一種多功能遙控智能小車的設計

龍光利

(陜西理工學院 物理與電信工程學院， 陜西 漢中 723000)

設計出智能化的產品已成為商家開發(fā)產品的目標之一，智能小車的設計就很多。但大多數智能小車只是完成了“智能化”所要求的基本功能，在小車運行功能多樣、遙控、語音控制、速度穩(wěn)定性和快速性上考慮的相對較少。本文主要針對具有自主巡線功能的智能小車，設計出一種多功能遙控系統(tǒng)，可使智能小車具有多種運行方案、無線遙控、運行方案可語音提示，具有較好的穩(wěn)定性和快速跟隨性。

1 系統(tǒng)組成原理

設計的多功能遙控智能小車，包括小車車體、兩個直流減速電機、兩個大車輪、1個小車輪[1]、避障微動開光、無線發(fā)射/接收器、控制電路板等，多功能遙控智能車電路框圖如圖1所示，主要由電源模塊、激光調制收發(fā)電路、遙控收發(fā)模塊、語音提示電路、數碼管顯示模塊和電機驅動電路等組成。

圖1 多功能遙控智能車電路框圖

2 系統(tǒng)電路設計

2.1 單片機最小系統(tǒng)的設計

設計的單片機最小系統(tǒng)[2]主要由單片機、時鐘電路和復位電路組成。

單片機的時鐘產生有兩種方式，內部時鐘方式和外部時鐘方式。電路采用外部時鐘方式。采用石英晶體和瓷片電容組成的并聯(lián)諧振回路連接在引腳18(XTAL1)和19(XTAL2)之間，晶體為12 MHz, 兩個電容均選擇30 pF瓷片電容。

單片機外接9腳(RST)引出復位電路。復位是對單片機進行初始化操作，高電平有效，有效時間應至少持續(xù)二個機器周期的高電平寬度。復位操作有按鍵手動復位和上電自動復位兩種方式。按鍵電平復位是通過使復位端經電阻與VCC電源接通而實現(xiàn)的。上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的，這樣，只要電源VCC的上升時間不超過1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復位[3]。本設計中采用按鍵電平復位方式。

2.2 電機驅動電路的設計

電機驅動電路采用專用芯片L298N[4-5]。L298N 是SGS-THOMSON公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片，該芯片采用15 腳封裝，最高工作電壓可達46 V，瞬間峰值電流可達3 A，持續(xù)工作電流為2 A；額定功率25 W。內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作，有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。

設計的L298N直流電機驅動電路如圖2所示, 可驅動兩臺直流電機。

圖2 L298N電機驅動電路

L298N直接集成了兩對電機驅動電路，其中10、12腳作為控制輸入，13、14腳作為對應的控制端輸出來控制一個直流電機；5、7腳作為另一對控制輸入，2、3腳作為其對應的輸出來控制另一個直流電機。以10、12腳這一對控制輸入為例，當10腳輸入正脈沖，12腳接低電平時，電機右轉，其轉速由6(11)腳輸入的PWM正脈沖的占空比決定；反之，當10腳接低電平，12腳接正脈沖時，電機左轉。由于工作時L298N的功耗較大，可以適當加裝散熱片。圖2中,D1、D6，D2、D5的作用是：電機1正轉時，OUT1為正，OUT2為地，電流從OUT1經A繞組流向OUT2。當切斷電流，電機停轉時A電機繞組的感生電壓使OUT2為正，OUT1為負，這時接在正端(OUT2)的D2會正向導通；而接在負端(OUT1)的D5也導通將負端接地，為感應電流提供泄放通道，向C1、C2充電，C1、C2作為儲能器件將自感電流吸收儲存。反轉時與正轉相反，當電機反轉后斷電時D1和D6起作用。電路中的二極管在為L298 N提供保護同時，也為感生電流向電源電路充電提供通道。C1、C2不但是濾波電容，也是儲能器件。

2.3 激光調制收發(fā)電路設計

激光傳感器的工作原理和紅外光電管類似，當發(fā)射管發(fā)出的光束照在黑色地面時黑色地面會吸收大部分發(fā)射的光線，而白色地面則不會吸收反射光線。所以接收管接收的光強會有所區(qū)別，進而導致接收管的特性曲線發(fā)生程度不同的變化，從外部看可近似認為接收管兩端輸出的電阻不同，經分壓后的電壓不一樣，可將黑白路面區(qū)分開來。

激光調制電路如圖3(a)所示。因為激光接收管對160～220 kHz頻率范圍內的光接收敏感度良好，在180 kHz達到最佳，所以需要對激光進行調制，使其發(fā)出的光頻率穩(wěn)定在180 kHz左右。激光調制電路的工作原理為，在激光調制管的第一引腳接一個下拉電阻，第二引腳接VCC，第三引腳懸空，便可產生穩(wěn)定的頻率，其中頻率大小與下拉電阻阻值有關，通過示波器觀察，當下拉電阻18 Ω時，調制管產生頻率為181 kHz，正占空比為22%的波形，驅動激光效果達到最佳，接收管最敏感。

