【正文】 示，他的間距是 ，當(dāng)插上跳線帽時為 UART（串口）模式，拔掉時為電平觸發(fā)模式。 另一個是 間距彎排針的 5 Pin 接口，如圖 34 所示。從左到右排針依次的編號為 1， 2， 3， 4， 5。 1 號 Pin 接 VCC 電源（供電范圍 ~）。 2 號 Pin 腳當(dāng)為UART 模式時，接外部電路 UART 的 TX 端；當(dāng)為電平觸發(fā)模式時，接外部電路的 Trig 端。 3 號 Pin 當(dāng)為 UART 模式時，接外部電路 UART 的 RX 端； 當(dāng)為電平觸發(fā)模式時，接外部電路的 Echo 端。 4 號 Pin 與 5 號 Pin 接外部電路的 GND。 超聲波測距原理 超聲波測距的實現(xiàn)是通過發(fā)射器發(fā)射出長約 6mm、頻率為 40KHZ 的超聲波信號，接收頭接收到被物體反射回來的超聲波，并且產(chǎn)生毫伏級的微弱電壓信號，計算出時間差來實現(xiàn)的。設(shè) t 是通過傳感器發(fā)出超聲波到接收到超聲波脈沖所經(jīng)歷的時間， v 是超聲波在空氣中的傳播速度，則從傳感器到目標(biāo)物體的距離 S = vt /2 。 光電傳感器 光電傳感器是光源、光學(xué)通路和光電元件組成的對環(huán)境進(jìn)行檢測的傳感器，他能夠?qū)z測到的環(huán)境中的變化轉(zhuǎn)化成光信號的變化，再通過光電元件將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。它由三部分構(gòu)成：用于鎖定目標(biāo)發(fā)送光束的發(fā)送器，光束來源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管 (LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管；過透鏡和光圈等來接收信號的接收器，由光電二極管、光電三極管、光電池組成；能夠濾出有效信號并應(yīng)用信號到目標(biāo)位置的檢測電路。 光電檢測方法的優(yōu)點有精度高、反應(yīng)快、傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、非接觸可測參數(shù)多、形式靈活多 樣等。光電傳感器可以檢測的方面有很多，非電量如光強度、光照度、輻射、測溫、氣體成分等直接引起光量的變化，還有通過轉(zhuǎn)化而成光量變化的，如表面粗糙度、零件直徑、速度、位移、加速度、振動、應(yīng)變，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等非電量。 第 9 頁 共 47 頁 LCD1602 液晶顯示 液晶顯示 LCD 實物圖見圖 35。 圖 33 液晶顯示 LCD 實物圖 液晶顯示原理 LCD1602指的是顯示的內(nèi)容為 16 2，即可以顯示兩行，每行 16個字符的液晶模塊。~ 的芯片工作電壓， ()工作電流，模塊最佳工作電壓是 。采用標(biāo)準(zhǔn)的 16 腳接口，專門用來顯示數(shù)字、符號、字母等的點陣型液晶模塊。它由若干個 5 7 或者 5 11 等點陣字符位組成，一個點距作為每位之間的間隔，字符尺寸為 (W H)mm每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每行之間也有間隔，所以在 LCD1602顯示中也是有字符間距和行間距的。通過電壓對液晶顯示進(jìn)行區(qū)域控制，有電即可以顯示出圖形。具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動的特點 [4]。 管腳功能 圖 34 LCD1602 管腳圖 LCD1602采用 16腳接口，其中 1腳 VSS 為電源地， 2腳 VCC 接 5V的正極電源。 3腳液晶顯示器對比度的調(diào)整端 V0，對比度最弱是當(dāng)接正電源時，對比度最高時是當(dāng)接地電源由于對比度過高即可能產(chǎn)生 ―鬼影 ‖，可使用一個 1K 的電位器來調(diào)整對比度。 