畢業(yè)設(shè)計(jì)基于Arduino單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì)

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江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)位論文 江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目： 姓 名學(xué) 號(hào) ： 所在系 （部）： 專 業(yè) 及班級(jí)： 指 導(dǎo) 教 師： 完 成 日 期： 第3頁(yè) 中 文 摘 要 智能車輛是集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級(jí)輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，是智能交通系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。它在軍事、民用、太空開發(fā)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，智能技術(shù)廣泛運(yùn)用于各種領(lǐng)域，運(yùn)用于智能家居中的產(chǎn)品更是越來(lái)越受到人們的青睞。 本系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面，以Arduino單片機(jī)為控制核心，以超聲波傳感器檢測(cè)前方障礙物，從而自動(dòng)避障。在軟件方面，利用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，通過(guò)軟件編程來(lái)控制小車運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)家庭各種房間家具的布局不同而使用不同的路徑，從而使得家居中常用到的智能清掃小車智能化，人性化。該小車能自動(dòng)避障，有一定的實(shí)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞 ：?jiǎn)纹瑱C(jī)；智能清掃小車；自動(dòng)避障 江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)位論文 目錄 第一章 緒論 1 1.1 選題背景 1 1.2 智能小車研究現(xiàn)狀 2 1.3 課題主要內(nèi)容 4 第二章 智能小車總體結(jié)構(gòu) 5 2.1 方案綜述 5 2.2 主控單元方案比較與選擇 5 2.3 避障單元方案比較與選擇 6 2.4 “小車”的必要的信息 7 第三章 智能小車的觸覺(jué)、眼睛 8 3.1 智能小車內(nèi)部檢測(cè)原理 8 3.2 電機(jī)電流、電壓檢測(cè) 10 3.3 超聲波測(cè)距 11 第四章 智能小車的腳 23 4.1 輪系結(jié)構(gòu)詳述 23 4.2 直流電機(jī) H 橋驅(qū)動(dòng)電路 26 4.3 電機(jī)控制信號(hào)……………………………………………………………………….…28 第五章 智能小車的大腦 29 5.1 Arduino單片機(jī)簡(jiǎn)介 29 5.2 Arduino單片機(jī)引腳簡(jiǎn)介 30 5.3 Arduino編程軟件 33 第六章 智能小車控制流程及程序 35 6.1 控制流程 35 參考文獻(xiàn) 36 致 謝 37 第38頁(yè) 第一章 緒論 隨著科技進(jìn)步，現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)發(fā)展越來(lái)越體現(xiàn)出機(jī)電一體化的特征。無(wú)論是在金屬加工、汽車技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)等等方面，機(jī)器設(shè)備表現(xiàn)了所謂智能化、集成化、小型化、高精度化的發(fā)展趨勢(shì)。 1.1 選題背景 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來(lái)越受人關(guān)注。全國(guó)電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國(guó)各高校也都很重視該題目的研究?？梢娖溲芯恳饬x很大。本設(shè)計(jì)就是在這樣的背景下提出的，指導(dǎo)教師已經(jīng)有充分的準(zhǔn)備。本題目是結(jié)合科研項(xiàng)目而確定的設(shè)計(jì)類課題。設(shè)計(jì)的智能電動(dòng)小車應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)適應(yīng)能力，能自動(dòng)避障，可以智能規(guī)劃路徑。 智能化作為現(xiàn)代社會(huì)的新產(chǎn)物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)特定的環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，無(wú)需人為管理，便可以完成預(yù)期所要達(dá)到的或是更高的目標(biāo)。同遙控小車不同，遙控小車需要人為控制轉(zhuǎn)向、啟停和進(jìn)退，比較先進(jìn)的遙控車還能控制器速度。常見的模型小車，都屬于這類遙控車；智能小車，則可以通過(guò)計(jì)算機(jī)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)其對(duì)行駛方向、啟停以及速度的控制，無(wú)需人工干預(yù)。操作員可以通過(guò)修改智能小車的計(jì)算機(jī)程序來(lái)改變它的行駛方向。因此，智能小車具有再編程的特性，是機(jī)器人的一種。 中國(guó)自1978年把“智能模擬”作為國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃的主要研究課題，開始著力研究智能化。從概念的引進(jìn)到實(shí)驗(yàn)室研究的實(shí)現(xiàn)，再到現(xiàn)在高端領(lǐng)域（航天航空、軍事、勘探等）的應(yīng)用，這一過(guò)程為智能化的全面發(fā)展奠定基石。智能化全面的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)其對(duì)資源的合理充分利用，以盡可能少的投入得到最大的收益，大大提高工業(yè)生產(chǎn)的效率，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)水平從自動(dòng)化向智能化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)今智能化發(fā)展由高端向大眾普及。從先前的模擬電路設(shè)計(jì)，到數(shù)字電路設(shè)計(jì)，再到現(xiàn)在的集成芯片的應(yīng)用，各種能實(shí)現(xiàn)同樣功能的元件越來(lái)越小為智能化產(chǎn)物的生成奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。 智能小車，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。 1.2 智能小車研究現(xiàn)狀 智能車輛作為智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，是許多高新技術(shù)綜合集成的載體。智能車輛駕駛是一種通用性術(shù)語(yǔ)，指全部或部分完成一項(xiàng)或多項(xiàng)駕駛?cè)蝿?wù)的綜合車輛技術(shù)。智能車輛的一個(gè)基本特征是在一定道路條件下實(shí)現(xiàn)全部或者部分的自動(dòng)駕駛功能，下面簡(jiǎn)單介紹一下國(guó)內(nèi)外智能小車研究的發(fā)展情況。 1.2.1 國(guó)外智能車輛研究現(xiàn)狀 國(guó)外智能車輛的研究歷史較長(zhǎng)，始于上世紀(jì)50年代。它的發(fā)展歷程大體可以分成三個(gè)階段： 第一階段 20世紀(jì)50年代是智能車輛研究的初始階段。