心形燈課程設(shè)計(jì)報(bào)告-論文

1、-PAGE . z光源循跡小車的控制與設(shè)計(jì)摘 要：本文介紹了利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)小車自動尋跡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。自動尋跡是基于自動導(dǎo)引小車AGVauto-guided vehicle機(jī)器人系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)小車自動識別路線。本設(shè)計(jì)采用在白紙上畫有黑色線條作引導(dǎo)路線，使用光電傳感器感知導(dǎo)引線。系統(tǒng)控制核心采用ATmega單片機(jī),系統(tǒng)驅(qū)動采用直流減速電機(jī)，驅(qū)動芯片為L298。該技術(shù)可以應(yīng)用于無人駕駛機(jī)動車等領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：尋跡小車；ATmega；光電傳感器；Source Tracing CarAbstract：This paper describes the use of photoelectric senso

2、r automatically tracing the car Design and Implementation. Automatic tracing is based on the Automated Guided Vehicle (AGV-auto-guided vehicle) robot system to achieve automatic identification trolley line. The design is painted in black on white lines to guide line, the use of photoelectric sensor

3、perception guide wire. ATmega core system control using SCM system driven by DC geared motor, driver chips for L298. The technology can be applied in areas such as unmanned aerial vehiclesKey words:trailing car；ATmega；photoelectric sensor；目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc1983645111 系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)及方案確定( P

4、AGEREF _Toc198364511 h 1)HYPERLINK l _Toc1983645121.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求( PAGEREF _Toc198364512 h 1)HYPERLINK l _Toc1983645131.2 方案比擬與確定( PAGEREF _Toc198364513 h 1)HYPERLINK l _Toc198364514 單片機(jī)的選型( PAGEREF _Toc198364514 h 1)HYPERLINK l _Toc198364515 車體的選型( PAGEREF _Toc198364515 h 2)HYPERLINK l _Toc1983645161.2

5、.3 尋跡傳感器模塊的選型( PAGEREF _Toc198364516 h 2)HYPERLINK l _Toc1983645171.2.4 電機(jī)的選型( PAGEREF _Toc198364517 h 3)HYPERLINK l _Toc1983645182 光源尋跡小車的設(shè)計(jì)思路及總體構(gòu)造( PAGEREF _Toc198364518 h 3)HYPERLINK l _Toc1983645192.1 設(shè)計(jì)與構(gòu)思( PAGEREF _Toc198364519 h 3)HYPERLINK l _Toc1983645202.2 總體設(shè)計(jì)( PAGEREF _Toc198364520 h 3)H

6、YPERLINK l _Toc1983645213 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)( PAGEREF _Toc198364521 h 4)HYPERLINK l _Toc1983645223.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)( PAGEREF _Toc198364522 h 4)HYPERLINK l _Toc1983645233.2 ATmega16芯片( PAGEREF _Toc198364523 h 5)HYPERLINK l _Toc1983645243.3 紅外探測器的設(shè)計(jì)( PAGEREF _Toc198364524 h 8)HYPERLINK l _Toc1983645253.3.1 光電傳感器( PAGER

7、EF _Toc198364525 h 8)HYPERLINK l _Toc1983645263.3.2 LM339芯片( PAGEREF _Toc198364526 h 9)HYPERLINK l _Toc1983645273.4 電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動模塊( PAGEREF _Toc198364527 h 10)HYPERLINK l _Toc1983645283.4.1 電機(jī)( PAGEREF _Toc198364528 h 10)HYPERLINK l _Toc1983645293.4.2 電機(jī)的驅(qū)動及L298芯片( PAGEREF _Toc198364529 h 10)HYPERLINK l

8、_Toc1983645303.5 PCB圖制作( PAGEREF _Toc198364530 h 14)HYPERLINK l _Toc1983645314 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)( PAGEREF _Toc198364531 h 16)HYPERLINK l _Toc1983645324.1 軟件所實(shí)現(xiàn)的功能及軟件流程( PAGEREF _Toc198364532 h 16)HYPERLINK l _Toc1983645334.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖( PAGEREF _Toc198364533 h 18)HYPERLINK l _Toc1983645345 系統(tǒng)調(diào)試( PAGEREF _Toc1983

