【正文】 的功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。 在使用的過程中發(fā)現(xiàn)它滿足不了本次設(shè)計的要求，后來考慮了 專用芯片 L298N 作為電機(jī)驅(qū)動芯片。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。 采用紅外線避障，利用單片機(jī)來產(chǎn)生 38KHz 信號對紅外線發(fā)射管進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，發(fā)射出去的紅外線遇到避障物的時候反射回來，紅外線接收管 采用數(shù)字接受器件 HS0038 對反射回來信號進(jìn)行解調(diào)，輸出 TTL 電平 ， 外界對紅外信號的干擾比較小，且易于實(shí)現(xiàn)，價格也比較便宜 。光電開關(guān)的工 作原理是根據(jù)光線發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，其接收電路據(jù)此做出判斷反應(yīng)，物體對紅外光由同步回路選通而檢測物體的有無。當(dāng)沒有光線反射回來時，輸出高電平。因此放棄此方案。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收。 采用超聲波避障，超聲波受環(huán)境影響較大，電路復(fù)雜，而且地面對超聲波的反射，會影響系統(tǒng)對障礙物的判斷 。 且模塊化的芯片使用起來方便 ，便于操作和調(diào)試， 故選擇了超聲波傳感器 。電動機(jī)驅(qū)動電源采用 四節(jié) 五號電池，單片機(jī)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(jī)驅(qū)動所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。 如果 所有器件采用單一電源 ，雖然會在 電動機(jī)啟動瞬間電流很大，會造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾 等 。 智能小車最后方案 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 ： ● 采用 STC89C52 單片機(jī)作為整個電路的控制核心。 ● 采用直流減速電機(jī)作為小車系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)。、 ● 采用 超聲波 探測 器 進(jìn)行 障礙檢測 。 基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計 7 3 系統(tǒng) 單元電路的設(shè)計 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計 STC89C52 單片機(jī)基本結(jié)構(gòu) 簡介 本模塊采用 STC89C52 單片機(jī)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。 STC89C52 單片機(jī)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 3－ 2圖 所示： 圖 3－ 1 單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)框圖 微處理器 （運(yùn)算部件） 控制部件 B RAM P0口 P2口 特殊功能寄存器 （ SFR） ROM P1口 串行口 定時 / 計數(shù)器 中斷 系統(tǒng) P3口 基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計 8 ● 微處理器 該單片機(jī)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(yùn)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(jìn)行位變量的處理。 ● 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(kuò)展片外的只讀存儲器，片外最多可外擴(kuò)至 64k 字節(jié)。 ● 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?？捎脕磉M(jìn)行串行通訊，擴(kuò)展并行I/O 口，甚至與多個單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。實(shí)際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個具有特殊功能的 RAM區(qū)。特別值得一提的是該單片機(jī) CPU 中的位處理器，它實(shí)際上是一個完整的 1位微計算機(jī)，這個一位微計算機(jī)有自己的 CPU、位寄存器、 I/O 口和指令集。 MCS51 單片機(jī)中 8 位機(jī)和 1 位機(jī)的硬件資源復(fù)合在一起，二者相輔相承，它是單片機(jī)技術(shù)上的一個突破，這也 是 MCS51 單片機(jī)在設(shè)計的精美之處。 基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計 9 圖 32 本次設(shè)計用到的單片機(jī)開發(fā)板實(shí)物圖 其原理圖如圖 33 所示： 圖 33 開發(fā)板原理圖 基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計 10 單片機(jī)時鐘震蕩電路 MCS51 單片機(jī)各功能部件運(yùn)行都是以時鐘控制信號為基準(zhǔn)，有條不紊的一步一步地工作，因此，時鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。單片機(jī)的時鐘產(chǎn)生方法有兩種。 