【正文】 控制，只需要通過軟件改變 PWM 波的占空比就可實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這對提高移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中的靈活性非常有用。另外，隨著 PWM 輸出在機(jī)器人控制器中的廣泛應(yīng)用，采用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用也越來越多 [21]。 驅(qū)動(dòng)芯片 L293 簡介 專用的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其驅(qū)動(dòng)原理與 H 橋式電路原理是一致的，本次設(shè)計(jì)選擇的是 L293 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 。 L293 是 ST 公司生產(chǎn)的一種高電壓、小電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用 16 腳封裝。主要特點(diǎn)是：工 作電壓高，最高工作電壓可達(dá) 36V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá) 2A，持續(xù)工作電流為 1A。內(nèi)含兩個(gè) H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和繼電器線圈等感性負(fù)載。 該芯片可以驅(qū)動(dòng)兩臺直流電機(jī)。 在 L293D 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中控制每一路電機(jī)，有三個(gè)信號，分別是 ENA， IN1， IN2； ENB， IN3， IN4。 L293 的驅(qū)動(dòng)方式比較簡單，這里簡略說明， L293 有兩個(gè)電壓輸入，一個(gè)是給電機(jī)的電壓，一個(gè)是給芯片工作與控制邏輯的參考電壓。 L293 相當(dāng)于有四個(gè)驅(qū)動(dòng)門，每個(gè) IN1，對應(yīng)一個(gè) OUT1，當(dāng) IN1 為高電平時(shí) ， OUT1 輸出高電平，電壓為 VSS，也就是給這個(gè)芯片的供電電壓。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明書（畢業(yè)論文） 21 圖 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 該驅(qū)動(dòng)板每個(gè)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)門做成一路控制電機(jī)的信號，這樣可以使電機(jī)在四個(gè)象限運(yùn)行，即正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，停車，自由滑行。 ENA 與 ENB 的使能的控制，如果采用 PWM 對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，可以在 ENA 與 ENB 中分別接入 PWM 信號， IN1 與 IN2，和 IN3 與 IN4，分別可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)。如果利用本電路板去控制步進(jìn)電機(jī)，就把步進(jìn)的線接到 OUT1， OUT2， OUT3， OUT4[13]。 芯片的控制邏輯如 表 所示 。 表 L293 控制邏輯 ENA(B) INl(IN3) IN2(IN4) 電機(jī)運(yùn)行情況 H H L 正轉(zhuǎn) H L H 反轉(zhuǎn) H 同 IN2(IN4) 同 INl(IN3) 快速停止 L X X 停止 L293D 可直接的對電機(jī)進(jìn)行控制，無須隔離電路。通過單片機(jī)的 I/O 輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，停止的操作，非常方便，亦能滿足直流減速電機(jī)的大電流要求。調(diào)試時(shí)在依照上表，用程序輸入對應(yīng)的碼值，若能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)的動(dòng)作，調(diào)試通過。 另外本設(shè)計(jì)采用由 STC15F2K61S2 單片機(jī)自帶的定時(shí)器提 供脈沖的 PWM 脈沖調(diào)速，即軟件調(diào)速。給單片機(jī)的定時(shí)器賦初值，使其產(chǎn)生一定周期的脈沖，不斷調(diào)整占空比，就可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。