红外遥控玩具车的设计毕业论文.doc

目录毕业论文红外遥控玩具车的设计徐明亮吉 林 建 筑 工 程 学 院 2012 年 6月毕业论文红外遥控玩具车的设计学 生： 徐明亮指 导 教 师： 迟耀丹 专 业： 电子信息科学与技术所 在 单 位： 电气与电子信息工程学院答 辩 日 期： 2012 年 6月 目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 设计背景及目的11.1.1 设计背景11.1.2 设计目的11.2 设计主要内容和要求21.2.1 设计主要内容21.2.2 设计要求21.3 设计意义21.4 本章小结2第2章 总体方案设计32.1 系统原理框图32.2 主要功能模块方案设计与论证32.2.1 主控系统方案设计与论证42.2.2 电机驱动模块方案设计与论证42.2.3 显示模块方案设计与论证52.2.4 循迹模块方案设计与论证62.2.5 避障模块方案设计与论证72.2.6 电源模块方案设计与论证82.2.7 红外线模块方案设计与论证82.3 本章小结9第3章 硬件设计103.1主控系统103.1.1 AT89C51简介103.1.2 AT89C51功能部件和特性113.1.3 AT89C51引脚说明113.2 电机驱动系统133.2.1 电机驱动电路133.2.2 L298N简介133.2.3 小车方向与速度控制153.3 循迹系统163.3.1 循迹原理163.3.2 TCRT5000光电对管简介163.3.3 LM324比较器173.4 避障系统183.4.1 避障原理183.4.2 避障报警183.5 无线遥控系统193.5.1 红外发射电路193.5.2 HT6221简介203.5.3 红外接收电路203.6 显示系统213.6.1 LCD1602简介213.6.2 LCD1602功能特性213.6.3 LCD1602引脚说明213.7 最小单元电路系统223.7.1 复位电路模块223.7.2 时钟电路233.8 本章小结24第4章 软件设计254.1 发送端程序流程图254.1.1 发送端主程序流程图254.1.2 发送端中断子程序流程图254.2 接收端程序流程图264.2.1 接收端主程序流程图264.2.2 接收端中断子程序流程图274.2.3 数据处理子程序流程图284.3 自动循迹避障流程图294.4 本章小结30结 论31致 谢32参考文献33附录134附录235附录354摘要摘 要 红外线遥控小车具有体积小、成本低、生存能力强等特点，是上世纪提出的一种新型小车，在军事侦察、反恐、防爆、防核化及污染等危险与恶略环境作业中有广阔的应用前景。本设计对红外遥控智能玩具小车的设计过程进行了全面描述,包括主体设计方案、各模块的硬件电路设计描述以及单片机控制程序的编写。小车设计主要由单片机控制系统模块、电机驱动模块、循迹模块、避障模块、显示模块以及无线接收发射模块组成，集成驱动、控制、传感和能源等于一体。系统以AT89C51单片机为主控核心，对外设进行控制，利用线性稳压芯片对电压进行稳定控制，为单片机及其他外设进行稳定供电，利用红外对管进行黑白信号检测，利用L298N电机驱动模块对直流电机进行稳定控制，利用无线遥控芯片HT6221进行遥控，发射指令编码信号，再通过一体化红外接收头HS0038接收，经过单片机解码发出命令指令，再通过两个直流电动机的控制，实现小车停车、倒车、左转、右转等状态功能。本次设计还利用红外对管发出的红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射性质的特点，为小车添置了循迹避障功能，实现小车智能行驶，并且用LCD1602显示小车即时运动状态。这次设计通过基于完备的软硬件系统，很好的实现了小车循迹避障、显示运动状态等功能。关键词 单片机；红外对管；比较器；一体化红外接收头ABSTRACTThe infrared remote controlled car has a small size, low cost, survival ability, and other features. It is a new type of car proposed in the last century. And it have broad application prospects in the dangerous and evil work environment of the military reconnaissance, terrorism, explosion-proof, preventing the nucleation and pollution in slightly. This design of infrared remote controlled car design processing