1、2 。同單片機 PIC24 智能小車設(shè)計書1.1.智能電動小車設(shè)計概述隨著計算機、微電子、信息技術(shù)的快速進步，智能化技術(shù)的開發(fā)速度越來越快 , 智能度越來越高, 應(yīng)用圍也得到了極大的擴展。在海洋開發(fā)、宇宙探測、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事、社會服務(wù)、娛樂等各個領(lǐng)域。智能電動小車系統(tǒng)以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機、機械等多個學(xué)科。主要由路徑識別、角度控制及車速控制等功能模塊組成時，當(dāng)今機器人技術(shù)發(fā)展的如火如荼，其應(yīng)用在國防等眾多領(lǐng)域得到廣泛開展。神五、神六升天、無人飛船等等無不得益于機器人技術(shù)的迅速發(fā)展。 一些發(fā)達國家已把機器人制作比賽作為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段

2、。如日本每年都要舉行諸如“ NHK杯大學(xué)生機器人大賽”、“全日本機器人相撲大會”、“機器人足球賽”等各種類型的機器人制作比賽， 參加者多數(shù)為學(xué)生， 目的在于通過大賽全面培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、 創(chuàng)造能力、合作能力和進取精神， 同時也普及智能機器人的知識。從某種意義上來說 , 機器人技術(shù)反映了一個國家綜合技術(shù)實力的高低 , 而智能電動小車是機器人的雛形 , 它的控制系統(tǒng)的研制將有助于推動智能機器人控制系統(tǒng)的發(fā)展，同時為智能機器人的研制提供更有利的手段。隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展， 關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)注。 全國電子競賽和省電子競賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目， 全國各高校也都很重視該題目的

3、研究。 可見其研究意義很大。 本設(shè)計是結(jié)合科研項目而確定的設(shè)計類課題。設(shè)計的智能電動小車能夠?qū)崿F(xiàn)在行駛中自動尋跡、 探測預(yù)埋金屬鐵片、 實時顯示鐵片數(shù)目，躲避障礙物 , 實時顯示鐵片數(shù)目最后在光源的引導(dǎo)下到達目的地，停車。1. 智能電動小車設(shè)計方案比較2.1.總體方案論證與比較方案一、采用 AT89C51單片機作為整機的控制單元。以 AT89C51單片機為核心的控制電路， 采用模塊化的設(shè)計方案， 運用光電傳感器、金屬探測傳感器、 超聲波傳感器組成不同的檢測電路，實現(xiàn)小車在行駛中自動尋跡、探測預(yù)埋金屬鐵片、躲避障礙物、光源的引導(dǎo)等問題。并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理， 然后由單片機根據(jù)所檢測的

4、各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動小車的智能化控制 3 。方案二、采用 PIC24HJ256GP610單片機為核心的控制電路， 利用模塊化設(shè)計方案，具有豐富的外設(shè)功能，是更性能的 16 位 RISC單片機。 PIC24 采用改進型的哈佛結(jié)構(gòu)，工作時鐘在 32MHz頻率下，指令速度高達 16MIPS。 16 位和 32 位單片機和 16 位 dsPIC，而且功耗低。比較以上兩種方案的優(yōu)缺點，方案二簡潔、靈活、可擴展性好，能達到設(shè)計要求，因此本設(shè)計采用方案二來實現(xiàn)。2.2.探測軌跡模塊方案比較在本設(shè)計中，要求電動小車沿著路面的黑色軌道行駛。 其探測路面黑線的基本原理：光線照射到路面并反射， 由于黑線和白紙對光的反

5、射系數(shù)不同， 可以根據(jù)接收到的反射光強弱來判斷是否是黑線。 利用這個原理， 可以控制電動小車行走的路跡。下面幾種方案是根據(jù)本原理設(shè)計的。方案一、采用發(fā)光二極管發(fā)光， 用光敏二極管接收。 由于光敏二極管受可見光的影響較大，穩(wěn)定性差，所以放棄該方案。方案二、利用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。 當(dāng)光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時， 阻值會發(fā)生明顯的變化。 將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。方案三、采用反射式紅外線光電傳感器。紅外探測法

