基于单片机智能电动小车设计-浙江师范大学

基于单片机智能电动小车设计-浙江师范大学内容摘要：

器还有复位端 R，控制电压端CV，电源端VCC和接地端GND。 等效的触发器和它的功能真值表这个特殊的RS 触发器工作原理：①两个输入端的触发电平要求一高一低：置零端R即阀值端TH要求高电平，而置位端S即触发端TR则要求低电平。 ②两个输入端的触发电平，是使它们翻转的阀值电压值也不同，当CV端不接控制电压时，对TH（R）端来讲，大于2/3VCC是高电平1，小于2/3VCC是低电平0；而对 TR（S）端来讲，大于1/3VCC是高电平1，小于1/3VCC是低电平0。 如果在控制端CV加上控制电压VC，这时上触发电平就变成VC值，而下触发电平则变成 1/2VC。 可见改变控制端的控制电压值可以改变上下触发电平值。 （2）超声波接收电路超声波接收电路使用超声波接收传感器，当它接收到超声波信号（为正弦波信号）后输入到集成比较器LM393进行处理。 LM393输出的是比较规范的方波信号。 将此方波信号输出到信号处理电路。 超声波接收和处理电路（3）信号处理电路 信号处理电路使用集成电路LM2907N，它原是测量转速用的IC,其内部有F/V转换器和比较器、充电泵、高增益运算放大器，它的输出要求有一定频率的信号，能将频率信号转换为直流电压信号。 LM2907N具有以下特点：① LM2907N进行频率倍增时只需使用一个RC网络；② 以地为参考点的转速计（频率）输入可直接从输入管脚接入；③ 运算放大器／比较器采用浮动三极管输出；④ 最大50mA的输出电流可驱动开关管、发光二极管等；⑤ 内含的转速计使用充电泵技术，对低纹波有频率倍增功能；⑥ 比较器的滞后电压为30mV利用这个特性可以抑制外界干扰；⑦ 输出电压与输入频率成正比，线性度典型值为177。 %；⑧ 具有保护电路，不会受高于Vcc值或低于地参考点输入信号的损伤；⑨ 在零频率输入时，LM2907N的输出电压可根据外围电路自行调节；⑩ 当输入频率达到或超过某一给定值时，可将输出用于驱动继电器、指示灯等负载。 ，LM2907N的引脚功能如下： ① 脚（F）和11脚（IN）为运算放大器／比较器的输入端 ② 脚接充电泵的定时电容（C1）③ 3脚接充电泵的输出电阻和积分电容（R1/C2） ④ 4脚（IN+）和10脚（UF1）为运算放大器的输入端 ⑤ 5脚为输出晶体管的发射极（U0）⑥ 8脚为输出晶体管的集电极，一般接电源（UC） ⑦ 9脚为正电源端（VCC） ⑧ 12脚为接地端（GND） ⑨ 6，7，13，14脚未用 LM2907N原理框图将LM2907N的8脚接到单片机输入口。 ，LM290N7的10脚电压Vop=6V，这是内部比较器的参考电压。 内部比较器的4脚电压为Vop+输入电压，它是电阻R（51KΩ）上的电压，这个电压和频率有关的。 当Vop+大于Vop时，比较器输出为“1”，LM2907N内部三极管导通（或饱和）输出为“0”,则发光二极管LED点亮。 因此，当超声发射电路由LM555产生40KHz方波来起振超声波发射探头，使其发射超声波，如智能电动小车前方遇到障碍物时，此超声波信号被障碍物反射回来，超声波接收电路接收到超声波信号（为正弦波信号）后输入到比较器LM393使其调整为方波输出到LM2907N，LM2907N芯片会把此方波信号的频率转化为对应电压值，当此电压值大于由4号引脚输入的门电压时，LM2907N的8号引脚输出低电平，LED处于发光状态。 即当有障碍物时LED处于发光状态，LM2907N的8号引脚输出低电平，同时通过8脚将信号送给单片机，使单片机该根据信号控制小车转向，从而实现避开障碍物的目的。 3．4 检测光源电路利用光敏电阻阻值随光强弱变化的特性组成光控开关电路，检测光源。 为了检测光线的强弱，我们在小车左前方、右前方加了2只光敏传感器，即光敏电阻。 它根据照射在它上面的光线的强弱，阻值发生变化，输出电压随之变化。 当小车前方无光照射时, 光敏电阻阻值很大，三极管处于截止状态, 集电极输出高电平；当有光照射时, 光敏电阻阻值变小, 三极管饱和导通[7]。 将检测到的高低电平信号送单片机, 依此调整车头方向, 使其沿光源方向行驶。 光源检测电路3．5 显示电路本设计采用LCD1602显示。 单片机的P1口与LCD1602的连接。 显示电路该电路用到2行16个字的DM162液晶模块，它采用标准的14脚接口。 其中: DM162液晶模块(1)第1脚：VSS为地电源(2)第2脚：VDD接5V正电源(3)第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高。 (4)第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选数据寄存器、低电平时选指令寄存器。 (5)第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。 当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。 (6)第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳成低电平时，液晶模块执行命令。 (7)第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。 3．6 测量里程电路本设计采用霍尔传感器A4EE测量里程。 A4EE集成霍尔开关属于开关型的霍尔器件，其工作电压范围比较宽（～18V），其输出的信号符合TTL电平标准。 它由稳压器A、霍尔电势发生器(即硅霍尔片)B、差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E五个基本部分组成[12]。 在输入端输入电压VCC，经稳压器稳压后加在霍尔电势发生器的两端，根据霍尔效应原理，当霍尔片处在磁场中时，在垂直于磁场的方向通以电流，则与这二者相垂直的方向上将会产生霍尔电势差HV输出，该HV信号经放大器放大后送至施密特触发器整形，使其成为方波输送到OC门输出。 