智能小車詳細(xì)設(shè)計(jì)方案及說明書

摘要隨著汽車工業(yè)的迅速開展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人們的關(guān)注，而汽車的智能化已成為科技開展的新方向。本設(shè)計(jì)就是在這樣的背景下提出來的。此次設(shè)計(jì)的簡易智能小車是基于單片機(jī)控制及傳感器技術(shù)的，實(shí)現(xiàn)的功能是小汽車可自動(dòng)尋跡行駛，并且能夠利光電傳感器檢測道路上的障礙，利用電兩個(gè)電機(jī)的差動(dòng)調(diào)節(jié),控制電動(dòng)小汽車的自動(dòng)避障、尋光及自動(dòng)停車，同時(shí)能夠在行駛過程中顯示里程、速度、時(shí)間等。通過尋跡傳感器進(jìn)行黑線的檢測、霍爾傳感器進(jìn)行里程的記錄，并由單片機(jī)系統(tǒng)來控制智能車的行駛狀態(tài)。采用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的多級(jí)調(diào)速.關(guān)鍵詞：單片機(jī)PWM尋跡傳感器霍爾傳感器AbstractWiththedevelopmentofautomobileindustry，peoplepaymoreattentiontotheresearchaboutcars,andtheintelligentelectricvehiclesaremoreandmoreimport.Thedesignisputforwardinthiscontext.Thesimpledesignofsmartcarisbasedonthesingle-chipcontrolandsensortechnology,therealizationofanautomatictracingtraffic,usingTwoelectricmotorsdifferentialregulation,Controlautomaticelectriccarobstacleavoidance,lightsearchandautomaticparkingandcanprocessinamovingdisplayfeaturessuchasmileagerecords.Theuseofrear-wheeldrivefrontwheelsteeringmodeoftravelingthroughtracingsensors,suchasHallsensorsdetecttheblacklinesandmileagerecords,bythesingle-chipsystemtodecision-makingSmartcardriving.UsingPWMtechnologytoachieveamulti-stagemotorspeed.Keywords:single-chipcontrolPWMSeeksthemarksensorHallsensor目錄1前言11.1智能小車的意義和作用11.2智能小車的現(xiàn)狀12方案設(shè)計(jì)與論證22.1模塊方案比擬及論證22.2車體設(shè)計(jì)32.3電源及穩(wěn)壓模塊32.4主控模塊42.5探測及尋跡模塊52.6電機(jī)選擇及驅(qū)動(dòng)模塊72.7直流調(diào)速設(shè)計(jì)82.8遙控方案設(shè)計(jì)132.9無線通信模塊工作原理163系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)223.1電源模塊223.2控制模塊223.3LCD1602A顯示原理263.4路面檢測模塊263.5測速模塊273.6復(fù)位電路模塊283.7整體原理電路284軟件設(shè)計(jì)315仿真36智能小車展望37總結(jié)體會(huì)38致謝39【參考文獻(xiàn)】40附錄1原理圖41附錄2仿真圖42附錄3程序清單431前言1.1智能小車的意義和作用自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以來,機(jī)器人的開展已經(jīng)普及機(jī)械,電子,冶金,交通,宇航,國防等領(lǐng)域.近年來機(jī)器人的智能水平不斷提高,并且迅速地改變著人們的生活方式.人們在不斷探討,改造,認(rèn)識(shí)自然的過程中,由此開展起來的智能小車引起了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注和極大的興趣。智能小車，也就是輪式機(jī)器人，最適合在那些人類無法工作的環(huán)境中工作，該技術(shù)可以應(yīng)用于無人駕駛機(jī)動(dòng)車，無人生產(chǎn)線，倉庫，效勞機(jī)器人，航空航天等領(lǐng)域。作為20世紀(jì)自動(dòng)化領(lǐng)域的重大成就，機(jī)器人已經(jīng)和人類社會(huì)的生產(chǎn)、生活密不可分。因此為了使智能小車工作在最正確狀態(tài)，進(jìn)一步研究及完善其速度和方向的控制是非常有必要的。智能小車要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋跡功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物,感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個(gè)視覺功能.避障控制系統(tǒng)是基于自動(dòng)導(dǎo)引小車(avg—auto-guidevehicle)系統(tǒng),基于它的智能小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別路線,判斷并自動(dòng)避開障礙,選擇正確的行進(jìn)路線.使用傳感器感知路線和障礙并作出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作.該智能小車可以作為機(jī)器人的典型代表.它可以分為三大組成局部:傳感器檢測局部,執(zhí)行局部,cpu.機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能,還可以擴(kuò)展循跡等功能,感知導(dǎo)引線和障礙物.可以實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)識(shí)別路線,選擇正確的行進(jìn)路線,并檢測到障礙物自動(dòng)躲避.考慮使用價(jià)廉物美的紅外反射式傳感器來充當(dāng).智能小車的執(zhí)行局部,是由直流電機(jī)來充當(dāng)?shù)?主要控制小車的行進(jìn)方向和速度.單片機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)一般有兩種方案:第一,勿需占用單片機(jī)資源,直接選擇有pwm功能的單片機(jī),這樣可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速;第二,可以由軟件模擬pwm輸出調(diào)制,需要占用單片機(jī)資源,難以精確調(diào)速,但單片機(jī)型號(hào)的選擇余地較大.考慮到實(shí)際情況,cpu使用AT89c52單片機(jī),配合軟件編程實(shí)現(xiàn).1.2智能小車的現(xiàn)狀現(xiàn)智能小車開展很快,從智能玩具到其它各行業(yè)都有實(shí)質(zhì)成果.其根本可實(shí)現(xiàn)循跡,避障,檢測貼片,尋光入庫,避崖等根本功能,現(xiàn)在大學(xué)電子設(shè)計(jì)大賽智能小車又在向聲控系統(tǒng)開展.比擬知名的飛思卡爾智能小車更是走在前列，我此次的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)循跡避障通信及遙控功能。2方案設(shè)計(jì)與論證根據(jù)題目的要求，確定如下方案：首先設(shè)計(jì)出小車的根本模形以及傳動(dòng)方案，并在車上加裝光電檢測器，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)車的智能控制。這種方案能實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。2.1模塊方案比擬及論證根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們的自動(dòng)避障小車主要由六個(gè)模塊構(gòu)成：車體框架、電源及穩(wěn)壓模塊、主控模塊、探測模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。各模塊分述如圖2-1。主控模塊單片機(jī)(AT89C52)自動(dòng)循跡模塊(傳感器CTRT5000)避障系統(tǒng)〔傳感器E18-D80NK〕無線遙控模塊(pt2262\pt2272)小車間通訊模塊速度顯示模塊(lcd顯示)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)模塊(L298)上位機(jī)通信模塊速度檢測模塊(傳感器A3144E)圖2-1智能小車總體框圖2.2車體設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)車體框架時(shí)，我們有兩套起始方案，自己設(shè)計(jì)畫出小車的模型和直接購置玩具電動(dòng)車改裝。