基于單片機(jī)控制循跡小車的模塊教學(xué)研究

謝元成

廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州，510075

0 引言

單片機(jī)的學(xué)習(xí)跟平常學(xué)習(xí)的很多課程是完全不一樣的，它既要求學(xué)習(xí)者掌握相關(guān)的硬件知識，還要求學(xué)習(xí)者必須掌握相關(guān)的軟件知識，而且還必須對硬件和軟件相結(jié)合后多實(shí)踐。對于想掌握單片機(jī)技術(shù)的初學(xué)者或者其他工程技術(shù)人員，可以通過學(xué)習(xí)單片機(jī)控制循跡小車的方式，理解和掌握單片機(jī)技術(shù)的基本規(guī)律及應(yīng)用。

1 單片機(jī)概述

1.1 整體控制設(shè)計思路

以單片機(jī)為核心控制器件，在選擇單片機(jī)的過程中，最好選擇帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換處理的芯片。單片機(jī)控制的優(yōu)勢就是接口豐富，可以根據(jù)需要編寫程序，電路簡潔實(shí)用，很多其他的芯片都可以直接跟單片機(jī)對接。紅外識別模塊主要用于路徑的識別，循跡路徑用對比度大的黑白路徑，根據(jù)反射光的強(qiáng)弱來分辨路徑。電機(jī)驅(qū)動模塊除了提供動力外，可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退功能，如果安裝“麥克納姆”輪，還可以實(shí)現(xiàn)整車的原地掉頭及橫向運(yùn)行。防撞避障模塊可以采用超聲波或者紅外線對管，以判斷障礙物的距離，從而實(shí)現(xiàn)防撞和避障功能。數(shù)碼顯示模塊可以選用簡單的數(shù)碼管，也可以選用相對復(fù)雜的LCD顯示器件，主要功能就是顯示小車目前的運(yùn)行狀態(tài)。聲光報警模塊可以采用簡單的蜂鳴器和LED二極管，以實(shí)現(xiàn)聲光報警和提醒功能。遠(yuǎn)程遙控模塊采用普通的紅外遙控器，以增加控制的便利性和趣味性。

1.2 單片機(jī)就是最小的計算機(jī)

計算機(jī)包括五個組成部分，分別是中央控制器、存儲器、時鐘器、總線、接口。隨著工業(yè)的發(fā)展、制造工藝的提升，計算機(jī)的體積越來越小，現(xiàn)在已經(jīng)可以把計算機(jī)的五個組成部分集成在一塊芯片上，這種芯片就是單片機(jī)[1]。由于可以編寫程序?qū)崿F(xiàn)不同的控制功能，它可以讓電腦設(shè)計變得簡潔高效，所以在工業(yè)控制、家用電器、智能汽車、電子通信等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

1.3 單片機(jī)的基本工作原理

（1）中央處理器：中央處理器也就是CPU，它主要負(fù)責(zé)從存儲器中讀取指令、運(yùn)算和處理指令及數(shù)據(jù)，根據(jù)處理和運(yùn)算的結(jié)果向其他部件發(fā)送控制信號，中央處理器的作用類似于人類的大腦。

（2）存儲器：存儲器用來存儲代碼和數(shù)據(jù)。存儲器主要分兩種，即程序存儲器和隨機(jī)存儲器，存儲器的容量也就是能夠存儲數(shù)據(jù)的單元容量，每個存儲單元都有一個對應(yīng)的地址編碼，數(shù)據(jù)的存放和讀取都要進(jìn)行尋址，C語言在編寫程序時基本不需要考慮存儲單元的地址編號，軟件會自動執(zhí)行存儲單元的尋址。

（3）時鐘器：時鐘器的主要作用是產(chǎn)生時鐘信號，時鐘信號經(jīng)過處理以后也就可以用作定時信號，可以用來作為跟時間相關(guān)的基本信號。時鐘信號也是數(shù)字電路中所有器件統(tǒng)一工作的節(jié)拍器，它的快慢決定著整個計算機(jī)處理的節(jié)拍和快慢[2]。

（4）總線：總線的主要作用是把計算機(jī)內(nèi)部的各個組成部分連接成一個有機(jī)的整體。各個部件之間數(shù)據(jù)的傳送依靠總線來進(jìn)行，總線又分為控制總線和數(shù)據(jù)總線，分別用來傳輸控制信號和數(shù)據(jù)信號?？偩€傳輸信號的公共通道還簡化了計算的硬件設(shè)計和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)的性能和擴(kuò)充性更好。