of the intelligent a comprehensive description, including main body design, hardware circuit design of each module is described and the writing of the single chip microcomputer control procedures. The small car design mainly by the single chip microcomputer control system module, motor driver module, methodist tracing module, obstacle avoidance module, display module and wireless access launch module, integrated drive, control, sensors and energy equal to one. With AT89C51 single-chip microcomputer control system for core, foreign set control, using linear regulator chip to voltage stability of control for single chip microcomputer and other peripherals for the reliable power supply, the use of infrared pipe is black and white signal detection, use L298N motor driver module to the dc motor stability control, use wireless remote control chip HT6221 remote controlled, launch instruction encoding signals, then through the integrated infrared sensor HS0038 receiving, single chip commands decoding instruction, again through the two dc motivation of the control, realize the small car parking, backing up, turn right, turn left, the state function. The design also use of a tube of infrared infrared in different colors of physical surface has a different reflection properties characteristics for the car to acquire the follow mark obstacle avoidance function, achieve intelligent driving car, and use LCD1602 show car instant motionsBased on the perfect design of the hardware and software system, it is well realized on car tracing obstacle avoidance, displaying motion state and other functions.Keywords SCM; Infrared to tube; comparator;Integration infrared sensorI第1章 绪论第1章 绪论1.1 设计背景及目的1.1.1 设计背景随着消费电子技术和自动控制技术等的快速发展,以及人们生活水平的提高，各种方便于生活的消费电子产品行业发展如雨后春笋般，层出不穷。当今市场传统低科技含量产品比重逐步缩水，而高科技含量的电子产品则蒸蒸日上。现今智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、声控系统等功能，飞思卡尔智能小车更是走在前列。我国作为世界电子产品生产大国，可在高科技产品的发展方面和外国的差距还是有的。比如说苹果公司把产品90%的利润带走，而只给制造商留下10%，少部分人拿走了巨额财富，却要让数十万人再去瓜分那可怜的10%利润。所以，及时投入精力广泛开展这方面的研究，无论对技术创新应用，还是社会经济发展，都有重大的现实意义。鉴于国内和国外科技方面发展较落后的原因，我选择了红外遥玩具车为我的毕业论文题目。