本設(shè) 計采用內(nèi)部時鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在 XTAL XTAL2 引腳上外接定時元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。振蕩晶體可在 到12MHZ 之間選擇。所以本設(shè)計中，振蕩晶體選擇6MHZ,電容選擇 65pF。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用 NPO 電容?；?80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計 11 無論是在單片機(jī)剛開始接上電源時，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復(fù)位。本系統(tǒng)時鐘頻率為 12MHz，每機(jī)器周期為 1us，則只需2us 以上時間的高電平，在 RST引腳出現(xiàn)高電平后的第二個機(jī)器周期執(zhí)行復(fù)位。 復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。只要 Vcc 的上升時間不超過 1ms,就可以實(shí)現(xiàn)自動上電復(fù)位。 按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。按鍵手動復(fù)位電路如圖 3－ 5 所示。若要復(fù)位，只需按圖中的 S鍵，此時電源 VCC 經(jīng)電阻 R R9 分壓，在 RESET 端產(chǎn)生復(fù)位高電平，兩個機(jī)器周期后單片機(jī)復(fù)位。在接電瞬間， RESET 端的電位與 VCC 相同，隨著充電電流的減少， RESET的電位逐漸下降。 圖 3－ 5單片機(jī)復(fù)位電路 顯示模塊的設(shè)計 基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計 12 在本次設(shè)計中采用 數(shù)碼管作為顯示部分，數(shù)碼管實(shí)際上是由 7 個發(fā)光二極管組成 8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點(diǎn)就是 8個。如圖 3－ 6所示。動態(tài)顯示的特點(diǎn)是將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。動態(tài) 顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時應(yīng)略小于靜態(tài)顯示電路中的。而數(shù)碼管的段選信號則由單片機(jī)的 P1 口控制，超聲波傳感器檢測到的距離通過數(shù)字編碼轉(zhuǎn)換后才送到數(shù)碼管顯示，在送段選信號時， 通過單片機(jī)的控制，首先顯示個位數(shù) , 再延時一會， 然后關(guān)掉 .之后然后顯示 十位數(shù)， 再延時一會， 再關(guān)掉 ,然后顯示百位數(shù)，這樣 一直循環(huán)下去，那么我們將會看到連續(xù)的數(shù)字顯示 ,輪流點(diǎn)亮掃描過程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上四位顯示器并非同時點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示而不會有閃爍感。 基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計 13 圖 3－ 7 數(shù)碼管 與單片機(jī)連接圖 電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計 智能小車驅(qū)動電機(jī) 的要求 控制電機(jī)是本次設(shè)計中的重要元件，如果控制電機(jī)的性能不佳或使用不當(dāng)，將直接影響到整個系統(tǒng)的工作性能。控制電機(jī)的可靠性對保證任何自動控制系統(tǒng)的正常工作極為重要，一旦發(fā)生故障，將會直接導(dǎo)致本 次 設(shè)計的失敗。在本次設(shè)計中對電機(jī)的響應(yīng)精度要求較高，因為我們所加的脈沖寬度是毫秒級得，有時甚至是微秒級的。 ● 啟動、停止和反向均能連續(xù)有效的進(jìn)行，具有良好的響應(yīng)特性。 ● 良好的抗干擾能力、體積小、重量輕。步進(jìn)電機(jī)效率較低，功率較小，雖然近年來不斷有小體積大功率的步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)，但其價格昂貴， 因此在小車類控制中常用 的是直流電機(jī)。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠隨著控制電壓的改變在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。直流電機(jī)在控制電壓一定時，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的變化 而變化。線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高自控系統(tǒng)的動態(tài)精度。 直流電機(jī)調(diào)速 原理 直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速 可以用下式表示： n=(UIR)/Kφ 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(jī)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(jī)電樞上電壓的 占空比 ，從而改變平均電壓，控制電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速。 