【正文】 控制器已經(jīng)在各種機床設備和各種生產(chǎn)流水線中普遍應用，通過對可編程控制器進行編程就可以實現(xiàn)對電機的自動化控制。通過微處理器控制，可使電機的性能有很大的提高。高性能的微處理器的實現(xiàn)，為采用新的控制理論和控制策略提供了良好的物質(zhì)基礎，使電機傳動的自動化程度大大提高。本設計題目為基于單片機的自動避障小車設計，主要研究小車的避障功能，小車遇到障礙物時，當距離障礙物大于25cm，PWM信號自增，驅(qū)動電機加速，小車加速前進，當小于15cm時，PWM信號自減，驅(qū)動電機減速，小車減速前進，并且小車采取相應的避障措施。所以采用紅外線傳感器作為探測裝置。通過H橋驅(qū)動電路來控制電機的轉(zhuǎn)向和前進。通過H橋驅(qū)動電路來控制電機的轉(zhuǎn)向和前進。也可以通過編寫不同的程序，增加模塊來增加小車的功能。 總體設計通過學習相關(guān)技術(shù)資料可了解到，紅外測模塊是系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，紅外檢測方案的好壞直接關(guān)系到整體性能的優(yōu)劣，因此確定紅外檢測方案是總體方案的關(guān)鍵。系統(tǒng)總體設計方框圖如圖21所示。各模塊作用如下：STC89C52主控模塊，作為整個智能小車的“大腦”，將根據(jù)傳感器的信號，控制算法做出控制決策，驅(qū)動直流電機等完成對智能小車的控制。紅外檢測模塊，檢測障礙信號，為單片機提供前方道路信息。3 硬件設計 小車車體設計小車的車體是整個智能小車的載體，在這個載體上，添加合適的控制單元以實現(xiàn)智能化，因此這個小車車體需要符合相關(guān)的設計要求。但是這種小車存在很多的缺點，由于是成品電動玩具車，一般都是裝配緊湊，要想在其才車體上安裝用于檢測的傳感器十分困難。而且這種電動玩具車多為直流電機，力矩小，負載性能差，且不易調(diào)速，因此我們放棄了此方案。經(jīng)過反復考慮論證，我們制定了買左右兩輪分別驅(qū)動，后萬向輪轉(zhuǎn)向的車模方案。這樣，當兩個直流電機轉(zhuǎn)向相反同時轉(zhuǎn)速相同時就可以實現(xiàn)電動車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松的實現(xiàn)小車坐標不變的90度和180度的轉(zhuǎn)彎。 電源模塊 本設計為避障小車的設計，由于小車需要獨立運行進行避障，因此系統(tǒng)采用電池供電，我們考慮了如下幾種方案為系統(tǒng)供電。蓄電池具有較強的電流驅(qū)動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。因此我們放棄了此方案。經(jīng)過實驗驗證小車工作時，單片機、傳感器的工作電壓穩(wěn)定能夠滿足系統(tǒng)的要求，而且電池更換方便。我們有以下幾種方案可以考慮。 方案2： 利用電阻或者電位器控制電機，電阻或電位器控制電機的電壓，進而達到控制電機速度的目的。 方案3： 利用三極管控制電機，三極管控制電機的電路原理簡單，而且加速性能強，利用功率三極管組成的H型橋式電路如下圖31所示。H型橋式電路工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高，H型橋式電路保證了簡單的實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速大小和運行方向的控制，由于電子三極管的開關(guān)速度很快，其穩(wěn)定性也極強，是被廣泛采用的 PWM調(diào)速技術(shù)。利用該芯片作為電機驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能可靠優(yōu)良。 電機模塊本系統(tǒng)為智能自動巡航電動車，對于電動車來說，其驅(qū)動輪電機的選擇就顯得十分重要。 方案1： 采用步進電機，步進電機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅(qū)動器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護單元等組成。雖然步進電機已被廣泛地應用，但用好步進電機實非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。綜合比較考慮，我們放棄了此方案。直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，因此本設計選擇此方案。檢測的方法很多，比如超聲波檢測、紅外線檢測等，綜合考慮，紅外線線檢測更加實用，因此我們采用紅外線檢測，市場上有現(xiàn)成的紅外E18D50NK光電開關(guān)，完全符合我們本次設計的要求，且使用簡單，因此我們采用這種紅外避障傳感器作為檢測模塊。采用STC89C52單片機作為主控制器。用紅外E18D50NK光電開關(guān)進行避障巡航。