（5）接口：初學(xué)者很多時候認(rèn)為計算機(jī)的組成中一定有顯示器和鍵盤，其實(shí)顯示器和鍵盤并不是計算機(jī)五個組成部分之一，計算機(jī)需要顯示時可以通過接口連接顯示器件，根據(jù)顯示內(nèi)容的復(fù)雜性選擇相應(yīng)的顯示器件。單片機(jī)通過接口來與外界進(jìn)行相應(yīng)的通信[3]。

1.4 單片機(jī)的基本工作條件

（1）電源：所有的電子器件只有在提供相應(yīng)電源的情況下才能正常工作，這個條件也是所有電子設(shè)備的基本條件。

（2）時鐘信號：時鐘信號是單片機(jī)的節(jié)氣器，也是單片機(jī)中定時信號的基本素材，沒有時鐘信號，單片機(jī)是沒有辦法正常工作的。

（3）復(fù)位電路：復(fù)位電路確保單片機(jī)在通電時從默認(rèn)的狀態(tài)開始工作，或者在整個電路死機(jī)的情況下，從默認(rèn)的狀態(tài)下開始工作。復(fù)位電路主要有兩種，即上電復(fù)位和按鍵復(fù)位。

2 紅外檢測模塊原理及應(yīng)用

2.1 紅外對管的工作原理

紅外光是波長介于0.76微米至1000微米的不可見光，紅外發(fā)射二極管所發(fā)出的紅外光集中在800微米至1000微米。紅外對管在設(shè)計時可以根據(jù)需要采用直射式和反射式，紅外發(fā)射管一般是二極管，而接收管一般是晶體三極管。當(dāng)紅外接收管接收到發(fā)射二極管的紅外光時，接收管控制電路輸出端會產(chǎn)生明顯的電平跳變，利用這個跳變信號，來控制相應(yīng)的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)一定程度的自動控制[4]。

2.2 路徑識別的工作原理及應(yīng)用

循跡小車上面安裝的紅外對管一般采用的方式是反射式紅外對管，小車的地面路徑一般是在白色地面上畫一條黑色的路徑，紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光碰到白色地面或者黑色地面時，所反射回來的紅外光光量有著明顯的差別，紅外晶體接收管接收到的紅外光光量，也就隨著地面路徑顏色的不同而有著明顯的區(qū)別。為了確保循跡小車沿著規(guī)劃的路徑運(yùn)行，在循跡小車上的左右兩側(cè)各裝一對紅外發(fā)射接收管。當(dāng)循跡小車向左偏移軌跡時，右側(cè)的紅外管可以識別到，同理，當(dāng)循跡小車向右偏移軌跡時，左側(cè)的紅外管可以識別到。

2.3 紅外模塊的學(xué)習(xí)與檢測

紅外對管的工作原理很簡單，有二極管和三極管的基礎(chǔ)之后，很容易理解紅外對管的工作原理。在具體學(xué)習(xí)的過程中，可以先搭建一個具體的電路，通過對具體電路的輸入輸出電平進(jìn)行測量，來判斷紅外管的工作狀態(tài)。

3 動力電機(jī)模塊的原理及應(yīng)用

3.1 直流電機(jī)

直流電機(jī)是一種將直流電直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，直流電機(jī)調(diào)速性能好，在負(fù)載較大的情況下，可以通過改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到均勻、平滑無級的調(diào)速，調(diào)速范圍也比較寬。直流電機(jī)的另外一個特點(diǎn)就是起動轉(zhuǎn)矩比較大，能夠帶動較大的負(fù)載。直流電機(jī)控制容易，結(jié)構(gòu)簡單，在很多地方有著廣泛的應(yīng)用，在循跡小車的電機(jī)選擇中，很多就選擇了直流電機(jī)。

3.2 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種精密的控制儀器，在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，例如工業(yè)機(jī)器人、打印機(jī)、機(jī)械硬盤等。步進(jìn)電機(jī)的工作原理是讓步進(jìn)電機(jī)的定子產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的磁場，這個旋轉(zhuǎn)磁場跟三相異步電機(jī)原理是有區(qū)別的。三相異步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場是通過加入三相交流電來實(shí)現(xiàn)的，而步進(jìn)電機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場是通過給定的脈沖來實(shí)現(xiàn)的。三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動的角度是很難直接控制的，而在步進(jìn)電機(jī)中，這些很容易實(shí)現(xiàn)，只需要通過給定脈沖的“個數(shù)”就可以控制步進(jìn)電機(jī)的精確轉(zhuǎn)動角度，通過改變給定脈沖的頻率就可以改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速[5]。但是，步進(jìn)電機(jī)的體重相對比較大，它的轉(zhuǎn)動速度較慢，價格也比較高。