1954年美國(guó)Barrett Electronics 公司研究開發(fā)了世界上第一臺(tái)自主引導(dǎo)車系統(tǒng)AGVS（Automated Guided Vehicle System）。該系統(tǒng)只是一個(gè)運(yùn)行在固定線路上的拖車式運(yùn)貨平臺(tái)，但它卻具有了智能車輛最基本得特征即無(wú)人駕駛。早期研制AGVS的目的是為了提高倉(cāng)庫(kù)運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化水平，應(yīng)用領(lǐng)域僅局限于倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的物品運(yùn)輸。隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展，智能車輛的研究不斷得到新的發(fā)展。 第二階段 從80年代中后期開始，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)智能車輛開展了卓有成效的研究。在歐洲，普羅米修斯項(xiàng)目于1986年開始了在這個(gè)領(lǐng)域的探索。在美洲，美國(guó)于1995年成立了國(guó)家自動(dòng)高速公路系統(tǒng)聯(lián)盟（NAHSC），其目標(biāo)之一就是研究發(fā)展智能車輛的可能性，并促進(jìn)智能車輛技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化。在亞洲，日本于1996年成立了高速公路先進(jìn)巡航/輔助駕駛研究會(huì)，主要目的是研究自動(dòng)車輛導(dǎo)航的方法，促進(jìn)日本智能車輛技術(shù)的整體進(jìn)步。進(jìn)入80年代中期，設(shè)計(jì)和制造智能車輛的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司開始研制智能車輛平臺(tái)。 第三階段 從90年代開始，智能車輛進(jìn)入了深入、系統(tǒng)、大規(guī)模研究階段。最為突出的是，美國(guó)卡內(nèi)基.梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）機(jī)器人研究所一共完成了Navlab系列的10臺(tái)自主車（Navlab1—Navlab10）的研究，取得了顯著的成就。 目前，智能車輛的發(fā)展正處于第三階段。這一階段的研究成果代表了當(dāng)前國(guó)外智能車輛的主要發(fā)展方向。在世界科學(xué)界和工業(yè)設(shè)計(jì)界中，眾多的研究機(jī)構(gòu)研發(fā)的智能車輛具有代表性的有： 德意志聯(lián)邦大學(xué)的研究 1985年，第一輛VaMoRs智能原型車輛在戶外高速公路上以100km/h的速度進(jìn)行了測(cè)試，它使用了機(jī)器視覺(jué)來(lái)保證橫向和縱向的車輛控制。1988年，在都靈的PROMRTHEUS項(xiàng)目第一次委員會(huì)會(huì)議上，智能車輛維塔（VITA,7t）進(jìn)行了展示，該車可以自動(dòng)停車、行進(jìn)，并可以向后車傳送相關(guān)駕駛信息。這兩種車輛都配備了UBM視覺(jué)系統(tǒng)。這是一個(gè)雙目視覺(jué)系統(tǒng)，具有極高的穩(wěn)定性。 荷蘭鹿特丹港口的研究 智能車輛的研究主要體現(xiàn)在工廠貨物的運(yùn)輸。荷蘭的Combi road系統(tǒng)，采用無(wú)人駕駛的車輛來(lái)往返運(yùn)輸貨物，它行駛的路面上采用了磁性導(dǎo)航參照物，并利用一個(gè)光陣列傳感器去探測(cè)障礙。荷蘭南部目前正在討論工業(yè)上利用這種系統(tǒng)的問(wèn)題，政府正考慮已有的高速公路新建一條專用的車道，采用這種系統(tǒng)將貨物從鹿特丹運(yùn)往各地。 日本大阪大學(xué)的研究 大阪大學(xué)的Shirai實(shí)驗(yàn)室所研制的智能小車，采用了航位推測(cè)系統(tǒng)（Dead Reckoning System），分別利用旋轉(zhuǎn)編碼器和電位計(jì)來(lái)獲取智能小車的轉(zhuǎn)向角，從而完成了智能小車的定位。 另外，斯特拉斯堡實(shí)驗(yàn)中心、英國(guó)國(guó)防部門的研究、美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、奔馳公司、美國(guó)麻省理工學(xué)院、韓國(guó)理工大學(xué)對(duì)智能車輛也有較多的研究。 1.2.2 國(guó)內(nèi)智能車輛研究現(xiàn)狀 相比于國(guó)外，我國(guó)開展智能車輛技術(shù)方面的研究起步較晚，開始于20世紀(jì)80年代。而且大多數(shù)研究處在于針對(duì)某個(gè)單項(xiàng)技術(shù)研究的階段。雖然我國(guó)在智能車輛技術(shù)方面的研究總體上落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，并且存在一定得技術(shù)差距，但是我們也取得了一系列的成果，主要有： （1）中國(guó)第一汽車集團(tuán)公司和國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院與2003年研制成功我國(guó)第一輛自主駕駛轎車。該自主駕駛轎車在正常交通情況下的高速公路上，行駛的最高穩(wěn)定速度為13km/h,最高峰值速度達(dá)170km/h，并且具有超車功能，其總體技術(shù)性能和指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。 （2）南京理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)等多所院校聯(lián)合研制了7B.8軍用室外自主車，該車裝有彩色攝像機(jī)、激光雷達(dá)、陀螺慣導(dǎo)定位等傳感器。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用兩臺(tái)Sun10完成信息融合、路徑規(guī)劃，兩臺(tái)PC486完成路邊抽取識(shí)別和激光信息處理，8098單片機(jī)完成定位計(jì)算和車輛自動(dòng)駕駛。其體系結(jié)構(gòu)以水平式結(jié)構(gòu)為主，采用傳統(tǒng)的“感知-建模-規(guī)劃-執(zhí)行”算法，其直線跟蹤速度達(dá)到20km/h，避障速度達(dá)到5-10km/h。 智能車輛研究也是智能交通系統(tǒng)ITS的關(guān)鍵技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)的許多高校和科研院所都在進(jìn)行ITS關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備的研究。隨著ITS研究的興起，我國(guó)已形成一支ITS技術(shù)研究開發(fā)的技術(shù)專業(yè)隊(duì)伍。并且各交通、汽車企業(yè)越來(lái)越加大了對(duì)ITS及智能車輛技術(shù)研發(fā)的投入，整個(gè)社會(huì)的關(guān)注程度在不斷提高。交通部已將ITS研究列入“十五”科技發(fā)展計(jì)劃和2010年長(zhǎng)期規(guī)劃。相信經(jīng)過(guò)相關(guān)領(lǐng)域的共同努力，我國(guó)ITS及智能車輛的技術(shù)水平一定會(huì)得到很大提高。 可以預(yù)計(jì)，我國(guó)飛速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)實(shí)力將為智能車輛的研究提供一個(gè)更加廣闊的前景。我們要結(jié)合我國(guó)國(guó)情，在某一方面或某些方面，對(duì)智能車進(jìn)行深入細(xì)致的研究，為它今后的發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 1.3 課題主要內(nèi)容 本課題南京嵌入之夢(mèng)工作室的fira智能小車平臺(tái)，選擇通用、價(jià)廉的Arduino單片機(jī)為控制平臺(tái)，通過(guò)細(xì)化設(shè)計(jì)要求，結(jié)合傳感器技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)相關(guān)知識(shí)實(shí)現(xiàn)小車的各種功能。