4腳為寄存器選擇 RS，選擇數(shù)據(jù)寄存器時為高電平 低電平 0時選擇指令寄存器； 5腳為讀寫 第 10 頁 共 47 頁 信號線 RW， 1為高電平，用于進(jìn)行讀操作， 0為低電平，用于進(jìn)行寫的操作； 6腳為使能端 E(EN)端， 1為高電平，用于讀取信息，負(fù)跳變時執(zhí)行指令。 7~ 14腳為 8位雙向數(shù)據(jù)端 D0~ D7； 15~ 16腳為背燈電源或空腳： 15腳為背光正極， 16腳為背光負(fù)極。 4 系統(tǒng)單元電路的設(shè)計 超聲波收發(fā)電路 要驅(qū)動超聲波模塊 ， 首先利用單片機(jī)輸出一個 40kHz 觸發(fā)信號，把觸發(fā)信號通過TRIG 管腳輸入到超聲波模塊作為超聲波模塊的啟動信號，然后由超聲波測發(fā)射器將向所對應(yīng)的方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時單片機(jī)清零定時器計數(shù)寄存器，并開始計時。超聲波由空氣進(jìn)行傳播，途中如果遇到障礙物則被彈回，當(dāng)超聲波模塊接收器接收到超聲波的反射波后，將會產(chǎn)生一個提示信號并由 Echo 腳反饋給單片機(jī)，此時單片機(jī)將立即停止計時器的計時，并取出計數(shù)寄存器中的值進(jìn)行換算。由于聲波在空氣中的傳播速度大約為 340m/s，根據(jù)單片機(jī)計時寄存器的值可換算所出聲音傳播的時間 t，繼而就可以換算出障礙物與超聲波模塊的距離，其公式為： S=VT/2。超聲波接口電路見圖41。 圖 41 超聲波接口電路 紅外線 收發(fā)電路 紅外線收發(fā)電路如圖 42 所示， R R6 為上拉電阻，起到限流的作用。 第 11 頁 共 47 頁 圖 42 紅外線收發(fā)電路 單片機(jī)主控電路 此模塊是小車的單片機(jī)驅(qū)動部分，它負(fù)責(zé)控制超聲波模塊、紅外線測距模塊、液晶顯示模塊、 L298N 控制模塊及警示燈模塊的工作。單片機(jī)主控電路 如圖 43 所示。 單片機(jī)利用計時器統(tǒng)計超聲波發(fā)射和接受的時間再經(jīng)過換算，得出小車距離障礙物的距離，通過 LCD 顯示當(dāng)前距離值。通過輸出不同脈寬的脈沖來控制直流電機(jī)的速度。 圖 43 單片機(jī)主控電路 電源電路 使用 電池，首先輸出給電機(jī)供電，然后通過 7805 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓出 5V 的電壓給傳感器和單片機(jī)供電。如圖 44 電源電路所示，因為電容兩端不會有電壓突變， C1 與C2 為濾波電容，其中 C2 是用來消除紋波的；前級之所以不加濾波，是因為電池的電壓比較穩(wěn)定，沒有太大必要濾波； R1 為限流電阻。在本模塊中，還增加了一個撥碼開關(guān)，這樣可以隨時關(guān)閉電源，以便調(diào)試。本模塊之所以采用單電源，考慮的就是小車的帶負(fù)載能力，通過試驗得知，小車運行時質(zhì)量越大，避障的可靠性越差，故不采用較可靠的雙電源電路 [12]。 第 12 頁 共 47 頁 圖 44 電源電路 本模塊只需要一組電源 即可滿足智能小車的電機(jī)驅(qū)動、單片機(jī)控制、傳感器等所有單元的供電，需求設(shè)計非常合理。 也可接直流穩(wěn)壓電源作為外部電壓輸入，進(jìn)行調(diào)試，節(jié)約成 本。 LCD1602 顯示電路 本設(shè)計利用 LCD1602 顯示電路。利用 LCD1602 液晶屏，用于顯示測量出來的距離。在單片機(jī)電路中利用一組 I/O 口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，再從另一組 I/O 口分配三個 I/O 口作為指令與數(shù)據(jù)選擇和控制。具體的顯示是利用單片機(jī)來控制 LCD1602 的數(shù)據(jù)顯示，把單片機(jī)計算出來的數(shù)據(jù)距離實時顯示出來。如圖 45 LCD1602 顯示電路所示，電阻 R8用于設(shè)置一個偏壓，也就是液晶字顏色深度 ； R9 設(shè)置一個偏壓，設(shè)置液晶的背光亮度。 圖 45 LCD1602 顯示電路 第 13 頁 共 47 頁 電機(jī)驅(qū)動電路 圖 46 電機(jī)驅(qū)動電路 本設(shè)計使用直流電機(jī)。