【正文】 高 N 倍，極性與電源電壓相反的反向電壓，這就是自感電動(dòng)勢(shì)。操作非常方便，能滿足直流減速電機(jī)的大電流要求。 5 腳、 7 腳、 10 腳、 12 腳接輸入控制信號(hào)，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 L298N 芯片的 1 腳和 15 腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號(hào)，本電路未用到采樣所以將其接地。通過(guò)單片機(jī)的 I/0 輸入芯片控制端的電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)、停止的操作，表 21 是其輸入引腳和輸出 引腳的邏輯關(guān)系。 21 圖 29 電機(jī)反轉(zhuǎn)示意圖 H 橋電路雖然有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際制作過(guò)程中，由于元件較多，電路的搭建較為麻煩，增加了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，因此在本設(shè)計(jì)中筆者采用 H 橋集成驅(qū)動(dòng)芯片 L298N。每個(gè) H 橋電路原理大體如圖 27 所示： 圖 27 H 橋電路圖 20 若 H 橋的 1 端為低電平， 2 端為高電平時(shí)，三極管 Q4 導(dǎo)通，Q1 截止，此時(shí) Q3 的基極為低電平， Q2 的基極為高電平，因此三極管 Q2 和 Q6 導(dǎo)通， Q3 和 Q5 截止，電流流向如圖 28 所示，電機(jī)正轉(zhuǎn)?？蓪?shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速、啟動(dòng)性能好、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。 VCC 引腳可以接+12V 電源用來(lái)給芯片和電動(dòng)機(jī)供電。 L298N 芯片有一個(gè)電源引腳 VCC 和接地引腳GND。 L298N 是歐洲著名的 SGS 公司的產(chǎn)品 ， 為單塊集成電路、高電壓、高電流、四通道驅(qū)動(dòng)。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要功能是將主控芯片發(fā)出的信號(hào)通過(guò)電機(jī)控制芯片轉(zhuǎn)化為小車實(shí)際的動(dòng)作。 L298N 電機(jī) 驅(qū)動(dòng) 原理 前面已經(jīng)提到，由于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力不足，無(wú)法驅(qū)動(dòng)像電機(jī)19 這樣的大功率外部器件，因此必須外加驅(qū)動(dòng)電路。但本實(shí)驗(yàn)用的 STC89C52 并沒(méi)有 PWM 控制器 ， 所以采用定時(shí)器產(chǎn)生 PWM 信號(hào)?？刂品椒ㄏ嗤?， 只是在這里利用單片機(jī)定時(shí)器來(lái)定時(shí)進(jìn)行高低電平的翻轉(zhuǎn) ， 而不用軟件延時(shí)。當(dāng)高電平延時(shí)時(shí)間到時(shí) ， 對(duì) I/O 口電平取反變成低電平 ， 然后再延時(shí)；當(dāng)?shù)碗娖窖訒r(shí)到時(shí) ， 再對(duì) I/O 口電平取反 ，如此循環(huán)就可得到 PWM 信號(hào)。 在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路中 ， PWM 信號(hào)由 單片機(jī)產(chǎn)生 ， 驅(qū)動(dòng) L298N 的 H 橋 左右兩邊的三極管 開(kāi)關(guān)來(lái)改變直流電機(jī)電樞上平均電壓 的大小 ， 從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ， 實(shí)現(xiàn)直流電機(jī) PWM 調(diào)速。 D （ 22） 由公式可知 ， 當(dāng)改變占空比 D=t／ T 時(shí) ， 就可以得到不同的電機(jī)平均速度 Vd， 從而達(dá)到調(diào)速的目的。而且采用 PWM 技術(shù)構(gòu)成的無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)．啟停時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)無(wú)沖擊 ， 并且具有啟動(dòng)功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中 ， 當(dāng)電機(jī)通電時(shí)其速度增加 ， 電機(jī)斷電時(shí)其速度減低。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步 ， 改變電樞電壓可通過(guò)多種途徑實(shí)現(xiàn) ， 其中 PWM(脈寬調(diào)制 )便是常用的改變電樞電壓的一種調(diào)速方法。 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制可分為勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。 167。線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高自控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度。直流電機(jī)在控制電壓一定時(shí) ， 轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的變化而變化。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠隨著控制電壓的改變?cè)趯拸V的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。