設(shè)計(jì)完成以由超聲波測(cè)距、自動(dòng)避障組成的硬件模塊結(jié)合軟件設(shè)計(jì)組成多功能智能小車，共同實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)倒退、轉(zhuǎn)向行駛，自動(dòng)根據(jù)超聲波檢測(cè)前方障礙物距離，進(jìn)行導(dǎo)航，檢測(cè)障礙物后停止等功能，實(shí)現(xiàn)智能控制，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。 圖1.1 小車外形圖 第二章 智能小車總體結(jié)構(gòu) 2.1 方案綜述 本課題設(shè)計(jì)主要是制作一款能進(jìn)行智能判斷并能做出正確反應(yīng)的小車。小車具有以下幾個(gè)功能：自動(dòng)避障功能。作品既可以對(duì)高端智能化進(jìn)行剖析，也可以作為高級(jí)智能玩具發(fā)展對(duì)象，同時(shí)可成為大學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。 本設(shè)計(jì)以兩直流電動(dòng)機(jī)為主驅(qū)動(dòng)，通過(guò)各類傳感器件來(lái)采集各類信息，送入主控單元Arduino單片機(jī)處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)動(dòng)作，以達(dá)到自身控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用H橋驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)；測(cè)距、避障采用超聲波傳感器完成，最后由控制單元處理數(shù)據(jù)后通過(guò)編程有序合理的將各模塊信號(hào)整合在一起并完成相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了智能控制，相當(dāng)于簡(jiǎn)易機(jī)器人。 根據(jù)設(shè)計(jì)的作品要達(dá)到的效果，本系統(tǒng)以Arduino單片機(jī)為核心控制器，主要由電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)距、避障模塊構(gòu)成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示。 Arduino單片機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路 直流電動(dòng)機(jī) 輪子 超聲波傳感器 電源 圖2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 2.2 主控單元方案比較與選擇 按照題目要求，控制器主要用于控制電機(jī)，通過(guò)相關(guān)傳感器對(duì)路面的軌跡信息進(jìn)行處理，并將處理信號(hào)傳輸給控制器，然后控制器做出相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)循跡和自動(dòng)避障。 方案一：可以采用ARM為系統(tǒng)的控制器，優(yōu)點(diǎn)是該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，片上外設(shè)集成度搞密度高，提高了穩(wěn)定性，系統(tǒng)的處理速度也很高，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。 方案二：采用Arduino單片機(jī)作為系統(tǒng)控制的方案。Arduino單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，功耗低、體積小、技術(shù)成熟，成本也比ARM低。 考慮到性價(jià)比問(wèn)題，本設(shè)計(jì)選擇 用Arduino單片機(jī)做控制器。 2.3 避障單元方案比較與選擇 方案一：用超聲波傳感器進(jìn)行避障。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來(lái)，再被超聲波傳感器接收。但使用超聲波模塊的成本比較高。因此我們考慮其它的方案，超聲波傳感器實(shí)物圖如下圖2所示： 圖2.2 超聲波傳感器 方案二：用漫反射式光電開關(guān)進(jìn)行避障。光電開關(guān)的工作原理是根據(jù)光線發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，其接收電路據(jù)此做出判斷反應(yīng)，物體對(duì)紅外光由同步回路選通而檢測(cè)物體的有無(wú)。當(dāng)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒(méi)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出高電平。 考慮到在日常的家居生活中，只需要簡(jiǎn)單檢測(cè)障礙物，讓智能小車順利繞過(guò)障礙，回到預(yù)定的設(shè)定路徑便可，并沒(méi)有十分復(fù)雜的環(huán)境，為了使用方便，便于操作和調(diào)試，我們最終選擇了方案一。 2.4 “小車”的必要的信息 電機(jī)參數(shù)： 額定電壓 —— 4.5V 空載電流 —— 85–95mA 空載轉(zhuǎn)速 —— 9800rpm +/‐10% 堵轉(zhuǎn)電流 —— 1100mA 堵轉(zhuǎn)力矩 —— 50g/cm (最大) 減速箱： 1：48 結(jié)構(gòu)參數(shù) 車輪直徑 —— 65mm 碼盤齒數(shù) —— 60 個(gè) 碼盤等效直徑 —— 42mm 脈沖精度 —— 3.4mm/脈沖（單邊沿采集，可用倍頻方式提高精度） 輪距 —— 約 59.5mm 外形尺寸 —— 約 75x75x75mm 重量 —— 約 240g （不含電池） 最快運(yùn)動(dòng)速度： 選用 1：48減速箱 —— 約 695mm/s 最大力矩： 選用 1：48減速箱 —— 約 2.4kg/cm 第三章 智能小車的觸覺(jué)、眼睛 3.1 智能小車內(nèi)部檢測(cè)原理 智能小車驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電路：實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、碼盤采樣、電機(jī)電流檢測(cè)功能，兩側(cè)獨(dú)立設(shè)計(jì)，方便檢修。 3.1.1 輪速、車距檢測(cè) 小車采用紅外光電耦合器檢測(cè)輪子轉(zhuǎn)的圈數(shù)，即可算得小車行車距離；同理，單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值，即可求得輪子轉(zhuǎn)速。本車有兩只輪子，分別由兩只直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 由于紅外檢測(cè)具有反應(yīng)速度快、定位精度高，可靠性強(qiáng)以及可見光傳感器所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，故采用紅外光電碼盤測(cè)速方案。 紅外光電耦合器見圖3.1，為直射式光電傳感器。 圖3.1 紅外光電耦合器 由測(cè)距輪，遮光盤，紅外光電耦合器及凹槽型支架組成的。利用開模的優(yōu)勢(shì)，在車輪上的遮光盤設(shè)計(jì)了 60個(gè)齒，可以用直射式光電采樣器方便的得到脈沖信號(hào)，比反射式采樣更加可靠。 測(cè)距輪安裝在車輪上，這樣能使記數(shù)值準(zhǔn)確一些（見圖3.2）。遮光盤有一缺口，盤下方的凹形物為槽型光電耦合器，其兩端高出部分的里面分別裝有紅外發(fā)射管和紅外接收管。 遮光盤在凹槽中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，缺口進(jìn)入凹槽時(shí)，紅外線可以通過(guò)，缺口離開凹槽紅外線被阻擋。