【正文】 智能化升級，實(shí)現(xiàn)當(dāng)今智能化發(fā)展由高端向大眾普及 [1]。本設(shè)計(jì)以智能化全面發(fā)展的普及與應(yīng)用為目的，整體開發(fā)過程簡單易懂，所選擇的平臺(tái)與各電子元件恰當(dāng)合理，無需花費(fèi)過多的人力財(cái)力便可達(dá)到預(yù)期所要求各功能的實(shí)現(xiàn)，也符合課題研究的意義。小車也可以作為玩具的發(fā)展對象，為中國玩具市場技術(shù)含量的缺乏進(jìn)行一定的彌補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益，形成商業(yè)價(jià)值。設(shè)計(jì)主要以簡易智能機(jī)器人為開發(fā)平臺(tái)，選擇通用、價(jià)廉的 51 單片機(jī)為控制平臺(tái)，選擇常見的電機(jī)模型車為機(jī)械平臺(tái)，通過細(xì)化設(shè)計(jì)要求，結(jié)合傳感器技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)、無線通信技術(shù)等相關(guān)知識(shí)實(shí)現(xiàn)小車的各種功能。浙江萬里學(xué)院本科畢業(yè)論文 1 2 總體設(shè)計(jì)本課題設(shè)計(jì)主要是制作一款能進(jìn)行智能判斷并能做出正確反應(yīng)的小車。作品既可以對高端智能化進(jìn)行剖析，也可以作為高級智能玩具發(fā)展對象，同時(shí)可成為大學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用高電壓，高電流，四通道驅(qū)動(dòng)集成芯片 L293D；避障采用紅外線收發(fā)來完成，自動(dòng)尋跡采用紅外線接收二極管完成；無線遙控則是采用帶有PT2272 解碼的 TDL9915 接收模塊和帶有 PT2262 編碼的 TDL99884 發(fā)送模塊完成以及附加功能的語音模塊是以柱極式話筒脈沖波經(jīng)過處理后完成。 各模塊分析選擇通過收集各硬件模塊資料信息，對其進(jìn)行有效的分析選擇，最終選出最合理的設(shè)計(jì)方案。本方案電路復(fù)雜，靈活性不高，效率低，不利于小車智能化的擴(kuò)展，對各路信號(hào)處理比較困難。紅外線探頭采用市面上通用的發(fā)射管與及接收頭，經(jīng)過比較芯片調(diào)制處理后由控制系統(tǒng)接收。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來解決復(fù)雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡潔化，各類功能易于實(shí)現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求 [3]。 避障單元方案比較與選擇方案一：采用超聲波避障，超聲波受環(huán)境影響較大，電路復(fù)雜，而且地面對超聲波的反射，會(huì)影響系統(tǒng)對障礙物的判斷。外界對紅外信號(hào)的干擾比較小，且易于實(shí)現(xiàn)，價(jià)格也比較便宜，故采用方案二。只要障礙物在限定范圍內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生相對的電平供單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)避障功能。由于光敏二極管受可見光的影響較大，穩(wěn)定性差。采用紅外線發(fā)射，外面可見光對接收信號(hào)的影響較小，再用射極輸出器對信號(hào)進(jìn)行隔離。當(dāng)小車底部的某邊紅外線收發(fā)對管遇到黑帶時(shí)，可以檢測到輸入電平為高電平，反之為低電平。這樣不斷循環(huán)檢測，方向控制，使小車按黑線行走。相對結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且使用的時(shí)候必須將遙控器前的紅外發(fā)射孔對準(zhǔn)接收管才可以。方案三：超聲波遙控是利用超聲波來傳送指令的遙控，可以應(yīng)用于需要遙控、遙測的場合。但由于超聲波遙控價(jià)格相對上面兩種價(jià)格較貴，而且對于小車的遙控也太過于夸大化。采用帶有 PT2272 解碼的 TDL9915 接收模塊和帶有 PT2262 編碼的 TDL99884 發(fā)送模塊完成。但方案給人以提示的可懂性比較差，但在一定程度上能滿足要求，而且易于實(shí)現(xiàn)，成本也不高。柱極式話筒接收聲波信號(hào)，通過三極管放大信號(hào)，使信號(hào)通過整流的二極管得到一個(gè)脈沖信號(hào)，并經(jīng)過 74HC04 取反后供單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)語音控制。最后把處理結(jié)果傳遞給小車電機(jī)，使得到相應(yīng)效果。 單片機(jī)控制模塊本模塊采用 51 系列單片機(jī)作為核心處理器。有了以上三塊，單片機(jī)就能夠正常工作。