【正文】 167。方案一：自己設(shè)計制作車架自己制作小車底盤，用兩個直流減速電機作為主動輪，利用兩電機的轉(zhuǎn)速差完成直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、左后轉(zhuǎn)、右后轉(zhuǎn)、倒車等動作。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)計空間，使得車體美觀緊湊。 方案二：購買玩具電動車玩具電動車價格低廉，有完整的驅(qū)動、傳動和控制單元，其中傳動裝置是本設(shè)計所需的，縮短了開發(fā)周期。同時，玩具電動車轉(zhuǎn)向依靠前輪電機帶動前輪轉(zhuǎn)向完成，精度低。這樣不僅精度有保障，也增加了設(shè)計的靈活性。 主控制器選擇處理器可以選擇采用DSP或51單片機，DSP適合用于控制電機，功能強大。由于對51單片機比較熟練，價格便宜，而DSP控制相對而言復(fù)雜，故采用51單片機。而STC系列單片機價錢容易接受，可以在線下載，下載器也比較容易購買到，方便攜帶應(yīng)用。其指令系統(tǒng)和傳統(tǒng)的8051系列單片機指令系統(tǒng)兼容，降低了系統(tǒng)軟件設(shè)計的難度，電路設(shè)計簡單、價格低廉。綜合以上分析選用了比較普通的且更為熟悉的STC89C52單片機為整個系統(tǒng)的控制核心。 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。但由于聲波衍射現(xiàn)象較嚴重，且波包散面太大，易造成障礙物的錯誤判斷。方案二：使用視頻采集處理裝置使用CCD實時采集小車前進路線上的圖像并進行實時傳輸及處理，這是最精確的障礙物信息采集方案，可以對障礙物進行精確定位和測距。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，其有效探測距離3~80cm可調(diào)，且抗外界背景光干擾能力強，價格便宜、易于裝配、使用方便，可在日光下正常工作（理論上應(yīng)避免日光和強光源的直接照射）。167。此方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢，易損壞，壽命較短，可靠性不高。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)計放棄了這一方案。L298N芯片可以驅(qū)動兩個二相電機，也可以驅(qū)動一個四相電機，正好符合本設(shè)計小車兩個二相電機的驅(qū)動要求。167。方案二：采用雙電源供電電動機驅(qū)動電源采用5節(jié)五號電池，單片機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，這樣做雖然可以將電動機驅(qū)動所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。由于本設(shè)計采用的L298N電機驅(qū)動電路板可以提供+5V輸出，可以方便給5V的單片機供電，因此采用單電源供電即可。綜合考慮到本設(shè)計采用的直流電機為強磁電機以及線路壓降。 智能小車最終方案經(jīng)過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單片機作為整個電路的控制核心。(3) 采用小車底盤作為機器人載體，強磁直流減速電機作為小車系統(tǒng)的驅(qū)動電機。(5) 采用紅外傳感器進行障礙檢測。 系統(tǒng)總體設(shè)計167。直流電機 STC89C52控制模塊障礙物檢測模塊電機驅(qū)動模塊穩(wěn)壓電源模塊報警模塊圖11 系統(tǒng)組成框圖167。小車采用前輪驅(qū)動，前輪左右兩邊各用一個直流電機驅(qū)動，分別控制兩個輪子的轉(zhuǎn)動從而達到轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬向輪，起支撐的作用。由單片機主控核心模塊根據(jù)感測模塊給予的信息控制小車兩電機轉(zhuǎn)動工作狀態(tài)。本小車使用STC89C52單片機作為主控芯片，當小車與障礙物的距離小于30cm時，小車轉(zhuǎn)彎以避開障礙物，并且此時蜂鳴器報警。在車前方有障礙物時，小車能避開障礙物，避障方法如下：(1) 先向左邊轉(zhuǎn)90度，如果前面沒有障礙物，再沿直線向前走。(3) 如果前面仍有障礙物，則向右90度，然后直線行走。 