在设计中，对红外遥控、电机控制等技术做些深入了解，真身体验为什么科学技术才是第一生产力。也同时希望在设计中使用更多的先进技术且能有效的控制设计成本，使其表现出极高的性价比和极强的市场竞争力。希望在以后能在科学技术领域扎根创新，与时俱进，有所成就，撑起IT行业一片天地，并应用于民生，造福于大众。1.1.2 设计目的直流电机的控制技术是电机控制的最基本技术，本设计目的是通过设计直流电动玩具车，实现两个直流电机的控制，使小车可按规定线路和要求行驶。通过设计培养学生综合运用四年大学所学知识去分析问题和解决实际问题的能力。在实践中检验所学知识,从而加强理论与实践的相结合。 体验一个科研项目开发的全过程，学会单片机开发应用方法,锻炼应用能力,动手能力。本课题设计是具有一定难度的基于单片机的应用系统开发项目，培养学生创新精神和创新能力。通过这次毕业论文及设计，检验自己综合素质和专业教育的培养效果，并且学会阅读、利用英文文献资料，阅读并翻译外文资料的能力，进一步提高对系统设计和撰写论文的能力。1.2 设计主要内容和要求1.2.1 设计主要内容设计一个红外遥控的电动车，使之可按遥控器的控制行走。该电动车要具备下述功能：（1）能够接受并识别红外遥控信号，并根据此命令动作；（2）具有避障功能，当探测到有障碍物时能够及时避开；（3）能够显示停车、倒车、左转、右转等状态；（4）能够按事先设定好的轨迹行走。1.2.2 设计要求（1）提出合理的方案；（2）绘制小车控制系统原理图； （3）编写解码软件，调整对红外信号的解码，编写控制软件实现功能。1.3 设计意义随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的自动控制系统开始进入了人们的生活，以单片机为核心的智能控制系统就是其中之一。同时也标志了自动控制领域成为了数字化时代的一员。它实用性强，功能齐全，技术先进，使人们相信这是科技进步的成果。它更让人类懂得，数字时代的发展将改变人类的生活，将加快科学技术的发展。本设计主要应用AT89C51芯片作为控制核心，红外发送和接收电路、LCD液晶屏显示、直流电机、光电传感器、行列式键盘相结合的系统。充分发挥了单片机的性能。其优点硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等特点，具有一定的使用和参考价值。1.4 本章小结 本章主要讲述红外遥控小车所应用的技术目前的发展背景，阐明这次设计的目的，概括这次设计的主要任务及要求，并表述了红外遥控小车所代表的时代意义。1第2章 总体方案设计第2章 总体方案设计2.1 系统原理框图按照设计要求，系统可以分为以下几个基本功能模块：无线遥控模块、显示模块、避障模块、循迹模块、显示模块、电机驱动模块以及报警模块等。将系统拆分成以上的这些基本功能模块后，再根据各个模块所要完成的功能分别去设计，也就是按照“逐步求精”的思想去设计本系统，这将使设计工作细化，也有助于制定进度安排。根据设计内容及要求将各个模块系统组架起来，画出系统原理框图，见图2-1。报警模块主控系统电机驱动模块遥控接收模块循迹模块避障模块显示模块遥控发射模块遥控器芯片复位模块时钟振荡模块电源模块图2-1 系统原理框图2.2 主要功能模块方案设计与论证本章节主要介绍的是主控模块、电机驱动模块、循迹模块、避障模块、遥控发射模块和电源模块的方案设计与论证，选出最适宜的方案。2.2.1 主控系统方案设计与论证根据设计要求，我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。据此，拟定了以下两种方案并进行了综合的比较论证，具体如下：方案一：选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。方案二：采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势-控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。针对本设计特点-多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D功能也不必选用。根据这些分析,我选定了AT89C51单片机作为本设计的主控装置，51单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是51单片机价格非常低廉。2.2.2 电机驱动模块方案设计与论证方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。方案二：采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。