【正文】 塊共有兩個接口，一個是模式選擇跳線接口，如圖 31所示，他的間距是 ，當插上跳線帽時為 UART（串口）模式，拔掉時為電平觸發(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)動器驅(qū)動直流電機方式見表 31。而另一臺電機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 M2正轉(zhuǎn)，反之則反轉(zhuǎn)。當不需要改變速度時，將兩引腳接 5V電壓，使電機工作在最高速狀態(tài)，即可通過短接帽短接來實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)。 由于直流 /步進兩用驅(qū)動器 L298N可以直接控制兩臺直流電機。 驅(qū)動芯片特點 L298N 驅(qū)動芯片具有信號指示、轉(zhuǎn)速可調(diào)抗干擾能力強、 PWM 平滑調(diào)速，可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)等特點，由于過電壓和過電流的保護， L298N 芯片驅(qū)動電機可以單獨控制兩臺直流電機，因此，對于本設計起到了至關重要的作用。 L298N 信號控制采用的是邏輯電平標準，控制信號直流工作電壓是 5V，電機的直流電壓是 3V~46V，一般建議使用小于 36V。 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、大電流電機驅(qū)動芯片。 ATmega16 微控制器的特點是：掉電檢測上可電復位并可編程，片內(nèi)經(jīng)過標定的 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。同時 Flash、 EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程是由 SPI 接口實 現(xiàn)的。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 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。 第 6 頁 共 47 頁 通過對比 兩種顯示方案的優(yōu)缺點，本次設計決定采用方案二?？紤]的就是小車的帶負載能力，通過試驗得知，小車在運行時質(zhì)量越大，避障的可靠性越差。 電源模塊設計方案論證 第一種方案可以用雙電源， 和 5V 單獨供電，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。在軟件實現(xiàn)上，采用定時器中斷來實現(xiàn)方波的產(chǎn)生，使電機速度的控制不受其他影響。 本設計根據(jù) PWM 脈寬調(diào)制原理，電機速度的改變是通過改變輸出方波的占空比使負載上的平均電流功率從零到百分之百變化而實現(xiàn)的，它的優(yōu)點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。 直流調(diào)速方案設計 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鍵的。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 [4]。由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上四位顯示器并非同時點亮，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]。數(shù)碼管簡易且常用，顯示具有高亮、光衰弱少、可視距離遠、壽命長的優(yōu)點。因而，本設計采用多路紅外和超聲波傳感器進行距離信息的測量和采集 。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，兩次測量時間應為 20ms，這就使小車的反應變得非常遲鈍。由于方案二的舵機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]。 但此方案具有編程復雜，占用資源多，判別速度慢等缺點。 舵機有一個內(nèi)置的基準電路，其不斷產(chǎn)生周期的 20ms，寬度 的基準信號；另有一個比較器，將外加信號與基準信號進行比較，判斷出轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動角度大小，進而產(chǎn)生電機的轉(zhuǎn)動信號 。 舵機是以周期為 20ms、寬度從 ~ 的脈寬調(diào)制信號作為控制信號的，相對對應舵盤的位置是 0~180 度，呈連續(xù)線性變化。由于方案一單個探頭會有檢測不到車頭兩側(cè)的障礙物，當障礙物多時，會導致前方避障之后 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)射光的強弱，實現(xiàn)紅外線測距以及避障的功能。 使用一個紅外線探頭。但 它不受光照強弱和能見度的影響，能耗低、靈敏度高，即使在較復雜的環(huán)境內(nèi)也可以工作。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，并且自帶溫度補償。 避障模塊設計方案論證 超聲波傳感器與光電傳感器的選擇。步進電機雖然能夠進行精確的位置控制，但行動緩慢；鑒于直流電機易于控制、驅(qū)動電 路相對簡單，足以滿足本 第 4 頁 共 47 頁 設計位置控制的精度。具體差別見表 21。步進電機之所以可以精確的實現(xiàn)位置控制，是因為它是通過輸入一個電脈沖信號就能使電機的輸出軸轉(zhuǎn)動一定的角度，通過連續(xù)不斷的輸入點脈沖信號，步進電機連續(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] 。此方案電路和控制都相對容易，相對性能比較好。調(diào)節(jié)電壓的大小可以改變電機的速度。 方案一：直流電機 。 直流電機和步進電機都可以用于小車驅(qū)動。直流電機的特點是加上合適的電壓通過電機驅(qū)動即可進行轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)圈精度不高；步進電機的工作方式與直流電機不同，通過脈沖控制電機按照節(jié)拍進行轉(zhuǎn)動，根據(jù)電機不同轉(zhuǎn)動的角度也各有差異，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。其 PWM 的產(chǎn)生為硬件生成，不會占用 CPU 的資源。而 AVR 單片機，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。此時，如果有其他對時序要求較高的模塊被同一單片機控制的話，有可能導致時序紊亂，無法控制。 經(jīng)過比較，因為 AT89S52 單片機，具有位運算，能較方便的應用 I/O 口。 ATmega16 單片機的 I/O 口功能強大，因為它具有能夠單獨設定為輸入或輸出的功能，設置上拉電阻，并且有高阻輸入、驅(qū) 動能力強等特性，這使的得 I/O 口得到充分的利用。 