【正文】 ABU ROBCON）、全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽等眾多重要競(jìng)賽都能很好的培養(yǎng)大學(xué)生對(duì)于機(jī)電一體化的興趣與強(qiáng)化機(jī)電一體化的相關(guān)知識(shí)。 為了適應(yīng) 智能控制 的發(fā)展在汽車智能化方向的發(fā)展要求，提出簡(jiǎn)易智能小車的構(gòu)想，目的在于：通過(guò)獨(dú)立設(shè)計(jì)并制作一輛具有簡(jiǎn)單智能化的簡(jiǎn)易小車，獲得項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)的能力，并掌握多通道多樣化傳感器綜合控制的方法。 此項(xiàng)設(shè)計(jì)是在以楊老師提供的小車為基礎(chǔ)上，采用 AT89C52 單片機(jī)作為控制核心，實(shí)現(xiàn)能夠自主識(shí)別黑色引導(dǎo)線并根據(jù)黑線走向?qū)崿F(xiàn)快速穩(wěn)定的尋線行駛。設(shè)計(jì)要求如下： ●具有單片機(jī)核心控制模塊； ●具有紅外遙控解碼模塊； ●具有電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 ； ●具有 路況檢測(cè) 模塊； ●具有光感模塊； ●具有聲控模塊； ●具有 七段數(shù)碼管顯示模塊 ； ●具有報(bào)警模塊； 設(shè)計(jì)方案論證 控制器選擇 方案一：采用 MSP430 單片機(jī) MSP430 是 德州儀器 (TI)的一種 RISC 混合信號(hào)處理器 ， MSP430 產(chǎn)品系列為電池供電測(cè)量應(yīng)用提供了最終解決方案。 MSP430 優(yōu)點(diǎn)： RAM 保持 ； 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式 ； 250uA/MIPS 有效 ； 高性能模擬器件 ；是 精確測(cè)量的理想選擇 ； 先進(jìn)的 16 位 RISC CPU 使得新的應(yīng)用僅需一段代碼即可實(shí)現(xiàn) ； 系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存允許更改代碼 、 更新字段和記錄數(shù)據(jù) 。 MSP430 使用的主頻相對(duì)較低，處理速度較慢，在 本系統(tǒng)中要使用 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制 ，對(duì) 管腳輸出 都有較高的要求。 方案 二 ：采用 AT89S51 單片機(jī) [1] AT89S51 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 AT89S51 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器 ， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 方案選擇： 綜上所述： 通過(guò)以上方案比較， 在本系統(tǒng)中 控制 器 選用第 二 個(gè)方案，使用 AT89S51 作控制器。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 方案一：采用 L298N L298N 為 SGSTHOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片 ( Dual FullBridge Driver ) ，內(nèi)部包含 4 信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相 和四相步進(jìn)電機(jī)的專用 驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng) 2 個(gè)二相或 1 個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個(gè) HBridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng) 46V、 2A 以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接透過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機(jī)的 IO 端口來(lái)提供模擬時(shí)序信號(hào)， 但在 智能小車 電路 中 單片機(jī) IO 端口的使用 匱乏。 方案二：采用 LG9110 LG9110 是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片 IC 之中，使外圍器件成本降低，整機(jī)可靠性提高。 LG9110 被廣泛應(yīng)用于玩具汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、和開(kāi)關(guān)功率管等電路上。