【正文】 的功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。 在使用的過程中發(fā)現(xiàn)它滿足不了本次設計的要求，后來考慮了 專用芯片 L298N 作為電機驅動芯片。用該芯片作為電機驅動，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，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉等優(yōu)點。 采用紅外線避障，利用單片機來產(chǎn)生 38KHz 信號對紅外線發(fā)射管進行調(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，且易于實現(xiàn)，價格也比較便宜 。光電開關的工 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，物體對紅外光由同步回路選通而檢測物體的有無。當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 。電動機驅動電源采用 四節(jié) 五號電池，單片機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驅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 單片機作為整個電路的控制核心。 ● 采用直流減速電機作為小車系統(tǒng)的驅動電機。、 ● 采用 超聲波 探測 器 進行 障礙檢測 。 基于 80C51 單片機的智能小車設計 7 3 系統(tǒng) 單元電路的設計 單片機最小系統(tǒng)的設計 STC89C52 單片機基本結構 簡介 本模塊采用 STC89C52 單片機作為核心處理器。其應用范圍廣，性能良好，可用于解決復雜的控制問題。 STC89C52 單片機是把那些作為控制應用所必需的基本內(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，其基本結構依舊是CPU 加上外 圍芯片的傳統(tǒng)結構模式。 其基本結構框圖如 圖 3－ 2圖 所示： 圖 3－ 1 單片機基本結構框圖 微處理器 （運算部件） 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 單片機的智能小車設計 8 ● 微處理器 該單片機中有一個 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，則需用擴展片外的只讀存儲器，片外最多可外擴至 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。可用來進行串行通訊，擴展并行I/O 口，甚至與多個單片機相連構成多機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且應用更廣。實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 CPU 中的位處理器，它實際上是一個完整的 1位微計算機，這個一位微計算機有自己的 CPU、位寄存器、 I/O 口和指令集。 MCS51 單片機中 8 位機和 1 位機的硬件資源復合在一起，二者相輔相承，它是單片機技術上的一個突破，這也 是 MCS51 單片機在設計的精美之處。 基于 80C51 單片機的智能小車設計 9 圖 32 本次設計用到的單片機開發(fā)板實物圖 其原理圖如圖 33 所示： 圖 33 開發(fā)板原理圖 基于 80C51 單片機的智能小車設計 10 單片機時鐘震蕩電路 MCS51 單片機各功能部件運行都是以時鐘控制信號為基準，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的速度，時鐘電路的質量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。單片機的時鐘產(chǎn)生方法有兩種。 本設 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，應采用 NPO 電容?；?80C51 單片機的智能小車設計 11 無論是在單片機剛開始接上電源時，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復位。本系統(tǒng)時鐘頻率為 12MHz，每機器周期為 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器周期執(zhí)行復位。 復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。只要 Vcc 的上升時間不超過 1ms,就可以實現(xiàn)自動上電復位。 按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。按鍵手動復位電路如圖 3－ 5 所示。若要復位，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)生復位高電平，兩個機器周期后單片機復位。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單片機復位電路 顯示模塊的設計 基于 80C51 單片機的智能小車設計 12 在本次設計中采用 數(shù)碼管作為顯示部分，數(shù)碼管實際上是由 7 個發(fā)光二極管組成 8字形構成的，加上小數(shù)點就是 8個。如圖 3－ 6所示。動態(tài)顯示的特點是將所有位數(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)字編碼轉換后才送到數(shù)碼管顯示，在送段選信號時， 通過單片機的控制，首先顯示個位數(shù) , 再延時一會， 然后關掉 .