步進(jìn)電機(jī)效率較低 ， 功率較小 ， 雖然近年來(lái)不斷有小體積大功率的步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn) ，但其價(jià)格昂貴 ， 因此在小車類控制中常用的是直流電機(jī)。 (5) 良好的抗干擾能力、體積小、重量輕。 (3) 啟動(dòng)、停止和反向均能連續(xù)有效的進(jìn)行 ， 具有良好的響應(yīng)特性。在本次設(shè)計(jì)中對(duì)電機(jī)的響應(yīng)精度要求較高 ， 因?yàn)?本設(shè)計(jì) 所加的脈沖 寬度是毫秒級(jí) 的 ， 有時(shí)甚至是微秒級(jí)的。控制電機(jī)的可靠性對(duì)保證任何自動(dòng)控制系統(tǒng)的正常工作極為重要 ， 一旦發(fā)生故障 ， 將會(huì)直接導(dǎo)致本次設(shè)計(jì)的失敗。 智能小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求 控制電機(jī)是本次設(shè)計(jì)中的重要元件 ， 如果控制電機(jī)的性能不佳或使用不當(dāng) ， 將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。 16 圖 25 USB 供電下載電路 圖 26 ISP 程序下載電路 167。 (1) 下載線接口中的電源和單片機(jī)共用一個(gè)電源。 只需將 ISP 下載線插到電腦 USB 接口上就可以向單片機(jī)燒寫(xiě)程序。該器件內(nèi)置 USB 功能控制器、 USB 收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器 控制信號(hào) 的 UART， 只需外接幾只電容就可實(shí)現(xiàn) USB 信號(hào)與 RS232 信號(hào)的轉(zhuǎn)換 ， 能夠方便嵌入到各種設(shè)備；該器件作為 USB/RS232 雙向 轉(zhuǎn)換器 ， 一方面從 主機(jī) 接收 USB 數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為 RS232 信息流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面從 RS232 外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 USB 數(shù)據(jù)格式傳送回 主機(jī) 。 三種 復(fù)位電路 如圖 24 所示 ，從左到右依次是上電自動(dòng)復(fù)位、手動(dòng)電平復(fù)位和手動(dòng)脈沖復(fù)位 。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。 除 上電復(fù)位外 ， 有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位。只要 Vcc 的上升時(shí)間不超過(guò) 1ms， 就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。 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。 圖 23 時(shí)鐘電路 2. 復(fù)位電路 89C52 的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí) ， 晶體和電容應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)芯片安14 裝 ， 以減少寄生電容 ， 更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。電容值無(wú)嚴(yán)格要求 ， 但電容取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響 ， CX CX2 可在 20pF 到 100pF 之間取值 ， 但在 60pF 到 70pF 時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)采用最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式 ， 即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。 89C52 雖然有內(nèi)部振蕩電路 ， 但要形成時(shí)鐘 ， 必須外部附加電路。 (3) 應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)具有特殊性。其應(yīng)用特點(diǎn)： (1) 有可供用戶使用的大量 I/O 口線。用 89C52 單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí) ， 只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可 ， 如圖 22 所示 89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng)。 167。 1 位機(jī)在開(kāi)關(guān)決策、邏輯電路仿真、過(guò)程控制方面非常有效；而 8 位機(jī)在數(shù)據(jù)采集 ， 運(yùn)算處理方面有明顯的長(zhǎng)處。 由上可見(jiàn) ， STC89C52 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全 ，12 功能強(qiáng)等特點(diǎn)。 (8) 特殊功能寄存器 共有 21 個(gè) ， 用于對(duì)片內(nèi)的個(gè)功能的部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視?？捎脕?lái)進(jìn)行串行通訊 ， 擴(kuò)展并行 I/O 口 ， 甚至與多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng) ， 從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。 (5) 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 片內(nèi)有 2 個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ， 具有四種工作方式。 (3) 程序存儲(chǔ)器 由于受集成度限制 ， 片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器一般容量較小 ， 如果片內(nèi)的只讀存儲(chǔ)器的容量不夠 ， 則需用擴(kuò)展片外的只讀存儲(chǔ)器 ， 片外最多可外擴(kuò)至 64k 字節(jié)。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 2－ 1 所示： (1) 微處理器 該 單片機(jī)中有一個(gè) 8 位的微處理器 ， 與通用的微處理器基本相同 ， 同樣包括了運(yùn)算器和控制器兩 大部分 ， 只是增加了面向控制的處理功能 ， 不僅可處理數(shù)據(jù) ， 還可以進(jìn)行位變量的處理。11 它們都是通過(guò)片內(nèi)單一總線連接而成 ， 其基本結(jié)構(gòu)依舊是 CPU 加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。 圖 2－ 1 單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)框圖 STC89C52 單片機(jī)是把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個(gè)尺寸有限的集成電路芯片上。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。 STC89C52 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)介 本模塊采用 STC89C52 單片機(jī)作為核心處理器。 10 第 2章 硬件設(shè)計(jì) 167。 本章小結(jié) 本章介紹了 智能避障 機(jī)器人的 設(shè)計(jì)內(nèi)容及控制要求，提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)系統(tǒng) 硬件的選型 進(jìn)行了方案比較，選擇了合適的系統(tǒng)方案。 (3) 如果前面仍有障礙物 ， 則向右 90 度 ， 然后直線行走。 在車前方有障礙物時(shí) ， 小車能避開(kāi)障礙物 ， 避障 方法如下： STC89C52 控制模塊 障礙物檢測(cè) 模塊 直流電機(jī) 報(bào)警模塊 穩(wěn)壓電源模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 (1) 先向左邊轉(zhuǎn) 90 度 ， 如果前面沒(méi)有障礙物 ， 再沿直線向前走。 本小車使用 STC89C52 單片機(jī)作為主控芯片 ， 當(dāng)小車與障礙物的 距離 小于 30cm 時(shí) ， 小車轉(zhuǎn)彎以避開(kāi)障礙物 ， 并且此時(shí)蜂鳴器報(bào)警。由單片機(jī)主控核心模塊根據(jù)感測(cè)模塊給予的信息控制小車兩電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)工作狀態(tài)。小車采用前輪驅(qū)動(dòng) ，前輪左右 兩邊各用一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) ， 分別控制兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)從而達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的 ， 后輪是萬(wàn)向輪 ， 起支撐的作用 。 圖 11 系統(tǒng)組成框圖 167。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 167。 (5) 采用 紅外傳感器 進(jìn)行障礙檢測(cè)。 (3) 采用 小車底盤作為機(jī)器人載體 ， 強(qiáng)磁 直流減速電機(jī)作為小車系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 智能小車最終 方 案 經(jīng)過(guò)上面的思考和分析最終確定智能避障小車的最終方案如下： (1) 采用 STC89C52 單片機(jī)作為整個(gè)電路的控制核心。綜合考慮到本設(shè)計(jì)采用的直流電機(jī)為強(qiáng)磁電機(jī)以及線路壓降 ， 因此 本設(shè)計(jì)選擇了 的 鎳鎘充電電池 組 來(lái)供電 。 由于本設(shè)計(jì)采用的 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電路板 可以提供 +5V 輸出 ，可以方便給 5V 的單片機(jī)供電 ， 因此采用單電源供電即可。 方案二：采用雙電源供電 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源采用 5 節(jié)五號(hào)電池 ， 單片機(jī)及其外圍電路電源采用 5V 鈕扣電池供電 ， 兩路電源完全分開(kāi) ， 這樣做雖然可以將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所造成的干擾徹底消除 ， 提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。 167。 L298N 芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī) ， 也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī) ， 正好符合 本設(shè)計(jì) 小車兩個(gè)二相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求。