教學(xué)用多功能單片機(jī)智能車設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

華 俊， 高紅葉， 魏曉東

（上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

在單片機(jī)面世后短短的二三十年時間里，單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器儀表、消費(fèi)產(chǎn)品、汽車、辦公自動化和通信等領(lǐng)域［1］.單片機(jī)是有些專業(yè)同學(xué)必修的一門課程，在教學(xué)過程中主要以老師講課為主，再配合一定課時的實(shí)驗課.這樣的教學(xué)方式比較枯燥無味同學(xué)面對單調(diào)的實(shí)驗箱，無法激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情.而學(xué)習(xí)單片機(jī)又注重理論與實(shí)際的結(jié)合，軟件與硬件結(jié)合.怎樣讓學(xué)生學(xué)好這門技術(shù)，各大院校也給出了各自的建議［2～4］.以單片機(jī)為控制核心，配以外圍電路以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的智能車，選用經(jīng)典的51系列單片機(jī)P89V51，其下載電路簡單，無需專門的編程下載工具.車輛移動選擇步進(jìn)電機(jī)39BYG401A作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠精確控制小車的移動距離和轉(zhuǎn)向角度.避障、循跡和測距功能的實(shí)現(xiàn)借助了紅外技術(shù)，由紅外發(fā)射管TSAL6200、紅外一體化接收管LL－M6038和紅外光敏三極管3DU5C來輔助完成.同時，選用體積較小的LCD1602進(jìn)行信息的顯示.

1 智能車系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

作為智能車的控制核心的P89V51RD2FN單片機(jī)，是一款低功耗的8位51核單片，片內(nèi)有64 KB

Flash程序存儲器和1KB RAM數(shù)據(jù)存儲器［5］.支持ISP編程，只需串口電路并配合下載軟件即可完成程序下載過程.智能車主要由電源穩(wěn)壓電路、單片機(jī)復(fù)位電路、串口電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路、時鐘源電路、紅外電路、蜂鳴器電路和液晶電路組成.由于單片機(jī)I／O資源有限，對某些端口進(jìn)行了復(fù)用，并通過短接帽進(jìn)行選擇，系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 智能車系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the smart car

與很多其它的智能車相比，本智能車并非單純追求速度而去選擇直流電機(jī)，更是要體現(xiàn)精確控制.所以，選擇了常用于精確控制的步進(jìn)電機(jī)，并配合不同的實(shí)驗讓同學(xué)更了解步進(jìn)電機(jī).同時在使用步進(jìn)電機(jī)的時候，如何配合好其它傳感器的使用、單片機(jī)的編程，是不同于其它智能車的地方.整體智能車如圖2所示.

圖2 整體智能車Fig.2 Overview of smart car

1.2 各部分電路設(shè)計

1.2.1 電源穩(wěn)壓電路

智能車使用兩種規(guī)格的電池進(jìn)行供電，分別為8V和16V的鋰電池.由于步進(jìn)電機(jī)的功耗相對于其它電路來說較大，因此由電壓轉(zhuǎn)換芯片7812將16V轉(zhuǎn)換為12V后單獨(dú)向電機(jī)驅(qū)動部分進(jìn)行供電，并且為了提高電源的驅(qū)動力并聯(lián)了兩個7812一起向電機(jī)驅(qū)動模塊供電.而其它電路則由7805將8 V轉(zhuǎn)換為5V后進(jìn)行供電.并且為了防止電源正負(fù)極插反導(dǎo)致電路的損壞，在電源入口增加了肖特基二極管1N5817，其前向電壓僅為0.75V＠3.0ADC［6］.

1.2.2 復(fù)位電路

智能車的復(fù)位電路既可以在上電時通過RC電路使得單片機(jī)復(fù)位，又可以進(jìn)行手動復(fù)位，并帶有LED，可指示是否復(fù)位成功.

1.2.3 電機(jī)驅(qū)動電路

智能車采用的電機(jī)是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)39BYG401A，其最大靜轉(zhuǎn)距為2 300g·cm，工作電壓為12V，電流為0.4A［7］.電機(jī)驅(qū)動芯片選擇常用的L298N，其內(nèi)部為雙全橋電路，可以驅(qū)動兩個直流電機(jī)或是一個兩相步進(jìn)電機(jī)，最大工作電流為4 A，最大工作電壓可達(dá)46V［8］.智能車通過兩個步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)或是同向差速的方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，所以需要兩個L298N.同時，每個電機(jī)驅(qū)動電路使用了8個肖特基二極管1N5817作為續(xù)流二極管，吸收電機(jī)內(nèi)部電感產(chǎn)生的反向電流，如圖3所示.