(a) (b) (c) 圖3 激光調制發(fā)射接收電路

激光發(fā)射電路如圖3(b)所示。對于激光發(fā)射電路，只需要VCC端接電源，GND端接從調制管輸出的PWM波便可發(fā)射激光。其發(fā)射頻率為調制管輸出頻率。

激光接收管的工作原理為：激光經過光學透鏡校準, 被光敏器件(光電二極管)接收, 光電二極管接收光照后, 隨光強不同會產生相應強度的光電流, 電流經過放大器放大輸出電信號。激光接收管分為常態(tài)低電平(即沒有受到激光照射時信號輸出管腳輸出低電平)和常態(tài)高電平(即沒有受到激光照射時信號輸出管腳輸出高電平)兩種類型。本設計中采用常態(tài)低電平類型的激光接收管。激光接收電路如圖3(c)所示，在使用過程中，需要注意的是每個接收管的VCC與GND端須接一個103pF或104pF去耦電容，以避免接收管出現(xiàn)邏輯錯誤。

2.4 遙控器設計

遙控器包括射頻發(fā)射接收電路和數據編解碼電路。

射頻收發(fā)電路主要用來配合PT2262/PT2272編解碼芯片[6]實現(xiàn)相對較遠距離的數據接收和發(fā)送。

射頻發(fā)射電路采用ASK方式調制[7]，工作頻率為315～433 MHz，用聲表面諧振器SAW穩(wěn)頻，頻率穩(wěn)定度±75 kHz。由聲表面諧振器構成的發(fā)射電路可在3～12 V的寬電壓范圍工作。數據傳輸距離隨發(fā)射工作電壓不同而不同，傳輸距離可達20～500 m。

射頻接收電路工作頻率為315～433 MHz，工作電壓為5 V，頻率穩(wěn)定度為±200 kHz,接收靈敏度為-105 dBm，接收天線用25～30 cm的導線豎立起來就可以了。

數據編解碼電路采用PT2262/2272，它是一種CMOS工藝制造的低功耗，帶地址、數據編/解碼的通用發(fā)射/接收芯片，工作電壓范圍是2.6～15 V，在使用時兩者的地址必須配對，最多可有12位地址設定引腳, 可分別設置為懸空、高電平、低電平3種狀態(tài)，而且振蕩電阻也必須符合要求。地址碼最多可達312= 531 441種，數據最多可達6位。

編碼芯片PT2262的編碼信號是由地址碼、數據碼、同步碼組成一個完整的碼字，PT2262的TE端是發(fā)射允許端，接低電平時，17腳DOUT端輸出一串編碼，編碼信號調制在38 kHz的載波上，通過射頻發(fā)射模塊發(fā)射出去。OSC1、OSC2外接的電阻決定載頻頻率。PT2262與射頻發(fā)射電路連接圖如圖4所示。PT2262的10—13腳受單片機P0.4—P0.7控制，編碼后從PT2262的17腳DOUT端輸出，接入315 MHz射頻發(fā)射電路，采用ASK調制后通過天線發(fā)送出去。

解碼芯片PT2272具有“鎖存”和“暫存”兩種數據輸出方式，后綴為“L”的是“鎖存型”，后綴為“M”的是“暫存型”。 當PT2272為鎖存數據輸出方式時 ，如果沒有接收到新的信號輸入，PT2272 輸出上次接收到的數據狀態(tài)，否則輸出當前接收到的數據狀態(tài)。當PT2272為暫存數據輸出方式時，如果沒有接收到新的信號輸入，PT2272的對應數據輸出位即變?yōu)榈碗娖?，否則輸出當前接收到的數據狀態(tài)。射頻接收電路接收到PT2262的DOUT端輸出的編碼信號后送入PT2272的14腳DIN，地址碼經過比較核對正確后，VT解碼有效端輸出高電平，同時數據端口輸出與PT2262發(fā)射端口一致的數據，從而實現(xiàn)數據的無線收發(fā)功能。 PT2272與射頻接收電路連接原理圖如圖5所示。PT226地址線全部懸空，PT2272的地址線也全部懸空，以達到地址配對，接收并解碼后的信號從PT2272的10—13腳輸出并接入單片機的P2.0— P2.3，單片機通過軟件編程讀取端口狀態(tài)變化，得到報警觸發(fā)信號。

圖4 PT2262與射頻發(fā)射電路連接圖 圖5 PT2272與射頻接收電路連接原理圖

2.5 語音錄放電路設計

設計的語音錄放電路主要由ISD1760組成[7]，單片機通過模擬SPI接口向語音芯片發(fā)送錄音命令時，聲音信號通過麥克風轉換為變化的電信號，進入語音芯片進行放大、采樣，最后存儲在芯片內部ROM中。單片機通過模擬SPI接口向語音芯片發(fā)送播放命令，語音芯片從指定地址讀取數據，并將讀取到的數據經過DA轉換為模擬信號由SP+端輸出經喇叭播放語音信號。