方案一：用現(xiàn)有的小車改裝電動(dòng)小車價(jià)格低廉，有完整的驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和控制單元，其中傳動(dòng)裝置是我們所需的。但玩具電動(dòng)車采用普通直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶負(fù)載能力差，調(diào)速方面對程序要求較高。同時(shí)，玩具電動(dòng)車轉(zhuǎn)向依靠前輪電機(jī)帶動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向完成，精度低，又由于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)只是理上研究，和穩(wěn)固已學(xué)過的相關(guān)知識(shí)，如果購置小車會(huì)自帶程序和一些圖及參數(shù)，容易產(chǎn)生惰性。所以購置小車做實(shí)物的價(jià)值不大，因些我們放棄這一方案。方案二：自己設(shè)計(jì)制作車架自己設(shè)計(jì)小車底盤，用兩個(gè)直流減速電機(jī)作為主動(dòng)輪，利用兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速差完成直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、左后轉(zhuǎn)、右后轉(zhuǎn)、倒車等動(dòng)作。減速電機(jī)扭矩大，轉(zhuǎn)速較慢，易于控制和調(diào)速，符合避障小車的要求。而且自己制作小車框架，可以根據(jù)電路板及傳感器安裝需求設(shè)計(jì)空間，使得車體美觀緊湊。通過pro/e設(shè)計(jì)相關(guān)的的小車模型，以便更直觀的看到小車的運(yùn)動(dòng)原理和傳動(dòng)方案，所以綜上我們選擇方案二。如圖2-2所示。圖2-2小車模型設(shè)計(jì)2.3電源及穩(wěn)壓模塊方案一：采用交流電經(jīng)直流穩(wěn)壓處理后供電6V直流電源提供邏輯電平6V直流電源提供邏輯電平單片機(jī)、邏輯芯片供電二極管降壓方案二：采用蓄電池供電蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力和較好的電壓穩(wěn)定性能，且本錢低廉?？刹捎眯铍姵亟?jīng)7812芯片穩(wěn)壓后給電機(jī)供電，再經(jīng)過降壓接7805芯片給單片機(jī)及其他邏輯單元供電。但蓄電池體積相對龐大，且重量過大，造成電機(jī)負(fù)載過大，不適合我們采用的小車車架〔玩具電動(dòng)車車架〕。故我們放棄了這一方案。方案三：采用干電池組進(jìn)行供電采用四節(jié)干電池降壓至5V后給單片機(jī)及其他邏輯單元供電，另取六節(jié)干電池為電機(jī)及光電開關(guān)供電。這樣電機(jī)啟動(dòng)及制動(dòng)時(shí)的短暫電壓干擾不會(huì)影響到邏輯單元和單片機(jī)的工作。干電池用電池盒封裝，體積和重量較小，同時(shí)玩具車底座可以安裝四節(jié)干電池，正好可為單片機(jī)及其他邏輯單元供電。在穩(wěn)壓方面，起始時(shí)考慮使用7805芯片對6V的電池電壓進(jìn)行降壓穩(wěn)壓。但考慮到這樣使得7805芯片消耗大量能量，降低電池壽命；同時(shí)，由于at89c52、光電開關(guān)、小車電機(jī)對于供電電壓要求并不苛刻，故我們將6V電池電壓接一個(gè)二極管降壓后直接給單片機(jī)及其他邏輯單元供電。而電機(jī)和光電開關(guān)的電源不做穩(wěn)壓處理。這樣只需在小車遙控上加兩個(gè)調(diào)速按鈕，根據(jù)電池電量選擇適宜功率即可，甚至于可直接在軟件里設(shè)置自動(dòng)換擋。綜合考慮，我們采用方案三，示意圖如圖2-3所示。9V直流電源9V直流電源直流電機(jī)供電光電開關(guān)供電圖2-3電源模塊設(shè)計(jì)2.4主控模塊由于智能小車的要求不是很高，主要都是一些簡單的控制，at89c52是我們在《單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)》學(xué)習(xí)過的，且價(jià)格廉價(jià)容易購置，所以最終我們直接選用了課程主要介紹的，Atmel公司的單片機(jī)作為主控模塊，如圖2-4所示。AT89C52的主要性能參數(shù)與Mcs-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。8字節(jié)可重擦寫FLASH閃速存儲(chǔ)器 圖2-4AT89C52單片機(jī)1000次擦寫周期全靜態(tài)操作：0HZ-24MHZ三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器256X8字節(jié)內(nèi)部RAM32個(gè)可編程I/0口線3個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器8個(gè)中斷源可編程串行UART通道低功耗空閑和掉電模式2.5探測及尋跡模塊避障傳感器模塊2.5.1車自動(dòng)避障的原理和方案小車車頭處裝有二個(gè)光電開關(guān)，一個(gè)光電開關(guān)對向左前方，一個(gè)光電開關(guān)向右前方，〔如右圖所示〕。小車在行進(jìn)過程中由光電開關(guān)向前方發(fā)射出紅外線，當(dāng)紅外線遇到障礙物時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被光電開關(guān)接收。小車根據(jù)二個(gè)光電開關(guān)接受信號(hào)的情況來判斷前方障礙物的分布并做出相應(yīng)的動(dòng)作。光電開關(guān)的平均探測距離為30cm。方案一：使用光電對管探測光電對關(guān)價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，但探測距離過近〔一般不超過3cm〕，使得小車必須制動(dòng)迅速。而我們由于采用普通直流電機(jī)作為原動(dòng)力，制動(dòng)距離至少需要10cm。因此我們放棄了這一方案。方案二：使用視頻采集處理裝置進(jìn)行探測使用CCD實(shí)時(shí)采集小車前進(jìn)路線上的圖像并進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸及處理，這是最精確的障礙物信息采集方案，可以對障礙物進(jìn)行精確定位和測距。但是使用視頻采集會(huì)大大增加小車本錢和設(shè)計(jì)開發(fā)難度，而且考慮到我們小車行進(jìn)轉(zhuǎn)彎的精確度并未到達(dá)視頻處理的精度，因而使用視頻采集在實(shí)際應(yīng)用中是個(gè)很大的浪費(fèi)，所以我們放棄了這一方案。方案三：使用光電開關(guān)進(jìn)行障礙物信息采集。使用三只E3F-DS30C4光電開關(guān)，分別探測正前方，前右側(cè)，前左側(cè)障礙物信息，在特殊地形〔如障礙物密集地形〕可將正前方的光電開關(guān)移置前方進(jìn)行探測。E3F-DS30C4光電開關(guān)平均有效探測距離0~30cm可調(diào)，且抗外界背景光干擾能力強(qiáng)，可在日光下正常工作〔理論上應(yīng)防止日光和強(qiáng)光源的直接照射〕。我們小車換檔調(diào)速后的最大制動(dòng)距離不超過30cm，一般在10~20cm左右，因而探測距離滿足我們的小車需求。綜上考慮，我們選用方案四。示意圖如圖2-5所示。光電開關(guān)1光電開關(guān)1光電開關(guān)2電平轉(zhuǎn)換單片機(jī)圖2-5小車避障框圖小車循跡的原理這里的循跡是指小車在黑色地板上循白線行走，通常采取的方法是紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體外表具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，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(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線那么紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限，一般最大不應(yīng)超過3cm。方案1：用紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，假設(shè)紅外接收管能接收到反射回的光線那么檢測出白線繼而輸出低電平，假設(shè)接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線那么檢測出黑線繼而輸出高電平。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器根本能夠滿足要求，但是工作不夠穩(wěn)定，且容易受外界光線的影響，因此我們放棄了這個(gè)方案。