濾波電路 進行供電，采用超聲波傳感器進行障礙檢測，采用帶有普通直流電動機的雙輪差速轉(zhuǎn)向車模，采用 L298N 進行電機驅(qū)動和 PWM 調(diào)速以及撥碼開關(guān)進行參數(shù)輸入為主體的方案進行設(shè)計。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 15 頁 3 避障小車硬件系統(tǒng)設(shè)計 引言 本 章將對系統(tǒng)硬件情況進行詳細介紹，著重介紹傳感器的布局、傳感器應用電路、電源供電電路設(shè)計、微處理器基本電路設(shè)計、通信電路設(shè)計、電機閉環(huán)控制電路。 硬件系統(tǒng)主要由主單片機 ATMEGA3副單片機 STC12LE54超聲波收發(fā)電路、電機驅(qū)動模塊及供電模塊組成。 為了更清晰的表示硬件總體設(shè)計，做了硬件總體框圖如圖 所示。 圖 硬件總體框圖 供電模塊設(shè)計 供電模塊設(shè)計總體思路 本設(shè)計總體供電由 6 節(jié) 堿性電池共 9V 整體供電，本設(shè)計四個模塊所需電壓不同，運動模塊需要 5V 以上電壓進行驅(qū)動，檢測模塊需要 5V 進行供電，控制模塊則需要 進行供電，由于檢測模塊所應用的傳感器整體會產(chǎn)生 電壓，故控制部分電壓可由檢測部分供給，則只需要將 9V 電壓降至 5V 即可，由于電機驅(qū)動和檢測模塊都需 5V 供電，故產(chǎn)生兩路 5V 低壓電源 。 電路原理圖如圖 所示 [22]。 主控單片機 ATMEGA32 副控單片機 STC12LE5410 超聲波發(fā)送、接收電路 電機驅(qū)動模塊 （ H 橋電路， 功率放大） 左輪電機 右輪電機 SPI 傳輸 PWM 波 40KHz 方波 供電模塊 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 16 頁 電源設(shè)計 本設(shè)計主要將 9V電壓通過 LM7805 將其降到 5V，其中加入了 IN4148 的保護還有一些電容來進行整流和濾波 。 圖 供電模塊總體電路圖 保護部分電路 二極管的工作原理 一般二極管按材料分有硅二極管與鍺二極管兩種 ， 它具有單向?qū)щ娦浴? 二極管由 P 型半導體與 N 型半導體構(gòu)成，在 P 型、 N 型半導體之間接觸面形成一個 PN 結(jié)，通過 PN 結(jié)對不同方向電壓的不同導電性來達到導通與截止的作用。當通以正向電壓時，電流流過：通以反向電壓時，二極管截止，電流不能通過。 濾波部分電路 通過整流后，電源的脈動成分較大。濾波電路的作用就是在降低整流后輸出電壓中的脈動成分的同時，盡量保持其中的直流成分。 一般典型而有效的濾波電路就是使用電容濾波、電感濾波 ，利用電抗元件在電路中有儲能的作用，濾去電源中的脈動成分，從而得到比較平滑的電源波形。若將電容與電 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 17 頁 感合理的安排在電路中，則可以有效的降低交流成分，保持直流成分。 電容的參數(shù)及特性 如下 標稱容量與允許偏差 ： 一般電容的允許偏差有 5%、 10%、 20%。 額定電壓 ： 額定電壓是指在規(guī)定溫度范圍內(nèi)，可以連續(xù) 加在電容器上的最大直流電壓或交流電壓的有效值 電容溫度系數(shù) ： 有正溫度系數(shù)的電容，亦有負溫度系數(shù)的電容。在使用中，希望溫度系數(shù)越小越好。 漏電流 ： 是指在正常工作時，電容兩端的泄漏電流。使用中， 希望漏電流越小越好。 頻率 特性 ： 大容量的電解電容的高頻特性不好。 大電解電容的等效電路為一電容與電感串聯(lián)。在頻率較高時，它的感抗較大，這樣大的電解電容的阻抗在高頻時，是隨著頻率的增大而增大的。 電解電容的選取 ： 在 所使用的小功率線性低壓穩(wěn)壓電源電路中，大部分使用的為電容濾波，通過其放電特性來實現(xiàn)。放電的時間常數(shù)為 τ=RC， τ 越大，放電過程越慢，則輸出電壓越穩(wěn)定，濾波效果越好，所以一般而言，采用電解電容或瓷片電容。 電容的容值依照所帶的負載電流的大小而定： 經(jīng)驗公式一般要求： τ≥（ 3～ 5） T/2 把 τ=RC， R= UR /IR， T=1/f ，代入公式 5，并取 f=50Hz，得出 C≥（ ～ ） IR / UR 控制 器 模塊設(shè)計 控制 器 模塊整體電路圖 本設(shè)計控制器主要采用了 ATmega3216 為主控制芯片，圍繞此芯片設(shè)計了時鐘電路、復位電路和供電電路， 控制 器 模塊整體電路圖如圖 所示。 