方案三：采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的 H型桥式电路(如图2-2)。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的 PWM调速技术。现市面上有很多此种芯片，我选用了L298N。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。图2-2 H桥式电路2.2.3 显示模块方案设计与论证方案一：采用数码管静态显示，一个锁存器对应一个数码管。此方案虽然软件设计比较简单，但是硬件设计相对复杂，并且用数码管进行状态显示很不直观。方案二：采用数码管动态显示，利用视觉暂留效应，通过对数码管进行不停的扫描来产生视觉效果。这样硬件设计简单，但软件设计复杂，并且要占用太多CPU时间。对于本系统来说，由于CPU任务多，时间资源有限，此方案反而会使系统变得复杂而且难以调试。并且用数码管显示不直观。方案三：为了能直观的显示出小车的各种状态，这里使用LCD液晶屏显示这样不仅能直观的显示出小车的运动状态，而且能显示小车的运动模式。软件部分可以直接调用液晶屏对应的显示子程序，汉字代码可以在汉字显示字库里查询，直观方便。综上方案，方案三直观方便， 是我设计最佳的状态显示方案。2.2.4 循迹模块方案设计与论证方案一：采用简易光电传感器结合外围电路探测，但实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易出现问题，而且容易因为 该部件造成整个系统的不稳定。故最终未采用该方案。方案二：采用2只红外对管，分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只光电开关接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向，测试表明，只要合理安装好两只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。只不过如果小车运动速度过快，由于惯性的缘故，左右只有一级方向控制传感器的情况下，不能很好地实现循迹功能，有可能跨国黑线，导致整个设计所要求的功能不能很好地实现，故未采纳此方案。方案三：采用同时在底盘装设4只红外对管，进行两级方向纠正控制，提高其循迹的可靠性。这4个红外探测器的具体位置如图2-3所示。图中循迹传感器共安装4个，全部在一条直线上。其中R1与L1 为第一级方向控制传感器， R2 与L2 为第二级方向控制传感器。小车行走时，始终保持黑线在R1和L1这两个第一级传感器之间，当小车偏离黑线时，第一级传感器一旦探测到有黑线，单片机就会按照预先编定的程序发送指令给小车的控制系统，控制系统再对小车路径予以纠正。若小车回到了轨道上，即4个探测器都只检测到白纸，则小车会继续行走；若小车由于惯性过大依旧偏离轨道，越出了第一级两个传感器的探测范围，这时第二级动作，再次对小车的运动进行纠正，使之回到正确轨道上去。可以看出，第二级方向传感器实际是第一级的后备保护，从而提高了小车循迹的可靠性。通过比较，我选择第三种方案来实现循迹功能。 R2L1R1L2图2-3 小车底面仰视图2.2.5 避障模块方案设计与论证方案一：采用一只红外对管置于小车中央。其安装简易，也可以检测到障碍物的存在，但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，也不易让小车做出精确的转向反应。方案二：采用二只红外对管分别置于小车的前端两侧，方向与小车前进方向平行，对小车与障碍物相对距离和方位能作出较为准确的判别和及时反应。但此方案过于依赖硬件、成本较高、缺乏创造性，而且置于小车左方的红外对管用到的几率很小，所以最终未采用。方案三：采用超声波传感器置于小车右侧，方向与小车前进方向平行，当前方出现障碍物时，超声波传感器会收到信号，并将传给单片机，检测距离调整在20cm内，即只有在20cm之内有障碍时小车才会做出避让动作，在这个范围之外的障碍小车不予处理。方案四：采用一只红外对管置于小车右侧。通过测试此种方案就能很好的实现小车避开障碍物，且充分的利用资源而不浪费。通过比较，我采用方案三。2.2.6 电源模块方案设计与论证方案一：采用实验室有线电源通过稳压芯片供电，其优点是可稳定的提供5V电压，但占用资源过大。方案二：采用4支1.5V电池单电源供电，但6V的电压太小不能同时给单片机与与电机供电。方案三：采用8支1.5V电池双电源分别给单片机与电机供电可解决方案二的问题且能让小车完成其功能。所以，我选择了方案三来实现供电。2.2.7 红外线模块方案设计与论证由于在遥控端的按键数目有多个，而红外通道传输的只能是由0、1组成的串行代码，所以需要在发射端对按键进行“并-串”编码，在接收端相应的要进行“串-并”解码。码的波特率在收、发两端应该是一致的。