【正文】 同時(shí)在底盤裝設(shè)4只紅外對管，進(jìn)行兩級方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。圖中循跡傳感器共安裝4個，全部在一條直線上。小車行走時(shí)，始終保持黑線在R1和L1這兩個第一級傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，第一級傳感器一旦探測到有黑線，單片機(jī)就會按照預(yù)先編定的程序發(fā)送指令給小車的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再對小車路徑予以糾正?？梢钥闯?，第二級方向傳感器實(shí)際是第一級的后備保護(hù)，從而提高了小車循跡的可靠性。 R2L1R1L2圖23 小車底面仰視圖 避障模塊方案設(shè)計(jì)與論證方案一：采用一只紅外對管置于小車中央。方案二：采用二只紅外對管分別置于小車的前端兩側(cè)，方向與小車前進(jìn)方向平行，對小車與障礙物相對距離和方位能作出較為準(zhǔn)確的判別和及時(shí)反應(yīng)。方案三：采用超聲波傳感器置于小車右側(cè)，方向與小車前進(jìn)方向平行，當(dāng)前方出現(xiàn)障礙物時(shí)，超聲波傳感器會收到信號，并將傳給單片機(jī)，檢測距離調(diào)整在20cm內(nèi)，即只有在20cm之內(nèi)有障礙時(shí)小車才會做出避讓動作，在這個范圍之外的障礙小車不予處理。通過測試此種方案就能很好的實(shí)現(xiàn)小車避開障礙物，且充分的利用資源而不浪費(fèi)。 電源模塊方案設(shè)計(jì)與論證方案一：采用實(shí)驗(yàn)室有線電源通過穩(wěn)壓芯片供電，其優(yōu)點(diǎn)是可穩(wěn)定的提供5V電壓，但占用資源過大。方案三：。 紅外線模塊方案設(shè)計(jì)與論證由于在遙控端的按鍵數(shù)目有多個，而紅外通道傳輸?shù)闹荒苁怯?、1組成的串行代碼，所以需要在發(fā)射端對按鍵進(jìn)行“并串”編碼，在接收端相應(yīng)的要進(jìn)行“串并”解碼。方案一：將紅外碼調(diào)制成38KHZ的脈沖信號通過紅外發(fā)射二極管將紅外碼發(fā)出。開始時(shí)參照了《電子制作》上的一篇論文，使用的是NEC的upd6121，但是后來發(fā)現(xiàn)這種芯片不是很好買到，即所謂的市場貨源不充足，這是電子制作必須考慮的問題，所以放棄了這款芯片，改選HOTEK的HT6221，他們的性能及其外圍電路幾乎相同。TX2的11腳和12腳之間接的電阻決定振蕩頻率；3腳接地；10腳接35V電源；14腳、1腳、4腳、5腳、6腳分別為5路發(fā)射控制端；9腳為發(fā)射指示端，當(dāng)有按鍵按下時(shí)LED1發(fā)光提示；7腳為帶載波的編碼信號輸出端，即編碼信號已經(jīng)內(nèi)調(diào)制到38KHZ的載波上，該腳的信號通過一個NPN型三極管放大后可直接驅(qū)動紅外發(fā)射二極管發(fā)射信號；8腳為不帶載波的編碼信號輸出端。另外，為了方便操作，可以將TX2的5路功能擴(kuò)展成9功能，即在遙控發(fā)射端可以接9個按鍵。通過比較，兩種方案都可實(shí)現(xiàn)無線遙控功能，不過方案二成本較高，所以選取方案一作為本次設(shè)計(jì)最終方案。設(shè)計(jì)中采用一片AT89C51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)所有功能，在軟件方面通過對結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，基本上實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)并發(fā)運(yùn)行，并且通過軟件的分層結(jié)構(gòu)將功能實(shí)現(xiàn)和具體的硬件分離開，這將給后續(xù)的各模塊軟件的設(shè)計(jì)帶來方便。 AT89C51簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機(jī)見圖31。 AT89C51引腳說明AT89C51的引腳說明如下：VCC：供電電壓。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷0） /INT1（外部中斷1） T0（記時(shí)器0外部輸入） T1（記時(shí)器1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時(shí)間。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。另外，該引腳被略微拉高。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲器。XTAL1：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時(shí)鐘放大器電路的輸出端。XTAL2：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 電機(jī)驅(qū)動電路由L298N 構(gòu)成的PWM功率放大器的工作形式為單極可逆模式，PWM電路由四個大功率晶體管組成H橋電路構(gòu)成，四個晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，兩個H橋的下側(cè)橋晶體管發(fā)射極連在一起，1 腳和15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器, 形成電流傳號。