9、64534 h 20)HYPERLINK l _Toc1983645356 總結(jié)( PAGEREF _Toc198364535 h 21)光源尋跡小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)及方案確定1.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求尋跡小車涉及到機(jī)械學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)等多方面的知識，是一個(gè)運(yùn)用計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動控制等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、規(guī)劃決策和自動行駛為一體的高新技術(shù)綜合體。它在軍事、民用和科技研究等方面已獲得了應(yīng)用，對解決道路交通平安提供了一種新的途徑。本設(shè)計(jì)的任務(wù)是以ATmega16為核心，利用自制傳感器識別黑色引導(dǎo)線，ATmega16控制集成H橋芯片驅(qū)動兩個(gè)帶減速機(jī)構(gòu)的小直流電機(jī)，小直流電機(jī)分

10、別驅(qū)動左右車輪沿黑色引導(dǎo)線行駛。1.2方案比擬與確定單片機(jī)的選型方案1：核心芯片采用凌陽單片機(jī)，型號為SPCE061A,此單片機(jī)置32KWORD ROM，2KWORD SRAM，2個(gè)定時(shí)器，2個(gè)外部中斷，1個(gè)串口，32個(gè)通用IO口，外部接32.768KHz的晶振，部通過PLL鎖相環(huán)電路倍頻后最高可達(dá)49.152MHz。系統(tǒng)可處于低功耗睡眠狀態(tài)，并可通過外部中斷喚醒，系統(tǒng)具有低電壓復(fù)位和低電壓檢測功能，并自帶看門狗復(fù)位，最主要的是置有在線仿真電路,極方便用戶調(diào)試程序。因?yàn)槭枪I(yè)級芯片，價(jià)格偏貴。方案2：核心芯片采用型號為ATmega16。ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC構(gòu)造的低功耗8

11、位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHZ,從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。比擬以上兩種方案：本系統(tǒng)決定采用核心芯片為ATmega16的AVR單片機(jī)系統(tǒng)，因?yàn)锳VR單片機(jī)在市場上十分容易購置,價(jià)格廉價(jià)。本系統(tǒng)比擬簡單，不需要SPCE061A則復(fù)雜和大容量的ROM和RAM。車體的選型方案1：購置玩具電動車。購置的玩具電動車具有組裝完整的車架車輪、電機(jī)及其驅(qū)動電路。但是一般的說來，玩具電動車具有如下缺點(diǎn)：首先，這種玩具電動車由于裝配緊湊，使得各種所需傳感器的安裝十分不方便。其次，這種電動車一般都是前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動

12、，不能適應(yīng)該題目的方格地圖，不能方便迅速的實(shí)現(xiàn)原地保持坐標(biāo)轉(zhuǎn)90度甚至180度的彎角。再次，玩具電動車的電機(jī)多為玩具直流電機(jī)，力矩小，空載轉(zhuǎn)速快，負(fù)載性能差，不易調(diào)速。而且這種電動車一般都價(jià)格不菲。因此放棄了此方案。方案2：自己制作電動車。經(jīng)過反復(fù)考慮論證，制定了左右兩輪分別驅(qū)動，后萬向輪轉(zhuǎn)向的方案。即左右輪分別用兩個(gè)轉(zhuǎn)速和力矩根本完全一樣的直流電機(jī)進(jìn)展驅(qū)動，車體尾部裝一個(gè)萬向輪。這樣，當(dāng)兩個(gè)直流電機(jī)轉(zhuǎn)向相反同時(shí)轉(zhuǎn)速一樣時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)電動車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松的實(shí)現(xiàn)小車坐標(biāo)不變的90度和180度的轉(zhuǎn)彎。在安裝時(shí)保證兩個(gè)驅(qū)動電機(jī)同軸。當(dāng)小車前進(jìn)時(shí)，左右兩驅(qū)動輪與后萬向輪形成了三點(diǎn)構(gòu)造。這種構(gòu)造

13、使得小車在前進(jìn)時(shí)比擬平穩(wěn)，可以防止出現(xiàn)后輪過低而使左右兩驅(qū)動輪驅(qū)動力不夠的情況。為了防止小車重心的偏移，后萬向輪起支撐作用。綜上考慮，方案2更好，所以選擇了方案2。 尋跡傳感器模塊的選型方案1：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。方案2：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