方案2：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(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)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)過比擬器就可以輸出上下電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。方案3：用反射型光電探測器RPR220RPR220是一種一體化反射型光電探測器，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。RPR220采用DIP4封裝，其具有如下特點(diǎn)：塑料透鏡可以提高靈敏度。內(nèi)置可見光過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)出的光反射回來時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光電對管調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。因此我們選擇了方案3。2.6電機(jī)選擇及驅(qū)動(dòng)模塊本系統(tǒng)為智能小車，對于智能小車來說，其驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇就顯得十分重要。由于本實(shí)驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)對路徑控制定位和速度測量不是要求太高，精度也不是太高，所以我們綜合考慮了一下兩種方案。方案1：采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，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，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)，經(jīng)綜合比擬考慮，我們放棄了此方案。方案2：采用直流電機(jī)。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。遙控車馬達(dá)/小直流電機(jī)電機(jī)

RF-500TB-ZD供電電壓：直流DC3-9V，轉(zhuǎn)速2400r/m是自制玩具車等模型理想選擇。能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，因此我們選擇了此方案。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案一：使用分立原件搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使用分立原件搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路造價(jià)低廉，在大規(guī)模生產(chǎn)中使用廣泛。但分立原件H橋電路工作性能不夠穩(wěn)定，較易出現(xiàn)硬件上的故障，故我們放棄了這一方案。方案二：使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)，而且?guī)в惺鼓芏?，方便PWM調(diào)速，電路簡單，性能穩(wěn)定，使用比擬方便。L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，正好符合我們小車兩個(gè)二電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求。綜合考慮，我們采用L298N芯片驅(qū)動(dòng)小車電機(jī)?？刂剖疽鈭D如圖2-6所示。保護(hù)保護(hù)電路L298驅(qū)動(dòng)芯片+L298驅(qū)動(dòng)芯片+9直流供電電源電機(jī)電機(jī)電機(jī)+5V直流供電電源電機(jī)+5V直流供電電源保護(hù)保護(hù)電路單片機(jī)指令總線單片機(jī)指令總線圖2-6電機(jī)驅(qū)動(dòng)框圖2.7直流調(diào)速設(shè)計(jì)Ⅰ、基于晶閘管作為主電路的調(diào)速系統(tǒng)晶閘管的調(diào)速系統(tǒng)是采用別離元件設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)占用的空間大，控制角難于調(diào)整，且模擬器件的固有缺陷如：溫漂、零漂電壓等，導(dǎo)致電機(jī)的調(diào)速無法到達(dá)滿意的結(jié)果。晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難，性能較差，自動(dòng)化控制程度差，調(diào)速過程較為復(fù)雜，不利于工業(yè)生產(chǎn)和小功率電路中采用。另一問題是當(dāng)晶閘管導(dǎo)通角很小時(shí)，系統(tǒng)的功率因素很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，從而引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)殃及同電網(wǎng)中的用電設(shè)備，造成“電力公害”。Ⅱ、基于PWM為主控電路的調(diào)速系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)相比擬，PWM(脈寬調(diào)制技術(shù))直流調(diào)速系統(tǒng)具有較大的優(yōu)越性：主電路線路簡單，需要的功率元件少；開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較?。坏退傩阅芎?，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速范圍寬；系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)；主電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率高。PWM信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法:一種是軟件的方法；另一種是硬件的方法。基于NE555，SG3525等一系列的脈寬調(diào)速系統(tǒng)：此種方式采用NE555作為控制電路的核心，用于產(chǎn)生控制信號(hào)。NE555產(chǎn)生的信號(hào)要通過功率放大才能驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路[8]。NE555、SG3525構(gòu)成的控制電路較為復(fù)雜，且智能化、自動(dòng)化水平較低，在工業(yè)生產(chǎn)中不利于推廣和應(yīng)用?；趩纹瑱C(jī)類由軟件來實(shí)現(xiàn)PWM：在PWM調(diào)速系統(tǒng)中占空比D是一個(gè)重要參數(shù)在電源電壓不變的情況下，電樞端電壓的平均值取決于占空比D的大小，改變D的值可以改變電樞端電壓的平均值從而到達(dá)調(diào)速的目的。改變占空比D的值有三種方法：A、定寬調(diào)頻法：保持不變，只改變t，這樣使周期(或頻率)也隨之改變。B、調(diào)寬調(diào)頻法：保持t不變，只改變，這樣使周期(或頻率)也隨之改變。C、定頻調(diào)寬法：保持周期T(或頻率)不變，同時(shí)改變和t前兩種方法在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期(或頻率)，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，因此常采用定頻調(diào)寬法來改變占空比從而改變直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓。利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器外加軟件延時(shí)等方式來實(shí)現(xiàn)脈寬的自由調(diào)整，此種方式可簡化硬件電路，操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?？傊琍WM既經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)，是一種值得廣闊工程師在許多設(shè)計(jì)應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。且用軟件實(shí)現(xiàn)非常容易。2.7.1小車差速運(yùn)動(dòng)模型的建立本設(shè)計(jì)中，采用的四輪結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用兩輪差速驅(qū)動(dòng)方式，后兩個(gè)為從動(dòng)輪，只起到支撐平衡作用，在建模中可以忽略。