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，故我們放棄了這一方案。因?yàn)樵?LG9110 驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，成本低廉，操作起來(lái)方便，因此本設(shè)計(jì)控制器選用此方 案。紅外發(fā)射探頭發(fā)射紅外信號(hào)，遇地面或障礙物反射回紅外接收探頭，紅外接收探頭接收到從地面或障礙物反射回的紅外信號(hào)之后給單片給一個(gè)電平信號(hào)，來(lái)判斷整體路況信息。 紅外遙控由發(fā)送和接收兩個(gè)部分組成。 如圖 所示。如圖 所示， A 是二進(jìn)制信號(hào)的編碼波形， B 是頻率為 38KHz(周期為 26us) 的連續(xù) 脈沖串， C 是經(jīng)調(diào)制后的間斷脈沖串（相當(dāng)于 C=AB），用于紅外發(fā)射二極管發(fā)送的波形。如圖 所示 。一體化紅外接收頭HS0038 的 1 腳 GND 接電源地， 2 腳 VCC 接 +5V， 3 腳 OUT 為數(shù)據(jù)輸出（ TTL 電 平 ， 反 相 輸 出 ） ， 可 直 接 與 單 片 機(jī) 相 聯(lián) 。如圖 ，把波形 E 解碼還原成數(shù)據(jù)信息 101。 傳輸開(kāi)始 8 位數(shù)據(jù) 傳輸結(jié)束 20 個(gè)脈沖 高位在前，低位在后 10 個(gè)脈沖 基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 9 圖 紅外接收電路 3 腳接電源， 2 腳接地，一腳接單片機(jī)的 （外部中斷 0），當(dāng)有紅外信號(hào)輸入時(shí)， 1 腳解調(diào)之后將數(shù)據(jù)信息傳送給單片機(jī)引起單片機(jī)中斷，從而對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行解碼。圖 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的硬件電路圖。當(dāng) ~ 輸入為 1010 時(shí)，兩電機(jī)均處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)小車表現(xiàn)為整體前進(jìn)；當(dāng) ~ 輸入為 0101時(shí)，兩電機(jī)均處于反轉(zhuǎn)模式，小車整體表現(xiàn)為后退。 很顯然，僅僅只靠單片機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)小車的行為是不 現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)閱纹瑱C(jī)自身管腳輸出的高電平 的電壓是很微弱的，這種電壓直接控制電機(jī)會(huì)使得電機(jī)馬力不足，沒(méi)能夠帶動(dòng)整個(gè)小車運(yùn)行，所以在這種情況之下，最適合的就是運(yùn)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)完成小車的驅(qū)動(dòng)，這里我們采用了一款價(jià)格低廉的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L9110 來(lái)完成它的使命，實(shí)際上L298N 這款芯片能夠更好的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并能實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的功能，但由于小車自身重量因數(shù)和電壓?jiǎn)栴} 我們就采用 L9110 了 。 圖 LG9110 的實(shí)物圖 特點(diǎn)： ■ 低靜態(tài) 工作電流； ■ 寬電源電壓范圍 ； ■ 每通道 具有 800mA 連續(xù)電流輸出能力； ■ 較低的飽和壓降 ； ■ TTL/CMOS 輸出電平兼容，可直接連接 CPU； ■ 輸出內(nèi)置鉗位二極管，適用于感性負(fù)載 ； ■ 控制和驅(qū)動(dòng)集成于單片 IC 之中 ； ■ 具備管腳高壓保護(hù)功能； 基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 12 圖 LG9110 管腳圖 管腳定義 如表 表 LG9110 的管腳定義 序號(hào) 符號(hào) 功能 1 OA A 路輸出管腳 2 VCC 電源電壓 3 VCC 電源電壓 4 OB B 路輸出管腳 5 GND 地線 6 IA A 路輸入管腳 7 IB B 路輸入管腳 8 GND 地線 基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 13 L9110 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片有八個(gè)管腳，其中兩個(gè)電源管腳和兩個(gè)接地管腳，另外有兩個(gè)輸入（ IA/IB）、和兩個(gè)輸出管腳 (OA/OB),兩個(gè)輸出管腳接，電機(jī)的兩極，而兩輸入管腳和單片機(jī)連接，從而控制電機(jī)的狀態(tài)。 