基于单片机控制的智能小车设计与制作

基于单片机控制的智能小车设计与制作内容摘要：

，小车停止运动。 值得注意的是 IOBIOB11 不能同时为高电平， 否则 会造成前轮驱动全桥的桥臂短路。 至于转向电机，其电路和驱动电机的电路是一样的，只是其控制端口为 IOBIOB11， 且在 IOB10和 IOB11都为低电平时， 前轮 在弹簧的作用下保持在中间位置，所以通过控制 IOB IOB9 以及 IOB IOB11 端口的状态组合就可以得到小车不同的运动方式。 注 ： IOB IOB11 或 IOB IOB9 不能同时为高电平，这样会造成前轮 或后轮 驱动全桥的桥臂短路。 结合以上对前轮和后轮的状态分析，得到小车的运行状态与输入的对照表，如表 所示： 12 表 输入与小车运动状态对照表 IOB11 IOB10 IOB9 IOB8 后电机 前电机 小车 0 0 0 0 停转 停转 停 0 0 0 1 正转 停转 前进 0 0 1 0 反转 停转 倒退 0 1 0 1 正转 正转 左前 进 1 0 0 1 正转 反转 右前 进 0 1 1 0 反转 正转 右后退 1 0 1 0 反转 反转 左后退 * * 1 1 停转 * 禁止 1 1 * * * 停转 循线模块 在 第 2章已确定了采用红外探测法来实现 循线的功能 ，也选用了型号为 TCRT5000的红外 反射式光藕 ，在此章节中将 对 其 接口电路 和 安装方式 进行 详细 设计。 循线硬件电路设计 通过互联网的 资料查询， 得知 TCRT5000 是一种自带发光二极管和光敏 二 极管的器件， 并 查得 其集电极电流如与反射距离 d 之间有图 所示关 系。 图 TCRT5000的 Ic— d 关系 13 当反射距离一定时，其集电极电流就主要和 反射 率有关了，反射率越大，则集电极电流越大 ；反之则越小。 利用其这个特点就很容易把黑线和白线区分开来了。 ，即给发光二极管串联一个电阻供电就可以实现； ，根据集电极电流与反射率的关系，利用一个三极管就可以实现红外线的接收。 实际中需要用到两个 TCRT5000 传感器，所以相应的有两套电路，但两套电路完全一样， 设计出 的 TCRT5000 接口电路如图 所示。 R10100R9R8300C7104TRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U4NE555NVCCT19013信号 1TCRT 5000 图 TCRT5000接口电路 TCRT5000 的接口电路主要原理： 根据 检测到 黑白 地面 的反射率不同进行区分识别 ， 当检测到黑色地面时， 由于 反射率不高， IC1 太小，三极管 T1 截止而输 出高电平； 当检测到白色地面时，由于反射率较高， IC1 较大，三极管 T1 饱和而输出低电平，从而实现了白线的检测。 然后利用 555 构成施密特触发器，用于去除反射性光耦产生的噪声和波形的整形。 在实际中可以调整 R9的大小 来调整 TCRT5000 的灵敏度， 所以 R9可以设计成可调电阻 ，这样可以方便的调整其灵敏度。 但 遗憾的是 在最后焊接电路板的时候，由于缺少可调电阻， 就没有做成灵敏度可调的了，而是通过很多次试验确定了一个比较适中且合适的阻值 的电阻代替了。 理论上 555 的使用不是非常的必要，但是其 在实际中 能使得输出的信号更加的稳定可靠， 滤去了没用的噪声信号，所以还是比较重要的。 14 循线传感器的安装 循线 原理：一般情况下线轨是白色或是黑色的，而背景地面的颜色则一般为对比度很大的黑色或白色。 需 说明一下 的是 我设计的小车是基于白色地面和黑色线轨的。 小车 在循线的时候 ，两个传感器夹着黑线行走， 小车方向 正常时其信号 均 为高电平（有反射），当小车偏离轨道 时，一侧的传感器信号将发生改变，控制核心则立即 发出 执行 相应的 修正 动作的命令 ，将小车重新拉入轨道，这样不断检测，不断的修正，小车便能实现巡线行走了。 