【正文】 明 本模塊共有兩個(gè)接口，一個(gè)是模式選擇跳線接口，如圖 31所示，他的間距是 ，當(dāng)插上跳線帽時(shí)為 UART（串口）模式，拔掉時(shí)為電平觸發(fā)模式。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]。驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)方式見表 31。而另一臺(tái)電機(jī)的控制方法同樣是輸入信號(hào)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)。當(dāng)不 需要改變速度時(shí)，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)。 由于直流 /步進(jìn)兩用驅(qū)動(dòng)器 L298N可以直接控制兩臺(tái)直流電機(jī)。 驅(qū)動(dòng)芯片特點(diǎn) L298N 驅(qū)動(dòng)芯片具有信號(hào)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(dòng)電機(jī)可以單獨(dú)控制兩臺(tái)直流電機(jī)，因此，對(duì)于本設(shè)計(jì)起到了至關(guān)重要的作用。 L298N 信號(hào)控制采用的是邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)，控制信號(hào)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 驅(qū)動(dòng)芯片 驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片。 ATmega16 微控制器的特點(diǎn)是：掉電檢測(cè)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(gè)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。同時(shí) Flash、 EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程是由 SPI 接口實(shí)現(xiàn)的。由于其大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期， ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1 MIPS/MHz，擁有只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器、非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 通過對(duì)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?？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(shí)質(zhì)量越大，避障的可靠性越差。 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。在軟件實(shí)現(xiàn)上，采用定時(shí)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。 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(shí)能夠保持恒定，能量功率、能得到充分利用，電路的效率高。 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(dòng)控制行駛方向是非常關(guān)鍵的。液晶顯示界面較為友好，成本較低，具有耗能少、 可同時(shí)顯示數(shù)據(jù)多、電路簡(jiǎn)單、占用 I/O 口少、 PCB 布線簡(jiǎn)單、控制指令簡(jiǎn)單、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn) [4]。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 [4]。數(shù)碼管簡(jiǎn)易且常用，顯示具有高亮、光衰弱少、可視距離遠(yuǎn)、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。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(cè)量和采集 。但是考慮到 可 能會(huì)有 一發(fā)射端發(fā)射的超聲波 會(huì) 被另外一端的接收端接收的問題 ， 為了防止 3 對(duì)超聲波探頭信號(hào)的相互干擾，所以各個(gè)超聲波發(fā)送信號(hào)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(cè)量時(shí)間應(yīng)為 20ms，這就使小車的反 應(yīng)變得非常遲鈍。由于方案二的舵機(jī)在避障過程中不能及時(shí)的轉(zhuǎn)會(huì)前方繼續(xù)探測(cè)，同樣也會(huì)有撞到障礙物的情況發(fā)生 [3]。 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)。 舵機(jī)有一個(gè)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(hào)；另有一個(gè)比較器，將外加信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，判斷出轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)角度大小，進(jìn)而產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào) 。 舵機(jī)是以周期為 20ms、寬度從 ~ 的脈寬調(diào)制信號(hào)作為控制信號(hào)的，相對(duì)對(duì)應(yīng)舵盤的位置是 0~180 度，呈連續(xù)線性變化。由于方案一單個(gè)探頭會(huì)有檢測(cè)不到車頭兩側(cè)的障礙物，當(dāng)障礙物多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致前方避障之后撞到兩側(cè)的障礙物。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(cè)距以及避障的功能。 使用一個(gè)紅外線探頭。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。超聲波傳感器價(jià)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。 第 4 頁 共 47 頁 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。步進(jìn)電機(jī)雖然能夠進(jìn)行精確的位置控制，但行動(dòng)緩慢；鑒于直流電機(jī)易于控制、驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)簡(jiǎn)單，足以滿足本設(shè)計(jì)位置控制的精度。具體差別見表21。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(gè)電脈沖信號(hào)就能使電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，通過連續(xù)不斷的輸入點(diǎn)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng) ，外加的脈沖頻率的不同，轉(zhuǎn)速的大小也不一樣 [2] 。此方案電路和控制都相對(duì)容易，相對(duì)性能比較好。調(diào)節(jié)電壓的大小可以改變電機(jī)的速度。 方案一：直流電機(jī)。直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)都可以 用于小車驅(qū)動(dòng)。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(dòng)即可進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)，根據(jù)電機(jī)不同轉(zhuǎn)動(dòng)的角度也各有差異，精確度高，但速度慢。因此選擇方案二。但缺點(diǎn)是 PWM 必須使用一個(gè)定時(shí)器，對(duì)于一般三輪車，要消耗兩個(gè)定時(shí)器。其 PWM 的產(chǎn)生為硬件生成，不會(huì)占用 CPU 的資源。而 AVR 單片機(jī)，由于采用的是精簡(jiǎn)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。此時(shí)，如果有其他對(duì)時(shí)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(shí)序紊亂，無法控制。 