4 硬件實現(xiàn)及單元電路設計 主控制模塊主控制最小系統(tǒng)電路圖如圖41所示：圖41 最小系統(tǒng)電路圖 單片機的復位電路與振蕩電路設計本系統(tǒng)采用STC系統(tǒng)列單片機，相比其他系列單片機具有很多優(yōu)點。 單片機的置位和復位，都是為了把電路初始化到一個確定的狀態(tài)，一般來說，單片機復位電路作用是把一個例如狀態(tài)機初始化到空狀態(tài)，而在單片機內(nèi)部，復位的時候單片機是把一些寄存器以及存儲設備裝入廠商預設的一個值。 單片機復位電路原理是在單片機的復位引腳RST上外接電阻和電容，實現(xiàn)上電復位。復位電平的持續(xù)時間必須大于單片機的兩個機器周期。上電瞬間RST引腳獲得高電平，隨著電容器的充電，RST引腳的高電平將逐漸下降。上電與按鍵均有效復位其原理和上電復位基本相同，另外在單片機運行期間，還可以利用按鍵完成復位操作。高級晶振頻率的精度更高。晶振用一種能把電能和機械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。 單片機晶振是為了給系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。在部分特殊情況下使用不同的晶振，但是要通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。 晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時鐘頻率。圖43 振蕩電路 由于單片機P0口內(nèi)部不含上拉電阻，為高阻態(tài)，不能正常地輸出高/低電平，因而該組I/O口在使用時必須外接上拉電阻。能夠?qū)崿F(xiàn)1A以上的輸出電流。并且完全能夠滿足壁障小車單片機控制系統(tǒng)和L298N芯片的邏輯供電的供電需要。7805芯片的輸入電壓可以為9V、12V、15V不等，輸出電壓穩(wěn)定在5V。 圖44 7805芯片基于這樣的情況再結(jié)合電機的工作電壓，選取了6節(jié)干電池9V作為7805的輸入電源，搭建的電源部分電路如下圖45所示：圖45 系統(tǒng)電源模塊電路圖 驅(qū)動電路電機驅(qū)動一般采用H橋式驅(qū)動電路，L298N內(nèi)部集成了H橋式驅(qū)動電路，從而可以采用L298N電路來驅(qū)動電機。其引腳圖如圖46所示，驅(qū)動電路原理圖如圖47所示。輸出信號為數(shù)字量，不需要進行A/D轉(zhuǎn)換，可直接與單片機的I/O口相連，檢測到目標時信號線輸出是低電平，正常狀態(tài)時為高電平，為能讓單片機正常檢測，在信號輸出端需外接一個1KΩ上拉電阻。圖48 E18D50NK光電開關(guān)光電開關(guān)E18D50NK的技術(shù)參數(shù): 輸出電流 DC/SCR/繼電器 Control output：100mA/5V供電 消耗電流 DC25mA 響應時間 2ms 指向角：≤15176。當有光線反射回來時E18D50NK信號腳輸出低電平。紅外光電傳感器的實物安裝圖如圖410所示：圖410 紅外光電傳感器安裝圖 小車車體總體設計本系統(tǒng)共設計兩個減速電機，分別置于車體兩端控制左右車輪；后輪使用萬向輪，維持車身平衡；E18D50NK紅外光電開關(guān)置于車體前方左右兩邊；電池盒置于主板下方。這樣編程結(jié)構(gòu)簡單，由于子程序模塊與硬件電路一一對應，所以調(diào)試起來十分方便。圖51 軟件設計方框圖 主程序流程微機控制系統(tǒng)的設計，除了系統(tǒng)的硬件設計，大量的工作是根據(jù)各生產(chǎn)設計應用的實際需要怎樣的對象。 單片機中的程序是控制整個系統(tǒng)的最重要的一部分，所有的控制系統(tǒng)中，程序的重要性是毋庸置疑的，要想寫出合理的正確的程序，首先要做的是成功設計出對應生產(chǎn)設備的控制程序的流程圖，也只有有完善合理的流程圖后，后續(xù)的編寫程序就會順利很多。圖52 系統(tǒng)流程圖 Keil uVision3環(huán)境Keil軟件是眾多單片機應用開發(fā)的軟件之一，keil uVision3不僅支持許多品牌的單片機，還支持ARM的開發(fā)，Keil uVision3內(nèi)嵌C編程器/匯編器/工程管理器/調(diào)試器等功能模塊，是一款穩(wěn)定可靠的開發(fā)工具，適用于不同層次的用戶，能夠滿足從專業(yè)的應用開發(fā)工程師到初學嵌入式軟件開發(fā)的學生的所有使用要求。還增添了一些更具人性化的功能，使初學者易學易懂。 選擇保存路徑，輸入工程名，點擊保存。圖54 芯片選擇界面這時出現(xiàn)下面的對話框，單擊“否”選項。添加文件右擊Target 1菜單下Source Group1，選擇其下拉菜單中的Add Files選項，這時會出現(xiàn)添加文件對話框，單擊“.c”文件，之后單擊“Add”，當“Source Group1”文件前出現(xiàn)加號，說明添加文件成功，然后單擊“Close”。編譯步驟如下：第一步 單擊Project下拉菜單的Translate選項；第二步 單擊Proj