基于單片機(jī)的紅外遙控智能小車(chē)的設(shè)計(jì)

（張家港沙洲工學(xué)院，江蘇 張家港 215600）

1.引言

利用紅外遙控器代替開(kāi)關(guān)按鍵控制小車(chē)的啟動(dòng)和停止，能夠輕松自如的實(shí)現(xiàn)小車(chē)的啟動(dòng)停止、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)和前進(jìn)后退等功能，假如我們希望小車(chē)運(yùn)行到黑線上來(lái)檢測(cè)是否有循跡功能，就可以用遙控器控制小車(chē)行駛到有黑線的地方，當(dāng)小車(chē)遇到有黑線時(shí)，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)循跡功能模塊，讓小車(chē)沿著黑線跑，當(dāng)遇到障礙物時(shí)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)超聲波蔽障測(cè)距并報(bào)警模塊，每個(gè)模塊都是相互獨(dú)立又相互協(xié)調(diào)配合，真正實(shí)現(xiàn)了小車(chē)的智能控制：本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，各個(gè)功能相互不受影響，具有較高的智能化、人性化。

2.紅外遙控模塊的組成

紅外遙控模塊主要由遙控發(fā)射器、紅外接收頭、接口電路組成，如圖1所示。紅外遙控器用來(lái)產(chǎn)生遙控編碼脈沖，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管輸出紅外遙控信號(hào)，遙控接收頭完成對(duì)遙控信號(hào)的放大、檢波、整形、解調(diào)出遙控編碼脈沖。遙控編碼脈沖是一組串行二進(jìn)制碼，此串行碼輸入到單片機(jī)，由其內(nèi)部CPU完成對(duì)遙控指令解碼，并執(zhí)行相應(yīng)的遙控功能。使用紅外遙控器作為控制系統(tǒng)的輸入，需要解決如下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：如何接收紅外遙控信號(hào)；如何識(shí)別紅外遙控信號(hào)以及解碼軟件的設(shè)計(jì)、控制程序的設(shè)計(jì)。

圖1 紅外遙控系統(tǒng)組成方框圖

2.1 紅外遙控的實(shí)現(xiàn)原理

紅外遙控的實(shí)現(xiàn)主要是如何用程序去分析位0和位1。位0和位1所不同之處就是在高電平脈沖后的低電平脈寬不一樣，采用脈寬調(diào)制的串行碼，以脈寬為0.565ms、間隔0.56ms、周期為1.125ms的組合表示二進(jìn)制的“0”；以脈寬為0.565ms、間隔1.685ms、周期為2.25ms的組合表示二進(jìn)制的“1”，其波形如圖3所示。

圖2 遙控碼的“0”和“1”

這里有一點(diǎn)要注意的是，遙控芯片輸出的波形，接收端在接收到信號(hào)時(shí)是取反的，如上圖所示，也就是說(shuō)接收端輸出波形正好和遙控芯片輸出的相反。圖2就是其中一段引導(dǎo)碼和自定義碼發(fā)射端和接收端的波形[3]。

圖3和圖4就是其中一段引導(dǎo)碼和自定義碼遙控信號(hào)的編碼波形圖。

遙控編碼是連續(xù)的32位二進(jìn)制碼組，其中前16位為用戶(hù)識(shí)別碼，能區(qū)別不同的電器設(shè)備，防止不同機(jī)種遙控碼互相干擾。芯片廠商把用戶(hù)識(shí)別碼固定為十六進(jìn)制的一組數(shù)；后16位為8位操作碼（功能碼）及其反碼。

解碼的關(guān)鍵也是如何識(shí)別“0”和“1”，從位的定義我們可以發(fā)現(xiàn)“0”、“1”均以0.56ms的低電平開(kāi)始，不同的是高電平的寬度不同，“0”為0.56ms,“1”為1.68ms,所以必須根據(jù)高電平的寬度區(qū)別“0”和“1”。如果從0.56ms低電平過(guò)后，開(kāi)始延時(shí)，0.56ms以后，若讀到的電平為低，說(shuō)明該位為“0”，反之則為“1”，為了可靠起見(jiàn)，延時(shí)必須比0.56ms長(zhǎng)些，但又不能超過(guò)1.12ms,否則如果該位為“0”，讀到的已是下一位的高電平，因此取（1.12ms+0.56ms）/2=0.84ms最為可靠，一般取0.84ms左右均可。 根據(jù)碼的格式，應(yīng)該等待9ms的起始碼和4.5ms的結(jié)果碼完成后才能讀碼。

