基于51單片機(jī)開(kāi)關(guān)電源自動(dòng)循跡小車(chē)設(shè)計(jì)論文

1、西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)摘 要智能循跡是基于自動(dòng)引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)小車(chē)自動(dòng)識(shí)別路線，以及選擇正確的路線。智能循跡小車(chē)是一個(gè)運(yùn)用傳感器、單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及自動(dòng)控制等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)按照預(yù)先設(shè)定的模式下，不受人為管理時(shí)能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)循跡導(dǎo)航的高新科技。該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于無(wú)人駕駛機(jī)動(dòng)車(chē)，無(wú)人工廠，倉(cāng)庫(kù)，服務(wù)機(jī)器人等多種領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)是基于STC89C52單片機(jī)控制的智能循跡小車(chē)，小車(chē)能夠識(shí)別地上黑色軌跡線，實(shí)現(xiàn)循跡行走，而且在循跡過(guò)程中還能夠繞開(kāi)前方的障礙物。本次設(shè)計(jì)包括開(kāi)關(guān)電源模塊、充電模塊、單片機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、循跡模塊和避障模塊。其中開(kāi)關(guān)電源模塊是將220V交流電轉(zhuǎn)化為12V供電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片使用和5V供單

2、片機(jī)使用。充電模塊是給鋰電池充電，以作備用電源。單片機(jī)模塊以STC89C52單片機(jī)為控制核心，用其產(chǎn)生PWM波，控制小車(chē)速度。循跡模塊則采用紅外光電傳感器RPR220型光電對(duì)管，對(duì)路面黑色軌跡進(jìn)行檢測(cè)，并將路面檢測(cè)信號(hào)反饋給單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析判斷，及時(shí)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中由芯片L298N驅(qū)動(dòng)的電機(jī)以調(diào)整小車(chē)轉(zhuǎn)向，從而使小車(chē)能夠沿著黑色軌跡自動(dòng)行駛，實(shí)現(xiàn)小車(chē)自動(dòng)尋跡的目的。同時(shí)在此基礎(chǔ)上，避障模塊當(dāng)中利用E18-D80NK 3-80cm可調(diào)紅外避障傳感器對(duì)小車(chē)進(jìn)行避障。本設(shè)計(jì)不僅給出了完整的硬件電路圖和相關(guān)控制程序，而且還利用PROTEUS進(jìn)行了小車(chē)電機(jī)實(shí)時(shí)仿真。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；

3、自動(dòng)循跡；開(kāi)關(guān)電源；Proteus仿真目錄摘 要I第1章 緒論11.1 智能循跡小車(chē)概述11.1.1 循跡小車(chē)的發(fā)展歷程回顧11.1.2 智能循跡分類21.1.3 智能循跡小車(chē)的應(yīng)用31.2 智能循跡小車(chē)研究中的關(guān)鍵技術(shù)4第2章 自動(dòng)循跡小車(chē)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)52.1 設(shè)計(jì)要求52.2 自動(dòng)循跡小車(chē)基本原理52.3 模塊方案比較與論證52.3.1 控制器模塊52.3.2 電源模塊62.3.3 充電模塊62.3.4 電機(jī)模塊72.3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊72.3.6 循跡傳感器模塊72.3.7 避障傳感器模塊82.4 系統(tǒng)總體方案的確定8第3章 硬件設(shè)計(jì)93.1 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)93.1.1 單片機(jī)的功能特

4、性描述93.1.2 晶振電路93.1.3 復(fù)位電路103.1.4 單片機(jī)整體電路113.2 開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)133.2.1 UC3842簡(jiǎn)介133.2.2 UC3842開(kāi)關(guān)電源電路143.3 充電電路設(shè)計(jì)153.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)163.4.1 L289N簡(jiǎn)介163.4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理183.4.3 小車(chē)運(yùn)動(dòng)邏輯193.5 循跡電路設(shè)計(jì)203.5.1 RPR220與LM339簡(jiǎn)介203.5.2 循跡設(shè)計(jì)213.6 避障電路設(shè)計(jì)22第4章 軟件設(shè)計(jì)234.1 系統(tǒng)軟件流程圖234.2 程序設(shè)計(jì)234.2.1 計(jì)時(shí)程序設(shè)計(jì)234.2.2 主程序設(shè)計(jì)24第5章 系統(tǒng)調(diào)試26結(jié)束語(yǔ)29參考文獻(xiàn)30

5、附錄A 總電路圖31附錄B 循跡小車(chē)程序32III第1章 緒論進(jìn)入二十一世紀(jì)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)較以往已經(jīng)有了突飛猛進(jìn)的提高，智能循跡小車(chē)即帶有視覺(jué)和觸覺(jué)的小車(chē)就是其中的典型代表。1.1 智能循跡小車(chē)概述智能循跡小車(chē)又被稱為Automated Guided Vehicle，簡(jiǎn)稱AGV，是二十世紀(jì)五十年代研發(fā)出來(lái)的新型智能搬運(yùn)機(jī)器人。智能循跡小車(chē)是指裝備如電磁，光學(xué)或其他自動(dòng)導(dǎo)引裝置，可以沿設(shè)定的引導(dǎo)路徑行駛，安全的運(yùn)輸車(chē)。工業(yè)應(yīng)用中采用充電蓄電池為主要的動(dòng)力來(lái)源，可通過(guò)電腦程序來(lái)控制其選擇運(yùn)動(dòng)軌跡以及其它動(dòng)作，也可把電磁軌道黏貼在地板上來(lái)確定其行進(jìn)路線,無(wú)人搬運(yùn)車(chē)通

6、過(guò)電磁軌道所帶來(lái)的訊息進(jìn)行移動(dòng)與動(dòng)作，無(wú)需駕駛員操作，將貨物或物料自動(dòng)從起始點(diǎn)運(yùn)送到目的地。AGV的另一個(gè)特點(diǎn)是高度自動(dòng)化和高智能化，可以根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)貨位要求、生產(chǎn)工藝流程等改變而靈活改變行駛路徑，而且改變運(yùn)行路徑的費(fèi)用與傳統(tǒng)的輸送帶和傳送線相比非常低廉。AGV小車(chē)一般配有裝卸機(jī)構(gòu)，可與其它物流設(shè)備自動(dòng)接口，實(shí)現(xiàn)貨物裝卸與搬運(yùn)的全自動(dòng)化過(guò)程。此外，AGV小車(chē)依靠蓄電池提供動(dòng)力，還有清潔生產(chǎn)、運(yùn)行過(guò)程中無(wú)噪音、無(wú)污染的特點(diǎn)，可用在工作環(huán)境清潔的地方。1.1.1 循跡小車(chē)的發(fā)展歷程回顧隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，人們希望創(chuàng)造出一種來(lái)代替人來(lái)做一些非常危險(xiǎn)，或者要求精度很高等其他事情的工