圖 LG9110 硬件連接圖 況 檢測(cè) 模塊 采用了紅外發(fā)射和接收探頭來(lái)探測(cè)路況信息。 由于黑線和白紙對(duì)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(lái)判斷“道路” 情況和前方是否存在障礙物 。 圖 為路況檢測(cè)模塊的硬件設(shè)計(jì)原理圖。路面檢測(cè)模塊分為小車尋黑線的檢測(cè)和前方是否有障礙物的檢測(cè)兩部分。在小車行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 15 光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號(hào)。 圖 小車前方探頭實(shí)物 這里的紅外線發(fā)射探頭為前端向下伸出的透明的探頭，所以黑色跑道寬度應(yīng)該至少大于兩透明探頭的距離，才能保證小車正常運(yùn)行。當(dāng)左邊稍微跑出黑色跑道時(shí)，發(fā)出的紅外線就會(huì)遇到白色而產(chǎn)生反射，這時(shí)旁邊的黑色接收探頭接收到反射信號(hào)，從而使接收探頭導(dǎo)通 。這樣就完成了整個(gè)小車的尋跡功能。智能小車能夠自識(shí)別前方是否有障礙物。 將小車放置在空曠的路面上，小車的前端兩探頭 感應(yīng)前面是否有障礙 物，與此同時(shí)，朝下的四個(gè)探頭也會(huì)同時(shí)接收來(lái)自地面路況的信息，當(dāng)小車運(yùn)行到懸崖邊上時(shí)，小車上面主控芯片單片機(jī)就會(huì)接收到此時(shí)的路況信息，進(jìn)而去改變小車的運(yùn)行路徑。 報(bào)警模塊硬件圖如圖 所示。 當(dāng)前方無(wú)障礙物時(shí)，另一個(gè)紅外接收探頭則接收不到由發(fā)射頭發(fā)射出來(lái)的紅外信號(hào)，當(dāng)前方遇到障礙物時(shí)，發(fā)射頭 發(fā)出去的紅外信號(hào)基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 17 被前方障礙物反射回來(lái)，此時(shí)剛好被接受探頭接收，探頭接收到信號(hào)時(shí)，將會(huì)使其中一個(gè)管腳變?yōu)榈碗娖剑賯魉徒o單片機(jī)；同理小車在判斷前方是否有懸崖時(shí)也一樣，當(dāng)前方?jīng)]有出現(xiàn)懸崖時(shí)，小車朝下的探頭發(fā)出去的紅外信號(hào)就會(huì)經(jīng)路面反射，而且只要小車在路面上行駛，那么紅外信號(hào)就會(huì)一直被反射進(jìn)而被接收，也就會(huì)使得單片機(jī)與紅外接收探頭其中一腳相連的管腳一直至 0，當(dāng)前面遇到懸崖時(shí)，紅外信號(hào)發(fā)射出去之后，由于 紅外接收頭的接收距離有限，就會(huì)檢測(cè)不到有傳回的紅外信號(hào)，此時(shí)就會(huì)給單片機(jī)一個(gè)高電平，單片機(jī)識(shí)別之后便會(huì)做出相應(yīng)的修 正動(dòng)作，并給蜂鳴器一個(gè)信號(hào)，使得蜂鳴器出現(xiàn)報(bào)警提示。 各個(gè)模塊銜接 如圖 所示。解碼處理完成之后，將遙 控信息反饋給主程序，主程序?qū)Ρ冗b控器輸入值之后進(jìn)入相應(yīng)模塊執(zhí)行相關(guān)操作，各模塊最終會(huì)處理是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)完成的，所以在圖 中最終箭頭是指向電機(jī)控制模塊的。 當(dāng)遙控器上按下按鍵時(shí)， 1 腳收到遙控器發(fā)送的紅外脈沖信號(hào)并解碼出脈寬波形，同時(shí)使單片機(jī)產(chǎn)生中斷，并開(kāi)啟定時(shí)器、脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)。之后進(jìn)入判斷階段，首先判斷這一幀數(shù)據(jù)中的脈沖個(gè)數(shù)，如果脈沖個(gè)數(shù)大于 31 個(gè)則將數(shù)據(jù)丟棄，如果剛好則判斷接收的脈沖是 0 還是 1，接收完之后將這些數(shù)據(jù)保存起來(lái)，再來(lái)比對(duì)數(shù)據(jù)的對(duì)錯(cuò)，首先比對(duì)前導(dǎo)碼是否正確，也就是看一下當(dāng)前遙控器是不是與小車匹配的遙控器，如果都正確之后再來(lái)將碼值存起來(lái)。 