假定左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪與地面之間沒有滑動(dòng)，也沒有側(cè)移，只是做純粹的滾動(dòng)，那么機(jī)器人滿足鋼體運(yùn)動(dòng)規(guī)律[14]。圖2-7所示｛XW,YW,O｝為世界坐標(biāo)系，｛X,Y,O｝為移動(dòng)坐標(biāo)系，PX為機(jī)器人前進(jìn)方向。圖2-7小坐標(biāo)系移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)主要處理控制參數(shù)和系統(tǒng)在狀態(tài)空間的運(yùn)動(dòng)兩者之間的關(guān)系，它包括正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)兩個(gè)方面。正運(yùn)動(dòng)學(xué)解決如何根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人的速度來計(jì)算它的位姿或運(yùn)動(dòng)軌跡，當(dāng)機(jī)器人的位姿〔x，y，〕時(shí)，差動(dòng)輪式機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)就是利用這連個(gè)差動(dòng)輪的速度〔，〕來計(jì)算其位姿，通用公式計(jì)算如下(2-1)(2-2)(2-3)其中，和分別為左右輪的驅(qū)動(dòng)速度，是兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的距離，為移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪半徑；移動(dòng)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解決如何控制輪子的速度以到達(dá)移動(dòng)機(jī)器人所需的運(yùn)動(dòng)軌跡或位姿，即在位姿〔x，y，θ〕時(shí)，如果根據(jù)以上公式，求出兩輪差動(dòng)速度〔，〕。由于差動(dòng)輪式驅(qū)動(dòng)屬于非完整性約束問題，故移動(dòng)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)只有在特殊條件下求解，其解往往不唯一，根據(jù)系統(tǒng)的需求，本文對移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析按兩種情況分別進(jìn)行。直線運(yùn)動(dòng)當(dāng)差動(dòng)輪式移動(dòng)機(jī)器人左右兩輪的速度大小相等且方向相同時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線，所圖2-8所示。圖2-8直線運(yùn)動(dòng)原理圖設(shè)t=0時(shí)，機(jī)器人移動(dòng)坐標(biāo)系｛X0，Y0，P0｝與世界坐標(biāo)系｛XW,YW,O｝重合，經(jīng)過時(shí)間ｔ后機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到新的移動(dòng)坐標(biāo)系｛Xt，Yt，Pt｝，當(dāng)機(jī)器人左右兩輪的速度大小相等且方向相同(即=)時(shí)由公式(2-3)有：將其代入公式〔2-1〕〔2-2〕得：x(t)=×t(2-4)y(t)=0(2-5)由和(2-4)(2-5)式可知：機(jī)器人左右兩輪的速度大小相等而方向相同時(shí)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線。、圓弧運(yùn)動(dòng)當(dāng)差動(dòng)輪式機(jī)器人左右兩輪的運(yùn)動(dòng)方向相同速度大小保持不變且差速度固定不變時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧。設(shè)t=0時(shí)，機(jī)器人移動(dòng)坐標(biāo)系｛X0，Y0，P0｝與世界坐標(biāo)系｛XW,YW,O｝重合，經(jīng)過時(shí)間ｔ后機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到新的移動(dòng)坐標(biāo)系｛Xt，Yt，Pt｝，如圖：2-9圓弧運(yùn)動(dòng)原理圖當(dāng)機(jī)器人左右兩輪的速度差恒定，且方向保持不變時(shí)，由公式(2-3)有：(2-6)將和代入公式(6-1)有：(2-7)求定積分得：(2-8)將和代入公式(2-2)有：(2-9)由公式〔2-9〕有：(2-10)由公式〔2-10〕有：(2-11)(2-12)由上可知，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡為一圓弧，將上式轉(zhuǎn)化為圓的標(biāo)準(zhǔn)方程：由式〔2-11〕、〔2-12〕可知，當(dāng)機(jī)器人左右兩輪的運(yùn)動(dòng)方向相同、速度大小保持不變且速度固定不變時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧。圓心在世界坐標(biāo)系YW的軸上。其圓心坐標(biāo)為：(0,),圓弧半徑為：當(dāng)機(jī)器人右輪速度大于左輪速度時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡在世界坐標(biāo)系的一、二象限；當(dāng)機(jī)器人右輪速度小于左輪速度時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡在世界坐標(biāo)系的三、四象限。運(yùn)動(dòng)軌跡如圖：a:b:2-10圓弧運(yùn)動(dòng)4.5運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)確實(shí)定在本設(shè)計(jì)中，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪的半徑都為40mm，兩驅(qū)動(dòng)輪之間的中心距為100mm。由于LPC2106的PWM輸出的占空比與L293輸出驅(qū)動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速成近似的線性關(guān)系，故可以根據(jù)給定的速度要求，擬合出占空比的近似值，反過來，對于給定的占空比，同樣可以得到相應(yīng)的速度近似值。設(shè)擬合方程為:其中：表示占空比表示小車直線的速度在這個(gè)方程中，有三個(gè)未知數(shù)a、b、c,在試驗(yàn)的條件下，分別取三組〔，〕，那么可以確定三個(gè)未知數(shù)的值。要求直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，把兩路PWM輸出的占空比賦予相同的值，即可得到與之對應(yīng)速度的直行效果。要求圓弧運(yùn)動(dòng)時(shí)，從初始時(shí)刻給定機(jī)器人的車輪轉(zhuǎn)速，將機(jī)器人的起始坐標(biāo)設(shè)在{0，0}處，機(jī)器人做圓弧運(yùn)動(dòng)時(shí)，其圓心坐標(biāo)為(0,),圓弧半徑為：按照機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，假設(shè)要使機(jī)器人按半徑為R的圓弧運(yùn)動(dòng)，那么根據(jù)R可以計(jì)算出機(jī)器人左右輪所需的速度和速度差。為此，取R=50cm進(jìn)行分析。從cm可知，機(jī)器人所以的速度和速度差可以有多個(gè)解。下面討論的情形。當(dāng)時(shí)：兩驅(qū)動(dòng)輪間距離為100cm，那么由，可得=，因而右輪的速度。根據(jù)擬合方程，可以得到對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)右輪的PWM占空比。說明：對于給定的R，其速度和差速度解可以有多個(gè)，所以在左轉(zhuǎn)彎時(shí)，假定，右轉(zhuǎn)時(shí)那么，就有對應(yīng)的唯一差速度解。由于速度和和PWM的脈沖寬度成正比，所以可以在編程中用脈沖寬度來調(diào)節(jié)，見仿真。2.8遙控方案設(shè)計(jì)2.8.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)遙控器局部框圖如：如圖2-11所示。圖2-11遙控接收局部框圖如圖2-12所示。小車運(yùn)動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)圖2-122.8.2解決方案(一)采用玩具遙控芯片TX-2/RX-2編碼解碼芯片。TX-2/RX-2是一對采用CMOS工藝制造的遙控專用集成電路.它具有功耗低,電源電壓適用范圍寬,工作穩(wěn)定可靠,外圍元件少等特點(diǎn).TX-2是編碼發(fā)射電路,RX-2是與TX-2配套使用的譯碼接收電路。如圖2-13圖2-14所示。