7、具，于是就誕生了機(jī)器人這門(mén)學(xué)科。世界上誕生第一臺(tái)機(jī)器人誕生于1959年，至今已有50多年的歷史，機(jī)器人技術(shù)也取得了飛速的發(fā)展和進(jìn)步，現(xiàn)已發(fā)展成一門(mén)包含：機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、信號(hào)處理，傳感器等多學(xué)科為一體的性尖端技術(shù)。循跡小車(chē)共歷了三代技術(shù)創(chuàng)新變革： 第一代循跡小車(chē)是可編程的示教再現(xiàn)型，不裝載任何傳感器，只是采用簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制，通過(guò)編程來(lái)設(shè)置循跡小車(chē)的路徑與運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在工作過(guò)程中，不能根據(jù)環(huán)境的變化而改變自身的運(yùn)動(dòng)軌跡。支持離線編程的第二代循跡小車(chē)具有一定感知和適應(yīng)環(huán)境的能力，這類循跡小車(chē)裝有簡(jiǎn)單的傳感器，可以感覺(jué)到自身的的運(yùn)動(dòng)位置，速度等其他物理量，電路是一個(gè)閉環(huán)反饋的控制系統(tǒng)，能適

8、應(yīng)一定的外部環(huán)境變化。第三代循跡小車(chē)是智能的，目前在研究和發(fā)展階段，以多種外部傳感器構(gòu)成感官系統(tǒng)，通過(guò)采集外部的環(huán)境信息，精確地描述外部環(huán)境的變化。智能循跡小車(chē)，能獨(dú)立完成任務(wù)，有其自身的知識(shí)基礎(chǔ)，多信息處理系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化的工作環(huán)境中，根據(jù)環(huán)境變化作出決策，有一定的適應(yīng)能力，自我學(xué)習(xí)能力和自我組織的能力。為了讓循跡小車(chē)能獨(dú)立工作，一方面應(yīng)具有較高的智慧和更廣泛的應(yīng)用，研究各種新機(jī)傳感器，另一方面，也掌握多個(gè)多類傳感器信息融合的技術(shù)，這樣循跡小車(chē)可以更準(zhǔn)確，更全面的獲得所處環(huán)境的信息。1.1.2 智能循跡分類AGV從發(fā)明至今已經(jīng)有50多年的歷史，隨著應(yīng)用領(lǐng)域范圍的不斷擴(kuò)大，其種類和形式

9、也變得更加多樣化。一般根據(jù)行駛的導(dǎo)航方式將智能循跡小車(chē)分為以下幾種類型：(1)電磁感應(yīng)式電磁感應(yīng)式引導(dǎo)一般在地面上，沿預(yù)定路徑埋電線，當(dāng)高頻電流通過(guò)導(dǎo)線，電線周?chē)a(chǎn)生電磁場(chǎng)流動(dòng)， AGV小車(chē)上安裝兩個(gè)對(duì)稱的電磁感應(yīng)傳感器，他們收到的電磁信號(hào)差異可以反映的AGV偏離程度路徑的程度。 AGV自動(dòng)化控制系統(tǒng)，基于這種偏差值，以控制車(chē)輛的轉(zhuǎn)向，連續(xù)的動(dòng)態(tài)的閉環(huán)控制設(shè)置能夠保證AGV對(duì)設(shè)定路徑的穩(wěn)定自動(dòng)跟蹤。在目前商業(yè)用途的AGV中，特別是大型和中型小車(chē)，絕大多數(shù)都采用電磁感應(yīng)導(dǎo)航。(2)激光式安裝有可旋轉(zhuǎn)的激光掃描器的AGV，可安裝在墻壁或有高反射激光定位標(biāo)志的支柱上或者路徑上運(yùn)行，AGV依

10、靠激光掃描器發(fā)射激光束，然后接收由四周定位標(biāo)志反射回的激光束，車(chē)載計(jì)算機(jī)，計(jì)算出當(dāng)前車(chē)輛的位置和運(yùn)動(dòng)方向，通過(guò)內(nèi)置的數(shù)字地圖和校準(zhǔn)位置相比，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理。目前，這種AGV類型的應(yīng)用比較廣泛?；谕瑯拥脑恚绻す鈷呙鑳x被紅外線發(fā)射器，或超聲波發(fā)射取代，激光制導(dǎo)的AGV小車(chē)可以轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外引導(dǎo)和超聲引導(dǎo)的AGV。(3)視覺(jué)式視覺(jué)引導(dǎo)式AGV是的迅速發(fā)展和比較成熟的AGV，這種AGV配備CCD攝像機(jī)，傳感器和車(chē)載電腦，在車(chē)載計(jì)算機(jī)中設(shè)置有AGV欲行駛路徑周?chē)h(huán)境圖像數(shù)庫(kù)。在AGV的行駛過(guò)程中，相機(jī)得到的圖像與圖像數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，以確定當(dāng)前位置和車(chē)輛周?chē)膱D像信息并對(duì)駕駛下一步作出決定。這種AGV

11、小車(chē)并不需要設(shè)置任何的人工物理路徑，所以在理論上具有靈活性，在計(jì)算機(jī)圖像采集，存儲(chǔ)和處理技術(shù)飛速發(fā)展的今天，這種類型的AGV實(shí)用性越來(lái)越強(qiáng)。此外，還有鐵磁陀螺慣性引導(dǎo)式AGV、光學(xué)引導(dǎo)式AGV等多種形式的AGV。1.1.3 智能循跡小車(chē)的應(yīng)用智能循跡小車(chē)發(fā)展歷史及主要應(yīng)用場(chǎng)所如下：(1)倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)1954年，來(lái)自美國(guó)南卡羅來(lái)納州的Mercury Motor Freight公司成為第一批把AGV小車(chē)的應(yīng)用到倉(cāng)庫(kù)的使用者，來(lái)實(shí)現(xiàn)出入庫(kù)貨物的自動(dòng)處理。至今世界上有超過(guò)2100個(gè)廠家把大約2萬(wàn)臺(tái)大型或小型的AGV小車(chē)應(yīng)用到自己的倉(cāng)庫(kù)中。中國(guó)的海爾集團(tuán)在2000年把9臺(tái)AGV小車(chē)投產(chǎn)到了自己的倉(cāng)庫(kù)區(qū)，形成一