14、，假設(shè)紅外接收管能接收到反射回的光線則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)出的光線則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。綜上考慮，方案2更適合本設(shè)計(jì)，所以選擇方案2。 電機(jī)的選型方案1：采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)。由于其轉(zhuǎn)過的角度可以準(zhǔn)確的定位，可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的準(zhǔn)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)。方案2：采用直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其部由高速電動機(jī)提供原始動力

15、，帶動變速減速齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。經(jīng)過綜合考慮，選擇方案2光源尋跡小車的設(shè)計(jì)思路及總體構(gòu)造2.1設(shè)計(jì)與構(gòu)思本設(shè)計(jì)是讓小車在白色地板上循黑線行走，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；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是以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。原理圖如圖1所示。圖1 紅外探測法承受原理2.2 總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)以

16、ATmega16為核心，利用自制傳感器識別黑色引導(dǎo)線，ATmega16控制集成H橋芯片驅(qū)動兩個(gè)帶減速機(jī)構(gòu)的小直流電機(jī)，小直流電機(jī)分別驅(qū)動左右車輪沿黑色引導(dǎo)線行駛。系統(tǒng)構(gòu)造圖如圖2所示。圖2 系統(tǒng)構(gòu)造圖系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)本最小系統(tǒng)采用ATmega16芯片作為核心，ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC構(gòu)造的低功耗8位CMOS微控制器。AVR 核具有豐富的指令集和32 個(gè)通用工作存放器。所有的存放器都直接與算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期同時(shí)兩個(gè)獨(dú)立的存放器。這種構(gòu)造大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。

17、AVR有一個(gè)靈活的中斷模塊?？刂拼娣牌魑挥贗/O空間。狀態(tài)存放器里有全局中斷使能位。每個(gè)中斷在中斷向量表里都有獨(dú)立的中斷向量。各個(gè)中斷的優(yōu)先級與其在中斷向量表的位置有關(guān)，中斷向量地址越低，優(yōu)先級越高。I/O 存儲器空間包含64 個(gè)可以直接尋址的地址，作為CPU 外設(shè)的控制存放器、SPI，以及其他I/O 功能。映射到數(shù)據(jù)空間即為存放器文件之后的地址0*20-0*5F。1電路如圖3所示。圖3 最小系統(tǒng)原理圖3.2 ATmega16芯片-. z功能特性描述：ATmega16有16K字節(jié)的系統(tǒng)可編程Flash具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O口線，

18、32個(gè)通用工作存放器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片調(diào)試與編程，三個(gè)具有比擬模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T/C，片/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP封裝)的ADC，具有片振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI串行端口，以及六個(gè)可以通過軟件進(jìn)展選擇的省電模式。工作于空閑模式時(shí)CPU停頓工作，而USART、兩線接口、A/D轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停頓振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停頓工作；在省電模式下，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能

19、模塊處于休眠狀態(tài)；ADC 噪聲抑制模式時(shí)終止CPU 和除了異步定時(shí)器與ADC 以外所有I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的開關(guān)噪聲；Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動能力；擴(kuò)展Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。2本芯片是以Atmel 高密度非易失性存儲器技術(shù)生產(chǎn)的。片ISP Flash 允許程序存儲器通過ISP 串行接口，或者通用編程器進(jìn)展編程，也可以通過運(yùn)行于AVR 核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)展編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲區(qū)(ApplicationFlas

20、h Memory)。在更新應(yīng)用Flash存儲區(qū)時(shí)引導(dǎo)Flash區(qū)(Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了RWW操作。通過將8位RISC CPU 與系統(tǒng)可編程的Flash 集成在一個(gè)芯片，ATmega16 成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低本錢的解決方案。ATmega16具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C 語言編譯器、宏匯編、程序調(diào)試器/ 軟件仿真器、仿真器及評估板。引腳示意圖如圖4所示。圖4 ATmega16示意圖ATmega16引腳功能如表1所示。表1 ATmega16引腳功能VCC數(shù)字電路的電源GND地端口A(PA7.PA0)端口A做為A

21、/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口A為8位雙向I/O口，具有可編程的部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，假設(shè)部上拉電阻使能端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口A 處于高阻狀態(tài)。端口B(PB7.PB0)端口B為8 位雙向I/O口，具有可編程的部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，假設(shè)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口B處于高阻狀態(tài)。端口C(PC7.PC0)端口C為8位雙向I/O口，具有可編程的部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對