本章小結(jié)本章介紹了智能避障機器人的設(shè)計內(nèi)容及控制要求，提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計思路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對系統(tǒng)硬件的選型進行了方案比較，選擇了合適的系統(tǒng)方案。第2章 硬件設(shè)計167。 STC89C52單片機硬件結(jié)構(gòu)簡介本模塊采用STC89C52單片機作為核心處理器。其應(yīng)用范圍廣，性能良好，可用于解決復(fù)雜的控制問題。圖2－1 單片機基本結(jié)構(gòu)框圖STC89C52單片機是把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。它們都是通過片內(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。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2－1所示：(1) 微處理器該單片機中有一個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)，還可以進行位變量的處理。(3) 程序存儲器由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲器的容量不夠，則需用擴展片外的只讀存儲器，片外最多可外擴至64k字節(jié)。(5) 定時器/計數(shù)器片內(nèi)有2個16位的定時器/計數(shù)器，具有四種工作方式。可用來進行串行通訊，擴展并行I/O口，甚至與多個單片機相連構(gòu)成多機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且應(yīng)用更廣。(8) 特殊功能寄存器共有21個，用于對片內(nèi)的個功能的部件進行管理、控制、監(jiān)視。由上可見，STC89C52單片機的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強等特點。1位機在開關(guān)決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而8位機在數(shù)據(jù)采集，運算處理方面有明顯的長處。167。用89C52單片機構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復(fù)位電路即可，如圖22所示89C52單片機最小系統(tǒng)。其應(yīng)用特點：(1) 有可供用戶使用的大量I/O口線。(3) 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。89C52雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。本設(shè)計采用最常用的內(nèi)部時鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。所以本設(shè)計中，振蕩晶體選擇12MHZ，電容選擇65pF。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用NPO電容，時鐘電路如圖23所示。復(fù)位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2，斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。最簡單的上電自動復(fù)位電路是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。時鐘頻率用12MHZ時C取22uF，R取1KΩ。本設(shè)計就是用的按鍵手動復(fù)位。其中電平復(fù)位是通過RST端 經(jīng)電阻與電源VCC接通而實現(xiàn)的。圖24 復(fù)位電路3. 燒寫接口電路如圖25所示就是USB供電下載接口，圖中PL2303 芯片是Prolific 公司生產(chǎn)的一種高度集成的RS232USB接口轉(zhuǎn)換器，可提供一個RS232 全雙工異步串行通信裝置與USB 功能接口便利連接的解決方案。這些工作全部由器件自動完成，開發(fā)者無需考慮固件設(shè)計。同時，ISP 的下載接口如圖26，在設(shè)計時應(yīng)注意以下兩點，否則會造成程序下載的失敗。(2) 腳不能連接外部器件，如果要連接外部器件可以設(shè)計為可插拔的方式，防止影響程序的下載。 電機驅(qū)動電路的設(shè)計167。