其應(yīng)用范圍廣，性能良好，可用于解決復(fù)雜的控制問題。如圖 31 是較為常見的帶燒錄接口的單片機(jī)最小系統(tǒng)圖。系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。引腳 XTAL1 和XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。外接晶體諧振器以及電容 C1 和 C2 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為 12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值通常取 30PF。 復(fù)位電路復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。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。按鈕復(fù)位是指用戶按下“復(fù)位”按鈕，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài) [5]。浙江萬里學(xué)院本科畢業(yè)論文 7 圖 32 復(fù)位電路上電時(shí)，+5V 電源立即對單片機(jī)芯片供電，同時(shí)經(jīng)電阻 R 對電容 C3 充電。按鈕按下時(shí)，RST 上同樣出現(xiàn)高電平，實(shí)現(xiàn)了按鈕復(fù)位。如果這些芯片復(fù)位端的復(fù)位電平和單片機(jī)一致，則可以與單片機(jī)復(fù)位腳相連，因此，非門在這里不僅起了反向作用，還增大了驅(qū)動(dòng)能力，電容 C1，C2 起慮波作用，防止干擾竄入復(fù)位端產(chǎn)生誤動(dòng)作 [5]。(SCK)輸入移位脈沖，(MISO)串行輸出，(MOSI)串行輸入。如圖 33 燒寫接口電路。浙江萬里學(xué)院本科畢業(yè)論文 8 無線遙控工作原理圖 34 是無線電遙控設(shè)備方框圖，由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。編碼電路由操縱器(操縱開關(guān)或電位器等)控制，操縱者通過操縱器；使編碼電路產(chǎn)生所需要的控制指令。除了可利用頻率特征外，還可用正弦信號(hào)的幅度及相位特征、脈沖信號(hào)的幅度、寬度及相位特征以及碼組特征等表示各種指令。我們把指令信號(hào)載到載波上去的過程叫調(diào)制，調(diào)制作用由發(fā)射電路的調(diào)制器完成。接收機(jī)由接收電路及譯碼電路組成。由接收天線送來的微弱信號(hào)經(jīng)接收機(jī)高頻部分的選擇和放大后，送到解調(diào)器。譯碼電路的工作就象把卸下來的貨物鑒別分類，再分別送到使用場地一樣，它對各種指令信號(hào)進(jìn)行簽別，送到相應(yīng)的執(zhí)行放大電路。執(zhí)行機(jī)構(gòu)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械動(dòng)作，例如電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、電磁鐵的吸動(dòng)等，帶動(dòng)被控的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對被控目標(biāo)的控制 [6]。圖 35 TDL9915 和 TDL99884 PT2262/2272 芯片編碼芯片PT2262 發(fā)出的編碼信號(hào)由：地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個(gè)完整的碼字，解碼芯片PT2272 接收到信號(hào)后，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對后，VT 腳才輸出高電平，與此同時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平，如果發(fā)送端一直按住按鍵，編碼芯片也會(huì)連續(xù)發(fā)射。如圖36 PT2262引腳圖：圖 36 PT2262引腳圖浙江萬里學(xué)院本科畢業(yè)論文 10 PT2272解碼芯片有不同的后綴，表示不同的功能，有L4/M4/L6/M6之分，其中L表示鎖存輸出，數(shù)據(jù)只要成功接收就能一直保持對應(yīng)的電平狀態(tài)，直到下次遙控?cái)?shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)改變。后綴的6和4表示有幾路并行的控制通道，當(dāng)采用4路并行數(shù)據(jù)時(shí)（PT2272M4)，對應(yīng)的地址編碼應(yīng)該是8位，如果采用6路的并行數(shù)據(jù)時(shí)(PT2272M6)，對應(yīng)的地址編碼應(yīng)該是6位。同一個(gè)系統(tǒng)地址碼必須一致，不同的系統(tǒng)可以依靠不同的地址碼加以區(qū)分。