圖2-13圖2-14TX-2/RX-2的典型的應(yīng)用電路如：圖2-15圖2-16圖2-15圖2-16發(fā)射模塊：采用帶放大三極管S8050的發(fā)射電路模塊，一個(gè)串行數(shù)據(jù)輸入，另外兩個(gè)引腳供電，發(fā)射距離遠(yuǎn)。在不帶電線的情況下也能有5-6m的距離，安裝上電線發(fā)射距離達(dá)100m左右。天線設(shè)計(jì)采用鞭型天線。接收模塊：采用自帶天線的接收模塊，一般為印刷天線，這樣可以減少電路的體積，同時(shí)減輕天線的調(diào)試工作。2.8.3解決方案(二)采用PT2262和PT2272的編碼解碼芯片。PT2262和PT2272最多支持6位數(shù)據(jù)編碼，一般支持4位數(shù)據(jù)編碼。PT2262和PT2272有三態(tài)地址編碼功能，只有地址匹配時(shí)才能傳輸數(shù)據(jù)。PT2262和PT2272的典型應(yīng)用電路如：圖2-17圖2-18圖2-17圖2-18發(fā)射和接受模塊采用<方案一>的設(shè)計(jì)。發(fā)射模塊天線，采用螺旋天線，以減少遙控器占用的空間。3.4方案討論基于以上的提出的兩個(gè)方案，結(jié)合現(xiàn)實(shí)考慮。在智能小車中，一臺(tái)小車可以和多臺(tái)小車一起協(xié)調(diào)工作。由于電磁波傳播方向是全方位的，一個(gè)遙控器的遙控可能會(huì)對多臺(tái)小車產(chǎn)生影響。假設(shè)沒有地址配對，那么在多臺(tái)小車工作時(shí)，遙控將會(huì)變得混亂，所以使遙控器與儀器的一一配對顯得非常重要?；谝陨峡紤]，采用第二種方案能到達(dá)現(xiàn)實(shí)的要求。發(fā)射接受模塊，應(yīng)該要滿足體積小，通信距離遠(yuǎn)，抗干擾性強(qiáng)等要求，所以應(yīng)該采用有發(fā)射放大三極管的發(fā)射電路，外加天線設(shè)計(jì)；接受模塊采用印刷天線的設(shè)計(jì)方法。2.9無線通信模塊工作原理無線通信模塊的發(fā)射與接收主要采用nRF401作為主工作核心，nRF401是工作在433MHzISM頻段的單片無線收發(fā)芯片。nRF401最大傳輸速率為20kbps，可以和各種單片機(jī)和微控制器連接，控制簡單方便。配合簡單的通信協(xié)議，就可以使用nRF401實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。采用點(diǎn)對多點(diǎn)半雙工通信機(jī)制，設(shè)計(jì)一個(gè)簡單有效的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效傳送。最簡單的多機(jī)通信方式就是使用串行通信，所以使用單片機(jī)串行口配合nRF401芯片，就可以實(shí)現(xiàn)簡單有效的點(diǎn)對多點(diǎn)通信。其工作原理圖如圖2-19所示圖2-19微功率無線射頻通信模塊塊特點(diǎn)：1.微功率發(fā)射，最大發(fā)射功率10mW。2.ISM頻段,無需申請頻點(diǎn)。載頻頻率433MHz，也可提供868/915MHz載頻。3.高抗干擾能力和低誤碼率。基于FSK的調(diào)制方式，采用高效前向糾錯(cuò)信道編碼技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機(jī)干擾的能力，在信道誤碼率為10-2時(shí)，可得到實(shí)際誤碼率10-5~10-6。4.傳輸距離遠(yuǎn)。在視距情況下，天線高度>2米,可靠傳輸距離可達(dá)300-4000m(BER=1200bps)。5.透明的數(shù)據(jù)傳輸。提供透明的數(shù)據(jù)接口，能適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議。自動(dòng)過濾掉空中產(chǎn)生的假數(shù)據(jù)(所收即所發(fā))。6.多信道。STR系列標(biāo)準(zhǔn)配置提供8個(gè)信道，如果用戶需要，可擴(kuò)展到16/32/64信道。滿足用戶多種通信組合方式。7.雙串口，3種接口方式。STR系列提供2個(gè)串口3種接口方式，COM1為TTL電平UART接口。COM2由用戶自定義為標(biāo)準(zhǔn)的RS-232/RS-485口(用戶只需要拔插1位短路器再上電即可定義)。8.大的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。接口波特率為1200/2400/4800/9600/19200/38400bps，格式為8N1/8E1用戶自定義，可傳輸無限長的數(shù)據(jù)幀，用戶編程更靈活。9.智能數(shù)據(jù)控制，用戶無需編制多余的程序。即使是半雙工通信，用戶也無需編制多余的程序，只要從接口收/發(fā)數(shù)據(jù)即可，其它如空中收/發(fā)轉(zhuǎn)換，控制等操作，STR自動(dòng)完成。10.低功耗及休眠功能。+5V供電情況下，接收電流。圖2-20nRF401管腳定義圖nRF401管腳定義如圖2-20所示。其主要特性如下:●工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段●FSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場合；●采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好；●靈敏度高，到達(dá)-105dBm〔nRF401〕；●功耗小，接收狀態(tài)250A，待機(jī)狀態(tài)僅為8A〔nRF401〕；●最大發(fā)射功率達(dá)+10dBm；●低工作電壓〔2.7V〕，可滿足低功耗設(shè)備的要求；●具有多個(gè)頻道，可方便地切換工作頻率；●工作速率最高可達(dá)20Kbit/s〔RF401〕；●僅外接一個(gè)晶體和幾個(gè)阻容、電感元件，根本無需調(diào)試；●因采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計(jì)，使用無需申請?jiān)S可證，開闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000米(與具體使用環(huán)境及元件參數(shù)有關(guān))。引腳排列和功能 圖2-21nRF401無線收發(fā)引腳接連接

nRF401無線收發(fā)芯片具有20個(gè)引腳。重要時(shí)序參數(shù)TX與RX之間的切換當(dāng)從RX切換到TX模式時(shí),數(shù)據(jù)輸入腳(DIN)必須保持為高至少1ms才能收發(fā)數(shù)據(jù)。當(dāng)從TX切換到RX時(shí)，數(shù)據(jù)輸出腳〔DOUT〕要至少3ms以后有數(shù)據(jù)輸出。Standby與RX之間的切換

從待機(jī)模式到接收模式，當(dāng)PWR_UP輸入設(shè)成1時(shí)，經(jīng)過tSR時(shí)間后,DOUT腳輸出數(shù)據(jù)才有效。對nRF401來說，tST最長的時(shí)間是3ms。從待機(jī)模式到發(fā)射模式，所需穩(wěn)定的最大時(shí)間是tST。PowerUp與TX間的切換從加電到發(fā)射模式過程中，為了防止開機(jī)時(shí)產(chǎn)生干擾和輻射，在上電過程中TXEN的輸入腳必須保持為低，以便于頻率合成器進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)由上電進(jìn)入發(fā)射模式時(shí)，TXEN必須保持1ms以后才可以往DIN發(fā)送數(shù)據(jù)。從上電到接收模式過程中，芯片將不會(huì)接收數(shù)據(jù)，DOUT也不會(huì)有數(shù)據(jù)輸出，直到電壓穩(wěn)定到達(dá)2.7V以上，并且至少保持5ms。如果采用外部振蕩器，這個(gè)時(shí)間可以縮短到3ms。應(yīng)用電路及設(shè)計(jì)應(yīng)注意問題在實(shí)際應(yīng)用中，微控制器采用Atmel公司的AT89C52，分別用單片機(jī)的P1口各管腳控制nRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS這五個(gè)腳即可。具體連接可參見圖2-21。接口芯片采用美信公司的RS232轉(zhuǎn)換芯片MAX3316，完成單片機(jī)和計(jì)算機(jī)RS232接口的電平轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、請求、去除功能。關(guān)于此芯片的使用可參見其手冊。在nRF401芯片使用時(shí)，設(shè)定好工作頻率，進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，通過單片機(jī)根據(jù)需要進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換控制，發(fā)送／接收數(shù)據(jù)或進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。