22、稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，假設(shè)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口C處于高阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳PC5(TDI)、PC3(TMS)與PC2(TCK)的上拉電阻被激活。端口D(PD7.PD0)端口D為8位雙向I/O口，具有可編程的部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，假設(shè)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口D處于高阻態(tài)。RESET復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時(shí)間超過最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。持續(xù)時(shí)間

23、小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。*TAL1反向振蕩放大器與片時(shí)鐘操作電路的輸入端。*TAL2反向振蕩放大器的輸出端。AVCCAVCC是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時(shí)，該引腳應(yīng)直接與VCC連接。使用ADC時(shí)應(yīng)通過一個(gè)低通濾波器與VCC連接。AREFA/D 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。3.3 紅外探測器的設(shè)計(jì) 光電傳感器紅外探測器局部主要由三個(gè)光電傳感器組成，包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的二極管和一個(gè)用作接收器的發(fā)光三極管。采用紅外管代替可見光可以降低背景光的干擾。發(fā)射管發(fā)出一定光強(qiáng)的紅外信號，光電管接收發(fā)射的紅外信號。紅外光的發(fā)送接收選用型號為ITR9909的對管。當(dāng)小車在白色地面行駛時(shí)，裝在車

24、下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號，經(jīng)白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號，則圖中光敏三極管將導(dǎo)通，比擬器輸出為低電平；當(dāng)小車行駛到黑色引導(dǎo)線時(shí)，紅外線信號被黑色吸收后，光敏三極管截止，比擬器輸出高電平，從而實(shí)現(xiàn)了通過紅外線檢測信號的功能。將檢測到的信號送到單片機(jī)I/O口，當(dāng)I/O口檢測到的信號為高電平時(shí)，說明紅外光被地上的黑色引導(dǎo)線吸收了，說明小車處在黑色的引導(dǎo)線上；同理，當(dāng)I/O口檢測到的信號為低電平時(shí)，說明小車行駛在白色地面上。此種方法簡單，價(jià)格廉價(jià)，靈敏度可調(diào)。在小車具體的循跡行走過程中，為了能準(zhǔn)確測定黑線位置并確定小車行走的方向，需要同時(shí)在底盤裝設(shè)3個(gè)紅外探測頭，全部在一條直線上

25、。小車行走時(shí)，始終保持在黑線上，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，第一級探測器一旦探測到有黑線，單片機(jī)就會按照預(yù)先編定的程序發(fā)送指令給小車的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再對小車路徑予以糾正。假設(shè)小車回到了軌道上，小車會繼續(xù)向前行走。3原理圖如圖5所示。圖5 尋跡電路原理圖 LM339芯片LM339集成塊部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比擬器，該電壓比擬器的特點(diǎn)是：1失調(diào)電壓小，典型值為2mV；2電源電壓圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為1V-18V；3比照擬信號源的阻限制較寬；4差動輸入電壓圍較大，大到可以等于電源電壓；5輸出端電位可靈活方便地選用。4芯片管腳如圖6所示。圖6 LM339芯片管腳3.4 電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動模塊 電機(jī)

26、本設(shè)計(jì)中使用直流減速電機(jī)，直流電機(jī)驅(qū)動電路使用最廣泛的就是H型全橋式電路，這種驅(qū)動電路可以很方便實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。全橋式驅(qū)動電路的4只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)，S1、S2為一組，S3、S4為另一組，兩組的狀態(tài)互補(bǔ)，一組導(dǎo)通則另一組必須關(guān)斷。當(dāng)S1、S2導(dǎo)通時(shí)，S3、S4關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當(dāng)S3、S4導(dǎo)通時(shí)，S1、S2關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。在小車動作的過程中，我們要不斷地使電機(jī)在四個(gè)象限之間切換，即在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換，也就是在S1、S2導(dǎo)通且S3、S4關(guān)斷，到S1、S2關(guān)斷且S3、 S4