12、個(gè)靈活的AGV自動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)處理系統(tǒng)，輕松地完成了每天至少33500的儲(chǔ)存和裝卸貨物的任務(wù)。(2)制造業(yè)在制造業(yè)的的生產(chǎn)線中AGV小車(chē)大顯身手，快速，精確，靈活的完成材料的運(yùn)送任務(wù)。由多臺(tái)AGV小車(chē)組成的物流運(yùn)輸處理系統(tǒng)，較人工搬運(yùn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)更靈活，運(yùn)輸路線可以根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程及時(shí)調(diào)整，使一條生產(chǎn)線，生產(chǎn)十幾個(gè)產(chǎn)品，大大提高了生產(chǎn)的靈活性，企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。在1974年瑞典的沃爾沃卡爾馬的汽車(chē)組裝廠，提高了運(yùn)輸系統(tǒng)的靈活性，使用以AGV小車(chē)為載運(yùn)工具的裝配線，采用該裝配線后，減少了20%裝配時(shí)間、減少了39%組裝錯(cuò)誤，減少了57%投資資金回收時(shí)間以及減少了5%的員工費(fèi)用。目前，在世界主要的汽車(chē)生產(chǎn)廠家，如通

13、用、豐田、克萊斯勒、大眾AGV小車(chē)已被廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，作為CIMS(Computer Integrated Manufacturing Systems，直譯為基于計(jì)算機(jī)的現(xiàn)代集成制造系統(tǒng))的基礎(chǔ)搬運(yùn)工具，AGV已經(jīng)深入到機(jī)械加工，家電制造，微電子制造，煙草等行業(yè)，生產(chǎn)業(yè)和加工業(yè)已成為AGV小車(chē)使用最廣泛的領(lǐng)域。(3)郵局、圖書(shū)館、港口碼頭和機(jī)場(chǎng)在郵局，圖書(shū)館，碼頭和機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓等人口密集的公眾場(chǎng)所，存在著大量的物品的運(yùn)送工作，充滿不定性和動(dòng)態(tài)性強(qiáng)的特點(diǎn)，搬運(yùn)過(guò)程往往也很單一。AGV有著可并行工作、自動(dòng)化、智能化和處理靈活的特點(diǎn)，可以很好的滿足這些場(chǎng)合的運(yùn)輸要求。1983年瑞典的大斯得哥爾摩郵局

14、，1988年日本東京的多摩郵局，1990年中國(guó)上海的郵政相繼開(kāi)始使用AGV小車(chē)來(lái)完成郵品的搬運(yùn)工作。在荷蘭的鹿特丹港口，50輛被稱為“院子里的拖拉機(jī)”的AGV小車(chē)每天都在把集裝箱從船邊運(yùn)送到幾百米以外的倉(cāng)庫(kù)中。(4)煙草、醫(yī)藥、化工、食品對(duì)于處理一些需要在清潔、安全、無(wú)排放污染等其他特殊環(huán)境要求的產(chǎn)品生產(chǎn)如煙草、制藥、食品、化工等產(chǎn)品時(shí)應(yīng)考慮AGV小車(chē)的應(yīng)用。在全國(guó)許多卷煙企業(yè)，如青島頤中集團(tuán)、玉溪紅塔集團(tuán)、紅河卷煙廠、淮陰卷煙廠，應(yīng)用激光引導(dǎo)式AGV完成托盤(pán)貨物的搬運(yùn)工作。1.2 智能循跡小車(chē)研究中的關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)在全世界越來(lái)越多的國(guó)家都在做著研究智能化、多樣化的自動(dòng)汽車(chē)導(dǎo)航的工作。自動(dòng)汽車(chē)導(dǎo)航

15、是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它不僅應(yīng)具有正常的運(yùn)動(dòng)功能的成分，而且還應(yīng)具有任務(wù)分析，路徑規(guī)劃，信息感知，自主決策等類似人類的智能行為。人類可以利用自己的聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)等功能獲取事物的信息，人類的大腦再根據(jù)已經(jīng)掌握的知識(shí)對(duì)這些信息進(jìn)行綜合分析，從而全面了解認(rèn)知事物。這樣一個(gè)認(rèn)識(shí)事物、分析事物和處理信息的過(guò)程稱之為信息融合過(guò)程。多傳感器信息融合的基本原理就是模仿人類大腦的這個(gè)過(guò)程，得到一個(gè)對(duì)復(fù)雜對(duì)象的一致性解釋或結(jié)論。多傳感器信息融合是協(xié)調(diào)多個(gè)分布在不同地點(diǎn)，相同或不同種類的傳感器所提供的局部不完整觀測(cè)量信息加以綜合，協(xié)調(diào)使用，消除可能存在的冗余和矛盾，并加以互補(bǔ)，以減少不確定性，得到對(duì)物體或環(huán)

16、境的一致性描述的過(guò)程。多傳感器信息融合具有許多性能上的優(yōu)點(diǎn)：(1)增加了系統(tǒng)的生存能力；(2)減少了信息的模糊性；(3)擴(kuò)展了采集數(shù)據(jù)覆蓋范圍；(4)增加了可信度；(5)改善了探測(cè)性能；(6)提高了空間的分辨力；(7)改善了系統(tǒng)的可靠性；(8)信息的低成本性。本文主要由五章構(gòu)成，第1章為緒論，主要講述循跡小車(chē)的發(fā)展歷程及在目前所應(yīng)用領(lǐng)域中的作用。第2章為自動(dòng)循跡小車(chē)總體設(shè)計(jì)方案，主要確定系統(tǒng)各個(gè)模塊的具體選擇。第3章是系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，其中包含開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，充電電路的設(shè)計(jì)，單片機(jī)電路的設(shè)計(jì)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，光電傳感器模塊和避障模塊。第4章為系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，主要介紹的是軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程。第5章是用Pr