1.2.4 串口電路

P89V51RD2FN支持ISP編程模式，智能車與計算機(jī)串口相連僅需3根線即可，分別是TXD、RXD和GND.在這里使用了最常用的MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，將TTL電平轉(zhuǎn)換為±9V.

1.2.5 紅外電路

紅外電路又分為3個部分，如圖4所示.

圖3 單個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路Fig.3 Single stepper motor drive circuit

圖4 紅外光敏三極管A／D轉(zhuǎn)換電路Fig.4 A／D converter circuit for infrared phototransistor

a.紅外發(fā)射管紅外發(fā)射管TSAL6200的驅(qū)動電路.單靠單片機(jī)引腳無法滿足TSAL6200工作所需的電流.因此選用了三極管放大電路，將發(fā)射管放在集電極端，并加上一個220Ω的限流電阻.限流電阻越小，發(fā)射管功率越大，發(fā)射出來的紅外光越強(qiáng).三極管的基極與38K振蕩電路相連，也就是說，只要通電，發(fā)射管就開始工作.

b.紅外一體化接收管LL－M6038的外圍電路.LL－M6038已經(jīng)對接收到的紅外信號進(jìn)行濾波與放大，使用方便，只需外部上拉10K電阻，并且VCC與GND之間放置一個電容值較大的電解電容就可以正常工作.

c.紅外光敏三極管3DU5C驅(qū)動電路.光敏三極管接收到的紅外光強(qiáng)度不同，流過三極管的電流也不同，從而產(chǎn)生在限流電阻上的電壓也不同.通過一片LM358N中的兩個運(yùn)算放大器對電壓進(jìn)行處理.一級運(yùn)算放大電路對限流電阻上的電壓進(jìn)行跟隨，并通過小電容濾去一些干擾.二級運(yùn)算放大電路對得到的電壓進(jìn)行直流放大.得到的電壓經(jīng)ADC0809進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后送往單片機(jī).

避障功能和循跡功能都使用了3組TSAL6200和LL－M6038，而測距使用了一個TSAL6200和一個3DU5C.

1.2.6 時鐘源電路

TSAL6200產(chǎn)生LL－M6038能夠接收的紅外光（940nm）需要38K的方波信號，使用了38K晶振配合典型振蕩電路的方式可以獲得較好的方波信號.同時，ADC0809也需要時鐘才能工作，在這里使用了6M晶振，并經(jīng)計數(shù)器74HC4040分頻后獲得750kHz方波.

1.2.7 蜂鳴器

智能車上還配備了一個蜂鳴器，通過單片機(jī)根據(jù)距離的遠(yuǎn)近控制其蜂鳴的頻度.同樣通過一個三極管進(jìn)行驅(qū)動.

1.2.8 液晶電路

智能車使用了液晶來顯示智能車當(dāng)前執(zhí)行的程序.液晶控制器已經(jīng)集成在了子板LCD1602上，智能車上僅提供對應(yīng)的接口.

2 智能車系統(tǒng)的軟件設(shè)計

配合硬件系統(tǒng)，通過編程智能車可以實(shí)現(xiàn)的功能為定距定向運(yùn)動、避障、尋跡以及測距.

2.1 定距定向運(yùn)動

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件［9］.步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度與電脈沖的改變有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系.通過電機(jī)驅(qū)動芯片，步進(jìn)電機(jī)能夠直接受到數(shù)字量的控制，所以特別適宜采用微機(jī)進(jìn)行控制.39BYG系列步進(jìn)電機(jī)屬于混合式步進(jìn)電機(jī)，其特點(diǎn)在于步距角小、出力大及動態(tài)性能好，是目前性能最好的步進(jìn)電機(jī)之一.智能車的兩個步進(jìn)電機(jī)并排置于小車的前端，尾部添加一個無定向輪，保持車體的平衡.

2.1.1 定距運(yùn)動

通過實(shí)測智能車的輪胎直徑，可以得到經(jīng)過n個脈沖后步智能車所走的距離.即

式中，d為智能車輪胎的直徑，d＝64mm.智能車若要行駛1m后停車，所需的脈沖個數(shù)則為

代入數(shù)據(jù)后，n≈1 989，即1 989個脈沖后，智能車行駛了1m的距離.實(shí)際測試的結(jié)果也驗證了該式的正確性.智能車的速度通過設(shè)定定時器0和定時器1的計數(shù)值來實(shí)現(xiàn)，在向正前方行進(jìn)的情況下，兩定時器的值應(yīng)設(shè)為一致.軟件流程見圖5.