27、導(dǎo)通，這兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。在這種情況下，理論上要求兩組控制信號完全互補(bǔ)，但是，由于實(shí)際的開關(guān)器件都存在開通和關(guān)斷時(shí)間，絕對的互補(bǔ)控制邏輯必然導(dǎo)致上下橋臂直通短路，比方在上橋臂關(guān)斷的過程中，下橋臂導(dǎo)通了。此過程用圖7說明。圖7 全橋式驅(qū)動電路的切換過程 電機(jī)的驅(qū)動及L298芯片設(shè)計(jì)中可使用分立元件構(gòu)成驅(qū)動電路，但由分立元件構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動電路，構(gòu)造簡單，價(jià)格低廉，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。小車的驅(qū)動不但要求電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)具有高轉(zhuǎn)矩重量比、寬調(diào)速圍、高可靠性，而且電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性受電源功 率的影響，這就要求驅(qū)動具有盡可能寬的高效率區(qū)。本設(shè)計(jì)中使用集成有橋式電路的電機(jī)專用驅(qū)動

28、芯片L298，性能比擬穩(wěn)定可靠。根據(jù)電動機(jī)的單片機(jī)控制中對直流電機(jī)驅(qū)動的描述，同樣的H橋電路，使用不同的控制信號，可以實(shí)現(xiàn)兩種不同的控制方式，其一是雙極性可逆PWM驅(qū)動，其二是單極性受限可逆PWM驅(qū)動。對于雙極性可逆PWM驅(qū)動方式，電機(jī)在一個(gè)PWM周期過相反的電流，正轉(zhuǎn)、停頓、反轉(zhuǎn)取決于兩個(gè)方向電流的持續(xù)時(shí)間，如果相等則為停頓。這個(gè)方式的好處是低速穩(wěn)定，啟動快，但是耗電大。對于單極性受限PWM驅(qū)動方式，電機(jī)在一個(gè)PWM周期中的電流是同方向的，驅(qū)動電機(jī)的功率大小取決于電流的持續(xù)時(shí)間，也就是說在一個(gè)PWM周期中，電機(jī)的電流有為0的時(shí)候，稱之為斷流現(xiàn)象。無疑，這種方式在PWM值較小時(shí)斷流的時(shí)間就較長

29、，電機(jī)運(yùn)行就不穩(wěn)定，也就是低速性能不好，但是由于沒有反向電流消耗，所以耗電少。基于這樣的原理，擬采用如下控制方式：在PWM控制值小于30%時(shí)，采用雙極性可逆驅(qū)動，大于30% 則采用單極性受限可逆驅(qū)動。為了可以獲得最好的電機(jī)驅(qū)動特性，將PWM周期設(shè)計(jì)為可變，這樣在調(diào)試中可以找到適宜的工作參數(shù)。在程序中設(shè)置計(jì)算電機(jī)控制參數(shù)標(biāo)志，當(dāng)PWM的數(shù)據(jù)變化時(shí)，則建立此標(biāo)志，根據(jù)PWM的值及PWM的周期計(jì)算出數(shù)據(jù)。先根據(jù)PWM的值判斷應(yīng)當(dāng)處于哪種驅(qū)動模式。如果是單極性受限PWM驅(qū)動模式，則直接根據(jù)PWM值和PWM的頻率即可計(jì)算出前、后半周期持續(xù)時(shí)間。然后再根據(jù)轉(zhuǎn)動方向給出電機(jī)輸出控制字。如果是雙極性可逆PWM

30、驅(qū)動模式，根據(jù)PWM值、轉(zhuǎn)動方向、PWM頻率計(jì)算出錢后半周的持續(xù)時(shí)間，其前、后半周的電機(jī)輸出控制字不隨轉(zhuǎn)動方向變化，其轉(zhuǎn)動方向由前、后半周持續(xù)時(shí)間的比例決定。驅(qū)動電路如圖8所示。圖8 驅(qū)動電路L298是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298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，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。兩組控制信號分別為ENA、IN1、IN2和ENB、IN3、IN4，其中ENA和ENB是使能信號。IN1、IN2和IN3、IN4為電機(jī)轉(zhuǎn)動方向控制信號，IN1、IN2分別為1、0時(shí)，左電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之左電機(jī)反轉(zhuǎn)；IN3、IN4分別為1、0時(shí)