但分立原件 H 橋電路工作性能不夠穩(wěn)定 ， 較易出現(xiàn)硬件上的故障 ， 故 本設(shè)計(jì) 放棄了這一方案。 此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單 ， 缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢 ， 易損壞 ， 壽命較短 ， 可靠性不高 。 167。 方案三：使用紅外傳感器 使用紅外傳感器 ， 這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器 ， 其有效探測(cè)距離 3~80cm 可調(diào) ， 且抗外界背景光干擾能力強(qiáng) ，價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便 ， 可在日光下正常工作（理論上應(yīng)避免日光和強(qiáng)光源的直接照射）。 方案二：使用視頻采集處理裝置 使用 CCD 實(shí)時(shí)采集小車前進(jìn)路線上的圖像并進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸及處理 ， 這是最精確的障礙物信息 采集方案 ， 可以對(duì)障礙物進(jìn)行精確定位和測(cè)距。但由于聲波衍射現(xiàn)象較嚴(yán)重 ， 且波包散面太大 ， 易造成障礙物的錯(cuò)誤判斷。 傳感器選擇 方案一：使用超聲波傳感器 在壁障模塊中 ， 可以選擇超聲波壁障。 綜合以 上 分析選用了比較普通的且更為熟悉的 STC89C52 單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。其指令系統(tǒng)和傳統(tǒng)的 8051 系列單片機(jī)指令系統(tǒng)兼容 ， 降低了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的難度 ， 電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。 而 STC 系列單片機(jī)價(jià)錢容易接受 ，可以在線下載 ， 下載器也比較容易購(gòu)買到 ， 方便攜帶應(yīng)用。由于對(duì) 51 單片機(jī)比較熟練 ， 價(jià)格便宜 ， 而 DSP 控制相對(duì)而言復(fù)雜 ，故采用 51 單片機(jī)。 主控制器選擇 處理器可以 選擇采用 DSP 或 51 單片機(jī) ， DSP 適合用于控制電機(jī) ， 功能強(qiáng)大。這樣不僅精度有保障 ， 也增加了設(shè)計(jì)的靈活性。同時(shí) ，玩具電動(dòng)車轉(zhuǎn)向依靠前輪電機(jī)帶動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向完成 ， 精度低。 方案二：購(gòu)買玩具電動(dòng)車 玩具電動(dòng)車價(jià)格低廉 ， 有完整的驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和控制單元 ， 其中傳動(dòng)裝置是 本設(shè)計(jì) 所需的 ， 縮短了開(kāi)發(fā)周期。而且自己制作 小車框架 ， 可以根據(jù)電路板及傳感器安裝需求設(shè)計(jì)空間 ， 使得車體美觀緊湊。 方案一：自己設(shè)計(jì)制作車架 自己制作小車底盤 ， 用兩個(gè)直流減速電機(jī)作為主動(dòng)輪 ， 利用兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速差完成直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、左后轉(zhuǎn)、右后轉(zhuǎn)、倒車等動(dòng)作。 方案設(shè)計(jì)與論 證 167。 (5) 控制系統(tǒng)工作可靠、耐用 ， 抗干擾能力強(qiáng)。主要是設(shè)定 小車正常行進(jìn)、轉(zhuǎn)彎時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度；初始化系統(tǒng)時(shí)的一些參數(shù)設(shè)定 。 (2) 實(shí)時(shí)性要求。 167。 第 1章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 167。 (3) 進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì) 。 研究開(kāi)發(fā)出一套 簡(jiǎn)易智智能 避障 機(jī)器人 ， 要實(shí)現(xiàn)的主要目標(biāo)有： (1) 利用 STC89C52RC 單片機(jī)設(shè)計(jì)出智能機(jī)器人的硬件系統(tǒng) 。本課題主要內(nèi)容是利用 STC89C52RC 單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易智能機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng) ， 并從硬件上予以實(shí)現(xiàn)。智能機(jī)器人的研究是目前科學(xué)領(lǐng)域的重要研究課題之一 ， 智能機(jī)器人各方面性能的提高更是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。隨著傳感技術(shù)、智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等的不斷提高 ， 智能移動(dòng)機(jī)器人一定能夠在生產(chǎn)和生活中某種程度上扮演人的角色?；窘Y(jié)構(gòu)由傳感器、控制器和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。采 用了先進(jìn)的傳感系統(tǒng)（ CCD 攝像機(jī)、紅外、紅外等） ， 智能水平很高 ， 機(jī)器人帶有的視覺(jué)系統(tǒng)、語(yǔ)音系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)