12 腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn), ENA、ENB 接控制使能端，用來輸入PWM信號實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)，輸出腳SENSEA和SENSEB用來連接電流檢測電阻，Vss接邏輯控制的電源。電機(jī)驅(qū)動電路原理圖見圖32。其內(nèi)部包含4 通道邏輯驅(qū)動電路, 即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TT L 邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A 以下的電機(jī)。同理，引腳13和14也可控制一個直流電動機(jī)。引腳5，7，10，12為單片機(jī)輸入到L298N芯片的輸入引腳。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，也可以直接接地。引腳8為芯片的接地引腳，它與L298N芯片的散熱片連接在一起。該芯片的一些參數(shù)如下：(1) 邏輯部分輸入電壓：6～7V(2) 驅(qū)動部分輸入電壓Vs：～46V(3) 邏輯部分工作電流Iss：≤36mA(4) 驅(qū)動部分工作電流Io：≤2A(5) 最大耗散功率：25W（T=75℃）(6) 控制信號輸入電平：高電平：≤Vin≤Vss，低電平：≤Vin≤(7) 工作溫度：25℃～＋130℃(8) 驅(qū)動形式：雙路大功率H橋驅(qū)動 小車方向與速度控制智能小車首先要能實(shí)現(xiàn)直走，在行進(jìn)中遇到障礙物時(shí)同時(shí)要能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎和倒退控制，才能避開障礙物。由上表可知兩個電機(jī)都正轉(zhuǎn)的控制組合為P4_7P4_4為1001，也就是說只要把P4_7P4_4設(shè)置為1001就實(shí)現(xiàn)了小車的前進(jìn)功能。此時(shí)的P4_7P4_4端口數(shù)據(jù)為0110。方案一：在設(shè)計(jì)中只要讓一側(cè)的電機(jī)停轉(zhuǎn)，讓另一側(cè)的電機(jī)正傳或反轉(zhuǎn)，這樣小車就會朝著一個方向偏轉(zhuǎn)。另外還有左前轉(zhuǎn)，右后轉(zhuǎn)，左后轉(zhuǎn)等動作，控制方法類似。造成這種現(xiàn)象的原因是：小車轉(zhuǎn)彎是通過一側(cè)的輪子停轉(zhuǎn)，另一側(cè)的輪子正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的。方案二：考慮到上述方案存在的缺陷，且小車本身重量過大，電源又太重，實(shí)在找不到電量大且重量輕的電源，我們研究出只有一邊正轉(zhuǎn)一邊反轉(zhuǎn)才能轉(zhuǎn)彎。（3）PWM調(diào)速原理AT89C51單片機(jī)有集成的定時(shí)器產(chǎn)生PWM波形，我們可通過用它的一個定時(shí)器來產(chǎn)生占空比和頻率可調(diào)方波來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。此時(shí)可以通過調(diào)整PWM的占空比，來改變電機(jī)兩端的平均電壓大小。 循跡系統(tǒng) 循跡原理小車循跡原理是小車在畫有黑線的白紙 “路面”上行駛，由于黑線和白紙對光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”黑線。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)。避障亦是此原理。TCRT5000傳感器的工作原理與一般的紅外傳感器一樣,接收管的電阻會發(fā)生變化,在電路上一般以電壓的變化形式體現(xiàn)出來,。LM324集成塊內(nèi)部裝有四個獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是： (1)失調(diào)電壓小，典型值為 2mV； (2)電源電壓范圍寬，單電源為 236V，雙電源電壓為177。18V； (3)對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬； (4)共模范圍很大，為 0~（）Vo； (5)差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓； (6)輸出端電位可靈活方便地選用。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。用作比較兩個電壓時(shí)，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇 LM324輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個待比較的信號電壓。當(dāng)“”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。LM324的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選 315K）。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。 避障系統(tǒng) 避障原理采用一只紅外對管置于小車右側(cè)。其原理與循跡一樣，利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)。具體來說，當(dāng)小車行進(jìn)過程中，如果遇到障礙，紅外檢測頭亮燈時(shí)，收到一個低電平，左電機(jī)停止工作，右電機(jī)正常工作，小車左轉(zhuǎn)避開障礙。