如圖 所示 基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 20 圖 解碼程序框圖 初始化 中斷 口是否有遙控信號(hào)輸入 是否有 抖動(dòng) 進(jìn)入解碼 計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)同時(shí)計(jì)數(shù)單個(gè)脈沖寬度 脈沖個(gè)數(shù)是否為32 個(gè) 數(shù)據(jù)解碼并判斷數(shù)據(jù)碼和數(shù)據(jù)反碼取非之后是否 相等 執(zhí)行相關(guān)模塊 否 是 是 否 是 否 是 否 基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 21 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 從宏觀上講，電機(jī)驅(qū)動(dòng)在小車運(yùn)行中占據(jù)主導(dǎo)，也是小車接收到命令之后的最終輸出，任何一個(gè)模塊所執(zhí)行命令的外在表現(xiàn)。這樣做就 節(jié)省了很大的程序空間。當(dāng)然為了使得更準(zhǔn)確，可以添加一下延時(shí)函數(shù)在內(nèi)部，以避免操作太快給電機(jī)帶了的 損壞。這里介紹一下尋跡模塊編寫的一些思路。這里不做過(guò)多說(shuō)明， 以免冗余。當(dāng)左方探頭跑出黑線時(shí)，會(huì)給 至 0，單片機(jī)檢測(cè)到 為 0 時(shí)，便調(diào)用右轉(zhuǎn)向函數(shù)，來(lái)完成右側(cè)轉(zhuǎn)功能，當(dāng)右方探頭跑出黑線時(shí)，同樣會(huì)使 至 0，這時(shí)再調(diào)用左轉(zhuǎn)向函數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)小車的位置 。 圖 為防撞報(bào)警模塊的程序流程圖。（缺口在芯片或芯片底座的一端）； ○ 7 、數(shù)碼管焊接時(shí)注意數(shù)碼管上的小數(shù)點(diǎn)要與電路板封裝上的小數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)； ○ 8 、 每個(gè)電機(jī)都需要焊接瓷片電容 104。 遙控發(fā)送接收調(diào)試 由于遙控器是由廠家直接提供的，為了 確保遙控器能夠正常發(fā)送紅外信號(hào)，必須提前進(jìn)行測(cè)試，但遙控器是集成的，而紅外線發(fā)射燈又是透明的，當(dāng)發(fā)送的時(shí)候人眼觀察不到任何現(xiàn)象，那么怎樣知道遙控器是否正常呢？這里教你一小招，將遙控器裝上電池，然后將你自己的手機(jī)的照相功能打開(kāi)，將手機(jī)上的攝像頭對(duì)準(zhǔn)你遙控器前面的發(fā)射燈 ，然后按下遙控器上的任何一個(gè)按鍵，觀察手機(jī)照相功能里面的遙控器發(fā)射燈是否點(diǎn)亮，如果燈已被點(diǎn)亮，則說(shuō)明遙控器能夠正常發(fā)射紅外信號(hào)，否則遙控不能發(fā)射紅外信號(hào)。 在上面已經(jīng) 介紹了遙控器的測(cè)試，現(xiàn)在再來(lái)談?wù)劶t外接收頭的調(diào)試，如果遙控器能夠正常工作，下一步就應(yīng)該測(cè)試一下接收頭是否正基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 27 常接收了。如果接上之后沒(méi)什么反應(yīng)，也未見(jiàn)其波形，初步推斷是接收頭有問(wèn)題，或許是元器件已壞，也可能是焊接時(shí)有虛焊或短路，這時(shí)應(yīng)該再次檢查電路連接。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)試 最直接的方法來(lái)判斷電機(jī)是否完好就是那一節(jié)干電池做電源，將兩極分別接在直流電機(jī)的兩極，來(lái)觀察能否實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，當(dāng)然在接之前最好在直流電機(jī)兩引腳之間接上一個(gè) 104 的瓷片電容，這樣做是防止由于電流過(guò)大將電機(jī)燒壞。已達(dá)到最佳效果。觀察是否為 0 電壓，如果為 0，則正常工作，如果不為 0，則可能電路存在問(wèn)題，需檢查電路完整性。以跑道要求。 這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)通過(guò)搜集相關(guān)資料和撰寫論文對(duì)我來(lái)說(shuō)是一次非常難得的鍛煉機(jī)會(huì)，可以說(shuō)已經(jīng)囊括了大學(xué)期間大部分的知識(shí)， 從選題到定稿，從理論到實(shí)踐 可以把所學(xué)的專業(yè)知識(shí)充分運(yùn)用起來(lái)解決具體的問(wèn)題， 不僅可以鞏固以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí) ，能夠使所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通。 回顧起此次 畢業(yè) 設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，可以說(shuō)得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的東西。 基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì) 28