設(shè)電機(jī)始終接通電源時，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為 Vmax，且設(shè)占空比為 D=t／ T，則電機(jī)的 平均速度 Vd 為： Vd=VmaxD 由公式可知，當(dāng)改變占空比 D=t／ T時，就可以得到不同的電機(jī)平均速度 Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 在直流電機(jī)驅(qū)動控制電路中，PWM 信號由 單片機(jī)產(chǎn)生 ，驅(qū)動 L298N 的 H橋 左右兩邊的三極管 開關(guān)來改變直流電機(jī)電樞上平均電壓 的大小 ，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī) PWM 調(diào)速。當(dāng)高電平延時時間到時，對 I/O 口電平取反變成低 電平，然后再延時；當(dāng)?shù)碗娖窖訒r到時，再對 I/O 口電平取反，如此循環(huán)就可得到 PWM信號。控制方法相同，只是在這里利用單片機(jī)定時器來定時進(jìn)行高低電平的翻轉(zhuǎn)，而不用軟件延時。 但 本實(shí)驗用的 STC89C52并沒有 PWM控制器，所以采用定時器產(chǎn)生 PWM 信號。本設(shè)計中采用的電機(jī)專用驅(qū)動芯片 L298N。設(shè)計用來接收 DTL 或者 TTL 邏輯電平，驅(qū)動感性負(fù)載 (比如繼電器，直流電機(jī) )，和開關(guān)電源晶體管。四個電機(jī)驅(qū)動引腳和四個 PWM 波控制引腳。還可從板內(nèi)?。?5V 電壓用來給單片機(jī)部分供電。 L298N 驅(qū)動電路實(shí)物如圖 38所示： 基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計 16 圖 38 L298N 驅(qū)動電路實(shí)物 其 原理圖 如圖 39 所示 。 L298N 可直接的對電機(jī)進(jìn)行控制，無須隔離電路。通過單片機(jī)基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計 17 的 I/0 輸入芯片控制端的電平，即可以對電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)、停止的操作，表 31是其輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系。 L298N 是雙 H橋驅(qū)動芯片，包含兩個 H橋電路。 基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計 18 圖 311 電機(jī)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 312所示，電機(jī) 反 轉(zhuǎn)。 本模塊性能基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計 19 穩(wěn)定，測度距離精確。 模塊高精度，盲區(qū)（ 2cm）超近 。 Trig 引腳是內(nèi)部上拉 10K的電阻，用單片機(jī)的 IO 口拉 高 Trig引腳，然后給一個 持續(xù)時間 10us 以上的脈沖信號 ,OUT 腳為此模塊作為防盜模塊時的開關(guān)量輸出腳，測距模塊不用此腳 。 圖 313 HC— SR04 超聲波測距模塊實(shí)物圖 基本工作原理 基于 80C51 單片機(jī)的智能小車設(shè)計 20 ● 采用 IO 口 Trig 觸發(fā)測距 ,給至少 lOus 的低電平信號； ● 模塊自動發(fā)送 8 個 40khz 的方波，自動檢測足否有信號返回； ● 如果有信號返回，通過 IO 口 Echo 輸出一個高電平脈沖，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。因為單片機(jī)的引腳用作輸入口的時候需要先給單片機(jī)的相應(yīng)引腳一個高電平，然后從才能輸入信號，因此在發(fā)送觸發(fā)脈沖的時候應(yīng)先把單片機(jī)的相應(yīng)引腳拉高。 一有 高電平 輸出就可以開 啟 定時器計時 ,當(dāng) Echo 引腳 變?yōu)榈碗娖綍r 關(guān)閉定時器 T0， 就可以讀 出 定時器的值 ,此時 定時器里面計下的數(shù)就是此 次測距 時超聲波傳播 的時間 ,就 可算出距離 。 超聲波時序圖 圖 314 超聲波測距時序圖 以上時序圖表明我們只需要提供一個 10us 以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將自動發(fā)出 8 個 40kHz 周期電平并檢測回波?；仨懶盘柕拿}沖寬度與所測的距離成正比。 距離 =高電平持續(xù)時間 *聲速 (340m/s)/2 超聲波測距原理及系統(tǒng)組成 超聲波測距是借助于超聲脈沖回波渡越時間法來實(shí)現(xiàn)的，設(shè)超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時間為 t，超聲波在空氣中的傳播速度為 c，則從傳感器到目標(biāo)物體的距離 D 可用下式求出： D = ct /2 相應(yīng)的系統(tǒng)框如圖 315 所示： 圖 315 超聲波測距原理框圖 基本原理：經(jīng)發(fā)射器發(fā)射出長約 6mm，頻率為 40kHZ 的超聲波信號。它接收到信號后產(chǎn)生 mV級的微弱電壓信號。本智能車的測速采用光柵編碼器，它每轉(zhuǎn)動一圈都會輸出一定個數(shù)的脈沖，通過在單位時間內(nèi)測量得到的脈沖數(shù)，就可以得出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。光柵盤可以自己制作，光柵式光電開關(guān)為配對并集成的LED 管和光敏三極管。光電開關(guān)外圍電路如圖 317 所示。 Rl可以選 220Ω 一 1kΩ 。事實(shí)上，如果 LED管過亮，不僅增加功耗，而且紅外光容易穿過阻光區(qū)域，造成誤信號。 電路 B為傳感器接收器 (光敏三極管 )的外圍電