31、，右電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之友電機(jī)反轉(zhuǎn)。選用PWM連接ENA或ENB引腳，通過調(diào)整PWM的占空比可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。L298芯片的引腳和部構(gòu)造分別如圖9和圖10所示。圖9 L298的引腳圖10 L298的部構(gòu)造L298的引腳功能如表2所示。表2 L298的引腳功能CURRENT SENSING B輸出電流反應(yīng)BOUTPUT 4電壓輸出B1OUTPUT 3電壓輸出B2INPUT 4控制輸入B1ENABLE B使能端BINPUT 3控制輸入B2LOGIC SUPPLY VOLTAGE VSS邏輯電影VssGND地INPUT 2控制輸入A1ENABLE A使能端AINPUT 1控制輸入A2SUPPLY VOL

32、TAGE VS電動機(jī)驅(qū)動電源OUTPUT 2電壓輸出A1OUTPUT 1電壓輸出A2CURRENT SENSING A輸出電流反應(yīng)A3.5 PCB圖制作PCB圖制作要分幾個(gè)步驟進(jìn)展。第一步是PCB圖紙根本設(shè)置，根據(jù)所設(shè)計(jì)的工程確定將要設(shè)計(jì)的PCB板的尺寸、形狀、安裝方式及PCB板的工作層數(shù)。這一步需要綜合考慮各方面因素，以到達(dá)系統(tǒng)最正確工作性能為目的。第二步是加載網(wǎng)絡(luò)列表信息。通過加載在電路原理圖中生成的網(wǎng)絡(luò)列表文件，將電路原理圖中的信息傳輸?shù)絇CB設(shè)計(jì)中，如果加載有錯(cuò)誤發(fā)生，則需要修改電路原理圖中的元件符號與原件封裝間的對應(yīng)關(guān)系，直到成功導(dǎo)入為止。第三步是PCB元件布局。所有的元件PCB封裝

33、被正確導(dǎo)入到PCB設(shè)計(jì)文件后，接下來需要做的工作是對所有的元件PCB封裝按照一定的規(guī)矩和要求進(jìn)展布局，布局有自動布局和手動布局兩種方式，如果元件PCB封裝符號較多，一般先選擇自動布局，然后進(jìn)展手工調(diào)整布局；反之，最好使用手動布局。第四步是布線規(guī)則設(shè)置。根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)展布線前的布線規(guī)則約束設(shè)定，使自動布線器能夠按照預(yù)定的布線規(guī)則要求進(jìn)展自動布線，以及為手工布線過程中的在線規(guī)則檢查提供依據(jù)，以實(shí)時(shí)提示走線方式的正確性。第五步是布線。布線分為手動布線和自動布線，一般如果PCB板不是很大，最好使用純手工布線，或者利用手工布線和自動布線相結(jié)合的方式。布線的時(shí)候?yàn)榱朔奖悴季€和設(shè)計(jì)使用，可根據(jù)需要再次調(diào)整

34、元件PCB封裝符號的布局和元件PCB封裝的類型，利用protel的同步器設(shè)計(jì)工具可以很好地配合這樣的修改工作。第六步是設(shè)計(jì)規(guī)則檢查。布線完成后，和電路原理圖設(shè)計(jì)一樣，需要對所完成的PCB設(shè)計(jì)進(jìn)展設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，以確定設(shè)計(jì)能完全符合布線布局要求。正確無誤后，就可以對設(shè)計(jì)的PCB板添加標(biāo)注和注釋等信息。第七步是設(shè)計(jì)文件輸出。包括設(shè)計(jì)中的詳細(xì)材料如報(bào)表文件等文件的輸出。5本設(shè)計(jì)在protel99軟件上畫好原理圖然后生成PCB圖，對PCB圖的各種規(guī)則進(jìn)展設(shè)置，包括有導(dǎo)線的寬度為20mil，導(dǎo)線間距為10mil等等。6驅(qū)動電路模塊以及光電傳感器的PCB圖如圖11與圖12所示。圖11 驅(qū)動電路的PCB圖圖1