在實(shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，需要注意以下幾個(gè)問題：〔1〕天線的接入ANT1和ANT2是接收時(shí)LNA的輸入，以及發(fā)送時(shí)功率放大器的輸出。連接nRF401的天線是以差分方式連接到nRF401的。在天線端推薦的負(fù)載阻抗是400歐姆。圖2-21是一個(gè)典型的采用差分方式的原理圖。射頻功率放大器輸出是兩個(gè)開路輸出三極管，配制成差分配對方式，功率放大器的VDD必須通過集電極負(fù)載，當(dāng)采用差分環(huán)形天線時(shí)，VDD必須通過環(huán)形天線的中心輸入?！?〕與單片機(jī)共用一個(gè)晶振nRF401可以與單片機(jī)共用一個(gè)晶振，這種應(yīng)用的連接方式。需要注意從單片機(jī)引入的晶體走線不能離數(shù)據(jù)線或者控制線太近。通信協(xié)議的設(shè)計(jì)nRF401在很多時(shí)候用在便攜及移動(dòng)式設(shè)備，在這種應(yīng)用中需要盡可能長時(shí)間的工作，考慮到電池的能耗，往往需要考慮節(jié)能和低功耗設(shè)計(jì)的問題。為了節(jié)能，nRF401平時(shí)大多數(shù)情況下應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，由于無線局部硬件上是不具備自動(dòng)喚醒功能的，為了到達(dá)節(jié)能的目的，必須通過軟件方式采用合理的通信協(xié)議以保證節(jié)能同時(shí)不喪失數(shù)據(jù)。〔〔軟件設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)程序時(shí)，要注意各狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)延。nRF401的通訊速率最高為20kbit/s，發(fā)送數(shù)據(jù)之前需將電路置于發(fā)射模式；接收模式轉(zhuǎn)換為發(fā)射模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少為1ms；可以發(fā)送任意長度的數(shù)據(jù)；發(fā)射模式轉(zhuǎn)換為接收模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少為3ms。在待機(jī)模式時(shí)，電路進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，電路不接收和發(fā)射數(shù)據(jù)。待機(jī)模式轉(zhuǎn)換為發(fā)射模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少為4ms；待機(jī)模式轉(zhuǎn)換為接收模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少為5.0ms。圖2-22無線收發(fā)模塊〔NRF401〕車輛監(jiān)控、遙控、遙測、小型無線網(wǎng)絡(luò)、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線標(biāo)簽、身份識(shí)別、非接觸RF智能卡、小型無線數(shù)據(jù)終端、平安防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、生物信號(hào)采集、水文氣象監(jiān)控、機(jī)器人控制、無線232數(shù)據(jù)通信、無線485/422數(shù)據(jù)通信、數(shù)字音頻、數(shù)字圖像傳輸?shù)取?工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段.FSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場合.采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好。.靈敏度高，到達(dá)-105dBm.功耗小，接收狀態(tài)250uA，待機(jī)狀態(tài)僅為8uA.最大發(fā)射功率達(dá)+10dBm.低工作電壓〔2.7V〕，可滿足低功耗設(shè)備的要求.具有多個(gè)頻道，可方便地切換工作頻率.工作速率最高可達(dá)20Kbit/S.僅外接一個(gè)晶體和幾個(gè)阻容、電感元件，根本無需調(diào)試.由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計(jì)，使用無需申請?jiān)S可證，開闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000米**與具體使用環(huán)境及元件參數(shù)有關(guān)nRF401工作頻段433MHz信道數(shù)2功能發(fā)射/接收穩(wěn)頻方式PLL調(diào)制方式FSK最大輸出功率+10dBm靈敏度-105dBm最大工作速率20Kbit/s工作電壓2.7--5.2V本單總結(jié)出的最終方案如下：使用干電池組對系統(tǒng)供電，智能小車的模形用pro/e畫出根本的形狀和各個(gè)傳感器的安裝位置，采用AT89C52作為主控芯片，采用E3F-DS30C4光電開關(guān)進(jìn)行障礙物探測，使用L298N驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。3系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1電源模塊由于本系統(tǒng)需要電池供電，我們考慮了如下集中方案為系統(tǒng)供電。直流電源降壓經(jīng)過測量，一般四節(jié)新南孚電池串聯(lián)帶負(fù)載后可提供5.8V電壓。經(jīng)過二極管穩(wěn)壓至5.1~5.2V后給邏輯器件供電并給系統(tǒng)提供高電平標(biāo)準(zhǔn)。圖3-1電機(jī)供電也采用電池供電，6節(jié)1.5V干電池供電，理論電壓是9V,但實(shí)際上總共電壓也在8.7V左右，雖然略有一點(diǎn)低，但由于我們不對小車進(jìn)行精確控制，所以選用這個(gè)方案，如圖3-1所示。3.2控制模塊3.2.1射集成電路圖3-2f05實(shí)物圖【主要特點(diǎn)】低功耗發(fā)射聲表穩(wěn)頻無數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)射電流為零較寬的工作電壓范圍【應(yīng)用說明】F05P采用SMT工藝，樹脂封裝，小體積，聲表穩(wěn)頻，內(nèi)部具有一級(jí)調(diào)制電路及限流電阻，適合短距離無線遙控報(bào)警及單片機(jī)無線數(shù)據(jù)傳輸。F05P具有較寬的工作電壓范圍及低功耗特性，ASK方式調(diào)制。F05P不能任意調(diào)整發(fā)射電流，單片機(jī)的數(shù)據(jù)可直接通過串口進(jìn)入F05P的數(shù)據(jù)輸入端。F05P在無數(shù)據(jù)輸入時(shí)單片機(jī)必須為低電平狀態(tài)；F05P+在無數(shù)據(jù)輸入時(shí)單片機(jī)必須為高電平狀態(tài)。F05P需要輸入數(shù)據(jù)才能發(fā)射，數(shù)據(jù)信號(hào)停止，發(fā)射電流為零。F05P對0.1-1ms的數(shù)據(jù)脈沖發(fā)射效果較理想，過寬過窄的脈沖會(huì)引起調(diào)制效率下降，過調(diào)制或調(diào)制缺乏使收發(fā)距離變近。F05P對直流電平及模擬信號(hào)不能發(fā)射。如在數(shù)據(jù)位前加一些亂碼可以抑制接收機(jī)的零電平燥聲干擾。假設(shè)采用通用編碼器2262，發(fā)射效果比單片機(jī)好，因?yàn)?262的數(shù)據(jù)無論怎么變，但脈寬是不變的，即使出現(xiàn)一點(diǎn)突發(fā)性的外界干擾，解碼器的寬容性也會(huì)解碼輸出高電平。而單片機(jī)那么會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。所以單片機(jī)必須要工作在可靠的收發(fā)區(qū)域才能保證較低的誤碼率。F05P有4個(gè)功能引腳，因?yàn)轶w積小，功耗低，無天線只能滿足短距離使用，而天線對距離起著很大的作用，天線能否匹配，也是很關(guān)鍵，匹配良好的天線能增加幾倍的距離，匹配不好的天線效果很差甚至?xí)痤l率漂移。天線的長度應(yīng)取發(fā)射頻率的1/4波長，可以用一根直徑0.5-1毫米，長度〔433M〕18厘米；〔315M〕24厘米的漆包線代替。但天線必須拉直，指向無所謂。短于1/4波長或彎曲的天線效果會(huì)很差。F05P應(yīng)垂直安裝在印板邊部，應(yīng)離開周圍器件5mm以上，以免受分布參數(shù)影響而停振。FO5P發(fā)射距離與輸入信號(hào)，發(fā)射電壓，電池容量，發(fā)射天線及發(fā)射環(huán)境有關(guān)。在障礙區(qū)由于折射反射會(huì)形成一些死區(qū)及不穩(wěn)定區(qū)域，不同的收發(fā)環(huán)境會(huì)有不同的收發(fā)距離，F(xiàn)05P最正確有效工作距離為100M左右。