由于從單片機(jī)中輸出的信號功率很弱，即使在沒有任何外在負(fù)載的情況下也無法正常帶動電機(jī)，為了解決這一點我在實際電路中加入了電機(jī)的驅(qū)動芯片以提高輸入電機(jī)信號的功率，從而能夠根據(jù)需要控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。利用直流電機(jī)常用的 PWM，即脈寬調(diào)制方式調(diào)節(jié)電機(jī)速度。在本設(shè)計中我利用電機(jī)驅(qū)動芯片 L298N，一款集成的 H 橋芯片。 L298N 中有兩套 H 橋電路，有效地控制兩個電機(jī)運行。它的具有幾個時能端子可以外接高低電平進(jìn)行控制，本設(shè)計利用單片機(jī)進(jìn)行軟件控制，極大地滿足本設(shè)計的功能需求。 電機(jī)驅(qū)動 電路如圖 46 所示， L298N 的二極管，叫做續(xù)流二極管，這是為了防止反向擊穿的。因為電機(jī)有很大的電感，而根據(jù)電感的原理，在斷電瞬間會有和電源一樣的電勢。也就是說相當(dāng)于會給 L298N 內(nèi)的 MOS 管一個反向電壓，有可能擊穿，加了續(xù)流二極管的話會組成一個回路，就能消耗掉電感的能量，其他腳的則是根據(jù) L298N 的引腳定義連的 [12]。 L298N 芯片具有較大的驅(qū)動功率，可在 6~46V 的直流電壓下，提供最大 2A 的額定電流，并且具有過熱自動關(guān)斷及電流反饋檢測的強大功能，十分安全可靠；但為了能保證 L298N 的正常工作，我另外 安裝了幾個續(xù)流二極管?？筛鶕?jù)輸入電壓的大小輸出不同的電壓及功率，解決了負(fù)載能力不夠這個問題。利用單片機(jī)調(diào)整出 PWM 脈沖和高低電平對直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動和控制。 L298 集成 H 橋芯片。其外形、管腳分布如圖 47 所示。 第 14 頁 共 47 頁 圖 47 L298N 管腳分布圖 直流電機(jī) H 橋驅(qū)動方案的選擇 H 橋驅(qū)動電路是為了更好驅(qū)動直流電機(jī)而專門設(shè)計的一種較為常見的電路，它可以實現(xiàn)直流電機(jī)的正及反向轉(zhuǎn)動，其典型電路 如 H 橋驅(qū)動電路圖 48 所示： 圖 48 H 橋驅(qū)動電路 由圖 48可以看出，之所以叫 H 橋驅(qū)動電路其形狀類似于字母 ―H‖，而作為其負(fù)載的直流電機(jī)位于 ―橋 ‖ 的上方，所以我們稱之為 ―H 橋驅(qū)動電路 ‖。其 4個開關(guān)被稱為 ―橋臂 ‖。 從電路中我們可以看出，如果開關(guān) A、 D 導(dǎo)通，那么電機(jī)的工作方向為正向轉(zhuǎn)動，如果開關(guān) B、 C 導(dǎo)通時，直流電機(jī)則為反向轉(zhuǎn)動。通過這個原理實現(xiàn)了直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 同時我們借助這 4 個 ―橋臂 ‖我們還可以實現(xiàn)電機(jī)的 2 個特殊的工作狀態(tài)： (1）剎車 —— 導(dǎo)通 A 、 C（或 B、 D）開關(guān)，這時電機(jī)會由于慣性轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的電勢將被短路，一個阻力達(dá)到一個 ―剎車 ‖的作用。 (2）惰行 —— 如果 4個開關(guān)全部都斷開，那么電機(jī)慣性所產(chǎn)生的電勢就將無法形成一個完整的電路，這就使得電機(jī)將慣性轉(zhuǎn)動較長的時間。 調(diào)速原理 在本次設(shè)計中，直流電機(jī)提供了主要的動力，而改變電機(jī)速度的最好方法是改變其電壓，使電機(jī)的功率變化，從而改變電機(jī)的速度。要想可控制地改變電壓比較麻煩，所以就產(chǎn)生了通過利用斷續(xù)供電的方式即脈寬調(diào)試方式改變供給電機(jī)的平均功率，這同樣 第 15 頁 共 47 頁 也實現(xiàn)改變電機(jī)速度的目的。因為開關(guān)電路比模擬電路在控制方面和電路設(shè)計方面都很方便，且具有較高的效率，所以基本取代了當(dāng)前改變電壓的方式。