17、oteus軟件對(duì)小車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和調(diào)試。第2章 自動(dòng)循跡小車(chē)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)要求（1）用MCS-51系列單片機(jī)或其它CPU作為小車(chē)的控制器；（2）設(shè)計(jì)識(shí)別黑色軌跡線的傳感器；（3）采用紅外或超聲測(cè)或其它判定障礙物功能；（4）設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電路，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)變速、啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)及停止；（5）設(shè)計(jì)控制小車(chē)行走的程序；（6）外部220V電源（開(kāi)關(guān)電源）供電，工作時(shí)備用電源供電，自動(dòng)充電功能，體積小巧；（7）用Proteus實(shí)現(xiàn)小車(chē)電機(jī)控制仿真。2.2 自動(dòng)循跡小車(chē)基本原理循跡就是能夠沿著給定的軌跡運(yùn)行，一般給定的軌跡為在白色地面上黑色軌跡。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，就需要軌跡檢測(cè)模塊，這相當(dāng)于小車(chē)的眼睛，

18、需要將路面信息返回到大腦中，這大腦就需要有信息處理功能的微處理器來(lái)構(gòu)成，處理的信息需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)執(zhí)行，這就需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的行走功能，而一個(gè)完整的系統(tǒng)，還需要有電源模塊來(lái)提供能量。簡(jiǎn)言之，系統(tǒng)的基本原理就是：循跡模塊將檢測(cè)到的路面信息傳送給微處理器來(lái)處理，然后將處理結(jié)果送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊執(zhí)行，達(dá)到循跡的目的。2.3 模塊方案比較與論證根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)主要由控制器模塊、電源模塊、充電模塊、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、循跡傳感器模塊、避障傳感器模塊構(gòu)成。為了較好的實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，分別設(shè)計(jì)了幾種方案并分別進(jìn)行了比較與論證。2.3.1 控制器模塊方案一：采用FPGA作為系統(tǒng)的主控制器。FPGA可

19、以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，集成度高，體積小，穩(wěn)定性好，IO口資源豐富，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展，處理速度快，常用于大規(guī)模實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)，但價(jià)格高，編程實(shí)現(xiàn)難度大。方案二：采用可編程邏輯期間CPLD作為控制器。CPLD可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富、易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模控制系統(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經(jīng)濟(jì)的角度考慮我們放棄了此方案。方案三：STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位

20、微控制器，具有8K系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案，單片機(jī)可以在線編程、調(diào)試，方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試，并且價(jià)格便宜。本系統(tǒng)邏輯功能簡(jiǎn)單，僅僅需要接收傳感器的信號(hào)和控制電機(jī)，對(duì)控制器的數(shù)據(jù)處理能力要求不高，從性價(jià)比方面考慮選擇方案三。2.3.2 電源模塊根據(jù)本次設(shè)計(jì)要求，需采用開(kāi)關(guān)電源電路。開(kāi)關(guān)電源具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬、電路形式靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)，因而在各類電子產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。由于開(kāi)關(guān)電源芯片眾多，因此本著“適用、夠用、好用”的原則選擇

21、了UC3842。UC3842是一種高性能的固定頻率電流型開(kāi)關(guān)電源芯片。單端輸出可直接驅(qū)動(dòng)雙極型晶體管和MOSFET管，具有引腳數(shù)量少、外圍電路簡(jiǎn)單、安裝與調(diào)試簡(jiǎn)便、性能優(yōu)良、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，能通過(guò)高頻變壓器與電網(wǎng)隔離，適合構(gòu)成無(wú)工頻變壓器的2050W小功率開(kāi)關(guān)電源。又其構(gòu)成電路所需元件極少，非常符合“適用、夠用、好用”原則。2.3.3 充電模塊根據(jù)本次設(shè)計(jì)要求，需要設(shè)計(jì)充電模塊以作備用電源實(shí)用。方案一：給12V蓄電池充電。雖然蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力，穩(wěn)定的電壓輸出性能，以及相關(guān)的充電芯片，但處于蓄電池的體積過(guò)于龐大，在小型電動(dòng)車(chē)上使用極為不方便的原因，還是放棄了這種方案。方案二：給3節(jié)4

22、.2V可充電式鋰電池充電。雖然鋰電池的價(jià)格有點(diǎn)貴，但鋰電池的電量比較足，并且可以充電，可重復(fù)利用，也有相關(guān)的充電芯片，因此選擇了此方案。同時(shí)選擇了LTC4053，設(shè)計(jì)出具有USB接口功能的充電電路。綜上考慮，選擇方案二。2.3.4 電機(jī)模塊方案一：采用直流電機(jī)。直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，響應(yīng)快速，體積小，重量輕，直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣；過(guò)載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn),能滿足各種不同的特殊運(yùn)行要求，價(jià)格便宜。方案二：采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的精密執(zhí)行原件?？刂品奖?，體積小，靈活性和可靠性高，具

23、有瞬時(shí)啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越性，比較適合本系統(tǒng)控制精度高的特點(diǎn)。但步進(jìn)電機(jī)的抖動(dòng)比較大，輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車(chē)等有一定速度要求的系統(tǒng)，價(jià)格還比較昂貴，所以這里不采用此方案。由于直流電機(jī)價(jià)格便宜、控制簡(jiǎn)單，因此本設(shè)計(jì)用方案一。2.3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴，且可能存在干擾。更主要的問(wèn)題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻比較小，但電流很大，分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)與關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的

24、切換速度實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，易損壞，壽命較短，可靠性不高。方案三：采用專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L298N中有兩套H橋電路，剛好可以控制兩個(gè)電機(jī)。它的使能端可以外接高低電平，也可以利用單片機(jī)進(jìn)行軟件控制，極大地滿足各種復(fù)雜電路需要。L298的驅(qū)動(dòng)功率較大，在646V的電壓下，可以提供2A的額定電流，并且具有過(guò)熱自動(dòng)關(guān)斷和電流反饋檢測(cè)功能，安全可靠。基于以上的分析，選擇方案三。2.3.6 循跡傳感器模塊方案一：用光敏電阻組成光敏探測(cè)器。光敏電阻的阻值可以跟隨周?chē)h(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)

25、烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時(shí)，阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過(guò)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。方案二：用RPR220型光電對(duì)管。RPR220是一種一體化反射型光電探測(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度，硅平面光電三極管。其具有如下特點(diǎn)：塑料透鏡可以提高靈敏度。內(nèi)置可見(jiàn)光過(guò)濾器能減小離散光的影響。體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來(lái)時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光電對(duì)管調(diào)理電路簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定。因此出于穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，選擇方案二。2.3.7 避障傳感器模塊方案一：采用紅外測(cè)