圖3-3無線發(fā)射原理圖3.2.2接收集成電路采用接收模塊圖3-4J04V實(shí)物圖【主要特點(diǎn)】⑴、(0.15mA)特低功耗超再生接收模塊⑵、輸出無噪聲干擾⑶、接收靈敏度高【應(yīng)用說明】J04V內(nèi)部具有放大整形電路，只適合數(shù)據(jù)信號(hào)的接收而不適合模擬信號(hào)。J04V在A處點(diǎn)可根據(jù)需要接一支470K-1M的電阻可使J04V輸出更干凈，但接收靈敏度會(huì)降低。J04V應(yīng)安裝在印板邊部并離開周圍器件5mm以上，要垂直于線路板，否那么會(huì)引起頻率偏移。如果器件較多還必須注意地線布局合理，如果有晶振或其他信號(hào)源，必須遠(yuǎn)離J04V，否那么會(huì)引起很多無法排除的干擾致使接收電路無法正常工作。J04V可外接天線提高接收靈敏度，天線長度不限。PT2262和PT2272是CMOS三態(tài)編碼集成芯片，這組器件廣泛用于各種遙控器件上，只需較低的+3V電壓就能工作。PT2262是發(fā)射編碼芯片，PT2272是接收解碼芯片，兩者的地址必須配對，而且振蕩電阻必須符合要求。PT2262的TE端是發(fā)射允許端，接受低電平時(shí)，17腳DOUT端輸出一串編碼。該串編碼在載波上發(fā)送出去，被接收端接受和解調(diào)，輸入PT2272的14腳，當(dāng)?shù)刂放鋵r(shí)，VT解碼有效端輸出高電平，數(shù)據(jù)端口就會(huì)輸出與PT2262發(fā)射端口一致的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)遙控功能。接收電路原理圖如圖3-5所示。圖3-5接收電路原理圖遙控鍵盤設(shè)計(jì)由于沒有適宜的鍵盤模型可選，所以自把鍵進(jìn)行組合，并實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)的鍵盤如圖3-6所示。圖3-6按鍵原理圖3.3LCD1602A顯示原理3-3-1顯示電路本設(shè)計(jì)中用LCD顯示小車運(yùn)行的時(shí)間、運(yùn)行的路程及小車運(yùn)行的速度。除此之外還利用LCD對小車進(jìn)行PWM調(diào)速的占空比。這樣可以很明了的看出小車的運(yùn)行情況，便于小車的調(diào)試和故障的檢查顯示原理圖如圖3-7所示。圖3-7顯示原理圖3.4路面檢測模塊應(yīng)用兩個(gè)光電傳感應(yīng)器，安裝在車盤下，離地略小于或約四毫米。當(dāng)金屬傳感器檢測到黑線時(shí)將對單片機(jī)發(fā)送信號(hào)，單片機(jī)運(yùn)行相應(yīng)該程序，改變輸給電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓占空比差來控制小車的速度和方向。圖3-8圖3-8所示電路中，R1起限流電阻的作用，當(dāng)有光反射回來時(shí)，光電對管中的三極管導(dǎo)通，R2的上端變?yōu)楦唠娖剑藭r(shí)VT1飽和導(dǎo)通，三極管集電極輸出低電平。當(dāng)沒有光反射回來時(shí)，光電對管中的三極管不導(dǎo)通，VT1截至，其集電極輸出高電平。VT1在該電路中起到濾波整形的作用。經(jīng)試驗(yàn)和示波器驗(yàn)證，該電路工作性能一般，輸出還有雜散干擾波的成分。如果輸出加施密特觸發(fā)器就可以實(shí)現(xiàn)良好的輸出波形。但是這種電路用電量比擬大，給此種傳感器調(diào)理電路供電的電池壓降較快。究其原因，是因?yàn)楣饷羧龢O管和三極管VT1導(dǎo)通時(shí)的導(dǎo)通電流較大。因此我們考慮用比擬器的方案。3-9光電對管檢測電路在圖3-8所示，可調(diào)電阻R3可以調(diào)節(jié)比擬器的門限電壓，經(jīng)示波器觀察，輸出波形相當(dāng)規(guī)那么，可以直接夠單片機(jī)查詢使用。而且經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證給此電路供電的電池的壓降較小。因此我們選擇此電路作為我們的傳感器檢測與調(diào)理電路。3.5測速模塊通過霍爾元件感應(yīng)磁鐵來產(chǎn)生脈沖(當(dāng)霍爾元件在離磁場較近時(shí)輸出會(huì)是高電平，其它時(shí)候是低電平)，一個(gè)車輪均勻放四個(gè)小磁鐵，計(jì)算一秒所得的脈沖數(shù)，從而計(jì)算出一秒小車輪子轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，再測量出小車車輪周長即可計(jì)算出小車當(dāng)前速度，累加可得到當(dāng)前路程。本次設(shè)計(jì)的小車輪子直徑為50mm,所以在程序處理數(shù)據(jù)時(shí)，有[(N/4)*3.14*50]/t圖3-10霍爾元件接線原理圖3.6復(fù)位電路模塊單片機(jī)的復(fù)位電路通過手動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，復(fù)位電路圖如〔圖3-11〕所示。圖3-11復(fù)位電路3.7整體原理電路探測模塊探測模塊的電路圖如圖3-12所示。圖3-12避障電路圖當(dāng)遇到障礙物時(shí)傳感器EF3-DS30C4內(nèi)部電咱導(dǎo)通使三極管有了基極電流，從而使三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，與單片機(jī)相連的P1.0及P1.0輸出低電平，再通軟件控制來控制單片機(jī)。3.7.2無線通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的無線數(shù)傳模塊由單片射頻收發(fā)芯片nRF401、AT89C52微控制器和MAX3316接口芯片構(gòu)成，工作在433.92／434.33MHz頻段；可方便地嵌入在各種測量和控制系統(tǒng)中進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，在車輛監(jiān)控、無線抄表、無線232數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)遙控遙測系統(tǒng)中應(yīng)用。nRF401無線收發(fā)芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-13所示：內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為發(fā)射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路及串行接口幾局部。發(fā)射電路包含有：射頻功率放大器、鎖相環(huán)〔PLL〕，壓控振蕩器〔VCO〕，頻率合成器等電路?；鶞?zhǔn)振蕩器采用外接晶體振蕩器，產(chǎn)生電路所需的基準(zhǔn)頻率。Nrf401無線通信模塊電路原理圖圖3-13nrf401原理圖電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要功能是將主控芯片發(fā)出的信號(hào)通過L298N電機(jī)控制芯片轉(zhuǎn)化為小車實(shí)際的動(dòng)作。L298N芯片有兩個(gè)電源引腳VDD引腳和VCC引腳。VDD引腳接+9V電源用來給電機(jī)供電，VCC引腳接+5V電源用來給芯片供電，并作為邏輯高電平標(biāo)準(zhǔn)。電路圖如圖3-14所示。圖3-14電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖L298N芯片通過一個(gè)有四個(gè)4148二極管組成的保護(hù)電路與電機(jī)相連，保護(hù)電路主要是用來在電機(jī)開啟和關(guān)閉時(shí)泄流之用。由于我們一直讓轉(zhuǎn)向電機(jī)以最大功率使能從而獲得最大的扭矩，保證小車轉(zhuǎn)向成功，而不需要控制轉(zhuǎn)向電機(jī)的輸出功率，所以ENA引腳〔即轉(zhuǎn)向電機(jī)使能引腳〕直接接+5V，即讓轉(zhuǎn)向電機(jī)一直使能。對于后置的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，我們不僅要控制其實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和停止，還要能夠控制其轉(zhuǎn)速以解決由于電量缺乏而產(chǎn)生的小車變慢的問題。所以，我們將L298N芯片的ENB引腳與AT89C52的P1.7引腳連接，用來實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速。L298N芯片的IN1和IN2引腳分別和AT89C52的P1.2和P1.3引腳連接用來接收主控芯片輸出的轉(zhuǎn)向電機(jī)的動(dòng)作指令，并通過OUT1和OUT2來控制轉(zhuǎn)向電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，最終功能的實(shí)現(xiàn)表現(xiàn)在小車的左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)。