智能小車控制系統(tǒng)中對控制電機要求其體積小、重量輕、耗電少，另外還要求其有高可靠性、高精度和快速響應(yīng)等特點，主要集中在以下幾個方面：(1) 高可靠性。(2) 高精度。從廣義上而言，直流電機特性的線性度和失靈區(qū)會直接影響到系統(tǒng)的精度。(4) 正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)的特性相同，且運行特性穩(wěn)定。常用的控制電機有步進電機和直流電機兩大類。直流電機能夠?qū)⑤斎氲碾妷盒盘栕兂赊D(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，改變控制電壓即可改變電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，用途很廣泛，主要有如下優(yōu)點：(1) 寬廣的調(diào)速范圍。(2) 線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性。轉(zhuǎn)矩一定時，轉(zhuǎn)速則隨電壓的變化而線性調(diào)節(jié)。(3) 與步進電機相比，小體積較易獲得大功率。 直流電機調(diào)速原理直流電動機轉(zhuǎn)速可以用式21表示： n=(UIR)/Kφ （21）其中U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電路總電阻，φ為每極磁通量，K為電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)。大多數(shù)應(yīng)用場合都使用電樞電壓控制法。PWM調(diào)速控制的基本原理是按一個固定頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)接通和斷開的時間比(占空比)來改變直流電機電樞上電壓的“占空比”，從而改變平均電壓，控制電機的轉(zhuǎn)速。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可控制電機轉(zhuǎn)速。設(shè)電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為Vmax，且設(shè)占空比為D=t／T，則電機的平均速度Vd為：Vd=Vmax嚴格地講，平均速度與占空比D并不是嚴格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可將其近似地看成線性關(guān)系。當用單片機I/O口輸出PWM信號時，可采用以下三種方法：利用軟件延時。利用定時器。利用單片機自帶的PWM控制器。167。電機常用的驅(qū)動芯片很多，在本設(shè)計中筆者選用硬件設(shè)計簡單，驅(qū)動效率高的L298N作為電機驅(qū)動芯片，L298N芯片是一種集成大功率H橋芯片。本設(shè)計中采用的L298N電機驅(qū)動電路板使用ST公司的L298N作為主驅(qū)動芯片，具有驅(qū)動能力強，發(fā)熱量低，抗干擾能力強的特點。設(shè)計用來接收DTL或者TTL邏輯電平，驅(qū)動感性負載(比如繼電器，直流電機)，和開關(guān)電源晶體管。四個電機驅(qū)動引腳和四個PWM波控制引腳。模塊板載7805三端穩(wěn)壓集成電路穩(wěn)壓芯片，可以方便給單片機以及其他需要5V的系統(tǒng)供電，前提是VCC接大于6V電壓。L298N是雙H橋驅(qū)動芯片，包含兩個H橋電路。圖28電機正轉(zhuǎn)示意圖若H橋的1端為高電平，2端為低電平時，三極管Q1導(dǎo)通，Q4截止，此時Q3的基極為高電平，Q2的基極為低電平，因此三極管Q3和Q5導(dǎo)通，Q2和Q6截止，電流流向如圖29所示，電機反轉(zhuǎn)。L298N 的工作原理和以上介紹的H橋相同，引腳圖如圖210所示：圖210 集成H橋芯片L298N管腳圖直流電機由驅(qū)動芯片L298N提供驅(qū)動電機所需要的電壓和電流，通過改變加在電動機上的電壓的平均值來控制電機的運轉(zhuǎn)。表21輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系IN1(IN3)IN2(IN4)電機運行情況10正轉(zhuǎn)01反轉(zhuǎn)11剎車00停止其外部電路原理圖如圖211所示。L298可以驅(qū)動2個直流電機，OUTOUT2和OUTOUT4之間分別接2個電動機。ENA，ENB為電機控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)，、進行PWM調(diào)速。