基于單片機智能電動小車設計-浙江師范大學(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 器還有復位端 R，控制電壓端CV，電源端VCC和接地端GND。 等效的觸發器和它的功能真值表這個特殊的RS 觸發器工作原理：①兩個輸入端的觸發電平要求一高一低：置零端R即閥值端TH要求高電平，而置位端S即觸發端TR則要求低電平。②兩個輸入端的觸發電平，是使它們翻轉的閥值電壓值也不同，當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，這時上觸發電平就變成VC值，而下觸發電平則變成 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輸出的是比較規范的方波信號。將此方波信號輸出到信號處理電路。 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，它原是測量轉速用的IC,其內部有F/V轉換器和比較器、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，能將頻率信號轉換為直流電壓信號。LM2907N具有以下特點：① LM2907N進行頻率倍增時只需使用一個RC網絡；② 以地為參考點的轉速計（頻率）輸入可直接從輸入管腳接入；③ 運算放大器／比較器采用浮動三極管輸出；④ 最大50mA的輸出電流可驅動開關管、發光二極管等；⑤ 內含的轉速計使用充電泵技術，對低紋波有頻率倍增功能；⑥ 比較器的滯后電壓為30mV利用這個特性可以抑制外界干擾；⑦ 輸出電壓與輸入頻率成正比，線性度典型值為177。%；⑧ 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；⑨ 在零頻率輸入時，LM2907N的輸出電壓可根據外圍電路自行調節；⑩ 當輸入頻率達到或超過某一給定值時，可將輸出用于驅動繼電器、指示燈等負載。，LM2907N的引腳功能如下： ① 腳（F）和11腳（IN）為運算放大器／比較器的輸入端 ② 腳接充電泵的定時電容（C1）③ 3腳接充電泵的輸出電阻和積分電容（R1/C2） ④ 4腳（IN+）和10腳（UF1）為運算放大器的輸入端 ⑤ 5腳為輸出晶體管的發射極（U0）⑥ 8腳為輸出晶體管的集電極，一般接電源（UC） ⑦ 9腳為正電源端（VCC） ⑧ 12腳為接地端（GND） ⑨ 6，7，13，14腳未用 LM2907N原理框圖將LM2907N的8腳接到單片機輸入口。，LM290N7的10腳電壓Vop=6V，這是內部比較器的參考電壓。內部比較器的4腳電壓為Vop+輸入電壓，它是電阻R（51KΩ）上的電壓，這個電壓和頻率有關的。當Vop+大于Vop時，比較器輸出為“1”，LM2907N內部三極管導通（或飽和）輸出為“0”,則發光二極管LED點亮。因此，當超聲發射電路由LM555產生40KHz方波來起振超聲波發射探頭，使其發射超聲波，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使其調整為方波輸出到LM2907N，LM2907N芯片會把此方波信號的頻率轉化為對應電壓值，當此電壓值大于由4號引腳輸入的門電壓時，LM2907N的8號引腳輸出低電平，LED處于發光狀態。即當有障礙物時LED處于發光狀態，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，使單片機該根據信號控制小車轉向，從而實現避開障礙物的目的。3．4 檢測光源電路利用光敏電阻阻值隨光強弱變化的特性組成光控開關電路，檢測光源。為了檢測光線的強弱，我們在小車左前方、右前方加了2只光敏傳感器，即光敏電阻。它根據照射在它上面的光線的強弱，阻值發生變化，輸出電壓隨之變化。當小車前方無光照射時, 光敏電阻阻值很大，三極管處于截止狀態, 集電極輸出高電平；當有光照射時, 光敏電阻阻值變小, 三極管飽和導通[7]。將檢測到的高低電平信號送單片機, 依此調整車頭方向, 使其沿光源方向行駛。 光源檢測電路3．5 顯示電路本設計采用LCD1602顯示。單片機的P1口與LCD1602的連接。 顯示電路該電路用到2行16個字的DM162液晶模塊，它采用標準的14腳接口。其中: DM162液晶模塊(1)第1腳：VSS為地電源(2)第2腳：VDD接5V正電源(3)第3腳：V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高。(4)第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選數據寄存器、低電平時選指令寄存器。(5)第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數據。(6)第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳成低電平時，液晶模塊執行命令。(7)第7～14腳：D0～D7為8位雙向數據線。 3．6 測量里程電路本設計采用霍爾傳感器A4EE測量里程。A4EE集成霍爾開關屬于開關型的霍爾器件，其工作電壓范圍比較寬（～18V），其輸出的信號符合TTL電平標準。它由穩壓器A、霍爾電勢發生器(即硅霍爾片)B、差分放大器C、施密特觸發器D和OC門輸出E五個基本部分組成[12]。