由此可見，測(cè)距輪每轉(zhuǎn)一周，紅外光接收管均能接收到一個(gè)脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)整形器后送入計(jì)數(shù)器或直接送入單片機(jī)中。單片機(jī)通過(guò)計(jì)數(shù)值，即可求得小車的大概行駛距離，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值，也可求得轉(zhuǎn)速。 單片機(jī)通過(guò)分別對(duì)兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速值，進(jìn)行比較，即可判斷出左、右輪的轉(zhuǎn)速快慢程度。 背面 正面 遮光盤 圖3.2 輪子結(jié)構(gòu) 為實(shí)現(xiàn)可逆記數(shù)功能，我們?cè)跍y(cè)距儀中并列放置了兩個(gè)槽型光電耦合器，遮光盤先后通過(guò)凹槽可產(chǎn)生兩個(gè)脈沖信號(hào)。根據(jù)兩個(gè)脈沖信號(hào)發(fā)生的先后順序與兩個(gè)光電耦合器的位置關(guān)系，即可計(jì)算出玩具車的行駛方向（前進(jìn)或后退）。 遮光盤及槽型光電耦合器均安裝在不透光的盒子里，以避免外界光線的干擾，使電路不能正常工作。 直射型光電晶體管 圖3.3 實(shí)際電路板 測(cè)距原理：將遮光碼盤安裝在電機(jī)軸上，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，遮光碼盤也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)安裝在碼盤一側(cè)的紅外發(fā)光二極管點(diǎn)亮，在碼盤的另一側(cè)設(shè)有紅外三極管，用于接收紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線信號(hào)。由于光柵隨電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，則紅外線三極管接收到的就是一系列脈沖信號(hào)。將該信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，根據(jù)預(yù)先實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)換算關(guān)系即可計(jì)算出電動(dòng)機(jī)車的行車距離。 具體電路同圖2.5 行車距離檢測(cè)電路所示： 圖3.4 碼盤檢測(cè)電路 為了避免在變換狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生“毛刺”，整形電路是利用運(yùn)放設(shè)計(jì)了“施密特”電路，用回差消除之。 之所以用運(yùn)放，而不是直接使用施密特觸發(fā)器，是因?yàn)檫@樣可以方便的改變回差大小。 3.2 電機(jī)電流、電壓檢測(cè) 3.2.1 電流檢測(cè)電路： 圖3.5 電流檢測(cè)電路 電流的取樣電阻為 0.22 歐姆（見 H 橋驅(qū)動(dòng)電路的 R5），按上圖參數(shù)，放大倍數(shù) 11 倍，電機(jī)電流最大 1.1A 左右，所以實(shí)際的輸出信號(hào)應(yīng)在 0–2.66V ，如使用 3.3V供電的單片機(jī)，其 AD輸入范圍為 0‐3.3V，考慮電機(jī)的電流偏差和器件的偏差，留些余量。 電路中C2作用是減小電機(jī)電流波動(dòng)的影響，是針對(duì) 125Hz 的 PWM頻率設(shè)計(jì)的，如提高PWM的頻率，此參數(shù)應(yīng)該相應(yīng)修改。 本設(shè)計(jì)中未采用，簡(jiǎn)述之。 3.2.2 電壓檢測(cè)電路： 圖3.6 電壓檢測(cè)電路 電壓采用簡(jiǎn)單的分壓處理，設(shè)計(jì)了一個(gè)跟隨器以減少 AD輸入阻抗對(duì)分壓的影響。電池的電壓應(yīng)在4–6V，分壓后為2–3V，符合 AD輸入不大于 3.3V的要求。 本設(shè)計(jì)中未采用，簡(jiǎn)述之。 3.3 超聲波測(cè)距 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。 為了使移動(dòng)機(jī)器人能自動(dòng)避障行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。 3.3.1 超聲波測(cè)距原理 1、 超聲波發(fā)生器 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 2、壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。 3、超聲波測(cè)距原理 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。 超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測(cè)距原理與雷達(dá)原理是一樣的。 測(cè)距的公式表示為：L=CT 式中L為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差(T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。 超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，雖然目前的測(cè)距量程上能達(dá)到百米，但測(cè)量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。 由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測(cè)量的理想手段。在精密的液位測(cè)量中需要達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度，但是目前國(guó)內(nèi)的超聲波測(cè)距專用集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量精度。通過(guò)分析超聲波測(cè)距誤差產(chǎn)生的原因，提高測(cè)量時(shí)間差到微秒級(jí)，以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們?cè)O(shè)計(jì)的高精度超聲波測(cè)距儀能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度。 3.3.2 超聲波傳感器簡(jiǎn)介 本畢業(yè)設(shè)計(jì)超聲波傳感器為外購(gòu)件，其硬件原理僅作簡(jiǎn)要說(shuō)明： 圖3.7 超聲波檢測(cè)原理電路 框圖中，單片機(jī)為核心控制部分，根據(jù)設(shè)定的工作方式，產(chǎn)生 40kHz方波，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生器發(fā)出一簇信號(hào)。單片機(jī)此時(shí)開始計(jì)時(shí)。 接收回路為諧振回路，將收到的微弱回波信號(hào)檢出，送信號(hào)放大電路放大，收到產(chǎn)生脈沖輸出送單片機(jī)中斷端，單片機(jī)收到中斷信號(hào)后停止計(jì)時(shí)，計(jì)算出距離值，保存等待讀出或直接經(jīng) UART 送出。接收過(guò)程中，單片機(jī)定時(shí)控制放大電路的增益，逐漸提高，以適應(yīng)距離越遠(yuǎn)越弱的回波信號(hào)。 3.3.3 超聲波傳感器接口說(shuō)明 核心器件為 STC12LE4052、TL852、16mm超聲波收、發(fā)器。采用 5V供電，因?yàn)?5V是最常見的工作電壓，便于日后將傳感器應(yīng)用于裝置中。 為了減小干擾，選用了 3.3V供電的單片機(jī)，使用目前常用的 1117-3.3三端穩(wěn)壓器將 5V降到 3.3V，減小電源擾動(dòng)的影響，增加可靠性。 小車?yán)贸暡▊鞲衅鳒y(cè)距，測(cè)量值采用的是小車主控芯片與該智能傳感器串行通訊獲得，以下為串行通訊的有關(guān)協(xié)議、命令說(shuō)明。 傳感器的工作由通訊命令控制，上電狀態(tài)為待命狀態(tài)。 工作分為“自動(dòng)測(cè)量”和“單輪測(cè)量”兩種模式。 “自動(dòng)測(cè)量”時(shí)，傳感器按一定周期自動(dòng)完成測(cè)量過(guò)程，并保存測(cè)量數(shù)據(jù)。 “自動(dòng)測(cè)量”又分為“被動(dòng)數(shù)據(jù)返回”和“主動(dòng)數(shù)據(jù)返回”兩種方式。 “被動(dòng)數(shù)據(jù)返回”方式下，傳感器只將測(cè)量結(jié)果保存下來(lái)，等待系統(tǒng)讀取。 “主動(dòng)數(shù)據(jù)返回”方式下，傳感器每完成一次測(cè)量均立即將數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)。 “自動(dòng)測(cè)量”可以設(shè)置測(cè)量周期。 “單輪測(cè)量”為接收到命令后開始測(cè)量，并返回?cái)?shù)據(jù)，測(cè)量命令可設(shè)置測(cè)量次數(shù)、數(shù)據(jù)處理方式，傳感器按要求返回，增加測(cè)量的可靠性。 通訊協(xié)議及命令定義： 基本通訊格式：（和圓夢(mèng)小車及無(wú)線接口兼容） 標(biāo)準(zhǔn) UART格式 —— 19200 8 N 1 幀格式： 幀頭（2字節(jié)） 接收方地址（1字節(jié)） 發(fā)送方地址（1 字節(jié)） 幀長(zhǎng)（1字節(jié)） 命令（1字節(jié)） 數(shù)據(jù)域（N字節(jié)） 校驗(yàn)和（1字節(jié)） 其中： 幀頭 —— 由 2 個(gè)特殊的字節(jié) 0x55 0xAA 構(gòu)成； 接收方地址 —— 通訊對(duì)象的“名字”，在有線通訊時(shí)也許多余，但無(wú)線時(shí)就需要了。 發(fā)送方地址 —— 告訴接收方，便于接收方回答。 幀長(zhǎng) —— 命令和數(shù)據(jù)域字節(jié)之和， 命令 —— 說(shuō)明操作內(nèi)容，詳見下面的定義 數(shù)據(jù)域 —— 與命令配合，表達(dá)一個(gè)完整的含義。 校驗(yàn)和 —— 從命令開始到數(shù)據(jù)域結(jié)束所有字節(jié)的算術(shù)和，取最低字節(jié)的反碼。命令定義： 為了便于調(diào)試，保留小車中設(shè)計(jì)的讀寫內(nèi)存命令。 ? 命令一 ：讀內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)讀指定地址開始的 N 個(gè)字節(jié)，地址用兩字節(jié)表示。 命令字 —— 0x01 數(shù)據(jù)域 —— 低地址（1字節(jié)） 高地址（1字節(jié)） 讀字節(jié)數(shù)（1字節(jié)） 地址與硬件的對(duì)應(yīng)關(guān)系： 0x0000 — 0x00FF —— 對(duì)應(yīng) STC12LE4052 的 256字節(jié)內(nèi)部 RAM（idata）； 0x0100 — 0x7FFF —— 保留，為大 RAM的單片機(jī)預(yù)留； 0x7F80 — 0x7FFF —— 對(duì)應(yīng) STC12LE2052的 128字節(jié) SFR； 0x8000 — 0x87FF —— 對(duì)應(yīng) STC12LE2052 的 2K FlashROM（Code）； 0x8700 — 0xFFFF —— 保留，為大 ROM的單片機(jī)預(yù)留； 例：要讀地址 0x56起始的 3字節(jié)內(nèi)部 RAM數(shù)據(jù)，命令幀如下： 0x55 0xAA XX XX 0x04 0x01 0x56 0x00 0x03 0xA5 返回?cái)?shù)據(jù)幀為: 幀頭 發(fā)送方地址 自己的地址 幀長(zhǎng) 命令 低地址 高地址 讀字節(jié)數(shù) N字節(jié)數(shù)據(jù) 校驗(yàn)和 返回幀中將命令及附屬信息（地址、讀字節(jié)數(shù) ）包含在內(nèi)，雖然有些冗余，但保證了信息 的完備性，不需要接收時(shí)還要查找原來(lái)讀的是什么？為通訊需求日漸復(fù)雜提供方便。 ? 命令二：寫內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)寫指定地址開始的 N 個(gè)字節(jié)，地址用兩字節(jié)表示。 命令字 —— 0x02 數(shù)據(jù)域 —— 低地址（1字節(jié)） 高地址（1字節(jié)） 寫字節(jié)數(shù)（1字節(jié)）數(shù)據(jù)（N字節(jié)） 其地址與硬件的關(guān)系與讀命令相同。 返回?cái)?shù)據(jù)幀為： 幀頭 發(fā)送方地址 自己的地址 幀長(zhǎng) 命令 低地址 高地址 寫成功字節(jié)數(shù) 校驗(yàn)和 通過(guò)“寫成功字節(jié)數(shù)”來(lái)告之發(fā)送方是否寫成功，如果為“0”，表示寫操作失敗。 ? 命令三：設(shè)置工作模式，設(shè)置測(cè)量模式，并啟動(dòng)測(cè)量。 命令字 —— 0x03 數(shù)據(jù)域 —— 工作模式（1字節(jié)） 工作參數(shù)（1字節(jié)） 其中： 工作模式 —— 高 4位為主模式，低 4位為子模式； 工作參數(shù) —— 與工作模式對(duì)應(yīng)，自動(dòng)測(cè)量時(shí)為測(cè)量周期，單位 10ms；單輪測(cè)量時(shí)為測(cè)量的次數(shù)，暫定最多為 8次。 返回?cái)?shù)據(jù)幀為： 幀頭 發(fā)送方地址 自己的地址 幀長(zhǎng) 命令 測(cè)量數(shù)據(jù) 校驗(yàn)和 對(duì)于自動(dòng)模式，測(cè)量數(shù)據(jù)返回一個(gè)字節(jié)“0”，說(shuō)明 OK。 對(duì)于單輪測(cè)量模式，測(cè)量數(shù)據(jù)為工作模式中所要求的數(shù)據(jù)。 自動(dòng)模式對(duì)應(yīng)的子模式： a) 自動(dòng)數(shù)據(jù)返回 —— 每測(cè)完一個(gè)數(shù)據(jù)都返回，命令位置返回工作模式； b) 被動(dòng)數(shù)據(jù)返回 —— 內(nèi)部只是測(cè)量、保存數(shù)據(jù)，等待讀數(shù)據(jù)命令讀回，讀數(shù)據(jù)命令實(shí)際 上只對(duì)自動(dòng)模式的被動(dòng)數(shù)據(jù)返回有效。 單輪測(cè)量對(duì)應(yīng)的子模式： a) 無(wú)數(shù)據(jù)處理返回 —— 只是將命令中要求測(cè)量的數(shù)據(jù)全部返回 b) 剔除最大最小值返回 —— 將測(cè)量數(shù)據(jù)中最大、最小值剔除，返回?cái)?shù)據(jù)比指定數(shù)少 2個(gè)，當(dāng)指定的測(cè)量次數(shù)小于 3 時(shí)，強(qiáng)制切換到“無(wú)數(shù)據(jù)處理模式”； c) 平均值返回 —— 將指定的測(cè)量數(shù)據(jù)平均后返回，只有一個(gè)平均值； d) 剔除最大最小后平均值返回 —— 先剔除最大最小值，剩下的再取平均值，當(dāng)數(shù)據(jù)數(shù)小 于 4時(shí)，強(qiáng)制切換到“剔除最大最小值” 模式。 上述返回幀中命令位置返回?cái)?shù)據(jù)處理方式。 ? 命令四：讀測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)于自動(dòng)測(cè)量方式的被動(dòng)數(shù)據(jù)返回模式，需要此命令。 命令字 —— 0x04 數(shù)據(jù)域 —— 讀最近幾次的數(shù)據(jù)（1 字節(jié)） 返回?cái)?shù)據(jù)幀為： 幀頭 發(fā)送方地址 自己的地址 幀長(zhǎng) 命令 測(cè)量數(shù)據(jù) 校驗(yàn)和 通訊是個(gè)過(guò)程，包含等待處理，所以需要定義狀態(tài)變量，以控制處理的內(nèi)容和方式。 通訊分為兩個(gè)狀態(tài)：一是什么也沒(méi)有收到；二是收到了幀頭，等待幀結(jié)束。因此可以用位 標(biāo)志 g_bStartRcv 來(lái)表示，為“假”表示沒(méi)有收到幀頭，為“真”表示收到幀頭，正在收剩余的內(nèi)容。 