而且此種方法不用外加電路，使外圍成本降低。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明書（畢業(yè)論文） 22 紅外避障模塊設(shè)計(jì) 方案比較和論證 方案 1：用超聲波傳感器進(jìn)行避障。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體 中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收。然后將這信號放大后送入單片機(jī)。超聲波傳感器在避障的設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。但是超聲波傳感器需要 40KHz 的方波信號來工作，因?yàn)槌暡▊鞲衅鲗ぷ黝l率要求較高，偏差在 1％內(nèi)，所以用模擬電路來做方波發(fā)生器比較難以實(shí)現(xiàn)。而用單片機(jī)來做方波發(fā)生器未免有些浪費(fèi)資源 [22]。因此考慮其他的方案。 方案 2：用紅外光電開關(guān)進(jìn)行避障。光電開關(guān)可以被用作物位檢測、液位控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、寬度判別、速度檢測、定長剪切、孔洞識別、信號延時(shí)、自動(dòng)門傳感、色標(biāo)檢出、沖床和剪切機(jī)以及安全防護(hù)等諸多領(lǐng)域。此外，利用紅外線的隱蔽性，還可在銀行、倉庫、商店、辦公室以及其它需要的場合作為防盜警戒之用。光電開關(guān)的工作原理是根據(jù)投光器發(fā)出的光束，被物體阻斷或部分反射，受光器最終據(jù)此做出判斷反應(yīng)，是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物 體均能檢測。紅外避障模塊操作簡單，使用方便。當(dāng)有光線反射回來時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒有光線反射回來時(shí)，輸出高電平。 考慮到本系統(tǒng)只需要檢測簡單障礙物，沒有十分復(fù)雜的環(huán)境。為了使用方便，便于操作和調(diào)試，最終選擇了方案 2，并且從網(wǎng)上直接購買現(xiàn)成的紅外避障模塊。 紅外避障模塊 此模塊是為智能小車、機(jī)器人等自動(dòng)化、智能化和數(shù)字化自動(dòng)裝置提供一種距離探測的解決方案。 該傳感器模塊對環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，其具有一對紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外線反射回來被接 收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，綠色指示燈會亮起，同時(shí)信號輸出接口輸出數(shù)字信號（一個(gè)低電平信號）?？赏ㄟ^電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離，有效距離范圍內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明書（畢業(yè)論文） 23 5cm100cm，工作電壓為 ，最大工作電流 (5V 時(shí) )電流 14mA。該傳感器的探測距離可以通過電位器調(diào)節(jié)、具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、避障小車、流水線計(jì)數(shù)及黑白線循跡等眾多場合 [14]。 其原理圖如下圖所示 ： 12345J1HX1838GND1OUT2VCC3IRGPIUX511200R11KR2LED12C1VCCVCCGNDGNDGNDIR DATALEDLED+LEDLED+IR DATA 圖 紅外避障模塊原理圖 當(dāng)模塊檢測到前方障礙物信號時(shí)，電路板上綠色指示燈點(diǎn)亮，同時(shí) OUT 端 口持續(xù)輸出低電平信號。該模塊檢測距離 5～ 100cm，檢測角度 35176。，檢測距離可以通過電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，順時(shí)針調(diào)電位器，檢測距離增加；逆時(shí)針調(diào)電位器，檢測距離減少。 光電開關(guān)為數(shù)字傳感器， NPN 常開型光電開關(guān)；輸出狀態(tài)是 0、 1，即數(shù)字電路中的低電平和高電平，正常狀態(tài)輸出高電平，檢測到目標(biāo)輸出低電平。它可以直接接在單片機(jī) I/O 口上使用 ,如果加上拉電阻，上拉電阻的阻值一般在 10K 左右。 無線傳輸模塊設(shè)計(jì) WiFi 無線傳輸 技術(shù)簡介 WiFi 技術(shù) WiFi(Wireless Fidelity,無線高保真 )是一種無線通信協(xié)議，正式名稱是 ，屬于短距離無線通信技術(shù)。 