這種斷續(xù)供電的 方式被我們稱為 ―PWM 脈寬調(diào)制 ‖。 PWM 改變功率的方式是通過改變波形的占空比，也就是當(dāng)前供電時間和斷電時間之比，而其幅值不變具體的實現(xiàn)是只改變其晶閘管的閉合時間，實現(xiàn)通過改變脈沖寬度來進(jìn)行電壓的調(diào)制，最終實現(xiàn)調(diào)速。采用 PWM 進(jìn)行電機(jī)調(diào)速控制，實際是保持加在電機(jī)電樞上的脈沖電壓頻率保持不變，調(diào)節(jié)脈沖的寬度。直流電機(jī)的一個慣性環(huán)節(jié)，它電樞中的電流轉(zhuǎn)速均不能產(chǎn)生突變，如果將高的頻率的 PWM加在直流電機(jī)上，其效果可以等效為施加了一個恒定的直流電壓。如圖 49所示。這個電壓可以通過調(diào)節(jié)脈沖的寬度來改變 [13]。 圖 49 PWM 等效圖示意圖 PWM 方式可以方便地實現(xiàn)調(diào)速功能。本設(shè)計的 PWM 信號由單片機(jī)提供，其使用非常方便。并且由于硬件電路上不復(fù)雜，驅(qū)動電路的輸入端也可以不用進(jìn)行光耦合隔離，將單片機(jī)引腳與其直接相連即可。 由于公式 F – f = ma，其中 F 為驅(qū)動力， f 為阻力，在兩者相等的情況下，加速度才可能為零，速度才不會變化。但由于阻力 f 是無法確定的，因為在不同的電機(jī)、不同的減速箱、不同的轉(zhuǎn)速都會使 f 產(chǎn)生變化，所以無法保證每次電機(jī)的阻力 f 相同，這就使得同樣的 PWM 得不到同樣的速度。 此外， 由 PWM 輸出的功率可分析出，由于電機(jī)的電流通常較大，其啟動電流更是十分大，一般不采用穩(wěn)壓電路，直接采用電池進(jìn)行供電。但電池的在電電壓是隨電量消耗而減小的，且由于電池內(nèi)阻的因素，電池的電壓隨著消耗而減小。這就使得即便是同樣的 PWM 脈沖，由于其幅值的不同，導(dǎo)致輸出功率也會不相同，所以其產(chǎn)生的驅(qū)動力 F 也就自然不同了，這也將導(dǎo)致電機(jī)的速度不同。 影響直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的原因還有一點，這是由電機(jī)的原理決定，在電機(jī)的額定電壓下，電機(jī)的最快轉(zhuǎn)速就是在其的空載速度，也就是說，當(dāng)電機(jī)負(fù)載很輕時，稍加驅(qū)動功率就能使其達(dá)到了最快的 速度，此時即使再提高 PWM 也無法繼續(xù)提高電機(jī)速度了，應(yīng)為PWM 的改變并不會再次提升電壓，因此當(dāng)電機(jī)具有很輕的負(fù)載時， PWM 連改變速度的能力也大為減弱。所以，有時為了讓 PWM 改變速度的效果明顯些，還需刻意增加一些阻力。 第 16 頁 共 47 頁 在利用電機(jī)驅(qū)動小車前進(jìn)時，小車的兩個直流電機(jī)都正轉(zhuǎn)；在其后退時，則其兩電機(jī)都反轉(zhuǎn)；在其左轉(zhuǎn)前進(jìn)時，則其左電機(jī)停轉(zhuǎn)而右電機(jī)正轉(zhuǎn)；在其右轉(zhuǎn)前進(jìn)時，則其右電機(jī)不轉(zhuǎn)而左電機(jī)正轉(zhuǎn)；在其進(jìn)入減速區(qū)時，可由單片機(jī)調(diào)制 PWM 的變頻實現(xiàn)調(diào)速，即通過軟件來改變輸出 PWM 脈沖波形的占空比，以實現(xiàn)調(diào)速。這些控制都是通 過軟件編程來實現(xiàn)的。 光警示電路 本光警示電路，由一個 LED，一個限流電阻，一個上拉電阻組成。限流電阻可減小負(fù)載端的電流，實現(xiàn)保護(hù)作用。例如，在發(fā)光二極管的一端添加一個限流電阻可以有效減小流過發(fā)光二極管的電流，防止損壞 LED 燈。普通的發(fā)光二極管，工作電壓為 ~，工作電流為 10~30mA。故可根據(jù) U＝ IR 計算出限流電阻的取值。上拉就是將不確定的信號通過一個電阻鉗位在高電平，可起到一個消除干擾的作用。利用 LED 作為警示元件，于在三個傳感器位置處設(shè)置。若遇到障礙，則點亮對應(yīng)位置的 LED