6、，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點 4 。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射， 反射光被裝在電動小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，電動小車上的接收管接收不到紅外光。單片機根據(jù)是否收到反射回來的紅外光來確定黑線的位置，從而控制小車的行走路線。采用紅外線發(fā)射， 外面可見光對接收信號的影響較小，再用射極輸出器對信號進行隔離。紅外線光電傳感器的特點是尺寸小、使用方便、工作狀態(tài)受溫度影響小。 它的外圍電路簡單。因此本方案易于實現(xiàn)，也比較可靠。所以本設(shè)計采用反射式紅外線光電傳感器。2.3.避障模塊方案比較考慮到在測障過程中小車

7、車速及反應(yīng)調(diào)向速度的限制，小車應(yīng)在距障礙物40CM的圍做出反應(yīng)，這樣在順利繞過障礙物后，可尋找到最佳的位置和方向。否則，如果圍太大， 則可能產(chǎn)生對障礙物的判斷失誤； 圍過小又很容易造成車身撞上障礙物或雖繞過障礙物卻無法實現(xiàn)理想定向。 根據(jù)上述要求，提出以下方案。方案一、采用激光傳感器探測障礙物。該傳感器能非常準(zhǔn)確地測出障礙物的存在， 但價格高，處理復(fù)雜，不符合該設(shè)計的要求。方案二、采用超聲波傳感器探測障礙物。超聲波傳感器安裝于小車前端， 在規(guī)定的檢測距離， 當(dāng)探測到障礙物時， 超聲波傳感器給出脈沖信號至單片機，單片機檢測到該信號后，調(diào)整小車的方向，以控制小車準(zhǔn)確地繞過障礙物，而且避免因小車自然

8、轉(zhuǎn)彎而導(dǎo)致的盲目方向控制。這樣不但能準(zhǔn)確完成測量，而且能避免電路的復(fù)雜性。同時，超聲波傳感器具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、 固體的穿透本領(lǐng)很大， 尤其是在光線不透明的固體中， 它可穿透幾十米的深度。 超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射， 形成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛6智能電動小車應(yīng)以準(zhǔn)確、智能見優(yōu)，因此采用超聲波傳感器探測障礙物。2.4.電動機驅(qū)動模塊方案比較方案一、使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，成本低，加速能力強，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)距運行時

9、，通過電阻R 的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大，對于小車的長時間運行不利。方案二、采用繼電器控制電機。采用繼電器對電機的開或關(guān)進行控制。通過開關(guān)的切換對小車的速度進行調(diào)整 . 此方案的優(yōu)點是電路較為簡單 , 缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢 , 易損壞 , 壽命較短 , 可靠性不高 【 1】。方案三、采用 H 型脈沖寬度調(diào)制（ PWM）全橋式驅(qū)動電路。通過 PWM脈寬調(diào)制的方法 , 實現(xiàn)對小車速度的控制。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點，是一種廣泛采用的調(diào)速技術(shù)。H型全橋式電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制。

10、這種驅(qū)動電路可以很方便實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。為了電路設(shè)計簡單，采用電機專用驅(qū)動芯片 L298N，其驅(qū)動電流大，瞬時電流最高可達 2A，為電機驅(qū)動專門設(shè)計，工作穩(wěn)定可靠。完全滿足設(shè)計要求9 。綜合三種方案的優(yōu)缺點，選擇H 型脈沖寬度調(diào)制（ PWM）全橋式驅(qū)動電路。2. 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計單片機（ SCM）是單片微型計算機（ Single Chip Microcomputer ）的簡稱。它是把中央處理器 CPU、隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、I/O 接口電路、定時/ 計數(shù)器以及輸入輸出適配器都集成在一塊芯片上， 構(gòu)成一個完整的微型計算機。隨著

11、SCM在技術(shù)上、體系上不斷擴展其控制功能，國際上已經(jīng)采用MCU（ MicroControllerUnit）代替單片機的名詞。它的最大優(yōu)點是體積小，可放在儀表部。但存儲量小，輸入輸出適配器簡單，功能較低。目前，單片機在民用和工業(yè)測控領(lǐng)域得到最廣泛的應(yīng)用，早已深深地融入人們的生活中。近年來，AT89C51 在我國非常流行，它最大的特點是部有可以多次重復(fù)編程的閃爍ROM,并且閃爍 ROM可以直接用編程器來擦寫（電擦寫） ，使用起來比較方便【 10】。一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含有兩部分容：一是系統(tǒng)擴展， 即單片機部的功能單元， 如ROMRAMI/O 口定時 / 記數(shù)器中斷系統(tǒng)等能量不能滿足應(yīng)