WiFi 速率最高可達(dá) 11Mb/s。雖然在數(shù)據(jù)安全性方面比藍(lán)牙技術(shù)要差一些，但在電波的覆蓋范圍方面卻略勝一籌，可達(dá) 100 m 左右。WiFi 是以太網(wǎng)的一種無線擴(kuò)展，理論上只要用戶位于一個(gè)接入點(diǎn)四周的一定區(qū)域內(nèi)，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明書（畢業(yè)論文） 24 就能以最高約 11Mb/s 的速度接入 Web 。但實(shí)際上，如果有多個(gè)用戶同時(shí)通過一個(gè)點(diǎn)接入，帶寬被多個(gè)用戶分享， WiFi 的連接速度一般將只有幾百 kb/s 的信號，雖不受墻壁阻隔，但在建筑物內(nèi)的有效傳輸距離小于戶外 。 WLAN 未來最具潛力的應(yīng)用將主要在SOHO（ Small Office Home Office，家居辦公） 、家庭無線網(wǎng)絡(luò)以及不便安裝電纜的建筑物或場所。目前這一技術(shù)的用戶主要來自機(jī)場、酒店 、 商場等公共熱點(diǎn)場所。 WiFi 技術(shù)可將 WiFi 與基于 XML 或 Java 的 Web 服務(wù)融合起來， 可以大幅度減少企業(yè)的成本。例如企業(yè)選擇在每一層樓或每一個(gè)部門配備 的接入點(diǎn)，而不是采用電纜線把整幢建筑物連接起來。這樣一來，可以節(jié)省大量鋪設(shè)電纜所需花費(fèi)的資金。 最初的 規(guī)范是在 1997 年提出的，稱為 ，主要目的是提供 WLAN接入，也是目前 WLAN 的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它的工作頻率也是 ，與無繩電話、藍(lán)牙等許多不需頻率使用許可證的無線設(shè)備共享同一頻段。隨著 WiFi 協(xié)議新版本 如 和 的先后推出， WiFi 的應(yīng)用將越來越廣泛。速度更快的 使用與 相同的正交頻分多路復(fù)用調(diào)制技術(shù)。它工作在 頻段，速率達(dá) 54Mb/s。根據(jù)最近國際消費(fèi)電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢判斷， 將有可能被大多數(shù)無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品制造商選擇作為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。微軟推出的 桌面操作系統(tǒng) WindowsXP 和嵌入式操作系統(tǒng)WindowsCE，都包含了對 WiFi 的支持 [23]。 本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人小車就是通過 wifi 無線網(wǎng)絡(luò)與 PC 機(jī)進(jìn)行通信的，因?yàn)閮蓧K開發(fā)板獨(dú)立通信，故采用了無線數(shù)傳模塊和無線網(wǎng)卡兩種無線傳輸模塊。 無線數(shù)傳模塊 因?yàn)闊o線數(shù)據(jù)傳輸具有很多有線傳輸不具備的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用范圍越來越廣。本設(shè)計(jì)采用的是最普遍的一種無線數(shù)傳模塊 APC220A43，該模塊是新一代的多通道嵌入式無線數(shù)傳模塊，其可設(shè)置眾多的頻道， 步進(jìn)精度為 1KHz， 發(fā)射功率高達(dá) 20 mW，而仍然具有較 低的功耗，體積 37mm x 17mm （不含天線座和引腳插頭），為業(yè)內(nèi)目前最小體積，非常方便客戶嵌入系統(tǒng)之內(nèi)。 APC220A43 模塊創(chuàng)新的采用了高效的循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼，最大可以糾 24bits 連續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤，其編碼增益高達(dá)近 3dBm，糾錯(cuò)能力和編碼效率均達(dá)到業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高與一般的前向糾錯(cuò)編碼，抗突發(fā)干擾和靈敏度都較大的改善。同時(shí)編碼也包含可靠檢錯(cuò)能力，能夠自動(dòng)濾除錯(cuò)誤及虛假信息，真正實(shí)現(xiàn)了透明的連接。所以 APC220A43 模塊特別適合與在工業(yè)領(lǐng)域等強(qiáng)干擾的惡劣環(huán)境中使用。 