26、距傳感器。本次設(shè)計(jì)利用E18-D80NK可調(diào)紅外避障傳感器對(duì)小車(chē)進(jìn)行避障，該傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見(jiàn)光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、流水線計(jì)件等眾多場(chǎng)合。方案二：采用超聲波傳感器，雖然其具有測(cè)量精度高、方向性好的優(yōu)點(diǎn)，但成本相對(duì)紅外較高，因此放棄本方案。因此基于成本考慮，選擇方案一。2.4 系統(tǒng)總體方案的確定自動(dòng)循跡小車(chē)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。以STC89C52單片機(jī)為控制核心，主要由電源模塊、充電模塊、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、循跡傳感器模塊、避障傳感器模塊構(gòu)成。圖2.1 自動(dòng)循跡小車(chē)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第3章 硬件設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬

27、件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如ROM、RAM、I/O、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒O(shè)計(jì)相應(yīng)的電路；二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤(pán)、顯示器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等。3.1.1 單片機(jī)的功能特性描述單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜。單片機(jī)內(nèi)部也有和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤(pán)作用相同的存儲(chǔ)器件。單片機(jī)是一種集成電路芯片，采用超

28、大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。本課題選擇了STC公司的生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，是帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲(chǔ)器。一個(gè)芯片上擁有8位CPU，并且在系統(tǒng)可編程Flash。STC89C52提供給為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)高靈活、超有效的解決方案。 STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能:8k字節(jié)Flash，512字

29、節(jié)RAM，32位I/O口線，看門(mén)狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB EEPROM，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。此外，空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。3.1.2 晶振電路在STC89S52單片機(jī)上內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。時(shí)鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。在1和XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時(shí)元件通常采用石英晶體和電容組成的并

30、聯(lián)諧振回路。從XTAL1接入，如圖3.1所示。由于外部時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)二分頻觸發(fā)后作為外部時(shí)鐘電路輸入的，所以對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的占空比沒(méi)有要求。本設(shè)計(jì)選用的是11.0592MHZ無(wú)源晶振、2個(gè)30pF瓷片電容，使得一個(gè)機(jī)器周期是1s。晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)，而兩個(gè)電容則是起到并聯(lián)諧振的作用，如果沒(méi)電容，振蕩電路會(huì)因?yàn)闆](méi)有回路而停振，電路不能正常工作。圖3.1 單片機(jī)晶振電路3.1.3 復(fù)位電路復(fù)位電路的作用是在上電或復(fù)位過(guò)程中，控制CPU的復(fù)位狀態(tài)：這段時(shí)間內(nèi)讓CPU保持復(fù)位狀態(tài)，而不是一上電或剛復(fù)位完畢就工作，防止CPU發(fā)出錯(cuò)誤的指令、執(zhí)行錯(cuò)誤操作，也可以提高電磁兼容性能。89系列單

31、片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。施密特觸發(fā)電路是一種波形整形電路，當(dāng)任何波形的信號(hào)進(jìn)入電路時(shí)，輸出在正、負(fù)飽和之間跳動(dòng)，產(chǎn)生方波或脈波輸出。不同于比較器，施密特觸發(fā)電路有兩個(gè)臨界電壓且形成一個(gè)滯后區(qū)，可以防止在滯后范圍內(nèi)之噪聲干擾電路的正常工作。如遙控接收線路，傳感器輸入電路都會(huì)用到它整形。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個(gè)高電平并維持2個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)振蕩周期)以上，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)采用的電容值為10F的電容和電阻采用10k的電阻。如圖3.2所示上電后，由于電容充電，使RST持續(xù)一段高電平時(shí)間。當(dāng)單片機(jī)已在運(yùn)行

32、之中時(shí)，按下復(fù)位鍵也能使RST持續(xù)一段時(shí)間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)上電且開(kāi)關(guān)復(fù)位的操作。圖3.2 單片機(jī)復(fù)位電路3.1.4 單片機(jī)整體電路51單片機(jī)內(nèi)部有P0、P1、P2、P3等4個(gè)8位雙向I/0口，因此外設(shè)可直接連接于這幾個(gè)口線上，而無(wú)需另加接口芯片。P0P3的每個(gè)端口可以按字節(jié)輸入和輸出，也可以按位進(jìn)行輸入輸出，用于位控制十分方便。P0：P0口為三態(tài)雙向口，能帶8個(gè)TTL電路，對(duì)P0端口寫(xiě)“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0不具有內(nèi)部上拉電阻，需要外接上拉電阻。P1：P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，

33、P1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P1 端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.1分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2 的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX）。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。P2：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣

34、故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。單片機(jī)模塊如圖3.3所示。STC89C52主要功能如表3.1所示。表3.1 STC89C52主要功能主要功能特性兼容M

35、CS51指令系統(tǒng)8K可反復(fù)擦寫(xiě)Flash ROM32個(gè)雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷時(shí)鐘頻率0-24MHz2個(gè)串行中斷可編程UART串行通道2個(gè)外部中斷源共6個(gè)中斷源2個(gè)讀寫(xiě)中斷口線3級(jí)加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能圖3.3 單片機(jī)模塊電路3.2 開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)3.2.1 UC3842簡(jiǎn)介本次采用的開(kāi)關(guān)電源芯片為UC3842，UC3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器，單端輸出，可直接驅(qū)動(dòng)MOSFET，具有管腳數(shù)量少、外圍電路簡(jiǎn)單、安裝與調(diào)試簡(jiǎn)便、性能優(yōu)良、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。UC3842采用DIP-8封裝，引腳排列如圖3.4所示，各

36、個(gè)引腳功能見(jiàn)表3.2所示，UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。圖3.4 UC3842引腳排列圖表3.2 UC3842各個(gè)引腳功能引腳號(hào)引腳符號(hào)功能1COMP內(nèi)部誤差放大器輸入端，可接RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)到誤差放大器的反相輸入端，來(lái)決定放大器的閉環(huán)增益和頻率響應(yīng)，使芯片工作穩(wěn)定2VFB反饋電壓輸入端，此腳與內(nèi)部誤差放大器相向輸入端的基準(zhǔn)電壓（一般為+2.5V）進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制電壓，控制脈沖的寬度3ISENSE電流傳感端，檢測(cè)開(kāi)關(guān)管峰值電流，經(jīng)取樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓，當(dāng)取樣電壓超過(guò)1V時(shí)，UC3842就停止輸出，有效保護(hù)了功率開(kāi)關(guān)4RT/CT定時(shí)端，外接定時(shí)電阻和定時(shí)電容決定振蕩器工作頻率5GROUND接