由此過程來改變接收管的輸出電壓，單片機(jī)以電壓的變化為依據(jù)來執(zhí)行小車電機(jī)確定行走路線。四針接口處P3，P4的1，2腳是跟紅外線發(fā)射管連接，3，4則是跟接收管相連，放置插針是為了更容易實(shí)現(xiàn)紅外線管的放置。比較芯片LM358（LM393）可以根據(jù)接收管的電壓和參考電壓進(jìn)行比較后輸出相應(yīng)電平。小車進(jìn)入尋跡模式后，即單片機(jī)開始不停地掃描與探測器連接的單片機(jī)I/O口，一旦檢測到某個(gè)I/O口有信號(hào)，即進(jìn)入判斷處理程序,先確定2個(gè)探測器中的哪一個(gè)探測到了黑線，如果左面?zhèn)鞲衅鳎t燈亮）探測到黑線，即小車左半部浙江萬里學(xué)院本科畢業(yè)論文 12 分壓到黑線，車身向右偏出，此時(shí)應(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)；如果右面?zhèn)鞲衅鳎S燈亮）探測到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左偏出了軌跡，則應(yīng)使小車向右轉(zhuǎn)。其中， R11和R19為限流電阻，防止紅外線發(fā)生管因電流過大而燒壞；由R14和一個(gè)可變電阻組成的電路為參考電壓電路，由于檢測小車行駛的過程會(huì)因環(huán)境或則黑線材料的改變使輸出電壓成一個(gè)變化值，所以通過可變電阻來改變參考電壓，使能正常運(yùn)行；同時(shí)R12和R20為上拉電阻，讓輸入單片機(jī)的電壓達(dá)到高電平；發(fā)光二極管則是能更直觀的判斷出哪對傳感器在起作用。圖 310 LM393原理結(jié)構(gòu)圖表31 引腳功能表引出端序號(hào) 功能 符號(hào) 引出端序號(hào) 功能 符號(hào)1 輸出端1 OUT1 5 正向輸入端2 1N+(2)2 反向輸入端1 1N(1) 6 反向輸入端2 1N(2)3 正向輸入端1 1N+(1) 7 輸出端2 OUT2浙江萬里學(xué)院本科畢業(yè)論文 13 續(xù)表314 地 GND 8 電源 VCC 紅外避障模塊紅外避障模塊主要實(shí)現(xiàn)小車的避障處理，當(dāng)小車檢測到前面有障礙物時(shí)，由單片機(jī)發(fā)出指令實(shí)現(xiàn)小車停止功能。 紅外避障電路介紹本模塊主要有兩部分組成，38KHZ的紅外發(fā)射模塊和接收比較模塊，采用38KHZ頻率段是能有效的排除可見光的干擾，實(shí)現(xiàn)避障有效距離50CM左右，更好的完成對電機(jī)的控制。通過555芯片組成多諧振蕩器，根據(jù)式（31）可設(shè)計(jì)出38KHZ方波信號(hào) （31）1/???12(R+)C圖 311 紅外線避障電路原理圖接通電源后，電容C被充電當(dāng)2腳 上升到2 /3，使 3腳 為低電平，同CVcoV時(shí)內(nèi)部三極管T導(dǎo)通，此時(shí)電容C通過 和T 放電， 下降，當(dāng) 下降到 /3RCCc時(shí)， 翻轉(zhuǎn)為高電平。 555芯片工作原理NE555是一個(gè)能產(chǎn)生精確定時(shí)脈沖的高穩(wěn)度控制器，其輸出驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)200MV。工作電壓范圍： 16V。圖 312 555內(nèi)部框架圖其中圖中2腳的功能為觸發(fā)，5腳功能為控制電壓，6腳功能為閥值，7腳功能為放電端。L293D 是著名的 SGS 公司的產(chǎn)品。內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。通過單片機(jī)的 I/O 輸入浙江萬里學(xué)院本科畢業(yè)論文 15 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，用程序輸入對應(yīng)的碼值，能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)的動(dòng)作，有效控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，如圖 313 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖。取左邊電機(jī)為例，當(dāng) J16 輸入數(shù)字電平“1”， J17 輸入數(shù)字電平“0”時(shí)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)；當(dāng) J16 輸入數(shù)字電平“0”， J17 輸入數(shù)字電平“1”時(shí)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)；當(dāng) J16 輸入數(shù)字電平“0（1）”， J17 輸入數(shù)字電平“0（1）”時(shí)實(shí)現(xiàn)停止；最后結(jié)合左右電機(jī)通過單片機(jī)共同實(shí)現(xiàn)小車的前后左右四個(gè)方向行駛 [9]。如圖 314 語音控