256bytes 超大容量緩沖區(qū)，意味著用戶在任何狀態(tài)下都可以 1 次傳輸 256bytes 的數(shù)據(jù)，當(dāng)設(shè)置空中波特率大于串口內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明書（畢業(yè)論文） 25 波特率時(shí)，可 1 次傳輸無限長度的數(shù)據(jù)，同時(shí) SDTAPC220A43 模塊提供標(biāo)準(zhǔn)的UART/TTL 接口， 1200/2400/4800/9600、 19200bps 五 種速率，和三種接口校驗(yàn)方式。在數(shù)據(jù)傳輸方式上， APC220A43 模塊 外部接口采用 透明數(shù)據(jù)傳輸 方式。 透明數(shù)據(jù) 傳輸能適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議，所收的數(shù)據(jù)就是所發(fā)的數(shù)據(jù) [17]。 APC220A43 模塊采用串口設(shè)置模塊參 數(shù)，具有豐富便捷的軟件編程設(shè)置選項(xiàng)，包括頻點(diǎn)，空中速率，以及串口速率，校驗(yàn)方式等都可設(shè)置。完成設(shè)置有兩種方式，一是通過公司提供的設(shè)置軟件 RFMagic 利用 PC 串口即可輕松實(shí)現(xiàn) ，見圖 ： 圖 RFMagic 設(shè)置軟件 用 RFMagic 軟件設(shè)置是通過模塊的 UART/TTL 口完成的 (4， 5PIN)，所以必須接UART/TTL to RS232 接口轉(zhuǎn)換板在連接到 PC 完成設(shè)置，或使用本公司提供的轉(zhuǎn)換板。設(shè)置方法是，首先連接好通訊線，打開 RFMagic 打開軟件，然后打開模塊電源，最后插入模塊到測 試板，此時(shí)，軟件的狀態(tài)欄應(yīng)顯示 Found Device(發(fā)現(xiàn)模塊 )，這時(shí)就可以進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作。 二是動(dòng)態(tài)在線設(shè)置，用戶通過置低設(shè)置腳，通過串口發(fā)命令動(dòng)態(tài)修改。在線軟件設(shè)置是通過模塊的 UART/TTL 口完成的 (4， 5PIN)和 SET 腳完成的， 如 圖 。 當(dāng) EN 腳置高 50ms 后，模塊即可正常工作 (T1)。設(shè)置時(shí)首先將 SET 腳置低，此時(shí)無論 UART 口是何狀態(tài)，模塊自動(dòng)將 UART 口轉(zhuǎn)變?yōu)?9600bps,無效驗(yàn)?zāi)Ｊ?，約 1ms 后模塊進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)(T2)。用戶可以通過向 RXD 口發(fā)送設(shè)置命令，模塊效驗(yàn)后，在 200ms 內(nèi) TXD 腳將開始返回參數(shù)信息 (T3)，用戶在確認(rèn)設(shè)置信息無誤后置高 SET 腳，模塊在 10ms 內(nèi)切換至用戶設(shè)置的參數(shù)模式運(yùn)行 (T4)。需注意的是當(dāng)模塊進(jìn)入設(shè)置狀態(tài) (SET 腳為低 )，用戶只能內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明書（畢業(yè)論文） 26 發(fā)送一次設(shè)置命令，如發(fā)送設(shè)置命令出錯(cuò)，或已完成設(shè)置，若需再次設(shè)置必須將 SET腳置高，然后重新進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)。 圖 軟件設(shè)置接線圖 APC22043 設(shè)置采用 ASCII 碼 , 波特率為 9600，無效驗(yàn)?zāi)Ｊ?，設(shè)置命令有二條，用大寫表示，如有參數(shù)用空格間隔開，用回車換行結(jié)束，格式如下： 1) 讀設(shè)置： RD↙ 應(yīng)答 : PARA_頻率 _空中速率 _發(fā)射功率 _串口速率 _串口效驗(yàn) ↙ 2) 寫設(shè)置： WR_頻率 _空中速率 _發(fā)射功率 _串口速率 _串口效驗(yàn) ↙ 應(yīng)答 : PARA_頻率 _空中速率 _發(fā)射功率 _串口速率 _串口效驗(yàn) ↙ 其中參數(shù)表示方法如表 ： 表 模塊的參數(shù)設(shè)置表 參數(shù) 字節(jié)數(shù) 說明 頻率 6 單位 KHz，如 434MHz 表示為 434000。 空中速率 1 1200， 2400， 4800， 9600， 19200bps 用 0， 1， 2， 3， 4 表示 。 發(fā)射功率 1 0 至 9。設(shè)置 0 為 1dBm， 9 為 13dBm(20mW)。 串 口 速率 1 1200， 2400， 4800， 9600， 19200， 38400bps 用 0，