通訊部分實(shí)現(xiàn)以下功能： 1） 接收數(shù)據(jù) 2） 判斷幀格式 3） 解析命令，執(zhí)行相應(yīng)操作 4） 返回?cái)?shù)據(jù) 3.3.4 本設(shè)計(jì)超聲波通訊方式 本設(shè)計(jì)采用的方式為單輪測(cè)量，通訊較為簡(jiǎn)便，但控制精度不高，為靜態(tài)測(cè)量，因此，小車對(duì)前方突然產(chǎn)生的變化不能及時(shí)監(jiān)測(cè)。如要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需要采用自動(dòng)測(cè)量，但大大增加了編程難度。程序如下： int iFlashTime = 500; sum=0; SendData[0]=0x55; SendData[1]=0xAA; SendData[2]=0x01; SendData[3]=0x02; SendData[4]=0x03; SendData[5]=0x03; SendData[6]=0x23; SendData[7]=0x08; sum=SendData[5]+SendData[6]+SendData[7]; SendData[8]=~sum; for(i=0;i<9;i++) { Serial.print(SendData[i]); } delay(100); n=Serial.available (); for(i=0;i120) {BackLine(20);} else{if(distant>40) {TurnRight(20);} else {WalkLine(20);}} }} Serial.flush(); } 第四章 智能小車的腳 4.1、輪系結(jié)構(gòu)詳述 4.1.1動(dòng)力選擇 選用成熟的減速機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)的 130直流電機(jī)（見上面圖示） 4.1.2 驅(qū)動(dòng)方式 FIRA小車一般設(shè)計(jì)為差分驅(qū)動(dòng)，前后對(duì)稱的形式，即不分前后，以增加對(duì)抗時(shí)的靈活性，因?yàn)椴挥谩稗D(zhuǎn)身”了。 這樣就要求車輪中置，如下圖： 圖4.1 這種驅(qū)動(dòng)方式，需要前后 2個(gè)支點(diǎn)，這樣就形成了 4點(diǎn)共面問(wèn)題，如場(chǎng)地稍有不平，就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪懸空，小車打轉(zhuǎn)。 用 4個(gè)支點(diǎn)來(lái)保證小車的平穩(wěn)（見上面小車的底部視圖）。 4.1.3 車輪安裝 由于減速箱的輸出軸是塑料的，強(qiáng)度有限，且有一定晃動(dòng)間隙，不利于車輪上的碼盤采樣，必須設(shè)計(jì)另一個(gè)輪軸支點(diǎn)，以增加車輪的穩(wěn)定性。另外，還增加了一個(gè)側(cè)蓋（見上面?zhèn)壬w圖），為輪軸提供了一個(gè)支點(diǎn)，由于結(jié)構(gòu)允許，還設(shè)計(jì)了滾珠槽（注意側(cè)蓋中的圓環(huán)和輪轂中的圓環(huán)），以改善轉(zhuǎn)動(dòng)性能。 側(cè)蓋固定于上、下基架上，等于給上、下基架增加了 4個(gè)固定點(diǎn)，使小車更加堅(jiān)固。 小車很小，空間有限，如再擠占留給用戶的控制器空間，用戶自己設(shè)計(jì)控制器時(shí)就很困難。這樣處理，既解決了驅(qū)動(dòng)板的安裝，又增加了側(cè)蓋的強(qiáng)度，同時(shí)將有效空間全部留給了用戶。以下為車輪、驅(qū)動(dòng)板、側(cè)蓋的裝配示意： 圖4.2 輪系安裝關(guān)系圖 4.1.4 電池選擇和安裝 本智能小車選擇 7#鎳氫充電電池，而不選流行的鋰充電電池，是由于鋰電池規(guī)格特殊，很難有標(biāo)準(zhǔn)尺寸，會(huì)給使用者帶來(lái)麻煩，7# 電池短期內(nèi)還沒(méi)有淘汰的跡象，所以還是作此選擇。 沒(méi)有像玩具和模型那樣，提供做好的電池組，是因?yàn)樵谑褂弥邪l(fā)現(xiàn)，通常不是電池組內(nèi)所有電池都同時(shí)失效，這樣會(huì)給用戶帶來(lái)不必要的損失，所以還是用電池盒。 電池安裝位置設(shè)計(jì)在小車底部，降低了重心，使小車更加平穩(wěn)。 4.1.5 輪系主要構(gòu)成 基架：作為小車的主結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)固定、電池盒放置、線路板安裝等基礎(chǔ)功能。 減速電機(jī)：提供小車動(dòng)力，選用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的減速箱和 130 電機(jī)，以保證良好的性價(jià)比。 圖4.3 減速機(jī) 車輪：為了提供足夠的速度，設(shè)計(jì)了小車結(jié)構(gòu)中允許的最大直徑車輪，外徑 65mm（按目前所選用的減速電機(jī)，最快速度約 65cm/s），同時(shí)設(shè)計(jì)了采樣碼盤，便于實(shí)現(xiàn)速度反饋和行走距離檢測(cè)。車輪采用橡膠輪胎，并刻有防滑槽，以降低打滑的可能。輪胎寬度 7.5mm，設(shè)計(jì)成平面以增加摩擦力。 圖4.4 車輪 電池盒蓋：用于固定電池盒，同時(shí)提供小車的 4個(gè)支點(diǎn)，以維持小車平衡。 圖4.5 電磁蓋板上的支點(diǎn) 4.2直流電機(jī) H 橋驅(qū)動(dòng)電路 4.2.1脈沖寬度調(diào)制(PWM) 脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。 脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。 PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單，靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒(méi)有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無(wú)諧振軟開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。 基本原理：　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過(guò)改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。 模擬信號(hào)的值可以連續(xù)變化，其時(shí)間和幅度的分辨率都沒(méi)有限制。9V電池就是一種模擬器件，因?yàn)樗妮敵鲭妷翰⒉痪_地等于9V，而是隨時(shí)間發(fā)生變化，并可取任何實(shí)數(shù)值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)先確定的可能取值集合之內(nèi)，例如在{0V,5V}這一集合中取值。 模擬電壓和電流可直接用來(lái)進(jìn)行控制，如對(duì)汽車收音機(jī)的音量進(jìn)行控制。在簡(jiǎn)單的模擬收音機(jī)中，音量旋鈕被連接到一個(gè)可變電阻。擰動(dòng)旋鈕時(shí)，電阻值變大或變??；流經(jīng)這個(gè)電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變小。與收音機(jī)一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。 盡管模擬控制看起來(lái)可能直觀而簡(jiǎn)單，但它并不總是非常經(jīng)濟(jì)或可行的。其中一點(diǎn)就是，模擬電路容易隨時(shí)間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個(gè)問(wèn)題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重（如老式的家庭立體聲設(shè)備）和昂貴。模擬電路還有可能嚴(yán)重發(fā)熱，其功耗相對(duì)于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對(duì)噪聲很敏感，任何擾動(dòng)或噪聲都肯定會(huì)改變電流值的大小。 