2.1.2 定向運(yùn)動

實(shí)現(xiàn)定向運(yùn)動的原理與實(shí)現(xiàn)定距運(yùn)動的是一致的.現(xiàn)在僅以原地旋轉(zhuǎn)為例，若要將車身旋轉(zhuǎn)角度θ，計算式為

式中，l為智能車兩輪中心之間的寬度，l＝17.4cm；θ的單位為弧度.若要旋轉(zhuǎn)45°，那么n≈136.與定距運(yùn)動不同的是這時電機(jī)一個正轉(zhuǎn)一個反轉(zhuǎn).電機(jī)驅(qū)動的C函數(shù)原型為void xMotorDrive（int dir）.經(jīng)傳入函數(shù)的dir參數(shù)來決定左（右）電機(jī)的正反轉(zhuǎn).

圖5 定距功能軟件流程圖Fig.5 Software flow chart for certain movement function

2.1.3 避障功能

避障功能使用了3組紅外收發(fā)電路，分別在左前方、正前方和右前方3個方向上檢測是否有障礙物，若有的話，則改變智能車的行駛方向.例如，左前方發(fā)現(xiàn)障礙物，則朝右原地旋轉(zhuǎn)，直到左前方?jīng)]有障礙物.正前方遇障礙同右前方發(fā)現(xiàn)障礙物.為了保證智能車不會被障礙物擦碰，將左前方和右前方能夠檢測的寬度調(diào)整為略寬于車身寬度.避障功能的軟件流程與圖5類似.

避障功能的硬件和軟件都調(diào)試好以后，將其置于大樓的樓道內(nèi)，樓道內(nèi)有墻壁、門、門檻、消防栓等障礙物，小車都順利地避開了這些物品，沒有撞上.并且可以一直沿著墻壁朝前行進(jìn)，輪胎與墻壁之間不摩擦.

2.1.4 尋跡功能

尋跡功能與避障功能的實(shí)現(xiàn)過程基本一致.在非黑色的地面上用黑膠帶鋪設(shè)出需要軌跡，由于紅外光被黑膠帶所吸收，所以當(dāng)紅外收發(fā)管所在位置處在黑膠帶上方時，是無法收到紅外光的，借此判斷智能車是否偏離軌道.如圖6所示（見下頁），在地板上用黑膠帶放置了軌道，小車就能一直沿著這個軌道進(jìn)行運(yùn)動，不偏離軌道.

圖6 智能車尋跡測試Fig.6 Smart car tracing test

2.1.5 測距功能

測距功能實(shí)現(xiàn)的是智能車在倒車時，反射回來紅外光的強(qiáng)度越強(qiáng)，倒車速度越慢，蜂鳴器發(fā)出的聲音也越響.需要進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，軟件的實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜.L358N雙通道運(yùn)算放大器在電源為5V的情況下，其直流輸出最大在3V左右.另外加之3DU5C光敏三極管有漏電流和運(yùn)算放大器本身零點(diǎn)漂移等因素的影響，即使沒有任何光的情況下，仍然有0.5V左右的電壓.所以經(jīng)過放大后接入ADC0809的模擬信號范圍為0.5～3V.按照ADC0809的工作時序進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取后，設(shè)置智能車的倒車速度，以及蜂鳴器蜂鳴的時間.軟件流程圖如圖7所示.

圖7 測距功能軟件流程圖Fig.7 Software flow chart for distance detection function

調(diào)試好后，將智能車的尾部對著墻壁，車輛在倒車時，隨著距離越來越近，速度越來越慢，蜂鳴器的聲音也隨之改變.因為紅外三極管會受其他光源的影響，如日光燈，在較暗的室內(nèi)，效果更好.

3 結(jié)束語

介紹了智能車實(shí)驗系統(tǒng)的軟硬件，并已實(shí)驗證實(shí)了系統(tǒng)功能的可實(shí)現(xiàn)性.

智能車實(shí)驗系統(tǒng)，豐富了學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)的途徑，方便老師深入、系統(tǒng)地進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)，同時增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)課程的興趣，鍛煉了其動手能力.

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