35、2 光電傳感器的PCB圖系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)4.1 軟件所實(shí)現(xiàn)的功能及軟件流程軟件所要實(shí)現(xiàn)的功能是檢測黑色路線的走向，跟著黑色路線行走。在Atmega的存放器中，有定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TT2、輸出比擬存放器OCR2為8位存放器。所有中斷都可以通過定時(shí)器中斷屏蔽存放器TIMSK單獨(dú)進(jìn)展屏蔽。T/C的時(shí)鐘可以為通過預(yù)分頻器的部時(shí)鐘或通過由TOSC1/2引腳接入的異步時(shí)鐘。異步操作由異步狀態(tài)存放器ASSR控制。時(shí)鐘選擇邏輯模塊控制引起T/C計(jì)數(shù)值增加(或減少)的時(shí)鐘源。沒有選擇時(shí)鐘源時(shí)T/C處于停頓狀態(tài)。時(shí)鐘選擇邏輯模塊的輸出稱為clkT2。雙緩沖的輸出比擬存放器OCR2一直與TT2的數(shù)值進(jìn)展比擬。波形發(fā)生器利

36、用比擬結(jié)果產(chǎn)生PWM波形或在比擬輸出引腳OC2輸出可變頻率的信號。比擬匹配結(jié)果還會置位比擬匹配標(biāo)志OCF2，用來產(chǎn)生輸出比擬中斷請求。比擬匹配輸出單比擬匹配模式控制位21:0具有雙重功能。波形發(fā)生器利用21:0來確定下一次比擬匹配發(fā)生時(shí)的輸出比擬狀態(tài)(OC2)；21:0還控制OC2 引腳輸出信號的來源。比擬輸出模式和波形產(chǎn)生，只要21:0的一個(gè)或兩個(gè)置位，波形發(fā)生器的輸出比擬功能OC2就會取代通用I/O口功能。但是OC2引腳的方向仍然受控于數(shù)據(jù)方向存放器(DDR)。在使用OC2功能之前首先要通過數(shù)據(jù)方向存放器的DDR_OC2位將此引腳設(shè)置為輸出。端口功能與波形發(fā)生器的工作模式無關(guān)。輸出比擬邏輯

37、的設(shè)計(jì)允許OC2狀態(tài)在輸出之前首先進(jìn)展初始化。比擬輸出模式和波形產(chǎn)生波形發(fā)生器利用21:0的方式在普通、CTC和PWM三種模式下有所區(qū)別。對于所有的模式，21:0 = 0說明比擬匹配發(fā)生時(shí)波形發(fā)生器不會操作OC2存放器。改變21:0將影響寫入數(shù)據(jù)后的第一次比擬匹配。對于非PWM模式，可以通過使用FOC2來強(qiáng)制立即產(chǎn)生效果。7在普通模式下，TOV2標(biāo)志的置位發(fā)生在計(jì)數(shù)器從MA*變?yōu)?*00的定時(shí)器時(shí)鐘周期?？焖貾WM模式快速PWM模式(WGM21:0 = 3)可用來產(chǎn)生高頻的PWM波形?？焖貾WM模式與其他PWM模式的不同之處是其單邊斜坡工作方式。計(jì)數(shù)器從BOTTOM計(jì)到MA*，然后立即回到BO

38、TTOM重新開場。對于普通的比擬輸出模式，輸出比擬引腳OC2在TT2與OCR2匹配時(shí)清零，在BOTTOM時(shí)置位；對于反向比擬輸出模式，OC2的動作正好相反。由于使用了單邊斜坡模式，快速PWM 模式的工作頻率比使用雙斜坡的相位修正PWM模式高一倍。此高頻操作特性使得快速PWM模式十分適合于功率調(diào)節(jié)，整流和DAC應(yīng)用。高頻可以減小外部元器件(電感，電容)的物理尺寸，從而降低系統(tǒng)本錢。工作于快速PWM模式時(shí)，計(jì)數(shù)器的數(shù)值一直增加到MA*，然后在后面的一個(gè)時(shí)鐘周期清零。TT2 斜坡上的短水平線表示OCR2和TT2的比擬匹配。計(jì)時(shí)器數(shù)值到達(dá)MA*時(shí)T/C溢出標(biāo)志TOV2置位。如果中斷使能，在中斷效勞程序