Atmega3216 主要性能 131 條指令 – 大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期 ； 32 個 8 位通用工作寄存器 ； 全靜態(tài)工作 ； 工作于 16 MHz 時性能高達 16 MIPS； 只需兩 個時鐘周期的硬件乘法器 ； 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 18 頁 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash 擦寫壽命 ： 10,000 次 ； 具有獨立鎖定位的可選 Boot 代碼區(qū) 通過片上 Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程正的同時讀寫操作 ； 圖 控制模塊整體電路圖 512 字節(jié)的 EEPROM 擦寫壽命 ： 100000 次 ； 1K 字節(jié)的片內(nèi) SRAM； 可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密 JTAG 接口 ( 與 IEEE 標準兼容 )； 符合 JTAG 標準的邊界掃描功能 ； 支持擴展的片內(nèi)調(diào)試功能 ； 通過 JTAG 接口實現(xiàn)對 Flash、 EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程 ATmega16/ ATmega16L 外設(shè)特點 ； 兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的 8 位定時器 / 計數(shù)器 ； 一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時器 / 計數(shù)器 ； 具有獨立振蕩器的實時計 數(shù)器 RTC； 四通道 PWM； 8 路 10 位 ADC； 8 個單端通道 ； TQFP 封裝的 7 個差分通道 ； 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 19 頁 2 個具有可編程增益 （ 1x, 10x, 或 200x）的差分通道 ； 面向字節(jié)的兩線接口 ； 兩個可編程的串行 USART； 可工作于主機 / 從機模式的 SPI 串行接口 ； 具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器 ； 片內(nèi)模擬比較器 ATmega16/ ATmega16L 特殊的處理器特點 ； 上電復位以及可編程的掉電檢測 ； 片內(nèi)經(jīng)過標定的 RC 振蕩器 ； 片內(nèi) / 片外中斷源 。 6 種睡眠模式 ： 空閑模式、 ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、 Standby 模式以及 擴展的 Standby 模式 ATmega16/ ATmega16L I/O 和封裝 32 個可編程的 I/O 口 40 引腳 PDIP 封裝 ， 44 引腳 TQFP 封裝 ， 與 44 引腳 MLF 封裝 。 工作電壓 ： ATmega16L： ATmega16： ATmega16/ ATmega16L 速度等級 0 8 MHz ATmega16L 0 16 MHz ATmega16 ATmega16/ ATmega16L 在 1 MHz， 3V， 25176。C 時的功耗 正常模式 ： mA 空閑模式 ： mA 掉電模式 ： 1 181。A 功能特性描述 Atmega3216 有如下特點： 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash（具有同時讀寫的能力，即 RWW）， 512 字節(jié) EEROM， 1K 字節(jié) SRAM， 32 個通用 I/O 口線， 32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的 JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器 /計數(shù)器（ T/C），片內(nèi) /外中斷，可編程串行 USART，有起始條件檢測器的 通用串行接口， 8 路 10 位具有可選差分輸入級可編程增益（ TQFP 封裝）的 ADC，具有片內(nèi)振蕩器的課編程看門狗定時器，一個 SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。