当施加的磁场达到工作点时，触发器输出高电压(相对于地电位)，使三极管导通，此时OC门输出端输出低电压，通常称这种状态称为开。 当施加的磁场达到释放点时，触发器输出低电压，三极管截止，使OC门输出高电压，这种状态称为关。 两次电压的变换，霍耳开关就完成了一次开关动作。 霍尔传感器A4EE的内部结构将霍尔元器件以一定方式装成后，再将霍尔传感器H的1脚和3脚间接2KΩ的电阻[12]。 在非磁材料的车后轮上粘贴片磁钢（N、S磁极），将霍尔传感器固定在小磁钢（N、S磁极）附近，当车轮转动时,磁钢也跟着转动,霍尔元件感应到磁场的变化。 若N极经过霍尔开关，其输出电压为正，则S极经过霍尔开关，其输出电压为负。 反之，亦然。 所以N极穿过霍尔开关产生正脉冲，S极穿过霍尔开关产生负脉冲。 每经过一对N、S极，就出现一个完整的正弦波或一对正、负方波。 因此，汽车后轮每转一圈，霍尔元件产生个脉冲，将其送入单片机进行计数小汽车车轮转的圈数，转一周所产生的正负方波总长度，即是电机的转动周期T。 将其送入单片机进行计数，假设为N,并设车轮的周长为L,通过S=N*L,就可以计算出小车在一段时间内的距离。 ，内部采用外部中断1，车轮每转一圈，霍尔开关就检测并输出信号，引起单片机的中断，从而对脉冲计数。 霍尔传感器测速电路3．7 电动机驱动电路直流电机驱动电路使用最广泛的就是H型全桥式驱动电路。 这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。 H型全桥式驱动电路全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态，SS2为一组，SS4 为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。 当SS2导通时，S S4关断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动；当SS4导通时，SS2关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。 当全部导通时，电机处于刹车状态。 当全部关断时，电机将自由滑行[8]。 电机工作状态表状态S1S2S3S4正转1100反转0011刹车1111滑行0000在本设计中用到电机驱动芯片L298N。 PWM输出脉冲信号经双H桥功率驱动电路L298N后接至电机，控制小车运动。 L298N芯片是一种高压、大电流双全桥式驱动器，其设计是为接受标准TTL逻辑电平信号和驱动电感负载的。 每个H桥的下侧桥臂晶体管发射极连在一起，其输出脚（SENSEA和SENSEB）用来连接电流检测电阻。 Vcc接逻辑控制的电源。 Vs为电机驱动电源。 IN1IN4输入引脚为标准TTL 逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关即实现电机的正反转，ENA、ENB引脚则为使能控制端，用来输入PWM信号实现电机调速。 H型全桥式驱动电路第4节 系统的软件设计 程序设计程序设计(Programming)是指设计、编制、调试程序的方法和过程。 它是目标明确的智力活动。 在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。 因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。 对于本系统，软件也占有重要的地位。 在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。 数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。 过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产[13]。 为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。 把一个程序分成具有多个明确任务的程序模块，分别编制、调试后再把它们连接在一起形成一个完整的程序，这样的程序设计方法称为模块化程序设计。 所谓“模块”，实质上就是能完成一定功能，并相对独立的程序段，这种程序设计方法称为模块程序设计法[14]。 模块程序设计法的主要优点是：(1)单个模块比起一个完整的程序易编写、调试及修改。 (2)程序的易读性好。 (3)程序的修改可局部化。 (4)模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用。 (5)模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。 本系统软件采用模块化结构，由主程序﹑中断程序（探测金属和测量里程）、躲避障碍物子程序构成。 在系统的程序设计中，主控模块只负责根据消息调用相应模块的处理函数，具体如何处理这些消息由各功能模块中的对应程序决定。 在主程序模块中，需要完成对各模块接口的初始化，LCD1602的初始化、中断向量的设计以及开中断、循环等待等工作。 另外，在主程序模块中还需要设置启动/清除标志寄存器，并对它们进行初始化。 然后，主程序将根据各标志寄存器的内容，分别完成不同的操作。 当接通电源时，小车启动，同时LCD1602开始计时。 在行驶中，结合程序查询方式，则控制小车右转；，则控制小车左转，从而实现自动寻迹。 当检测到障碍物时，调用躲避障碍物子程序，达到躲避障碍物的目的。 当检测到金属铁片时，产生中断，进行声光提示。 最后通过光源的引导，停车。 主程序流程图主程序：RIGHT_BLACK EQU。 右边黑线LEFT_BLACK EQU。 左边黑线 ZHANGAI EQU LEFT_LAMP EQU。 左边光源 RIGHT_LAMP EQU。 右边光源 BELL EQU。 蜂鸣器 LED EQU。 LED DATA1602 EQU P1。 1602数据端口 RS EQU。