在輸入端輸入電壓VCC，經穩壓器穩壓后加在霍爾電勢發生器的兩端，根據霍爾效應原理，當霍爾片處在磁場中時，在垂直于磁場的方向通以電流，則與這二者相垂直的方向上將會產生霍爾電勢差HV輸出，該HV信號經放大器放大后送至施密特觸發器整形，使其成為方波輸送到OC門輸出。當施加的磁場達到工作點時，觸發器輸出高電壓(相對于地電位)，使三極管導通，此時OC門輸出端輸出低電壓，通常稱這種狀態稱為開。當施加的磁場達到釋放點時，觸發器輸出低電壓，三極管截止，使OC門輸出高電壓，這種狀態稱為關。兩次電壓的變換，霍耳開關就完成了一次開關動作。 霍爾傳感器A4EE的內部結構將霍爾元器件以一定方式裝成后，再將霍爾傳感器H的1腳和3腳間接2KΩ的電阻[12]。在非磁材料的車后輪上粘貼片磁鋼（N、S磁極），將霍爾傳感器固定在小磁鋼（N、S磁極）附近，當車輪轉動時,磁鋼也跟著轉動,霍爾元件感應到磁場的變化。若N極經過霍爾開關，其輸出電壓為正，則S極經過霍爾開關，其輸出電壓為負。反之，亦然。所以N極穿過霍爾開關產生正脈沖，S極穿過霍爾開關產生負脈沖。每經過一對N、S極，就出現一個完整的正弦波或一對正、負方波。因此，汽車后輪每轉一圈，霍爾元件產生個脈沖，將其送入單片機進行計數小汽車車輪轉的圈數，轉一周所產生的正負方波總長度，即是電機的轉動周期T。將其送入單片機進行計數，假設為N,并設車輪的周長為L,通過S=N*L,就可以計算出小車在一段時間內的距離。，內部采用外部中斷1，車輪每轉一圈，霍爾開關就檢測并輸出信號，引起單片機的中斷，從而對脈沖計數。 霍爾傳感器測速電路3．7 電動機驅動電路直流電機驅動電路使用最廣泛的就是H型全橋式驅動電路。這種驅動電路可以很方便實現直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。 H型全橋式驅動電路全橋式驅動電路的4只開關管都工作在斬波狀態，SS2為一組，SS4 為另一組，兩組的狀態互補，一組導通則另一組必須關斷。當SS2導通時，S S4關斷，電機兩端加正向電壓，可以實現電機的正轉或反轉制動；當SS4導通時，SS2關斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉或正轉制動。當全部導通時，電機處于剎車狀態。當全部關斷時，電機將自由滑行[8]。 電機工作狀態表狀態S1S2S3S4正轉1100反轉0011剎車1111滑行0000在本設計中用到電機驅動芯片L298N。PWM輸出脈沖信號經雙H橋功率驅動電路L298N后接至電機，控制小車運動。L298N芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅動器，其設計是為接受標準TTL邏輯電平信號和驅動電感負載的。每個H橋的下側橋臂晶體管發射極連在一起，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為電機驅動電源。IN1IN4輸入引腳為標準TTL 邏輯電平信號，用來控制H橋的開與關即實現電機的正反轉，ENA、ENB引腳則為使能控制端，用來輸入PWM信號實現電機調速。 H型全橋式驅動電路第4節 系統的軟件設計 程序設計程序設計(Programming)是指設計、編制、調試程序的方法和過程。它是目標明確的智力活動。在進行微機控制系統設計時，除了系統硬件設計外，大量的工作就是如何根據每個生產對象的實際需要設計應用程序。因此，軟件設計在微機控制系統設計中占重要地位。對于本系統，軟件也占有重要的地位。在單片機控制系統中，大體上可分為數據處理、過程控制兩個基本類型。數據處理包括：數據的采集、數字濾波、標度變換等。過程控制程序主要是使單片機按一定的方法進行計算，然后再輸出，以便控制生產[13]。為了完成上述任務，在進行軟件設計時，通常把整個過程分成若干個部分，每一部分叫做一個模塊。把一個程序分成具有多個明確任務的程序模塊，分別編制、調試后再把它們連接在一起形成一個完整的程序，這樣的程序設計方法稱為模塊化程序設計。所謂“模塊”，實質上就是能完成一定功能，并相對獨立的程序段，這種程序設計方法稱為模塊程序設計法[14]。模塊程序設計法的主要優點是：(1)單個模塊比起一個完整的程序易編寫、調試及修改。(2)程序的易讀性好。(3)程序的修改可局部化。(4)模塊可以共存，一個模塊可以被多個任務在不同條件下調用。(5)模塊程序允許設計者分割任務和利用已有程序，為設計者提供方便。本系統軟件采用模塊化結構，由主程序﹑中斷程序（探測金屬和測量里程）、躲避障礙物子程序構成。在系統的程序設計中，主控模塊只負責根據消息調用相應模塊的處理函數，具體如何處理這些消息由各功能模塊中的對應程序決定。在主程序模塊中，需要完成對各模塊接口的初始化，LCD1602的初始化、中斷向量的設計以及開中斷、循環等待等工作。另外，在主程序模塊中還需要設置啟動/清除標志寄存器，并對它們進行初始化。然后，主程序將根據各標志寄存器的內容，分別完成不同的操作。當接通電源時，小車啟動，同時LCD1602開始計時。在行駛中，結合程序查詢方式，則控制小車右轉；，則控制小車左轉，從而實現自動尋跡。當檢測到障礙物時，調用躲避障礙物子程序，達到躲避障礙物的目的。當檢測到金屬鐵片時，產生中斷，進行聲光提示。最后通過光源的引導，停車。 主程序流程圖主程序：RIGHT_BLACK EQU 。右邊黑線LEFT_BLACK EQU 。左邊黑線 ZHANGAI EQU LEFT_LAMP EQU 。左邊光源 RIGHT_LAMP EQU 。右邊光源 BELL EQU 。蜂鳴器 LED EQU 。LED DATA1602 EQU P1 。1602數據端口 RS EQU