通過(guò)以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)變得更加容易了。 4.2.1 H橋驅(qū)動(dòng)電路 圖4.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理電路 供橋電壓為 5V。這也是用 MOS 管帶來(lái)的好處，因?yàn)闃虮蹓航敌?，所以?4 節(jié)充電電池即可驅(qū)動(dòng)，這樣既便于充電，又減輕了小車的自重。 控制邏輯電路電壓 VCC 接控制單片機(jī)的工作電壓，可選擇 3.3V 或 5V。 4.3電機(jī)控制信號(hào) 4.3.1 控制信號(hào)定義 電機(jī)控制信號(hào)共三根：Ctrl1為 PWM 控制信號(hào)。Ctrl2和 Ctrl3 組合，得到電機(jī)的四個(gè)工作狀態(tài)：正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 剎車 惰行。 4.3.2 控制邏輯 控制邏輯如下： 圖4.7 控制邏輯圖 第五章 智能小車的大腦 這是學(xué)習(xí)單片機(jī)應(yīng)用的平臺(tái)，而單片機(jī)的種類眾多，除了流行的 8位機(jī)：51、AVR、PIC系列，還有日漸被接受的 16位機(jī) MSP430系列，以及最近升勢(shì)很猛的 ARMCortex‐M系列，這些單片機(jī)各有優(yōu)勢(shì)，無(wú)法說(shuō)誰(shuí)好誰(shuí)壞，完全取決于學(xué)習(xí)者的需求和喜好，此外還有越來(lái)越接近 MCU的DSP，所以我將這個(gè)權(quán)力交還給用戶。 而且我認(rèn)為：所謂單片機(jī)應(yīng)用學(xué)習(xí)，最核心的就是能自己消化一個(gè) MCU，根據(jù)控制需求自己分配 MCU 的資源，編寫相應(yīng)的程序，使之能按自己的想法工作。這才是掌握單片機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵！ 5.1 Arduino單片機(jī)簡(jiǎn)介 Arduino單片機(jī)，是一塊基于開放源代碼的USB接口Simple i/o接口板（包括12通道數(shù)字GPIO，4通道PWM輸出，6-8通道10bit ADC輸入通道），并且具有使用類似Java,C語(yǔ)言的IDE集成開發(fā)環(huán)境。 讓您可以快速使用Arduino語(yǔ)言與Flash或Processing…等軟件，作出互動(dòng)作品。 圖5.1 Arduino單片機(jī) Arduino可以使用開發(fā)完成的電子元件例如Switch或sensors或其他控制器、LED、步進(jìn)馬達(dá)或其他輸出裝置。Arduino也可以獨(dú)立運(yùn)作成為一個(gè)可以跟軟件溝通的接口，例如說(shuō)：flash、processing、Max/MSP、VVVV 或其他互動(dòng)軟件…。Arduino開發(fā)IDE接口基于開放源代碼原，可以讓您免費(fèi)下載使用開發(fā)出更多令人驚艷的互動(dòng)作品。 Arduino單片機(jī)特色: 1、開放源代碼的電路圖設(shè)計(jì)，程序開發(fā)接口免費(fèi)下載，也可依需求自己修改。 2、使用低價(jià)格的微處理控制器(ATMEGA8或ATmega128)?？梢圆捎肬SB接口供電，不需外接電源。也可以使用外部9VDC輸入 3、Arduino支持ISP在線燒，可以將新的“bootloader”固件燒入ATmega8或ATmega128芯片。有了bootloader之后，可以通過(guò)串口或者USB to Rs232線更新固件。 4、可依據(jù)官方提供的Eagle格式PCB和SCH電路圖，簡(jiǎn)化Arduino模組，完成獨(dú)立運(yùn)作的微處理控制。可簡(jiǎn)單地與傳感器，各式各樣的電子元件連接(EX：紅外線,超音波,熱敏電阻,光敏電阻,伺服馬達(dá),…等) 5、支持多種互動(dòng)程序，如：Flash、Max/Msp、VVVV、PD、C、Processing等 6、應(yīng)用方面，利用Arduino，突破以往只能使用鼠標(biāo)，鍵盤，CCD等輸入的裝置的互動(dòng)內(nèi)容，可以更簡(jiǎn)單地達(dá)成單人或多人游戲互動(dòng)。 5.2 Arduino單片機(jī)引腳簡(jiǎn)介 Arduino的數(shù)字I/O被分成兩個(gè)部分，其中每個(gè)部分都包含有6個(gè)可用的I/O管腳，即管腳2到管腳7和管腳8到管腳13。在數(shù)字電路中開關(guān)（switch）是一種基本的輸入形式，它的作用是保持電路的連接或者斷開。Arduino從數(shù)字I/O管腳上只能讀出高電平（5V）或者低電平（0V），因此我們首先面臨到的一個(gè)問(wèn)題就是如何將開關(guān)的開/斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變成Arduino能夠讀取的高/低電平。解決的辦法是通過(guò)上/下拉電阻，按照電路的不同通常又可以分為正邏輯（Positive Logic）和負(fù)邏輯（Inverted Logic）兩種。 Arduino的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)數(shù)字信號(hào)的識(shí)別和處理，但我們所生活的真實(shí)世界并不是數(shù)字（digital）化的，簡(jiǎn)單到只要用0和1就能夠表示所有的現(xiàn)象。例如溫度這一我們已經(jīng)司空見慣的概念，它只能在一個(gè)范圍之內(nèi)連續(xù)變化，而不可能發(fā)生像從0到1這樣的瞬時(shí)跳變，類似這樣的物理量被人們稱為是模擬（analog）的。Arduino是無(wú)法理解這些模擬量的，它們必須在經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字量后，才能被Arduino進(jìn)一步處理。 像溫度這樣的數(shù)據(jù)必須先被轉(zhuǎn)換成微處理器能夠處理的形式（比如電壓），才能被Arduino處理，這一任務(wù)通常由各類傳感器（sensor）來(lái)完成的。例如，電路中的溫度傳感器能夠?qū)囟戎缔D(zhuǎn)換成0V到5V間的某個(gè)電壓，比如0.3V、3.27V、4.99V等。由于傳感器表達(dá)的是模擬信號(hào)，它不會(huì)像數(shù)字信號(hào)那樣只有簡(jiǎn)單的高電平和低電平，而有可能是在這兩者之間的任何一個(gè)數(shù)值。至于到底有多少可能的值則取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度，精度越高能夠得到的值就會(huì)越多。 Arduino所采用的ATmega8微處理器一其有6個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC，Analog to Digital Converter），每一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度都是10bit，也就是說(shuō)能夠讀取1024（2^10 = 1024）個(gè)狀態(tài)。在Arduino的每一個(gè)模擬輸入管腳上，電壓的變化范疇是從0V到5V，因此Arduino能夠感知到的最小電壓變化是4.8毫伏（5/1024 = 4.8mV）。 圖5.2 Arduino單片機(jī)引腳定義 就像模擬輸入一樣，在現(xiàn)實(shí)的物理世界中我們經(jīng)常需要輸出除了0和1之外的其他數(shù)值。例如，除了想用微控制器找開或者關(guān)閉電燈之外，我們還會(huì)想控制燈光的亮度，這時(shí)就需要用到模擬輸出。由于Arduino的微控制器只能產(chǎn)生高電壓（5V）或者低電壓（0V），而不能產(chǎn)生變化的電壓，因此必須采用脈寬度調(diào)制技術(shù)（PWM，Pulse Width Modulation）來(lái)模仿模擬電壓。 PWM是一種開關(guān)式穩(wěn)壓電源應(yīng)用，它是借助微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常用效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。