原理圖見圖35。 紅外發(fā)射電路 紅外發(fā)射電路是遙控器芯片HT6221將紅外碼調(diào)制成38KHZ的脈沖信號通過紅外發(fā)射二極管將紅外碼發(fā)出。圖36 紅外發(fā)射電路圖中D6就是紅外發(fā)射二極管，R13是限流電阻47Ω，由此可見，紅外發(fā)射管的電流是很大的，這是為了保證足夠的發(fā)射功率。HT6221的編碼規(guī)則是：當(dāng)一個鍵按下超過36ms，振蕩器使芯片激活，如果這個按鍵按下且延遲大約108ms，這108ms發(fā)射代碼由一個起始碼(9ms)，一個結(jié)果碼()，低8位地址碼(9ms~18ms)，高8位地址碼(9~18ms)，8位數(shù)據(jù)碼(9~18ms)和這8位數(shù)據(jù)碼的反碼 (9~18ms)組成，如果按鍵按下超過108ms仍未松開，接下來發(fā)射的代碼將僅由起始碼(9ms)和結(jié)束碼()組成。就是說如果接收電路里收到這些數(shù)據(jù)碼中的某一個就知道哪一個鍵按下了，從而執(zhí)行規(guī)定的動作。OUT即是解調(diào)信號的輸出端，直接接單片機(jī)I/O口就可以了。圖37 一體化紅外接收探頭HS0038 顯示系統(tǒng) LCD1602簡介顯示模塊用液晶顯示器LCD1602來顯示小車各種運(yùn)動狀態(tài)。它有若干個5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個字符。 LCD1602功能特性1602LCD有以下特性：（1）+5V電壓，對比度可調(diào)；（2）內(nèi)含復(fù)位電路；（3）提供各種控制命令,如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能；（4）有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器DDRAM；（5）內(nèi)建有160個5X7點(diǎn)陣的字型的字符發(fā)生器CGROM；（6）8個可由用戶自定義的5X7的字符發(fā)生器CGRAM。引腳說明如下：表34 LCD引腳說明引腳號引腳名電平輸入/輸出作用1VSS電源地2VCC電源（+5V）3VEE對比調(diào)整電壓4RS0/1輸入0=輸入指令 1=輸入數(shù)據(jù)5R/W0/1輸入0=向LXD寫入指令或數(shù)據(jù) 1=從LCD讀取信息6E1,10輸入使能信息號，1時(shí)讀取信息，10執(zhí)行指令續(xù)表34 LCD引腳說明引腳號引腳名電平輸入/輸出作用7DB00/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line0（最低位）8DB10/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line19DB20/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line210DB30/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line311DB40/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line412DB50/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line513DB60/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line614DB70/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line7（最高位）15A+VCCLCD背光電源正極16K接地LCD背光電源負(fù)極 最小單元電路系統(tǒng) 復(fù)位電路模塊計(jì)算機(jī)在啟動運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。此時(shí)ALE、PSEN、P0、PPP3口都 輸出高電平。單片機(jī)采用的復(fù)位方式是自動復(fù)位方式。在加電瞬間，電容通過電阻充電，就在RST端出現(xiàn)一定時(shí)間的高電平，只要高電平時(shí)間足夠長，就可以使MCS51有效的復(fù)位。10MHZ時(shí)約為1ms，1MHZ時(shí)約為10ms，所以一般為了可靠的復(fù)位，RST在上電應(yīng)保持20ms以上的高電平。若復(fù)位電路失效，加電后CPU從一個隨機(jī)的狀態(tài)開始工作，系統(tǒng)就不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。圖38 單片機(jī)復(fù)位電路 時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。AT89C51是屬于CMOS8位微處理器，它的時(shí)鐘電路在結(jié)構(gòu)上有別于NMOS型的單片機(jī)。振蕩器工作受/PD端控制，由軟件置“1”PD（）使/PD＝0，振蕩器停止工作，整個單片機(jī)也就停止工作，以達(dá)到節(jié)電目的。圖中SYS為晶振或陶瓷諧振器，振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率主要由SYS參數(shù)確定（晶振上標(biāo)明的頻率）。時(shí)鐘振蕩電路如圖39。在本章中列出了此次設(shè)計(jì)所用的全部器件以及一些主要技術(shù)和器件的介紹。31第4章 軟件設(shè)計(jì)第4章 軟件設(shè)計(jì) 發(fā)送端程序流程圖 發(fā)送端主程序流程圖圖41為發(fā)送端主程序流程