工作于空閑模式時 CPU 停止工作，而 USART、兩線接口、 A/D 轉(zhuǎn)換器、 SARM、 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 20 頁 T/C、 SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止震蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時終止 CPU 和除了異步定時器與 ADC 以外 所有 I/O 模塊的工作，以降低 ADC 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲；Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴展 Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作 [19]。 時鐘電路設(shè)計 時鐘電路控制計算機的工作節(jié)奏，利用了內(nèi)部一個由高增益反相放大器組成的振蕩器，在 XTAL1 和 XTAL2 引腳上跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。電容的作用是幫助振蕩器起振，其值大小對振蕩器頻率有微調(diào)作用。按照 AVR 的使用說明電 容值應根據(jù)以下兩條選用： （ 1）選用石英晶振時， C1， C2=30pF177。10pF （ 2）選用陶瓷諧振體時， C1， C2=40pF177。10pF 本次設(shè)計采用的電容值為 30pF，晶振的諧振頻率為 。選用該晶振主要考慮到與上位機 PC 通信的便利性。 復位電路設(shè)計 通常情況下當電源上電時，對電容 C 充電，使非門的輸入端的電壓逐漸升高，電壓達到輸入高電平（或叫開門電平）時，非門的輸出變?yōu)榈碗娖?(約 0V)，此時微處理器可以正常工作。并且只要電源一直供電非門就一直保持低電平輸出。 此電路中當按下按鍵 S 并保持時，電容 C 通過按鍵連接成的放電回路放電，非門輸入端的電壓逐漸降低，當下降到輸入低電平（或叫關(guān)門電平）時，其輸出變?yōu)楦唠娖剑s5V），從而實現(xiàn)手動電路的復位。 供電電路設(shè)計 供電電路設(shè)計情況見圖 54 虛線框 III，微處理器的電源引腳與＋ 5V 電源直連，一般要在電源引腳和地之間跨接 的瓷片電容，起到退耦的作用。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 21 頁 通信電路模塊設(shè)計 微處理器之間的通信采用主從方式，從機之間沒有信息交換 。微處理器型號相同，信號電氣特性相同，可以直接接口，其連接方式如 圖 所示 圖 微處理器與通信電路的連接簡圖 傳感器模塊設(shè)計 總體設(shè)計參照 SensComp 公司（ ） 6500 測距模塊，其核心是兩片專用的超聲波測距 IC： TL851 和 TL852。 傳感器模塊設(shè)計基本結(jié)構(gòu)圖如圖 [21]。 圖 傳感器模塊設(shè)計基本結(jié)構(gòu)圖 TL852 是一片專門設(shè)計用于超聲波 接收、放大、檢測的芯片，集成了可變增益、選頻放大器，可通過四根控制線變換 11級增益，對于檢測超聲波信號十分有效。 TL851 與TL852 配套，它可實現(xiàn)超聲波發(fā)射及控制 TL852 的增益變換，通過定時控制增益，使TL852 的增益與回波時間相匹配，一方面提高了檢測的靈敏度，同時減小了干擾。如果不能隨時間變換增益，為增加檢測距離，就需要加大靈敏度；而開始時靈敏度就很高， 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 22 頁 無疑會收到一些不想要的信號。 單片機還是選用 STC12 系列，一是考慮是 51 兼容 ；二是下載程序方便。此次選用的是 STC12LE4052（ 4K FlashROM， 256 RAM）?？紤]體積因素，選擇了 SOP20 封裝。從 6500 模塊解剖中還有一個收獲就是搞清了超聲波發(fā)射的驅(qū)動細節(jié)。仔細看超聲波發(fā)射器的要求：大多需 要 10V 以上驅(qū)動，而且是正弦波信號。壓電陶瓷（超聲波發(fā)射器多為此材料制造）功率