圖211集成H橋芯片L298N外部電路原理圖VSS端口的電容是為了去除供電電壓的紋波波動，根據(jù)電容的阻直流通交流的特性，供電電壓的交流波動會通過此電容直流流向GND，這樣設(shè)計是為了使芯片的供電電源更穩(wěn)定有效。這個反向電壓就會加在L298的功率開關(guān)器件上，將L298的功率開關(guān)器件擊穿燒壞，所以要建立一個泄放通道，將繞組自感電動勢所產(chǎn)生的高壓和電流釋放，以保護功率開關(guān)器件。DD3，DD7兩組的作用分別為：M1電機正轉(zhuǎn)時，OUT1為正，OUT2為地，電流從OUT1經(jīng)M1繞組流向OUT2。為感生電流提供泄放通道向C1C14充電。電路中的二極管在為L298提供保護同時，也為感生電流向電源電路充電提供通道。167。檢測距離可以根據(jù)要求進行調(diào)節(jié)。實物如圖212所示：其工作電壓為2—6v，滿足小車行進過程中的電量消耗。傳感器采用E18D80NK式反射紅外傳感器。探測距離在3CM到80CM范圍內(nèi)可調(diào),完全能滿足探測距離要求。光電反射式傳感器的原理圖如213所示，其具體原理為：當電源穩(wěn)定供電時，紅外發(fā)射管不斷地發(fā)射出紅外光，當發(fā)射出的紅外光遇到障礙物時，發(fā)射出的紅外光會發(fā)生漫反射，反射回傳感器，這時傳感器的三極管就會導(dǎo)通，傳感器的I/O端口與地導(dǎo)通，輸出為低電平，反之，發(fā)射出的紅外光沒有遇到障礙物，發(fā)射出的紅外光無法返回傳感器，傳感器的三極管就會截止，傳感器的I/O口經(jīng)10K歐的電阻與電源相連，輸出為高電平。在實際測試中，需要指出，光電反射式傳感器是基于障礙物能反射部分紅外光，在極端條件下，比如黑色完全不反光的障礙物，這種障礙物能夠完全吸收紅外光，所以，光電反射式傳感器無法檢測這種障礙物，或者檢測精度下降。：380cm可調(diào)：反光物體（實際測試中黑色墻壁不可檢測）：25176。C：3000LX167。報警模塊電路圖如圖214所示。因為單片機的IO口驅(qū)動能力不夠讓蜂鳴器發(fā)出聲音，所以通過三極管放大驅(qū)動電流，從而可以讓蜂鳴器發(fā)出聲音，三極管采用PNP型，當輸出低電平，三極管導(dǎo)通，集電極電流通過蜂鳴器讓蜂鳴器發(fā)出聲音，當輸出高電平時，三極管截止，沒有電流流過蜂鳴器，不會發(fā)出聲音。 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計對于一個實際的電子系統(tǒng)，要認真的分析它的電源需求。由于本設(shè)計采用的芯片L298N電機驅(qū)動電路板可以提供+5V輸出，可以方便給5V的單片機供電，因此采用單電源給電機驅(qū)動芯片L298N供電即可。7805三端穩(wěn)壓集成電路，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。穩(wěn)壓電路如圖215所示。它有低成本，循環(huán)壽命長，無污染，安全性能好，溫度使用范圍廣等特點。動力電池組具有較強的電流驅(qū)動能力及穩(wěn)定的電壓輸出性能，經(jīng)測試在用此種供電方式下，單片機和傳感器工作穩(wěn)定，直流電機工作良好，且電池體積較小、可以充電、能夠重復(fù)利用等，能夠滿足系統(tǒng)的要求。 系統(tǒng)整體電路設(shè)計根據(jù)本章前面對設(shè)計的各個相關(guān)模塊的分別講述講述，再結(jié)合單片機的引腳功能，從而得到系統(tǒng)整體電路圖，如圖216所示。 本章小結(jié)本章主要設(shè)計了智能避障機器人的硬件系統(tǒng)，包括主控電路設(shè)計、障礙物檢測電路設(shè)計、報警電路設(shè)計、穩(wěn)壓電源電路設(shè)計和電機驅(qū)動電路設(shè)計。26第3章 軟件設(shè)計簡介本設(shè)計采用的是模塊化的思路來進行設(shè)計和編寫程序，程序主要由主程序模塊、延時模塊、驅(qū)動模塊、報警模塊、中斷模塊等五大部分組成，每一部分都針對相應(yīng)的硬件電路。167。 程序控制設(shè)計小車的程序控制系統(tǒng)是由主程序模塊、延時模塊、驅(qū)動模塊、報警模塊、中斷模塊五大模塊相互配合組成。電機控制子程序則是通過定義L298N的IN端口信號分別控制電機的起、停、前進和后退。本次小車程序是利用C語言進行編程通過不同子模塊的調(diào)用來實現(xiàn)小車自動避障。 主程序流程圖如圖31所示為系統(tǒng)主程序流程圖。當檢測到前方有障礙物時，蜂鳴器報警與此同時單