根据小车循线的基本原理，传感器理所当然的是要安装在小车底部了， 而且是安装在对转向最为敏感的部位，也就是小车转向的时候小车摆动幅度较大的地方最佳。 这样便能加快小车的反应速度，从而使得循线动作更为稳定。 因为小车为前轮转向，所以两个传感器安装的最佳位置就是小车底部的前面了。 其实 本来 可以 把它们和转向连杆固定在一块， 因为 这样可以使得传感器对于转向更为敏感而增强小车的循线能 力，但是由于车体结构的限制 ，这样安装很有难度， 在这里 也不必要有这样高的灵敏度，从而放弃了此方法。 TCRT5000 的 相对 安装 位置 示意图 如图 所示： 图 TCRT5000 的相对安装位置示意图 很多循线小车设计都不止 用 两个传感器，一般为四个或更多， 安装形式为中心对称分布， 主要是用来防止由于小车惯性太大而冲出第一对传感器的检测范围。 这种方法对于速度比较快的小车确实很实用，但是我所设计的小车对车速要求不高，所以就只用了两个传感器。 下面谈一下传感器 的 具体 安装，因为小车车体已经固定 ，所以传感器的安装比小车控制板 超声波传器 TCRT5000 白色地面 黑线 前轮 15 较被动。 前面已经对传感器的安装位置进行了分析，现在 先看一下小车前轮底部的实物图，如图。 图 小车前轮底部实物图 不难发现 ， 底部 有两个孔，所以可以 利用这两个孔来安装和固定传感器了。 具体方案是 先 把传感器焊接在 PCB 板 上，信号线由排线引出 （处理电路和超声波电路焊在一块板上， 并安装在车上部分， 具体请查看 避障模块 ） ，再 把焊有传感器的 PCB板 通过那两个小孔用螺丝固定在上面。 由于空间和 中间有个调整前轮转向平衡杆的原因， PCB 板 的形状 必须 是 特殊 的 形状 ，经过仔细测量和用纸板模拟，得出了 电路 板的具体形状和尺寸， 如图 所示。 两个安装孔的位置要比较精确，因 图 PCB板形状 16 为孔本来就比较小，误差大就安装不上去。 那个半圆的作用是避开 调整前轮转向平衡杆 ，使的即使安装了传感器也不能影响它的功能。 然后便是硬件制作 ， 本来是打算制作 PCB 板的，但是由于 某些 问题 ， 采用通过板代替了。 通过 使 用小刀 、剪刀和小螺丝刀 等工具把通用板 加工成了 预想 的 形状，把 TCRT5000 焊接 上，然后 经过测试就开始安装了。 但 遗憾的 是没有找到 合适的螺丝，后来 在刘老师的帮助下用塑料给粘上了。 这样的缺点是不容易拆卸 ，而且影响了前轮转向平衡调整杆的使用，但 幸运的 是影响 不大 ，而且比螺丝 安装 结实。 安装好的实物图如图。 图 循线传感器安装实物图 避障模块 在第 2 章已经确定了 使 用超声波 避障 的方式 ， 并 对传感器进行了选择 ，在此章节中将对其 接口电路 和 安装方式 详细 进行 设计。 17 避障硬件电路设计 超声波电路的设计是一个曲折过程，花费的时间和精力最多， 表 是我查到的 TCT4016T/R1 的产品性能。 表 TCT4016T/R1的产品性能 性能 要求 标称频率（ KHz） 40 发 射声压 at40KHz（ 0dB=） min 117dB 接收灵敏度 at40KHz (0dB=V/Pa) min － 65dB 静电容量 at1KHz,1V(PF) 2400 25％ 阻抗（ Ohm） 1000 － 6dB 带宽（ KHz） 2 － 6dB 指向角 45 很明显， TCT4016T/R1 的发射和接收电路 都要 进行设计。 发射电路的基本要求就是能由单片机控制并产生稳定的 40KHz 方波，而接收电路的要求就是把接收到的信号进行放大到足以引起单片机的外部中断。 一开始 考虑的 是凌阳超声波 测距模组的电路， 其发射 电路如 图 所示。 224 C3 TCT4016C4224T1 2U1ACD40493 4U1BCD404965U1CCD40499 8U1DCD40491011U1ECD404913 12U1FCD4049单片机 图 超声波发射调理电路 这种超声波 发射电路 的 40KHz 的方波 是 由单片机产生 ， 然后 经过 CD4049 对 18 40KHz 频率信号进行调理，以使超声波传感器产生谐振。 