方案一：将红外码调制成38KHZ的脉冲信号通过红外发射二极管将红外码发出。不过这些工作都由一块集成电路完成，自己需要做的是搭建外围电路，当选定一种型号的发射IC后只要按照它的说明书上的典型电路搭建就可以了。开始时参照了电子制作上的一篇论文，使用的是NEC的upd6121，但是后来发现这种芯片不是很好买到，即所谓的市场货源不充足，这是电子制作必须考虑的问题，所以放弃了这款芯片，改选HOTEK的HT6221，他们的性能及其外围电路几乎相同。方案二：采用台湾瑞昱公司生产的专用于遥控车模的CMOS大规模集成电路TX-2/RX-2，该编解码芯片具有5种控制功能，使用方便。TX-2的11脚和12脚之间接的电阻决定振荡频率；3脚接地；10脚接3-5V电源；14脚、1脚、4脚、5脚、6脚分别为5路发射控制端；9脚为发射指示端，当有按键按下时LED1发光提示；7脚为带载波的编码信号输出端，即编码信号已经内调制到38KHZ的载波上，该脚的信号通过一个NPN型三极管放大后可直接驱动红外发射二极管发射信号；8脚为不带载波的编码信号输出端。接收电路RX-2的4脚和5脚之间接的电阻阻值要和TX-2的11脚、12脚间的电阻阻值接近，相差在20%之内方可正确的解码，本设计中这两个电阻都选用150K；2脚接地；13脚接3-5V电源；3脚接输入信号，由一体化红外接收头1838输出的信号需要加一个反向器才是正确的编码信号；6脚、7脚、10脚、11脚、12脚为5路遥控命令的输出端，分别和TX-2的5路输入端的状态相对应。另外，为了方便操作，可以将TX-2的5路功能扩展成9功能，即在遥控发射端可以接9个按键。这是通过对原先的5路输入进行组合得到的。通过比较，两种方案都可实现无线遥控功能，不过方案二成本较高，所以选取方案一作为本次设计最终方案。2.3 本章小结本章将系统拆分成了若干个功能模块，并且对系统关键部分进行了方案的分析与选择。设计中采用一片AT89C51单片机来实现所有功能，在软件方面通过对结构的特殊设计，基本上实现了多任务并发运行，并且通过软件的分层结构将功能实现和具体的硬件分离开，这将给后续的各模块软件的设计带来方便。9第3章 硬件设计第3章 硬件设计3.1主控系统本设计采用芯片AT89C51为主控芯片，下面开始介绍其结构特性和引脚功能。3.1.1 AT89C51简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51单片机见图3-1。图3-1 AT89C51单片机3.1.2 AT89C51功能部件和特性At89c51单片机具有如下功能部件和特性如下：（1）8位微处理器(CPU)；（2）数据存储器（128B RAM)；（3）程序存储器（4KB Flash ROM）；（4）4个8位可编程并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）；（5）一个全双工的异步串行口；（6）2个可编程的16位定时器/计数器；（7）1个看门狗定时器；（8）中断系统具有5个中断源、5个中断向量；（9）特殊功能寄存器（SFR）26个；（10）低功耗节电模式有空闲模式和掉电模式，且具有掉电模式下的中断恢复模式；（11）3个程序加密锁定位。3.1.3 AT89C51引脚说明AT89C51的引脚说明如下：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟放大器电路的输出端。当使用片内振荡器时，该引脚连接外部石英晶体和微调电容；当采用外接时钟源时，该引脚接外部时钟振荡器的信号。XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端。当使用片内振荡器时，该引脚连接外部石英晶体和微调电容；当采用外部时钟源时，该引脚悬空。 3.2 电机驱动系统3.2.1 电机驱动电路由L298N 构成的PWM功率放大器的工作形式为单极可逆模式，PWM电路由四个大功率晶体管组成H桥电路构成，四个晶体管分为两组，交替导通和截止，两个H桥的下侧桥晶体管发射极连在一起，1 脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器, 形成电流传号。L298N 可驱动两个电机, OUT l、OUT2 和OUT 3、OUT4 之间分别接两个电动机。5、7、10、12 脚接输入控制电平，控制电机的正反转, ENA、ENB 接控制使能端，用来输入PWM信号实现电机调速。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机，输出脚SENSEA和SENSEB用来连接电流检测电阻，Vss接逻辑控制的电源。这些特性使得L298N很适合用作小型直流电机控制芯片。电机驱动电路原理图见图3-2。图3-2 电机驱动电路3.2.2 L298N简介L298N 是SGS 公司的产品。