【正文】 還是國內(nèi)，都開始重視起來，主要表現(xiàn)在大學生的各種大型的創(chuàng)新比賽，比如： 亞洲廣播電視聯(lián)盟亞太地區(qū)機器人大賽 （ ABU ROBCON）、全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽等眾多重要競賽都能很好的培養(yǎng)大學生對于機電一體化的興趣與強化機電一體化的相關知識。 為了適應 智能控制 的發(fā)展在汽車智能化方向的發(fā)展要求，提出簡易智能小車的構想，目的在于：通過獨立設計并制作一輛具有簡單智能化的簡易小車，獲得項目整體設計的能力，并掌握多通道多樣化傳感器綜合控制的方法。 此項設計是在以楊老師提供的小車為基礎上，采用 AT89C52 單片機作為控制核心，實現(xiàn)能夠自主識別黑色引導線并根據(jù)黑線走向實現(xiàn)快速穩(wěn)定的尋線行駛。設計要求如下： ●具有單片機核心控制模塊； ●具有紅外遙控解碼模塊； ●具有電機驅動模塊 ； ●具有 路況檢測 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 ； ●具有報警模塊； 設計方案論證 控制器選擇 方案一：采用 MSP430 單片機 MSP430 是 德州儀器 (TI)的一種 RISC 混合信號處理器 ， MSP430 產(chǎn)品系列為電池供電測量應用提供了最終解決方案。 MSP430 優(yōu)點： RAM 保持 ； 實時時鐘模式 ； 250uA/MIPS 有效 ； 高性能模擬器件 ；是 精確測量的理想選擇 ； 先進的 16 位 RISC CPU 使得新的應用僅需一段代碼即可實現(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 使用的主頻相對較低，處理速度較慢，在 本系統(tǒng)中要使用 電機驅動控制 ，對 管腳輸出 都有較高的要求。 方案 二 ：采用 AT89S51 單片機 [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 存儲器。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 AT89S51 具有以下標準功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32位 I/O 口線，看門狗定時器 ， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6 向 2 級中斷結構，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、 定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 方案選擇： 綜上所述： 通過以上方案比較， 在本系統(tǒng)中 控制 器 選用第 二 個方案，使用 AT89S51 作控制器。 電機驅動芯片的選擇 方案一：采用 L298N L298N 為 SGSTHOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進電機專用驅動芯片 ( Dual FullBridge Driver ) ，內(nèi)部包含 4 信道邏輯驅動電路，是一種二相 和四相步進電機的專用 驅動器，可同時驅動 2 個二相或 1 個四相步進電機，內(nèi)含二個 HBridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅動器，接收標準 TTL 邏輯準位信號，可驅動 46V、 2A 以下的步進電機，且可以直接透過電源來調節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機的 IO 端口來提供模擬時序信號， 但在 智能小車 電路 中 單片機 IO 端口的使用 匱乏。 方案二：采用 LG9110 LG9110 是為控制和驅動電機設計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，整機可靠性提高。 LG9110 被廣泛應用于玩具汽車電機驅動、步進電機驅動、和開關功率管等電路上。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。因為該 LG9110 驅動能力強，成本低廉，操作起來方便，因此本設計控制器選用此方 案。紅外發(fā)射探頭發(fā)射紅外信號，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之后給單片給一個電平信號，來判斷整體路況信息。 紅外遙控由發(fā)送和接收兩個部分組成。 