12、用系統(tǒng)的要求時， 必須在片外進行擴展， 選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)配置， 既要按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備， 如鍵盤顯示器打印機A/D D/A轉(zhuǎn)換器等，又要設(shè)計合適的接口電路。本系統(tǒng)采用 PIC24HJ256GP610單片機作為中央處理器。其主要任務(wù)是在小車行走過程中不斷讀取傳感器采集到的數(shù)據(jù)， 將得到的數(shù)據(jù)進行處理后， 來控制小車行走。3.1.檢測軌跡電路設(shè)計軌跡探測電路根據(jù)反射接收原理配置了一對紅外線發(fā)射、 接收傳感器。 該電路包括一個紅外發(fā)光二極管、 一個紅外光敏三極管及其上拉電阻。 如圖 3.4 所示。紅外發(fā)光二極管發(fā)射一定強度的紅外線照射物體， 紅外光敏三極管在接收到反

13、射回來的紅外線后導(dǎo)通，發(fā)出一個電平跳變信號。當(dāng)小車在白色地面行駛時，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號， 經(jīng)白色反射后，被接收管接收， 一旦接收管接收到信號， 那么圖 3.1 中光敏三極管將導(dǎo)通，輸出低電平，當(dāng)小車行駛到黑色引導(dǎo)線時，紅外線信號被黑色吸收后，光敏三極管截止， 輸出高電平， 從而實現(xiàn)了通過紅外線檢測信號的功能。 將檢測到的信號送到單片機 I/O 口，當(dāng) I/O 口檢測到的信號為高電平時， 表明紅外光被地上的黑色引導(dǎo)線吸收了， 表明小車處在黑色的引導(dǎo)線上； 同理，當(dāng) I/O 口檢測到的信號為低電平時， 表明小車行駛在白色地面上。 即當(dāng)小車底部的某邊紅外線收發(fā)對管遇到黑帶時輸入電平為

14、高電平，反之為低電平。圖 2-1 軌跡探測電路圖為了保證小車沿黑線行駛，采用了兩個檢測器并行排列，左右方向都可以進行控制，控制精度得以提高。在小車行走過程中，結(jié)合查詢方式，通過程序控制小車行走軌跡。 如果左方向偏離黑線， 則右側(cè)的探頭就會檢測到黑線，把信號傳送到單片機，進行處理校正?？刂破湎蛴肄D(zhuǎn)；如果右方向偏離黑線，則左側(cè)的探頭就會檢測到黑線，把信號傳送到單片機，進行處理校正。控制其向左轉(zhuǎn)。從而保證小車沿黑線行駛。3.2.檢測障礙物電路設(shè)計采用超聲波傳感器探測障礙物。 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩， 其頻率超過 20KHz，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其

15、傳播速度不同。它有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過程中有衰減。利用超聲波的特性， 可做成各種超聲波傳感器， 結(jié)合不同的電路， 可以制成超聲波儀器及裝置，在通訊、醫(yī)療及家電中獲得廣泛應(yīng)用。作為超聲波傳感器的材料， 主要為壓電晶體。 壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅鳎?它可以將電能轉(zhuǎn)變成機械振蕩而產(chǎn)生超聲波， 同時它接收到超聲波時，也能轉(zhuǎn)變成電能， 故它分為發(fā)送器和接收器。 超聲波傳感器有透射型、反射型兩種類型，常用于防盜報警器、接近開關(guān)、測距及材料探傷、測厚等。本設(shè)計應(yīng)用反射式超聲波探測電路探測障礙物。該電路分為超聲發(fā)射電路，超聲接收電路和信號處理電路。（ 1）超聲發(fā)射電路超聲發(fā)射電路由時基

