電子設(shè)計(jì)大賽作品—STC單片機(jī)搭建的智能小車

智能小車平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)的功能：上位機(jī)無(wú)線遙控可發(fā)送速度、轉(zhuǎn)向、行車時(shí)間、軌跡、測(cè)距、自動(dòng)蔽障等控制命令，同時(shí)可以反饋實(shí)時(shí)速度、距離、電源電壓、功率等狀態(tài)數(shù)據(jù)。

硬件原理

1、電機(jī)驅(qū)動(dòng)：

智能小車采用12V直流電機(jī)為后輪驅(qū)動(dòng)力，6V步進(jìn)電機(jī)為前輪轉(zhuǎn)向控制提供動(dòng)力，故智能車平臺(tái)需驅(qū)動(dòng)12V直流電機(jī)和6V步進(jìn)電機(jī)。由于需要控制小車的車速以及小車行駛的方向(包括轉(zhuǎn)向以及前進(jìn)、后退、停車)，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用常用的H橋電路，通過(guò)控制信號(hào)選通對(duì)管與否實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并改變所加電壓的占空比來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。這里采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片L298N，該芯片可驅(qū)動(dòng)兩路5-36V的直流電機(jī)或者一路四拍的步進(jìn)電機(jī)。同時(shí)在L298N與主控芯片間通過(guò)四路光耦TLP521-4隔離消除干擾信號(hào)。

搭建好電路后不要直接在小車上調(diào)試，外界一只相同電壓的電機(jī)測(cè)試模塊。在STC12C5A60S2上配置好串口、PWM，實(shí)現(xiàn)串口接收的數(shù)據(jù)直接賦值給PWM定時(shí)器CCAP1L、CCAP1H。利用串口調(diào)試助手發(fā)送控制信息給STC12C5A60S2，同時(shí)輔助外界電源更改L298N的IN1和IN2，共同完成L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的調(diào)試。

2、光電對(duì)管測(cè)速

光電對(duì)管采用TCRT5000，由一只特殊的發(fā)光二極管和光電三極管構(gòu)成，當(dāng)二極管發(fā)出的光打在光電三極管的基極B上時(shí)三極管CE導(dǎo)通。而正常情況下二極管的光不能到達(dá)光電管的基極上，故通過(guò)在車輪上貼反射片即可實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的測(cè)速。假設(shè)車輪均勻貼有n片反射片，測(cè)得光電三極管的輸出脈沖頻率為f，則車速=f/n。為了提高測(cè)速的精度，在信號(hào)后級(jí)添加比較器調(diào)理信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的方波，調(diào)節(jié)比較器運(yùn)放的偏置電壓使方波信號(hào)最適合于測(cè)速。

同樣適用外界電機(jī)(已配有自制的編碼盤)，給電機(jī)加電讓其帶動(dòng)編碼盤旋轉(zhuǎn)，將光電對(duì)管靠近編碼盤，用示波器觀測(cè)輸出脈沖信號(hào)的有無(wú)與好壞，調(diào)節(jié)比較器偏置電壓使脈沖最接近于方波且幅度大于3.3V。

3、超聲測(cè)距

超聲波測(cè)距的方法有多種：如往返時(shí)間檢測(cè)法、相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法。本設(shè)計(jì)采用往返時(shí)間檢測(cè)法測(cè)距。其原理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，到達(dá)測(cè)量目標(biāo)或障礙物后反射回來(lái)，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)歷的時(shí)間即往返時(shí)間，往返時(shí)間與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān)。測(cè)試傳輸時(shí)間可以得出距離。假定s為被測(cè)物體到測(cè)距儀之間的距離，測(cè)得的時(shí)間為T，超聲波傳播速度為V表示，則有關(guān)系式S=VT／2 。

超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器TCT40－16T能向外界發(fā)出40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)。編程由單片機(jī)端口輸出40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，40 kHz方波脈沖信號(hào)分成兩路，送給一個(gè)由74HC04組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測(cè)量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器TCT40－16T以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分的電路，如圖4所示。圖中輸出端上拉電阻R31，R32，一方面可以提高反向器74HC04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。

上述TCT40－16T發(fā)射的在空氣中傳播，遇到障礙物就會(huì)返回，超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到超聲波接收換能器TCT40－16R進(jìn)行轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)，并對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后，這里用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片CX20106，得到一個(gè)負(fù)脈沖送給單片機(jī)的INT0引腳，以產(chǎn)生一個(gè)中斷。

接在CX20106的第五腳上的電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。電路中采用一只粗調(diào)的可變電阻和一只精密調(diào)節(jié)的電阻串聯(lián)而成。調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生40K的方波，接在超聲發(fā)射電路的輸入端，同時(shí)用示波器觀測(cè)超聲接收電路的輸出端。用書本等模擬障礙物，調(diào)節(jié)兩只電阻觀測(cè)示波器看接收端否會(huì)產(chǎn)生電平跳變。

4、電源模塊

對(duì)于小車而言電源是整個(gè)系統(tǒng)的咽喉，考慮到體積、重量、電能容量等。這里我們選取8節(jié)1.5V鋰電池串聯(lián)起來(lái)作為總電源輸出(12V)，采用LM78L05、LM317構(gòu)成整個(gè)電源模塊。

5、無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信采用現(xiàn)成的串行接口的藍(lán)牙模塊，只需要配置主從機(jī)、信道、通信密鑰、波特率即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線串行通信。這樣PC和主控STC12C5A60S2只需將通信理解為串行通信，給程序構(gòu)架帶來(lái)便利。不過(guò)需要考慮通信接口的問(wèn)題：STC12C5A60S2是5V電壓供電，TXD和RXD的通信電信號(hào)自然是以5V為參考電平；藍(lán)牙模塊是3.3V電壓供電，TXD和RXD的通信電信號(hào)自然是以3.3V為參考電平。所以我們需要添加電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)STC12C5A60S2與藍(lán)牙模塊的正常通信。一般電平轉(zhuǎn)換可以使用專用的芯片74xHCT或164245，電阻分壓法、OC/OD 器件法、晶體管上拉電阻法等。不過(guò)對(duì)比幾種方案同時(shí)考慮電平兼容、電源次序、速度/頻率、輸出驅(qū)動(dòng)能力等，最終選取晶體管法，電路如下，圖中NPN的管子可以選取8050，1815等，不過(guò)倒不是所有的NPN的管子都可行，調(diào)試時(shí)使用9014就不能實(shí)現(xiàn)正常通信，估計(jì)是輸出驅(qū)動(dòng)能力不夠的緣故。由于藍(lán)牙的通信范圍約束，我們還采用射頻NRF2401來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無(wú)線通信，由于篇幅有限這里不予細(xì)述。

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