方案二： ATmega16 單片機，特點是取指周期短，有可預取指令，實現(xiàn)于流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。特點是控制簡單、價格便宜，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，并且是我們平時上課學習與使用的。 圖 11 系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖 2 方案論證 系統(tǒng)控制模塊設計方案論證 AT89S52 單片機與 ATmega16 單片機的選擇。在避開障礙物后，小車會沿直線前進。 總體設計 硬件電路系統(tǒng)的設計通過采用模塊化的設計方法，由 單片機最小系統(tǒng)模塊，超聲波避障、紅外線避障模塊，電機驅(qū)動，電源模塊，顯示模塊以及光報警模塊七部分組成。 稍加改動便可應用于簡單的實際生產(chǎn)生活中，也可作為高校學生以及廣大機器人愛好者學習研究使用。通過電機控制技術和傳感器技術相關知識的結(jié)合，設計完成以由超聲波前方測距、避障與紅外線左右自動避障組成的硬件模塊，結(jié)合軟件程序設計組成智能避障小車，共同實現(xiàn)了小車的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，通過超聲波自動根據(jù)前方距離范圍內(nèi)障礙物測距，檢測障礙物停止再繞行，達到設計目標。設計選擇通用、價廉的 AT mega16單片機 作 為主控芯片，選擇通用的電機模型車為機械平臺，系統(tǒng)通過采集超聲波傳感器和光電傳感器的數(shù)據(jù)，通過相應的比較計算來對 PWM 波的輸出進行控制操作，對電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)實時 調(diào)節(jié)；通過超聲波傳感器接收回的數(shù)據(jù)來計算小車與障礙物之間的距離，從而實現(xiàn)小車的避障功能。 本題目設計的是具有自動避障功能的智能小車。作為當今社會的新產(chǎn)物，智能對我們的實際工作生活具有很大的實用性。 Obstacle avoidance 目 錄 引言 ........................................................................................................................................... 1 1 系統(tǒng)設計 .......................................................................................................................... 1 任務要求 ............................................................................................................................ 1 總體設計 ............................................................................................................................ 1 2 方案論證 .......................................................................................................................... 2 系統(tǒng)控制模塊設計方案論證 ............................................................................................ 2 電機的選擇方案論證 ........................................................................................................ 3 避障模塊設計方案論證 .................................................................................................... 4 顯示模塊設計方案論證 .................................................................................................... 5 直流調(diào) 速方案設計 ............................................................................................................ 5 電源模塊設計方案論證 .................................................................................................... 5 3 元器件介紹 ...................................................................................................................... 6 AVR 單片機主控芯片介紹 ................................................................................................. 6 L298N 驅(qū)動芯片 ................................................................................................................. 6 驅(qū)動芯片介紹 ....................................................................................................... 6 驅(qū)動芯片特點 ....................................................................................................... 6 直流電機 ............................................................................................................................ 6 超聲波傳感器 .................................................................................................................... 7 超聲波傳感器概述 ..........................................