37、地端6OUTPUT輸出端7VI電源輸入端，當(dāng)電壓低于+16V時(shí)，UC3842不工作8VREF+5V基準(zhǔn)電壓輸出端圖3.5 UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖3.2.2 UC3842開(kāi)關(guān)電源電路UC3842開(kāi)關(guān)電源電路如圖3.6所示。圖3.6 UC3842開(kāi)關(guān)電源電路其工作原理為：開(kāi)關(guān)功率管為N溝道MOS管，該電路屬于單端反激式變換器 ，當(dāng)開(kāi)關(guān)功率管導(dǎo)通時(shí)，整流二極管D12、D13截止，電能就儲(chǔ)存在高頻變壓器T的初級(jí)繞組N1中；當(dāng)開(kāi)關(guān)功率管關(guān)斷時(shí)，D12、D13導(dǎo)通，N1上儲(chǔ)存的電能傳輸給次級(jí)繞組N3、N4，并分別經(jīng)過(guò)D12、C11和D13、C12整流濾波后向負(fù)載供電。其穩(wěn)壓過(guò)程是首先對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，

38、然后依次經(jīng)過(guò)誤差放大器、過(guò)流檢測(cè)比較強(qiáng)、PWM鎖存器、門(mén)電路和輸出級(jí)去控制開(kāi)關(guān)功率管的導(dǎo)通及關(guān)斷時(shí)間，最終達(dá)到穩(wěn)壓目的，采樣電壓是從自饋線圈N2的整流濾波輸出端引出的。剛啟動(dòng)時(shí)UC3842所需+16V工作電壓由R27、C9電路提供。220V交流電經(jīng)橋式整流和電容濾波，得到+330V直流高壓，再經(jīng)R27降壓后接UC3842的7端，利用C10的充電過(guò)程使電壓VI逐漸升至+16V以上，從而實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。當(dāng)開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)入正常工作后，N2上的高頻電壓經(jīng)D10，C9整流濾波，作為芯片的工作電壓。UC3842屬于電流控制型PWM，初級(jí)線圈中的電流在過(guò)流檢測(cè)電阻R25上建立的電壓V0，加至過(guò)流檢測(cè)比較器的同相端，

39、與反相端的誤差電壓作比較，進(jìn)而控制輸出脈沖的占空比，使流過(guò)開(kāi)關(guān)功率管的最大峰值電流始終受VI的控制。只要電壓V0達(dá)到1V，比較器就翻轉(zhuǎn)，輸出為高電平，將PWM鎖存器置零，PWM關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)了過(guò)流保護(hù)。鑒于在開(kāi)關(guān)功率管關(guān)斷的瞬間，高頻電壓器的漏感會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓，N1上還會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，現(xiàn)利用C8、D9、R26、C13、D11、R28組成兩級(jí)吸收回路，對(duì)開(kāi)關(guān)功率管起到保護(hù)作用。D9、D10和D11采用快恢復(fù)二極管。輸出整流濾波電路由D12、C11和D13、C12組成，D12、D13采用肖特基二極管。PWM鎖存器的作用是保證在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)只輸出一個(gè)脈寬調(diào)制信號(hào)，可消除噪聲干擾的影響。輸入欠壓鎖

40、定電路的開(kāi)啟電壓為16V，關(guān)斷電壓為10V。僅當(dāng)電壓V0大于16V時(shí)UC3842才能啟動(dòng)，此時(shí)芯片工作電流僅1mA，自饋電后變?yōu)?5mA。當(dāng)輸入欠壓時(shí)，開(kāi)關(guān)功率管自行關(guān)斷。此外，在芯片內(nèi)部還有一只穩(wěn)壓管，一旦輸入端出現(xiàn)高壓，穩(wěn)壓管就將V0鉗于34V，起到保護(hù)作用。+5.0V基準(zhǔn)電壓經(jīng)R18給C5充電，C5再經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部電路放電，于是就能在UC3842的4腳得到鋸齒波電壓。R19和C6用以調(diào)節(jié)誤差放大器的增益和頻率響應(yīng)。自饋線圈的輸出電壓V0經(jīng)過(guò)R20、R21分壓后作為比較電壓，當(dāng)電網(wǎng)電壓升高會(huì)導(dǎo)致輸出電壓也升高，反之亦然。3.3 充電電路設(shè)計(jì)本次充電電路設(shè)計(jì)是給3節(jié)4.2V可充電式鋰電池充電，

41、充電芯片采用LTC4053。充電電路如圖3.7所示。圖3.7 LTC4053 USB接口充電電路LTC4053是可直接與USB接口的鋰離子電池專用充電IC，同時(shí)還集成了NTC（負(fù)溫度系數(shù)）溫度補(bǔ)償、開(kāi)關(guān)控制、100/500mA電流等電路。最大輸入電壓為7V，最大輸出電流為535mA。VCC直接取至USB接口的電源，SHDN為開(kāi)關(guān)控制，低電平時(shí)充電，高電平時(shí)停止充電；PROG腳選擇充電電流，低電平時(shí)選擇100mA充電，以適合小電流輸出的USB接口，高電平時(shí)選擇500mA充電，以適合大電流輸出的USB接口；NTC腳接入熱敏電阻可進(jìn)行溫度補(bǔ)償；LTC4053還設(shè)置了定時(shí)充電功能，定時(shí)時(shí)間周期由TIM

42、ER腳外接電容決定：t=3C/0.1（式中t的單位為h，C的單位為F）。Q2是P溝道MOSFET管，被用來(lái)選擇是否為USB供電的開(kāi)關(guān)。3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)3.4.1 L289N簡(jiǎn)介電機(jī)驅(qū)動(dòng)選用雙全橋電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L298N，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路?？梢则?qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)或驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V。直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，直接通過(guò)單片機(jī)的IO端口提供信號(hào)，使得電路簡(jiǎn)單，使用更方便。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號(hào)VSS，VSS通常接4.57V的電壓。4腳VS接電壓源，VS可接電壓范圍VIH為2.546V。L298N芯片輸出電流可達(dá)2.