3.3 伺服電機(jī)

伺服電機(jī)是依靠脈沖來進(jìn)行定位的，可以簡單理解為每輸入一個脈沖就可以旋轉(zhuǎn)一個脈沖的角度，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的位移。但與步進(jìn)電機(jī)不一樣的地方是伺服電機(jī)本身可以發(fā)出脈沖，每旋轉(zhuǎn)一個角度，可以發(fā)出對應(yīng)的脈沖。這樣就可以形成一種“閉環(huán)控制”，相對步進(jìn)電機(jī)的“開環(huán)控制”，伺服電機(jī)的位移角度控制也就更加精確。伺服電機(jī)在控制精確度、運(yùn)行性能各方面都是優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)的，但是價格較高。在循跡小車的設(shè)計過程中，考慮到速度要求、精度要求、成本問題、重量要求，選擇了簡單的直流電機(jī)。

3.4 電機(jī)驅(qū)動模塊的選擇

在設(shè)計中，可以選擇應(yīng)用廣泛且較經(jīng)典的L293D芯片模塊。該模塊有四個輸入端和四個輸出端，通過單片機(jī)向L293D的輸入端發(fā)出高低控制電平，它的四個輸出端可以輸出相應(yīng)的高低電平，四個輸出端可以連接兩個直流電機(jī)。在初學(xué)者學(xué)習(xí)時，首先構(gòu)建一個獨(dú)立的學(xué)習(xí)電路，這個電路要求盡量簡單，與系統(tǒng)里面的其他電路盡量是分隔的，以方便進(jìn)行單個模塊的測試與學(xué)習(xí)，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)測試之前，可以通過仿真軟件先進(jìn)行仿真測試，仿真測試通過之后再進(jìn)行實(shí)際測試[6]。

單片機(jī)通過接收高低電平來檢測SW1的接通與閉合，從而決定向L293D發(fā)出正反轉(zhuǎn)信號，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。電阻R1模擬一個可調(diào)電阻，輸出電壓通過單片機(jī)內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)大小的數(shù)據(jù)。通過這個數(shù)據(jù)向L293D電機(jī)模塊發(fā)出相應(yīng)脈沖寬度，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動速度。這樣一個簡單的電路，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)動速度的模擬與檢測。

4 超聲波模塊

基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)，是利用單片機(jī)編程產(chǎn)生頻率為40kHz的方波，經(jīng)過發(fā)射驅(qū)動電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端振蕩，發(fā)射超聲波。超聲波經(jīng)反射物反射回來后，由傳感器接收端接收，再經(jīng)接收電路放大、整形，控制單片機(jī)中斷口。這種以單片機(jī)為核心的超聲波測距系統(tǒng)通過單片機(jī)記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當(dāng)收到超聲波的反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離，結(jié)果輸出給LED顯示。利用單片機(jī)準(zhǔn)確計時，測距精度高，而且單片機(jī)控制方便，計算簡單。許多超聲波測距系統(tǒng)都采用這種設(shè)計方法。

5 軟件的編寫

5.1 流程圖的繪制

學(xué)生在繪制流程圖的時候，選擇一款自己喜歡的流程圖繪制軟件，可以提高自己的繪圖效率，用電腦繪制的流程圖也清晰、整潔，容易更改。在流程圖的繪制過程中，如果使用C語言進(jìn)行程序編寫，要遵守流程圖的繪制規(guī)范，比如“矩形”“菱形”等，所表示的含義是不一樣的，“菱形”表示判斷，即“是”或者“否”。另外就是在流程圖繪制的時候，有主流程圖和子流程圖，最好分開繪制，子流程圖又有普通子流程圖和中斷子流程圖。主流程圖一般都是“閉合的”“循環(huán)的”，而子流程圖一般是流程式的，一般是可以“返回”的。

5.2 代碼的編寫

在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，程序常用C語言編寫，匯編語言使用較少。C語言編寫程序相對簡單，不需要記住111條指令。編寫程序時，應(yīng)先編寫并調(diào)試單個模塊，確保每個模塊正常運(yùn)行后再編寫和調(diào)試整個系統(tǒng)程序。

6 結(jié)語

循跡小車作為一種典型且實(shí)用的學(xué)習(xí)項(xiàng)目，可以使完成任務(wù)的過程中更加具有趣味性。學(xué)習(xí)者在完成循跡小車的具體項(xiàng)目任務(wù)時，不僅能夠提高對學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解和掌握水平，還能夠培養(yǎng)分析問題、解決問題的思維能力和實(shí)踐操作的技能。