如圖 所示。如圖 所示， A 是二進制信號的編碼波形， B 是頻率為 38KHz(周期為 26us) 的連續(xù) 脈沖串， C 是經(jīng)調制后的間斷脈沖串（相當于 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 相 聯(lián) 。如圖 ，把波形 E 解碼還原成數(shù)據(jù)信息 101。 傳輸開始 8 位數(shù)據(jù) 傳輸結束 20 個脈沖 高位在前，低位在后 10 個脈沖 基于單片機的智能小車的設計 9 圖 紅外接收電路 3 腳接電源， 2 腳接地，一腳接單片機的 （外部中斷 0），當有紅外信號輸入時， 1 腳解調之后將數(shù)據(jù)信息傳送給單片機引起單片機中斷，從而對紅外信號進行解碼。圖 為電機驅動模塊的硬件電路圖。當 ~ 輸入為 1010 時，兩電機均處于正轉狀態(tài)，此時小車表現(xiàn)為整體前進；當 ~ 輸入為 0101時，兩電機均處于反轉模式，小車整體表現(xiàn)為后退。 很顯然，僅僅只靠單片機來驅動小車的行為是不 現(xiàn)實的，因為單片機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會使得電機馬力不足，沒能夠帶動整個小車運行，所以在這種情況之下，最適合的就是運用電機驅動芯片來完成小車的驅動，這里我們采用了一款價格低廉的電機驅動芯片 L9110 來完成它的使命，實際上L298N 這款芯片能夠更好的驅動電機，并能實現(xiàn)電機調速的功能，但由于小車自身重量因數(shù)和電壓問題 我們就采用 L9110 了 。 圖 LG9110 的實物圖 特點： ■ 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，適用于感性負載 ； ■ 控制和驅動集成于單片 IC 之中 ； ■ 具備管腳高壓保護功能； 基于單片機的智能小車的設計 12 圖 LG9110 管腳圖 管腳定義 如表 表 LG9110 的管腳定義 序號 符號 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 基于單片機的智能小車的設計 13 L9110 電機驅動芯片有八個管腳，其中兩個電源管腳和兩個接地管腳，另外有兩個輸入（ IA/IB）、和兩個輸出管腳 (OA/OB),兩個輸出管腳接，電機的兩極，而兩輸入管腳和單片機連接，從而控制電機的狀態(tài)。 圖 LG9110 硬件連接圖 況 檢測 模塊 采用了紅外發(fā)射和接收探頭來探測路況信息。 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弱來判斷“道路” 情況和前方是否存在障礙物 。 圖 為路況檢測模塊的硬件設計原理圖。路面檢測模塊分為小車尋黑線的檢測和前方是否有障礙物的檢測兩部分。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色地面時發(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的智能小車的設計 15 光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號。 圖 小車前方探頭實物 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該至少大于兩透明探頭的距離，才能保證小車正常運行。當左邊稍微跑出黑色跑道時，發(fā)出的紅外線就會遇到白色而產(chǎn)生反射，這時旁邊的黑色接收探頭接收到反射信號，從而使接收探頭導通 。這樣就完成了整個小車的尋跡功能。智能小車能夠自識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 感應前面是否有障礙 物，與此同時，朝下的四個探頭也會同時接收來自地面路況的信息，當小車運行到懸崖邊上時，小車上面主控芯片單片機就會接收到此時的路況信息，進而去改變小車的運行路徑。 報警模塊硬件圖如圖 所示。 當前方無障礙物時，另一個紅外接收探頭則接收不到由發(fā)射頭發(fā)射出來的紅外信號，當前方遇到障礙物時，發(fā)射頭 發(fā)出去的紅外信號基于單片機的智能小車的設計 17 被前方障礙物反射回來，此時剛好被接受探頭接收，探頭接收到信號時，將會使其中一個管腳變?yōu)榈碗娖?，再傳送給單片機；同理小車在判斷前方是否有懸崖時也一樣，當前方?jīng)]有出現(xiàn)懸崖時，小車朝下的探頭發(fā)出去的紅外信號就會經(jīng)路面反射，而且只要小車在路面上行駛，那么紅外信號就會一直被反射進而被接收，也就會使得單片機與紅外接收探頭其中一腳相連的管腳一直至 0，當前面遇到懸崖時，紅外信號發(fā)射出去之后，由于 紅外接收頭的接收距離有限，就會檢測不到有傳回的紅外信號，此時就會給單片機一個高電平，單片機識別之后便會做出相應的修 正動作，并給蜂鳴器一個信號，使得蜂鳴器出現(xiàn)報警提示。 