43、5 A，可驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載。L298N是一個(gè)內(nèi)部有兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)芯片，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。使用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制，直接連接單片機(jī)管腳，具有兩個(gè)使能控制端，使能端在不受輸入信號(hào)影響的情況下不允許器件工作。L298N有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作。L298N引腳排列如圖3.8所示，各個(gè)引腳功能見(jiàn)表3.2所示。圖3.9 L298N引腳排列圖表3.3 L298N引腳編號(hào)與功能引腳號(hào)名稱功能1電流傳感器A在該引腳和地之間接小阻值電阻可用來(lái)檢測(cè)電流2輸出引腳1內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器A的輸出端1，接至電機(jī)A3輸出引腳2內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器A的輸出端2，接至電機(jī)A4電機(jī)電源端

44、電機(jī)供電輸入端,電壓可達(dá)46V5輸入引腳1內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器A的邏輯控制輸入端16使能端A內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器A的使能端7輸入引腳2內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器A的邏輯控制輸入端28邏輯地邏輯地9邏輯電源端邏輯控制電路的電源輸入端為5V10輸入引腳3內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器B的邏輯控制輸入端111使能端B內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器B的使能端12輸入引腳4內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器B的邏輯控制輸入端213輸出引腳3內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器B的輸出端1，接至電機(jī)B14輸出引腳4內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器B的輸出端2，接至電機(jī)B15電流傳感器B在該引腳和地之間接小阻值電阻可用來(lái)檢測(cè)電流3.4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理電路的形狀很像字母H。四個(gè)三極管就是H橋的四條垂直線，而電機(jī)就是H中的橫線。圖3.10 L298N內(nèi)部

45、H橋驅(qū)動(dòng)電路圖3.10為一個(gè)典型的直流電機(jī)的控制電路。被命名為“H橋驅(qū)動(dòng)電路”主要是因?yàn)殡娐返男螤詈芟褡帜窰。四個(gè)三極管就是H橋的四條垂直線，而電機(jī)就是H中的橫線。H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包含四個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須遵循導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管?；诓煌龢O管對(duì)的導(dǎo)通情況可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，電流可可以從左至右流過(guò)電機(jī)，也可以從右至左流過(guò)電機(jī)。當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右流過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q2和Q3同時(shí)導(dǎo)通的情況下，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)。從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，保證H橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管

46、不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要。如果三極管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從正極穿過(guò)兩個(gè)三極管直接回到負(fù)極。此時(shí)，電路中除了三極管外沒(méi)有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值，該電流僅受電源性能限制，可能燒壞三極管?；谏鲜鲈?，在實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開(kāi)關(guān)。圖3.11 所示就是基于這種考慮的改進(jìn)電路，它在基本H橋電路的基礎(chǔ)上增加了四個(gè)二極管來(lái)保護(hù)電路。四個(gè)與門(mén)同一個(gè)“使能”導(dǎo)通信號(hào)相接，這樣，用這一個(gè)信號(hào)就能控制整個(gè)電路的開(kāi)關(guān)。采用以上方法，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)就只需要用三個(gè)信號(hào)控制：兩個(gè)方向信號(hào)和一個(gè)使能信號(hào)。如果IN1信號(hào)為“0”，IN2信號(hào)為“1”，并且使能信號(hào)是“1”，

47、那么三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流從左至右流經(jīng)電機(jī)；如果IN1信號(hào)變?yōu)椤?”，而IN0信號(hào)變?yōu)椤?”，那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流則反向流過(guò)電機(jī)。圖3.11 L298N驅(qū)動(dòng)芯片和直流電機(jī)接線圖3.4.3 小車(chē)運(yùn)動(dòng)邏輯基于以上L298N原理的闡述，現(xiàn)將小車(chē)運(yùn)動(dòng)邏輯列入表3.4中。表3.4 小車(chē)運(yùn)動(dòng)邏輯使能端A使能端B左電機(jī)右電機(jī)左電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)右電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)小車(chē)運(yùn)行狀態(tài)IN1IN2IN3IN4111010正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)前行111001正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)111011正轉(zhuǎn)停止以右電機(jī)為中心原地右轉(zhuǎn)110110反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)110101反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)后退111110停止正轉(zhuǎn)以左電機(jī)為中心原地左轉(zhuǎn)3.5 循跡電路設(shè)計(jì)3.5.1 R

48、PR220與LM339簡(jiǎn)介循跡小車(chē)在鋪有約兩厘米寬黑紙的路面行駛，路面可以近似看為白色，由于黑紙和白色路面對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷道路黑色軌跡。本設(shè)計(jì)循跡傳感器采用RPR220反射型光電對(duì)管，通過(guò)紅外敏感端對(duì)不同顏色的感光能力的不同，可以很容易的辨別白紙上的黑色軌跡。紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外線照射到黑帶時(shí)，光線被黑帶吸收，紅外接收管無(wú)法接受到紅外線，不導(dǎo)通。當(dāng)紅外發(fā)射管發(fā)出的光照射到地面時(shí)發(fā)生漫反射，光反射回來(lái)被紅外接收管吸收，紅外接收管導(dǎo)通。RPR220型光電對(duì)管如圖3.12所示。圖3.12 RPR220型光電對(duì)管在循跡模塊中，要將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，因此要用到電壓

49、比較器，本設(shè)計(jì)選用的電壓比較器是LM339， LM339集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門(mén)限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開(kāi)路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，

50、因此，把LM339用在弱信號(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會(huì)影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。LM339可構(gòu)成單限比較器、遲滯比較器、雙限比較器（窗口比較器）、振蕩器等。還可以組成高壓數(shù)字邏輯門(mén)電路，并可直接與TTL、CMOS電路接口。3.5.2 循跡設(shè)計(jì)將該傳感器4個(gè)一組放置在小車(chē)前方，傳感器布局如圖3.13所示，中間兩個(gè)傳感器之間的距離最好為軌跡寬度