这个电路有一个很严重的问题，在 小车上 40KHz 的方波不可能由单片机产生 ， 因为 凌阳单片机专用方波的产生口已经被用于小车后轮的 PWM 调速了，也就是说那个端口被小车的驱动电路给占了。 于是选择 用 由 555 构成的多谐振荡器产生方波，然后就查找相关资料， 查得其 基本电路组成 和工作波形图 如图 所示。 图 555多谐振荡器基本电路和工作波形 其电路震荡频率 f 的计算公式为： 121 )2(CRRf  （ 3— 1） 而 输出波形占空比 q 的计算公式为： 2121 2RR RRq  （ 3— 2） 由（ 3— 1）可以看出 改变的 1R 、 2R 和 1C 的 值可改变振荡频率 ，而由（ 3— 2）可以看出 1R 和 2R 的改变会导致输出波形占空比 q 的改变，而且由（ 3— 2）还可以得出占空比 q 总是大于 50%的。 现在我希望得到频率为 40KHz 占空比为 50%的方波，所以在确定上述电路各元件的具体值的同时还希望有一些小修改，以达到输出占空比为 50%的方波的目的。 于是我继续在网络上寻找，最后有一位网友给我介绍了一个专门设计多谐振荡器的小软件，其不但能确定各元件的最佳物理量，也能设计出能1 2 3 4ABCD4321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eA4D a t e : 17 A ug 20 04 S he e t o f F i l e : D : \ 电 子 教 案 \ D Z J A 0 4 . S C H D r a w n B y :7621CO5384R U c cOUTDTHTRGNDI C 1N E 55 5R1R2V C CC1 C2uot w 1 w 2tU OHU OL 19 产生频率为 40KHz 占空比为 50%的方波的振荡电路。 此软件几乎可以设计 任何占空比任何频率的振荡电路，只需要选择你所需要的占空比并输入所需 频率就可以了。 图 是在产生频率为 40KHz 占空比为 50%的方波电路时的截图，软件很直观的给出了电路图和具体元件的数值，这些 数值还可以方便 成组变化或 直接改变， 且在单独改变某元件的值时， 反过来 可 查看频率的 相关 变化。 图 多谐振荡器设计软件截图 所以超声波所需的方波产生电路就基本上按图 里的电路设计了，只是把电阻值就近改成 常用的电阻值，其中 1R 改成 18K， 2R 改成 就可以了。 虽然改动 1R和 2R 的阻值会造成输出方波的频率和占空比的改变，但是我用 软件进行了计算，其频率变化并不大，而占空比基本没变，理论上是不会有什么影响的。 由于没有示波器，并 不能确定这个电路能否产生方波，产生的方波是否与要求的相符， 在实际中是否能真正可以用， 所以在接下来的试验中 先不使用这个电路，而 是采用比较可靠的 单片机产生方波 的方法 进行试验，然后等相关电路都试验成功后 再 用那些电路反过来检验此电路。 凌阳超声波测距模组的 超声波 接收处理电路 前级 采用 NE5532构成 10000倍放大器，对接收信号进行放大 ；后级 采用 LM311 比较器对接收信号进行调整，比较电压从 LM311 的 第 3 管脚输入， 可调节 比较 电压 的大小 来 调节 超声 的 波检测距离。 其具体的电路图如图 所示。 20 RTCT4016C6104R610KC5224R410KR710kR51MC730PC91000PR810KC830PR101MR11F1IN+2IN3V4S6O7V+8B5U4LM311R91MBACK_PLUSR1320KR1422K814321U1ANE5532AJG847562U1BNE5532AJGVCCVCCVCCVCC 图 超声波回波接收处理电路 电路有了，接下来配置 所有的元件，用面包板组出了 和 所示的电路，经过仔细的检查后用凌阳提供的测距标准程序进行测试，试验很不如意，要么收不到回波要么有干扰，根本不能正常。