16、電路555 組成， 555 振蕩電路的頻率可以調(diào)整，調(diào)節(jié)電位器 RP1可以將接受超聲傳感器的輸出電壓調(diào)至最大，通?？烧{(diào)至 40kHz。電路如圖 3.2 所示。圖 2-2 超聲波發(fā)射電路該電路用到時基電路 LM555。LM555 時基電路部由分壓器、 比較器、觸發(fā)器、輸出管和放電管等組成，是模擬電路和數(shù)字電路的混合體。其各個引腳的功能如下： 6腳為閥值端（ TH），是上比較器的輸入。 2腳為觸發(fā)端（ TR），是下比較器的輸入。 3腳為輸出端（ OUT），有 0和1兩種狀態(tài)，它的狀態(tài)由輸入端所加的電平?jīng)Q定。 7腳為放電端（ DIS），是部放電管的輸出，它有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定

17、。 4腳為復(fù)位端（ R），叫上低電平（ 0.3V ）時可使輸出端為低電平。 5腳為控制電壓端 (CV ) ，可以用它來改變上下觸發(fā)電平值。 8腳為電源（ VCC）， 1腳為地（ GND）。一般可以把 LM555 電路等效成一個大放電開關(guān)的 R-S 觸發(fā)器。這個特殊的觸發(fā)器有兩個輸入端： 閥值端（ TH）可看成是置零端 R ，高電平有效；觸發(fā)端（ TR）可看成是置位端 S，低電平有效。 它只有一個輸出端 OUT，OUT可等效成觸發(fā)器的 Q 端。放電端（ DIS）可看成由部放電開關(guān)控制的一個接點，放電開關(guān)由觸發(fā)器的反 Q端控制：反 Q=1時DIS 端接地；反Q=0時DIS端懸空。此外這個觸發(fā)器還有

18、復(fù)位端 R，控制電壓端 CV，電源端 VCC和接地端 GND。圖 3.3 是等效的觸發(fā)器和它的功能真值表。圖 2-3 等效的觸發(fā)器和它的功能真值表這個特殊的 R-S 觸發(fā)器工作原理：兩個輸入端的觸發(fā)電平要求一高一低：置零端 R即閥值端 TH要求高電平，而置位端 S即觸發(fā)端 TR則要求低電平。兩個輸入端的觸發(fā)電平， 是使它們翻轉(zhuǎn)的閥值電壓值也不同， 當(dāng)CV端不接控制電壓時，對 TH（R）端來講，大于 2/3VCC是高電平 1，小于 2/3VCC是低電平 0；而對 TR（S）端來講，大于 1/3VCC是高電平 1，小于 1/3VCC是低電平 0。如果在控制端 CV加上控制電壓 VC，這時上觸發(fā)電平

19、就變成 VC值，而下觸發(fā)電平則變成1/2VC?？梢姼淖兛刂贫说目刂齐妷褐悼梢愿淖兩舷掠|發(fā)電平值。（2）超聲波接收電路超聲波接收電路使用超聲波接收傳感器， 當(dāng)它接收到超聲波信號 （為正弦波信號）后輸入到集成比較器 LM393進行處理。LM393輸出的是比較規(guī)的方波信號。將此方波信號輸出到信號處理電路。電路如圖 3.4 所示。圖 2-4 超聲波接收和處理電路（ 3）信號處理電路信號處理電路使用集成電路 LM2907N，它原是測量轉(zhuǎn)速用的 IC, 其部有 F/V 轉(zhuǎn)換器和比較器、充電泵、高增益運算放大器， 它的輸出要求有一定頻率的信號，能將頻率信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號。LM2907N具有以下特點：LM

20、2907N進行頻率倍增時只需使用一個RC網(wǎng)絡(luò)；以地為參考點的轉(zhuǎn)速計（頻率）輸入可直接從輸入管腳接入；運算放大器比較器采用浮動三極管輸出；最大 50mA的輸出電流可驅(qū)動開關(guān)管、發(fā)光二極管等；含的轉(zhuǎn)速計使用充電泵技術(shù)，對低紋波有頻率倍增功能；比較器的滯后電壓為30mV利用這個特性可以抑制外界干擾；輸出電壓與輸入頻率成正比，線性度典型值為0.3%；具有保護電路，不會受高于Vcc 值或低于地參考點輸入信號的損傷；在零頻率輸入時， LM2907N的輸出電壓可根據(jù)外圍電路自行調(diào)節(jié)； 當(dāng)輸入頻率達到或超過某一給定值時，可將輸出用于驅(qū)動繼電器、指示燈等負載。LM2907N的部結(jié)構(gòu)及各引腳功能如圖3.5 所示，