各個模塊銜接 如圖 所示。解碼處理完成之后，將遙 控信息反饋給主程序，主程序對比遙控器輸入值之后進入相應模塊執(zhí)行相關操作，各模塊最終會處理是由電機驅動來完成的，所以在圖 中最終箭頭是指向電機控制模塊的。 當遙控器上按下按鍵時， 1 腳收到遙控器發(fā)送的紅外脈沖信號并解碼出脈寬波形，同時使單片機產(chǎn)生中斷，并開啟定時器、脈沖個數(shù)計數(shù)。之后進入判斷階段，首先判斷這一幀數(shù)據(jù)中的脈沖個數(shù)，如果脈沖個數(shù)大于 31 個則將數(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，再來比對數(shù)據(jù)的對錯，首先比對前導碼是否正確，也就是看一下當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將碼值存起來。 如圖 所示 基于單片機的智能小車的設計 20 圖 解碼程序框圖 初始化 中斷 口是否有遙控信號輸入 是否有 抖動 進入解碼 計數(shù)脈沖個數(shù)同時計數(shù)單個脈沖寬度 脈沖個數(shù)是否為32 個 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)行相關模塊 否 是 是 否 是 否 是 否 基于單片機的智能小車的設計 21 電機驅動 從宏觀上講，電機驅動在小車運行中占據(jù)主導，也是小車接收到命令之后的最終輸出，任何一個模塊所執(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。當然為了使得更準確，可以添加一下延時函數(shù)在內(nèi)部，以避免操作太快給電機帶了的 損壞。這里介紹一下尋跡模塊編寫的一些思路。這里不做過多說明， 以免冗余。當左方探頭跑出黑線時，會給 至 0，單片機檢測到 為 0 時，便調用右轉向函數(shù)，來完成右側轉功能，當右方探頭跑出黑線時，同樣會使 至 0，這時再調用左轉向函數(shù)來調節(jié)小車的位置 。 圖 為防撞報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)碼管焊接時注意數(shù)碼管上的小數(shù)點要與電路板封裝上的小數(shù)點對應； ○ 8 、 每個電機都需要焊接瓷片電容 104。 遙控發(fā)送接收調試 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，必須提前進行測試，但遙控器是集成的，而紅外線發(fā)射燈又是透明的，當發(fā)送的時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的照相功能打開，將手機上的攝像頭對準你遙控器前面的發(fā)射燈 ，然后按下遙控器上的任何一個按鍵，觀察手機照相功能里面的遙控器發(fā)射燈是否點亮，如果燈已被點亮，則說明遙控器能夠正常發(fā)射紅外信號，否則遙控不能發(fā)射紅外信號。 在上面已經(jīng) 介紹了遙控器的測試，現(xiàn)在再來談談紅外接收頭的調試，如果遙控器能夠正常工作，下一步就應該測試一下接收頭是否正基于單片機的智能小車的設計 27 常接收了。如果接上之后沒什么反應，也未見其波形，初步推斷是接收頭有問題，或許是元器件已壞，也可能是焊接時有虛焊或短路，這時應該再次檢查電路連接。 電機驅動調試 最直接的方法來判斷電機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的兩極，來觀察能否實現(xiàn)正轉反轉，當然在接之前最好在直流電機兩引腳之間接上一個 104 的瓷片電容，這樣做是防止由于電流過大將電機燒壞。已達到最佳效果。觀察是否為 0 電壓，如果為 0，則正常工作，如果不為 0，則可能電路存在問題，需檢查電路完整性。以跑道要求。 這次的畢業(yè)設計通過搜集相關資料和撰寫論文對我來說是一次非常難得的鍛煉機會，可以說已經(jīng)囊括了大學期間大部分的知識， 從選題到定稿，從理論到實踐 可以把所學的專業(yè)知識充分運用起來解決具體的問題， 不僅可以鞏固以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識 ，能夠使所學知識融會貫通。 回顧起此次 畢業(yè) 設計，至今我仍感慨頗多，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的東西。