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。 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(dòng)能力強(qiáng)等特性，這使的得 I/O 口得到充分的利用。 方案二： ATmega16 單片機(jī)，特點(diǎn)是取指周期短，有可預(yù)取指令，實(shí)現(xiàn)于流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。特點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，具有完整的輸出輸入、端口控制、以及內(nèi)部程序的存儲(chǔ)空間，程序燒寫方便，支持 USB 口或者是串口兩種下載程序方式，并且是我們平時(shí)上課學(xué)習(xí)與使用的。 圖 11 系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖 2 方案論證 系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)方案論證 AT89S52 單片機(jī)與 ATmega16 單片機(jī)的選擇。在避開障礙物后，小車 會(huì)沿直線前進(jìn)。 總體設(shè)計(jì) 硬件電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通過采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，由單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊，超聲波避障、紅外線避障模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電源模塊，顯示模塊以及光報(bào)警模塊七部分組成。 稍加改動(dòng)便可應(yīng)用于簡(jiǎn)單的實(shí)際生產(chǎn)生活中，也可作為高校學(xué)生以及 廣大機(jī)器人愛好者學(xué)習(xí)研究使用。通過電機(jī)控制技術(shù)和傳感器技術(shù)相關(guān)知識(shí)的結(jié)合，設(shè)計(jì)完成以由超聲波前方測(cè)距、避障與紅外線左右自動(dòng)避障組成的硬件模塊，結(jié)合軟件程序設(shè)計(jì)組成智能避障小車，共同實(shí)現(xiàn)了小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，通過超聲波自動(dòng)根據(jù)前方距離范圍內(nèi)障礙物測(cè)距，檢測(cè)障礙物停止再繞行，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。設(shè)計(jì)選擇通用、價(jià)廉的 AT mega16單片機(jī) 作 為主控芯片，選擇通用的電機(jī)模型車為機(jī)械平臺(tái)，系統(tǒng)通過采集超聲波傳感器和光電傳感器的數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的比較計(jì)算來對(duì) PWM 波的輸出進(jìn)行控制操作，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)；通過超聲波傳感器接收回的數(shù)據(jù)來計(jì)算小車與障礙物之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)小車的避障功能。 本題目設(shè)計(jì)的是具有自動(dòng)避障功能的智能小車。作為當(dāng)今社會(huì)的新產(chǎn)物，智能對(duì)我們的實(shí)際工作生活具有很大的實(shí)用性。 Obstacle avoidance 目 錄 引言 ........................................................................................................................................... 1 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì) .......................................................................................................................... 1 任務(wù)要求 ............................................................................................................................ 1 總體設(shè)計(jì) ............................................................................................................................ 1 2 方案論證 .......................................................................................................................... 2 系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)方案論證 ............................................................................................ 2 電機(jī)的選擇方案論證 ........................................................................................................ 3 避障模塊設(shè)計(jì)方案論證 .................................................................................................... 4 顯示模塊設(shè)計(jì)方案論證 .................................................................................................... 5 直流調(diào)速方案設(shè)計(jì) ............................................................................................................ 5 電源模塊設(shè)計(jì)方案論證 .................................................................................................... 5 3 元器件介紹 ...................................................................................................................... 6 AVR 單片機(jī)主控芯片介紹 ................................................................................................. 6 L298N 驅(qū)動(dòng)芯片 ................................................................................................................. 6 驅(qū)動(dòng)芯片介紹 ....................................................................................................... 6 驅(qū)動(dòng)芯片特點(diǎn) ....................................................................................................... 6 直流電機(jī) ............................................................................................................................ 6 超聲波傳感器 .................................................................................................................... 7 超聲波傳感器概述 ....................................................................