其内部包含4 通道逻辑驱动电路, 即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TT L 逻辑电平信号，可驱动46V、2A 以下的电机。L298N见图3-3图3-3 L298N它的引脚2，3，13，14为L298N芯片输入到电动机的输出端，其中引脚2和3能控制两相电机，对于直流电动机，即可控制一个电动机。同理，引脚13和14也可控制一个直流电动机。引脚6和11脚为电动机的使能接线脚。引脚5，7，10，12为单片机输入到L298N芯片的输入引脚。表3-1是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系：表3-1 L298N芯片引脚的逻辑关系EN A（B）IN1（IN3）IN2（IN4）电机运行情况HHL正转HLH反转H同IN2（IN4）同IN1（IN3）快速停止LXX停止控制使能引脚ENA或者ENB就可以实现PWM脉宽速度调整。1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号，也可以直接接地。在可设计中就将它们直接接地。引脚8为芯片的接地引脚，它与L298N芯片的散热片连接在一起。由于本芯片的工作电流比较大，发热量也比较大，所以在本芯片的散热片上又连接了一块铝合金，以增大它的散热面积。该芯片的一些参数如下：(1) 逻辑部分输入电压：67V(2) 驱动部分输入电压Vs：4.846V(3) 逻辑部分工作电流Iss：36mA(4) 驱动部分工作电流Io：2A(5) 最大耗散功率：25W（T=75）(6) 控制信号输入电平：高电平：2.3VVinVss，低电平：-0.3VVin1.5V(7) 工作温度：-25130(8) 驱动形式：双路大功率H桥驱动3.2.3 小车方向与速度控制智能小车首先要能实现直走，在行进中遇到障碍物时同时要能实现转弯和倒退控制，才能避开障碍物。表3-2 控制电机转向表P4_7-P4_4左电机右电机小车0000停转停转停止0001停转正转左前转0010停转反转左后转0100反转停转右后转1000正转停转右前转1001正转正转前进0110反转反转后退1010正转反转逆时针旋转0101反转正转顺时针旋转（1）直走的实现原理由于小车每一侧的轮子由同一侧的电机控制，只要让小车的左右两侧的轮子同时以相同速度正向旋转，小车就会受到向前的作用力而向前运动，这样就实现了小车的直走功能。由上表可知两个电机都正转的控制组合为P4_7-P4_4为1001，也就是说只要把P4_7-P4_4设置为1001就实现了小车的前进功能。同理，只要让两个电机同时反转，就实现了小车的倒退功能。此时的P4_7-P4_4端口数据为0110。（2）转弯的实现原理智能车行进过程中要求能实现自动避开障碍物，因而需实现小车的转弯功能。方案一：在设计中只要让一侧的电机停转，让另一侧的电机正传或反转，这样小车就会朝着一个方向偏转。比如让右侧的轮子停转，左侧的轮子前传，对应的端口P4_7-P4_4输出状态为0001，此时小车就会向右前方旋转，最终实现右前转。另外还有左前转，右后转，左后转等动作，控制方法类似。但是这种转弯的实现方案在实际测试中并不十分理想，小车转弯所走的弧线半径比较大，有时近似在走直线。造成这种现象的原因是：小车转弯是通过一侧的轮子停转，另一侧的轮子正转或者反转实现的。但是由于惯性的作用，虽然一侧的电机停转了，另一侧的轮子会带着停转的轮子一起运动，这样小车偏转的趋势就不明显，小车转弯的半径就会比较大，不能达到理想的目的。方案二：考虑到上述方案存在的缺陷，且小车本身重量过大，电源又太重，实在找不到电量大且重量轻的电源，我们研究出只有一边正转一边反转才能转弯。且只要搭配恰当就能实现正常功能。（3）PWM调速原理AT89C51单片机有集成的定时器产生PWM波形，我们可通过用它的一个定时器来产生占空比和频率可调方波来控制电机的转速。调速部分直接连接到了单片机接口，只要在程序中进行合理的设置，在相应的端口就有PWM信号产生，加在小车电机两端的电机就是PWM电压信号。此时可以通过调整PWM的占空比，来改变电机两端的平均电压大小。这样就通过PWM资源调节加在电机两端的平均电压，从而改变电机的转速，最终实现调节小车速度的目的。3.3 循迹系统3.3.1 循迹原理小车循迹原理是小车在画有黑线的白纸 “路面”上行驶，由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”-黑线。笔者在该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法-红外探测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射性质的特点。在小车行驶过程中不断地向地面