39、中斷效勞程序可以更新比擬值。工作于快速PWM 模式時(shí)，比擬單元可以在OC2引腳上輸出PWM波形。設(shè)置21:0為2可以產(chǎn)生普通的PWM信號；為3則可以產(chǎn)生反向PWM波形。要想在引腳上得到輸出信號還必須將OC2的數(shù)據(jù)方向設(shè)置為輸出。產(chǎn)生PWM波形的機(jī)理是OC2存放器在OCR2與TT2匹配時(shí)置位(或清零)，以及在計(jì)數(shù)器清零(從MA*變?yōu)锽OTTOM)的那一個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期清零(或置位)。輸出的PWM頻率可以通過如下公式計(jì)算得到：fOPWM=fclk_I/ON*256變量N代表分頻因子(1、8、32、64、128、256或1024)。8OCR2存放器為極限值時(shí)表示快速PWM模式的一些特殊情況。假設(shè)OC

40、R2A等于BOTTOM，輸出為出現(xiàn)在第MA*+1個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期的窄脈沖；OCR2為MA*時(shí)，根據(jù)21:0的設(shè)定，輸出恒為高電平或低電平。通過設(shè)定OC2 在比擬匹配時(shí)進(jìn)展邏輯電平取反(21:0 = 1)，可以得到占空比為50%的周期信號。OCR2為0時(shí)信號有最高頻率foc2 = fclk_I/O2。這個(gè)特性類似于CTC模式下的OC2 取反操作，不同之處在于快速PWM模式具有雙緩沖。 最后，系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)展初始化，延時(shí)后啟動電機(jī)，并啟動紅外探測模塊。運(yùn)行中，不斷檢測路線來調(diào)整車的前進(jìn)方向。車進(jìn)入循跡模式后，即開場不停地掃描與探測器連接的單片機(jī)I/O口，一旦檢測到*個(gè)I/O口有信號，即進(jìn)入判斷

41、處理程序。先確定3個(gè)探測器中的哪一個(gè)探測到了黑線，如果左邊的傳感器或者探測到黑線，即小車左半局部壓到黑線，車身向右偏出，此時(shí)就輸出高電平應(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)；如果是右邊傳感器探測到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左偏出了軌跡，就輸出低電平使小車向右轉(zhuǎn)。在經(jīng)過了方向調(diào)整后，小車再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測黑線重復(fù)上述動作。兩邊的光電傳感器都沒檢測到黑線，小車直線行走。4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖13所示。圖13 系統(tǒng)流程圖主要程序如下：*include*include/宏定義*define M_FLAG (PINA&(1PA0)*define R_FLAG (PINA&(1PA1)*de

42、fine L_FLAG (PINA&(1PA2)/函數(shù)聲明move_play(void);PWM_INIT(void);PORT_INIT(void);unsigned char last1_flag,cur_flag;unsigned int TA,TB,timer;void delayms(unsigned int t) unsigned int i; for(;t!=0;t-)for(i=8000;i!=0;i-) ;move_play(void) last1_flag=cur_flag;/上1次傳感器狀態(tài) cur_flag=M_FLAG|R_FLAG|L_FLAG;/當(dāng)前傳感器狀態(tài)sw

43、itch(cur_flag) case 0*01:OCR1A=935;OCR1B=935;break;/未偏case 0*00:if(last1_flag=0*02)OCR1A=1000;OCR1B=920;/左大偏 else if(last1_flag=0*04) OCR1A=920;OCR1B=1000;break;/右大偏case 0*02:OCR1A=980;OCR1B=925;break;/左偏case 0*04:OCR1A=925;OCR1B=980;break;/右偏default:OCR1A=935;OCR1B=935;break; PWM_INIT(void) TCCR1A=

44、0*f3;/*設(shè)置T1工作在PWM方式，分辨率為10位*/ TCCR1B=0*02;/*8分頻，PWM的頻率為1M/2046*/ OCR1A=0;/*初始化比擬器OCR1A的值*/ OCR1B=0;/*初始化比擬器OCR1B的值*/ /端口初始化 PORT_INIT(void) DDRA=0*00; DDRD=0*ff; PORTD=0*ff; DDRB=0*ff; PORTB=0*0f; /主函數(shù) main(void) PWM_INIT(); PORT_INIT(); while(1) move_play(); 系統(tǒng)調(diào)試調(diào)試測速脈沖輸入，確定采樣器的位置和對應(yīng)電路中的參數(shù)，以使輸入的脈沖信號盡量為50%占空比；調(diào)試幾個(gè)特定PWM值下的PWM頻率，確定針