51、，左邊第一個(gè)和第二個(gè)之間的距離可適當(dāng)較近一些，具體位置可在測(cè)試中調(diào)整，這樣放置的目的是能夠很好的反應(yīng)小車(chē)的循跡狀態(tài)，例如當(dāng)左邊第一個(gè)在黑線上時(shí)，就表明小車(chē)偏離軌道太遠(yuǎn)需要進(jìn)行粗調(diào)，應(yīng)當(dāng)向左大轉(zhuǎn)彎了。當(dāng)傳感器在黑線上時(shí)接收管不導(dǎo)通，LM393的3腳電壓就為VCC，而2腳電壓可以由電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，只要電位器不是在最上端，則2腳電壓就小于VCC，這樣正向端的電壓大于反向端電壓，那么經(jīng)過(guò)電壓比較器比較后，輸出高電平，當(dāng)傳感器在白線上時(shí)，紅外接收管導(dǎo)通，則3腳可視為接地，則正向端電壓小于反向段電壓，那么經(jīng)比較器比較后輸出低電平。圖3.13 傳感器布局綜合以上分析，循跡電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3.14（注：本設(shè)計(jì)需要

52、用4組該檢測(cè)電路以達(dá)到精確循跡的目的，圖中只給出了1組）。圖3.14 循跡電路3.6 避障電路設(shè)計(jì)利用E18-D80NK可調(diào)紅外避障傳感器進(jìn)行小車(chē)的避障擴(kuò)展，紅外避障傳感器如圖3.14所示，該傳感器測(cè)量范圍為380CM，可利用其背面的距離調(diào)節(jié)電位器來(lái)調(diào)節(jié)距離。圖3.14 E18-D80NK紅外避障傳感器避障硬件電路如圖3.15所示（注：本設(shè)計(jì)需要用2組該避障電路，圖中只給出了1組）。避障原理是檢測(cè)到障礙物則輸出低電平，背面燈亮，未檢測(cè)到障礙物則輸出高電平，背面燈滅，由于這種傳感器比較貴，因此在保證能正常避障的情況下，使用該傳感器兩個(gè)來(lái)達(dá)到避障的目的。避障思路是：在小車(chē)正前方放置一個(gè)避障傳感器，

53、用于對(duì)正前方的障礙物進(jìn)行檢測(cè)，在小車(chē)左輪附近放置一個(gè)傳感器用于在小車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)對(duì)左邊的障礙物進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)前方的傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，小車(chē)右轉(zhuǎn)彎，具體行駛是小車(chē)左輪正傳右輪反轉(zhuǎn)向右原地轉(zhuǎn)一個(gè)角度，然后右輪加速行駛，左輪正常行駛，繞過(guò)障礙物，直到回到黑線上繼續(xù)循跡，在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，若左側(cè)傳感器檢測(cè)到信號(hào)則表明小車(chē)應(yīng)繼續(xù)向右轉(zhuǎn)彎，否則會(huì)撞到障礙物上。具體小車(chē)轉(zhuǎn)的角度和速度要在時(shí)間測(cè)試中逐漸進(jìn)行改善。圖3.15 避障硬件電路第4章 軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)軟件流程圖自動(dòng)循跡小車(chē)系統(tǒng)程序要求對(duì)4個(gè)光電對(duì)管的信號(hào)和2個(gè)E18-D80NK可調(diào)紅外避障傳感器進(jìn)行檢測(cè)，然后單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)到得信號(hào)做出相應(yīng)的控制反應(yīng)，從而控

54、制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，達(dá)到自動(dòng)循跡和避障的目的。具體程序流程圖如圖4.1。圖4.1 程序流程圖4.2 程序設(shè)計(jì)4.2.1 計(jì)時(shí)程序設(shè)計(jì)為了更方便的控制小車(chē)速度，采用PWM調(diào)速方式，而該中斷計(jì)時(shí)程序的作用是產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)的時(shí)間，調(diào)用該程序讓某一I/0口保持高電平，然后再調(diào)用一次將該I/0口取反就形成了PWM信號(hào)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，非常方便，改變t的值來(lái)改變占空比。void timer(unsigned int t) /中斷計(jì)時(shí) unsigned int i; for(i=0;i<t;i+) /*計(jì)數(shù)t*50*/TMOD=0X10; TH0=0x3C; TL0=0xB0; TR1=1; wh

55、ile(!TF1); TR1=0; 4.2.2 主程序設(shè)計(jì)主程序的內(nèi)容包括初始化程序，讀取傳感器信息，以及根據(jù)相應(yīng)的電機(jī)控制程序等。其中傳感器信號(hào)可能邏輯狀態(tài)如表4.1所示，根據(jù)這些狀態(tài)結(jié)合實(shí)際軌跡情況對(duì)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)控制，不同的軌跡在相同狀態(tài)下電機(jī)的控制也會(huì)不同（“1”表示傳感器未檢測(cè)到黑線，“0”表示傳感器檢測(cè)到黑線）。表4.1 傳感器信號(hào)可能邏輯狀態(tài)RPR3RPR1RPR2RPR4狀態(tài)1111前進(jìn)10011011右輪轉(zhuǎn)彎，向左轉(zhuǎn)01111101左輪轉(zhuǎn)彎，向右轉(zhuǎn)11100011右轉(zhuǎn)90°，向左轉(zhuǎn)00011100左轉(zhuǎn)90°，向左轉(zhuǎn)1000例如小車(chē)偏左狀態(tài)如圖4.2所示，當(dāng)小

56、車(chē)處于這種狀態(tài)時(shí)，小車(chē)向左轉(zhuǎn)彎才能讓黑線在小車(chē)正下方，這時(shí)應(yīng)該控制左輪電機(jī)速度不變，右輪電機(jī)加速才能比較平穩(wěn)的讓小車(chē)恢復(fù)最佳循跡狀態(tài)。當(dāng)小車(chē)右邊兩個(gè)傳感器都在黑線上時(shí)（如圖4.3），表明小車(chē)需要轉(zhuǎn)過(guò)90°彎，這時(shí)應(yīng)該左輪電機(jī)正傳，右輪電機(jī)反轉(zhuǎn)才能平穩(wěn)的沿著黑線轉(zhuǎn)彎。圖4.2 小車(chē)偏左狀態(tài)圖4.3 小車(chē)偏右狀態(tài)基于上述傳感器可能出現(xiàn)的邏輯狀態(tài)循跡程序如下：main() IN1=1,IN2=0,IN3=1,IN4=0;while(1)if(BZ1=1&&(RPR3=1&&RPR1=1&&RPR2=1&&RPR4=1)|(RPR3=1&&RPR1=0&&RPR2=0&&RPR4=1)IN1=1,IN2=0,IN3=