L298N芯片的IN3和IN4引腳分別與AT89C52的P1.4和P1.5引腳連接用來接收主控芯片輸出的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)作指令，并通過OUT3和OUT4來控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，最終功能的實(shí)現(xiàn)表現(xiàn)在小車的前進(jìn)、后退、停止。4軟件設(shè)計(jì)4.1程序設(shè)計(jì)主流程圖如圖4-1。系統(tǒng)上電系統(tǒng)上電系統(tǒng)初始化〔定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、LCD〕遙控按鍵檢測按鍵處理尋跡避障檢測尋跡避障數(shù)據(jù)處理到時(shí)已定時(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)處理并顯示是否是否圖4-1遙控檢測回來的值主要是手動(dòng)的控制小車的前進(jìn)后退和停止，通按下鍵后改變小車控制系統(tǒng)的標(biāo)號(hào)來對小車進(jìn)行控制。其次遙控鍵里還包含了加速減速，速度的控制是調(diào)pwm的占空比來調(diào)節(jié)速度的快慢，這是一個(gè)很簡單而自然的想法。用定時(shí)器T0的快速PWM模式控制小車的速度，停止按鍵值〔1110〕：小車停止；前進(jìn)按鍵值〔1101〕：小車開始向前運(yùn)動(dòng)；速度減按鍵值〔1011〕：使小車減速運(yùn)動(dòng)；速度加按鍵值〔0111〕：使小車加速運(yùn)動(dòng)；后退按鍵值〔0011〕：使小車后退；由于在尋跡和避障中，所控制的電機(jī)方式根本一樣，只是當(dāng)左邊的避障傳感器或右邊的尋跡傳感器檢測到信號(hào)時(shí)，都是左轉(zhuǎn)速不變，右輪轉(zhuǎn)速減小PWM的占空比，從而使右輪減慢，實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)彎，向右轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)避障和尋跡；同理當(dāng)右邊的避障傳感器或左邊的尋跡傳感器檢測到信號(hào)時(shí)，都是右轉(zhuǎn)速不變，左輪轉(zhuǎn)速減小PWM的占空比20%，從而使左輪減慢，實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)彎，向左轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)避障和尋跡；如果當(dāng)左右尋跡傳感器同時(shí)檢測到信號(hào)、左右避障傳感器同時(shí)檢測到信號(hào)，或是左邊避障和左邊尋跡、右邊避障和右邊尋跡。這種情況無論如果都不能同時(shí)滿足避障和尋跡，所以只能使車停下來，等待處理。4.3串行無線通信協(xié)議設(shè)計(jì)無線通信中，由于外部環(huán)境的干擾，通常誤碼率是比擬高的，因些通信協(xié)議的設(shè)計(jì)對保證通信是十分重要，本設(shè)計(jì)主要是對地址的選擇設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中存在指令幀和數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容包括起始字節(jié)、數(shù)據(jù)長度字節(jié)、數(shù)據(jù)字節(jié)、結(jié)束字節(jié)和校驗(yàn)和字節(jié)，如表4-1。起始字節(jié)數(shù)據(jù)長度字節(jié)len數(shù)據(jù)字節(jié)校驗(yàn)和字節(jié)結(jié)束字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)N字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)表4-1起始字節(jié)定義為“$”字符〔不同單片機(jī)間用不同以便識(shí)別〕，其數(shù)值為0x24；結(jié)束字節(jié)定義為“*”其數(shù)值為0x2A。開始開始初始化配置程序〔關(guān)中斷，設(shè)置各參數(shù)；〕初始化配置程序〔關(guān)中斷，設(shè)置各參數(shù)；〕翻開串口中斷翻開串口中斷接收到“請求重發(fā)送指令”接收到“請求重發(fā)送指令”接收到“請求發(fā)送”指令 NO NO比對地址是否相符比對地址是否相符改接收為發(fā)射狀態(tài)TXEN=1；延時(shí)5ms;delay5ms();NO改接收為發(fā)射狀態(tài)TXEN=1；延時(shí)5ms;delay5ms();改接收為發(fā)射狀態(tài)；TXEN=1；延時(shí)5ms;delay5ms();Yes改接收為發(fā)射狀態(tài)；TXEN=1；延時(shí)5ms;delay5ms();調(diào)用采集數(shù)據(jù)函數(shù)GetData()調(diào)用采集數(shù)據(jù)函數(shù)GetData()調(diào)用發(fā)送函數(shù)Send()調(diào)用發(fā)送函數(shù)Send()發(fā)送發(fā)送“接收完畢”指令到單片機(jī)端；SendOver()重設(shè)為接收狀態(tài)重設(shè)為接收狀態(tài)TXEN=0；圖4-24．計(jì)時(shí)器中斷程序流程圖如圖4-3所示。定時(shí)器中斷觸發(fā)定時(shí)器中斷觸發(fā)關(guān)閉小車使能Flag=1;Flag=2;Flag==0?Kind=0;直線運(yùn)行Kind=1;差速運(yùn)行Kind=2;差速運(yùn)行Kind=0;直線運(yùn)行Kind=1;差速運(yùn)行Kind=2;差速運(yùn)行等待下次中斷等待下次中斷等待下次中斷是否圖4-3計(jì)時(shí)器中斷程序當(dāng)定時(shí)器中斷到時(shí)，通過flag的值去判斷小車的運(yùn)動(dòng)情況，是前進(jìn)、停止、還是后退當(dāng)Flag=0;小車為停止的時(shí)，電機(jī)使能口置低。電機(jī)停轉(zhuǎn)。當(dāng)Flag=1;小車為直行前進(jìn)，電機(jī)使能口置高，根據(jù)前面設(shè)的PWM值，對小車的速度進(jìn)行控制，并根據(jù)避障和尋跡標(biāo)志進(jìn)行對PWM進(jìn)行控制差速調(diào)節(jié)方向。當(dāng)Flag=2;小車為后退標(biāo)志，電機(jī)使能口置高，和Flag=1,尋跡成反方向調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)小車的尋跡功能。4.2傳感器數(shù)據(jù)處理及尋跡程序流程我們用一個(gè)字節(jié)來代表車底的6個(gè)光電傳感器。用每一個(gè)位來代表當(dāng)前傳感器的檢測狀態(tài)。我們把小車直線行進(jìn)時(shí)分成三種狀態(tài)，當(dāng)中間四個(gè)傳感器都檢測到白線時(shí)，小車在跑道的正上方，這時(shí)控制兩電機(jī)同速度全速運(yùn)行。當(dāng)檢測到有一個(gè)傳感器或者同側(cè)的兩個(gè)傳感器偏出白線時(shí)，小車處于微偏狀態(tài)，這時(shí)將一個(gè)電機(jī)速度調(diào)慢，另一電機(jī)速度調(diào)快，完成調(diào)整。當(dāng)檢測到有三個(gè)電機(jī)偏出時(shí)，小車處于較大的偏離狀態(tài)，這時(shí)把一個(gè)電機(jī)的速度調(diào)至極低，另一電機(jī)全速運(yùn)行，從而在較短時(shí)間內(nèi)完成路線的調(diào)整。用這種三級(jí)調(diào)速的尋跡算法同單純的判斷檢測到對管的位置并作出判斷的方法相比，程序思路清晰，程序執(zhí)行結(jié)果較好。該檢測傳感器子程序的流程圖如圖4-4所示：獲取各傳感器電平獲取各傳感器電平直行函數(shù)調(diào)整函數(shù)轉(zhuǎn)換為小車偏離狀況未偏偏離圖4-4傳感器信息處理子程序流程圖5仿真根據(jù)要求和原理圖，做出局部仿真，通信模塊不能仿真，遙控模塊通過用鍵盤單個(gè)按鍵來進(jìn)行模擬，現(xiàn)在要進(jìn)仿真的有速度的加減調(diào)節(jié)，開始、停止、后退和避障，都是通過IO口的模擬來完成，用LCD來顯示小車的速度，小車的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，小車的運(yùn)動(dòng)里程，小車的pwm占空比等功能。仿真圖如圖5-1所示：圖5-1智能小車仿真圖智能小車展望在科學(xué)探索和緊急搶險(xiǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到對與一些危險(xiǎn)或人類不能直接到達(dá)的地域的探測，這些就需要用機(jī)器人來完成。而在機(jī)器人