之后然后顯示 十位數(shù)， 再延時一會， 再關掉 ,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 ,輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮時間是極為短暫的，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上四位顯示器并非同時點亮，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 單片機的智能小車設計 13 圖 3－ 7 數(shù)碼管 與單片機連接圖 電機驅動電路的設計 智能小車驅動電機 的要求 控制電機是本次設計中的重要元件，如果控制電機的性能不佳或使用不當，將直接影響到整個系統(tǒng)的工作性能。控制電機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，將會直接導致本 次 設計的失敗。在本次設計中對電機的響應精度要求較高，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)有效的進行，具有良好的響應特性。 ● 良好的抗干擾能力、體積小、重量輕。步進電機效率較低，功率較小，雖然近年來不斷有小體積大功率的步進電機出現(xiàn)，但其價格昂貴， 因此在小車類控制中常用 的是直流電機。直流電機的轉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)。直流電機在控制電壓一定時，轉速隨著轉矩的變化 而變化。線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高自控系統(tǒng)的動態(tài)精度。 直流電機調(diào)速 原理 直流電動機轉速 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為電動機結構參數(shù)。大多數(shù)應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 )來改變直流電機電樞上電壓的 占空比 ，從而改變平均電壓，控制電機的轉速。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可控制電機轉速。 設電機始終接通電源時，電機轉速最大為 Vmax，且設占空比為 D=t／ T，則電機的 平均速度 Vd 為： Vd=VmaxD 由公式可知，當改變占空比 D=t／ T時，就可以得到不同的電機平均速度 Vd，從而達到調(diào)速的目的。 在直流電機驅動控制電路中，PWM 信號由 單片機產(chǎn)生 ，驅動 L298N 的 H橋 左右兩邊的三極管 開關來改變直流電機電樞上平均電壓 的大小 ，從而控制電機的轉速，實現(xiàn)直流電機 PWM 調(diào)速。當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?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?？刂品椒ㄏ嗤皇窃谶@里利用單片機定時器來定時進行高低電平的翻轉，而不用軟件延時。 但 本實驗用的 STC89C52并沒有 PWM控制器，所以采用定時器產(chǎn)生 PWM 信號。本設計中采用的電機專用驅動芯片 L298N。設計用來接收 DTL 或者 TTL 邏輯電平，驅動感性負載 (比如繼電器，直流電機 )，和開關電源晶體管。四個電機驅動引腳和四個 PWM 波控制引腳。還可從板內(nèi)?。?5V 電壓用來給單片機部分供電。 L298N 驅動電路實物如圖 38所示： 基于 80C51 單片機的智能小車設計 16 圖 38 L298N 驅動電路實物 其 原理圖 如圖 39 所示 。 L298N 可直接的對電機進行控制，無須隔離電路。通過單片機基于 80C51 單片機的智能小車設計 17 的 I/0 輸入芯片控制端的電平，即可以對電機進行正反轉、停止的操作，表 31是其輸入引腳和輸出引腳的邏輯關系。 L298N 是雙 H橋驅動芯片，包含兩個 H橋電路。 基于 80C51 單片機的智能小車設計 18 圖 311 電機正轉 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 導通， Q2 和 Q6截止，電流流向如圖 312所示，電機 反 轉。 本模塊性能基于 80C51 單片機的智能小車設計 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量輸出腳，測距模塊不用此腳 。 圖 313 HC— SR04 超聲波測距模塊實物圖 基本工作原理 基于 80C51 單片機的智能小車設計 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。因為單片機的引腳用作輸入口的時候需要先給單片機的相應引腳一個高電平，然后從才能輸入信號，因此在發(fā)送觸發(fā)脈沖的時候應先把單片機的相應引腳拉高。 一有 高電平 輸出就可以開 啟 定時器計時 ,當 Echo 引腳 變?yōu)榈碗娖綍r 關閉定時器 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現(xiàn)的，設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，則從傳感器到目標物體的距離 D 可用下式求出： D = ct /2 相應的系統(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)，就可以得出電機的轉速。光柵盤可以自己制作，光柵式光電開關為配對并集成的LED 管和光敏三極管。光電開關外圍電路如圖 317 所示。 Rl可以選 220Ω 一 1kΩ 。事實上，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