簡(jiǎn)而言之，PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法，它通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等但寬度不相等的脈沖，而這些脈沖能夠被用來(lái)代替正弦波或其它所需要的波形。 在Arduino數(shù)字I/O管腳9、10和11上，我們可以通過(guò)analogWrite()函數(shù)來(lái)產(chǎn)生模擬輸出。該函數(shù)有兩個(gè)參數(shù)，其中第一個(gè)參數(shù)是要產(chǎn)生模擬信號(hào)的引腳（9、10或者11）；第二個(gè)參數(shù)是用于產(chǎn)生模擬信號(hào)的脈沖寬度，取值范圍是0到255。脈沖寬度的值取0可以產(chǎn)生0V的模擬電壓，取255則可以產(chǎn)生5V的模擬電壓。不難看出，脈沖寬度的取值變化1，產(chǎn)生的模擬電壓將變化0.0196V（5/255 = 0.0196）。 圖5.3 Arduino單片機(jī)引腳功能表 在許多實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中我們會(huì)要求在Arduino和其它設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)相互通信，而最常見通常也是最簡(jiǎn)單的辦法就是使用串行通信。在串行通信中，兩個(gè)設(shè)備之間一個(gè)接一個(gè)地來(lái)回發(fā)送數(shù)字脈沖，它們之間必須嚴(yán)格遵循相應(yīng)的協(xié)議以保證通信的正確性。 在PC機(jī)上上最常見的串行通信協(xié)議是RS-232串行協(xié)議，而在各種微控制器（單片機(jī)）上采用的則是TTL串行協(xié)議。由于這兩者的電平有很大的不同，因此在實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和微控制器的通信時(shí)，必須進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。完成RS-232電平和TTL電平之間的轉(zhuǎn)換一般采用專用芯片，如MAX232等，但在Arduino上是用相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換電路來(lái)完成的。 根據(jù)Arduino的原理圖我們不難看出，ATmega的RX和TX引腳一方面直接接到了數(shù)字I/O端口的0號(hào)和1號(hào)管腳， 另一方面又通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路接到了串口的母頭上。因此，當(dāng)我們需要用Arduino與PC機(jī)通信時(shí)，可以用串口線將兩者連接起來(lái)；當(dāng)我們需要用Arduino與微控制器（如另一塊Arduino）通信時(shí)，則可以用數(shù)字I/O端口的0號(hào)和1號(hào)管腳。 串行通信的難點(diǎn)在于參數(shù)的設(shè)置，如波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等，在Arduino語(yǔ)言可以使用Serial.begin()函數(shù)來(lái)簡(jiǎn)化這一任務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，Arduino則提供了Serial.print()和Serial.println()兩個(gè)函數(shù)，它們的區(qū)別在于后者會(huì)在請(qǐng)求發(fā)送的數(shù)據(jù)后面加上換行符，以提高輸出結(jié)果的可讀性。 5.3 Arduino編程軟件 Arduino 語(yǔ)言是建立在 C/C++基礎(chǔ)上的，其實(shí)也就是基礎(chǔ)的 C 語(yǔ)言，Arduino 語(yǔ)言只不過(guò)把 AVR 單片機(jī)（微控制器）相關(guān)的一些寄存器參數(shù)設(shè)置等都函數(shù)化了，不用我們?nèi)チ私馑牡讓?，讓不太了?AVR 單片機(jī)（微控制器）的朋友也能輕松上手。 圖5.4 編程界面 Arduino 語(yǔ)言是以 setup()開頭，loop()作為主體的一個(gè)程序構(gòu)架。官方網(wǎng)站是這樣描述 setup()的：用來(lái)初始化變量，管腳模式，調(diào)用庫(kù)函數(shù)等等，此函數(shù)只運(yùn)行一次。loop()函數(shù)是一個(gè)循環(huán)函數(shù)，函數(shù)內(nèi)的語(yǔ)句周而復(fù)始的循環(huán)執(zhí)行，功能類似 c 語(yǔ)言中的“main();”。 第六章 智能小車控制流程及程序 6.1 程序流程圖 開始 超聲波測(cè)距 障礙物很近 繼續(xù)直線前進(jìn) 停車檢距 后退，轉(zhuǎn)彎 停車檢距 參考文獻(xiàn) 1、嵌入之夢(mèng)家園 當(dāng)圓夢(mèng)小車遇上 Arduino http://user.qzone.qq.com/ 2、 Arduino使用教程 http:// www.dfrobot.cn 3、馬潮等 ATmega8原理及應(yīng)用手冊(cè) 清華大學(xué)出版社 4、譚浩強(qiáng) C程序設(shè)計(jì) 清華大學(xué)出版社 5、 何希才 新型實(shí)用電子電路400例 電子工業(yè)出版社 6、 趙負(fù)圖 傳感器集成電路手冊(cè),第一版 化學(xué)工業(yè)出版社 7、 陳伯時(shí) 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng),第二版 機(jī)械工業(yè)出版社 8、嵌入之夢(mèng)家園 超聲波測(cè)距傳感器DIY www.embedream.com 9、嵌入之夢(mèng)家園 圓夢(mèng)小車第四代 www.embedream.com 10、Arduino Homepage Arduino Nano user manual www.arduino.cc 論 文 小 結(jié) 珍貴的三年的大專生活已接近尾聲，感覺(jué)非常有必要總結(jié)一下大專三年的得失，從中繼承做得好的方面改進(jìn)不足的地方，使自己回顧走過(guò)的路，也更是為了看清將來(lái)要走的路。 在學(xué)習(xí)知識(shí)這段時(shí)間里，我與老師建立了濃厚的師生情誼。老師們的諄諄教導(dǎo)，使我體會(huì)了學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。我與身邊許多同學(xué)，也建立了良好的學(xué)習(xí)關(guān)系，互幫互助，克服難關(guān)?，F(xiàn)在我已經(jīng)接近畢業(yè)，正在做畢業(yè)設(shè)計(jì)，更鍛煉了自我的動(dòng)手和分析問(wèn)題能力，受益匪淺。 通過(guò)三年的大專生活，我學(xué)到了很多知識(shí)，更重要的是有了較快掌握一種新事物的能力。思想變成熟了許多，性格更堅(jiān)毅了。認(rèn)識(shí)了許多同學(xué)和老師，建立起友誼，并在與他們的交往中提升了自身素質(zhì)，認(rèn)清了自身的一些短處并盡力改正。 回顧三年，本人在思想覺(jué)悟上始終對(duì)自己有較高的要求，能用科學(xué)發(fā)展觀來(lái)認(rèn)識(shí)世界認(rèn)識(shí)社會(huì)，能清醒的意識(shí)到自己所擔(dān)負(fù)的社會(huì)責(zé)任，對(duì)個(gè)人的人生理想和發(fā)展目標(biāo)，有了相對(duì)成熟的認(rèn)識(shí)和定位。 在專業(yè)課程的學(xué)習(xí)上，根據(jù)自身專業(yè)方向的要求，有針對(duì)性的認(rèn)真研讀了有關(guān)核心課程，為自己的學(xué)習(xí)工作打下扎實(shí)基礎(chǔ)；并涉獵了一部分其他課程，開闊視野，對(duì)本專業(yè)方向的應(yīng)用背景以及整個(gè)學(xué)科的結(jié)構(gòu)有了宏觀的認(rèn)識(shí)。 在學(xué)習(xí)工作上，根據(jù)導(dǎo)師的指導(dǎo)，研讀了大量論著，逐步明確了發(fā)展方向，通過(guò)自身不斷的努力，以及與師長(zhǎng)同學(xué)間的探討交流，取得了一些比較滿意的成果。在這期間，綜合分