2.6 矩陣鍵盤電路和程序下載電路設計

設計中按鍵通過矩陣鍵盤接單片機來實現(xiàn)，在矩陣式鍵盤中，每一排和每一列的按鍵分別連接到一條線上，總共構成八條線，連接到單片機的一個端口上就可以構成4×4的矩陣鍵盤[3]。系統(tǒng)采用P2口連接矩陣鍵盤。

STC單片機通過RS232串口下載程序。MAX232芯片是MAXIM公司專為RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片，使用+5 V單電源供電，MAX3232為RS-232收發(fā)器，完成從TTL電平到RS-232電平的轉換。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括主程序、各部分子程序設計以及程序編譯與下載。

3.1 主程序設計

主程序流程如圖6所示。

系統(tǒng)上電后，程序進行初始化[3]，包括外部中斷0初始化，外部中斷1初始化，定時器0初始化和定時器1初始化。然后程序進入循環(huán)，檢測收到的按鍵值，從而使小車可以根據不同命令做出不同動作。系統(tǒng)軟件設計中將系統(tǒng)各部分功能模塊化編程，然后采用子程序調用方式執(zhí)行程序。主要分為單片機中斷初始化子程序、數碼管顯示子程序、鍵值監(jiān)測子程序、走“口”字子程序、走“8”字子程序、直行子程序、后退子程序、左轉子程序、右轉子程序等組成。在主程序中，不斷調用鍵值檢測程序，檢測接收到的遙控器按鍵值，再根據不同鍵值調用小車不同動作程序，執(zhí)行完一次子程序后，再次檢測鍵值變化情況，一直循環(huán)。

外部中斷0為跳變沿觸發(fā)，當中斷觸發(fā)時對小車占空比進行一次判定，如果小于90%，則進行一次加運算，幅度為10%，完成后中斷返回。外部中斷1為跳變沿觸發(fā)，當中斷觸發(fā)時對小車占空比進行一次判定，如果大于10%，則進行一次減運算，幅度為10%，完成后中斷返回。

定時器0設置為方式一，50 ms觸發(fā)一次，當中斷觸發(fā)時先對16位初值進行一次重裝，然后關閉中斷，根據具體中斷信號完成對小車蔽障子程序的調用，完成后中斷返回。如果沒有中斷信號，觸發(fā)后直接返回。定時器1也是工作也是方式一，當中斷觸發(fā)時先對16位初值進行一次重裝，然后對PWM輸出管腳進行取反操作，完成后中斷返回。

3.2 子程序設計

單片機中斷初始化部分將STC89C52RC定時器/計數器0和定時器/計數器1都設置為定時器工作模式，工作方式為方式1；將外部中斷0和外部中斷1設置為邊沿觸發(fā)方式。

單片機中斷初始化設置程序為：首先是開總中斷，然后對兩個定時器的工作模式做出設置，都是工作方式一，再對外部中斷工作模式做出設置，設計中兩個外部中斷觸發(fā)方式都為跳變沿觸發(fā)，設置完成后開啟定時器和外部中斷允許。

遙控器編碼程序流程如圖7所示。在遙控器編碼程序中，也是不斷調用鍵值檢測程序，檢測到矩陣鍵盤中按鍵按下時，對不同的按鍵有不同的編碼，編碼完成后通過無線模塊發(fā)射出去，執(zhí)行完一次程序后，再次檢測鍵值變化情況，一直循環(huán)。

圖6 主程序流程圖 圖7 遙控器編碼程序流程圖

系統(tǒng)軟件采用C語言編程[8-9]，在Keil uVision4環(huán)境下編譯，編譯成功，生成HEX文件,然后下載到單片機STC89C52RC中。

4 實驗結果

將下載程序的單片機和其它相關元器件焊接到PCB板，并將該PCB板裝在平板小車上[10-11]。接通電源，小車初始化完成后處于停止狀態(tài)，程序進入循環(huán)，等待接收遙控命令，當遙控器按1時，小車前進，語音提示“前進”；按2時小車后退，語音提示“后退”；按3時小車左轉彎(左滾動)，語音提示“左轉”；按4時小車右轉彎(右滾動)，語音提示“右轉”；按5時小車執(zhí)行走“口”字指令，語音提示“走口字”；按6時小車走“8”字，語音提示“走8字”；按7時，小車停止，語音提示“停車”。小車行走時，點亮綠燈表示電源電路工作正常，點亮紅燈表示電機驅動L298N使能顯示。

5 結束語

設計的多功能遙控智能小車可實現(xiàn)前進、后退、左轉彎、右轉彎、走“口”字、走“8”字等功能，并可語音提示小車動作。該小車還可增加液晶顯示模塊，顯示當前各參數的值；增加多路傳感器和串口無線發(fā)射模塊，將測量到的數據通過無線終端發(fā)送到后臺。

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