21、 LM2907N的引腳功能如下： 腳（ F）和 11 腳（ IN- ）為運算放大器比較器的輸入端 腳接充電泵的定時電容（C1） 3 腳接充電泵的輸出電阻和積分電容（ R1/C2） 4 腳（ IN+）和 10 腳（ UF1）為運算放大器的輸入端 5 腳為輸出晶體管的發(fā)射極（ U0） 8 腳為輸出晶體管的集電極，一般接電源（ UC） 9 腳為正電源端（ VCC） 12 腳為接地端（ GND） 6，7，13，14 腳未用圖 2-5 LM2907N 原理框圖將 LM2907N的 8 腳接到單片機輸入口。由圖 3.5 可以看出，由于兩個串聯(lián) 5.1k電阻的分壓， LM290N7的 10 腳電壓 Vop-

22、=6V，這是部比較器的參考電壓。部比較器的 4 腳電壓為 Vop+輸入電壓，它是電阻 R（51K）上的電壓，這個電壓和頻率有關(guān)的。當(dāng) Vop+大于 Vop- 時，比較器輸出為“ 1”，LM2907N部三極管導(dǎo)通（或飽和）輸出為“ 0”, 則發(fā)光二極管 LED點亮。因此，當(dāng)超聲發(fā)射電路由 LM555 產(chǎn)生 40KHz方波來起振超聲波發(fā)射探頭， 使其發(fā)射超聲波 ，如智能電動小車前方遇到障礙物時， 此超聲波信號被障礙物反射回來，超聲波接收電路接收到超聲波信號 （為正弦波信號）后輸入到比較器 LM393 使其調(diào)整為方波輸出到 LM2907N， LM2907N芯片會把此方波信號的頻率轉(zhuǎn)化為對應(yīng)電壓值，當(dāng)

23、此電壓值大于由 4 號引腳輸入的門電壓時， LM2907N的 8 號引腳輸出低電平， LED處于發(fā)光狀態(tài)。即當(dāng)有障礙物時 LED處于發(fā)光狀態(tài)， LM2907N的 8 號引腳輸出低電平，同時通過 8 腳將信號送給單片機，使單片機該根據(jù)信號控制小車轉(zhuǎn)向，從而實現(xiàn)避開障礙物的目的。3.3.3.6電動機驅(qū)動電路設(shè)計直流電機驅(qū)動電路使用最廣泛的就是H 型全橋式驅(qū)動電路。 這種驅(qū)動電路可以很方便實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。它的基本原理圖如圖3.12 所示。全橋式驅(qū)動電路的4 只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)， S1、S2 為一組，S3、S4 為另一組，兩組的狀態(tài)互補，一組導(dǎo)通

24、則另一組必須關(guān)斷。當(dāng) S1、S2 導(dǎo)通時， S3、圖 2-6 H 型全橋式驅(qū)動電路S4 關(guān)斷，電機兩端加正向電壓，可以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當(dāng) S3、S4 導(dǎo)通時， S1、S2 關(guān)斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。當(dāng)全部導(dǎo)通時，電機處于剎車狀態(tài)。當(dāng)全部關(guān)斷時，電機將自由滑行。其工作狀態(tài)表如下表所示。狀態(tài)S1S2S3S4正轉(zhuǎn)1100反轉(zhuǎn)0011剎車1111滑行0000電機工作狀態(tài)表在本設(shè)計中用到電機驅(qū)動芯片L298N。PWM輸出脈沖信號經(jīng)雙H 橋功率驅(qū)動電路 L298N 后接至電機，控制小車運動。如圖3.14 所示。 L298N 芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器， 其設(shè)計是為接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號和驅(qū)動電感負載的。每個H 橋的下側(cè)橋臂晶體管發(fā)射極連在一起，其輸出腳（SENSEA和SENSEB）用來連接電流檢測電阻。 Vcc 接邏輯控制的電源。 Vs 為電機驅(qū)動電源。 IN1-IN4 輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn) TT