圖5 紅外接收硬件圖

2.2 紅外接收模塊

該模塊使用紅外接收頭1838，其電路如圖5所示。瓷片電容104為去耦電容，1端即解調(diào)信號(hào)的輸出端，直接與單片機(jī)的P3.2口相連。有紅外編碼信號(hào)發(fā)射時(shí)，輸出為檢波整形后的方波信號(hào)，并直接提供給單片機(jī)。

2.3 紅外遙控的軟件設(shè)計(jì)流程及思路

解碼方法如下：

·設(shè)外部中斷0(或者1)為下降沿中斷，定時(shí)器0(或者1)為16位計(jì)時(shí)器．初始值均為O。

·第一次進(jìn)入遙控中斷后，開(kāi)始計(jì)時(shí)。

·從第二次進(jìn)入遙控中斷起，先停止計(jì)時(shí)。并將計(jì)時(shí)值保存后，再重新計(jì)時(shí)。如果計(jì)時(shí)值等于前導(dǎo)碼的時(shí)間，設(shè)立前導(dǎo)碼標(biāo)志。準(zhǔn)備接收下面的一幀遙控?cái)?shù)據(jù)，如果計(jì)時(shí)值不等于前導(dǎo)碼的時(shí)間，但前面已接收到前導(dǎo)碼，則判斷是遙控?cái)?shù)據(jù)的O還是1。

·繼續(xù)接收下面的地址碼、數(shù)據(jù)碼、數(shù)據(jù)反碼。

·當(dāng)接收到32位數(shù)據(jù)時(shí)，說(shuō)明一幀數(shù)據(jù)接收完畢。此時(shí)可停止定時(shí)器的計(jì)時(shí)，并判斷本次接收是否有效，如果兩次地址碼相同且等于本系統(tǒng)的地址，數(shù)據(jù)碼與數(shù)據(jù)反碼之和等于0FFH，則接收的本幀數(shù)據(jù)碼有效。否則丟棄本次接收到的數(shù)據(jù)。

·接收完畢，初始化本次接收的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備下一次遙控接收。

圖6 主程序流程圖

3.直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)

用單片機(jī)控制直流電機(jī)時(shí)，需要加驅(qū)動(dòng)電路，為直流電機(jī)提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，如圖7所示：本次設(shè)計(jì)我們選擇了達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器，它實(shí)際上是一塊集成芯片，單塊芯片同時(shí)可驅(qū)動(dòng)多個(gè)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)由單片機(jī)的一個(gè)I/O口控制，當(dāng)需要調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，使單片機(jī)的相應(yīng)I/O口輸出不同占空比的PWM波形即可。占空比是指高電平持續(xù)時(shí)間在一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)的百分比。控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，占空比越大，速度越快，如果全為高電平，占空比為100%時(shí)，速度達(dá)到最快。

當(dāng)用單片機(jī)I/O口輸出PWM信號(hào)時(shí)，可采用以下兩種方法：[7]

·利用軟件延時(shí)。當(dāng)高電平延時(shí)時(shí)間到時(shí)，對(duì)I/O口電平取反變成低電平，然后再延時(shí)；當(dāng)?shù)碗娖窖訒r(shí)時(shí)間到時(shí)，再對(duì)I/O口電平取反，如此循環(huán)就可得到PWM信號(hào)。

圖7 直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路

圖8 直流電機(jī)的H橋控制圖

圖9 超聲波蔽障流程圖

·利用定時(shí)器。控制方法同上，只是在這里利用單片機(jī)的定時(shí)器來(lái)定時(shí)進(jìn)行高、低電平的翻轉(zhuǎn)，而不用軟件延時(shí)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)還可以用如圖8方式。該電路工作的原理為：當(dāng)Q5與Q8同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)會(huì)順時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)Q6與Q7同時(shí)導(dǎo)通時(shí)電機(jī)會(huì)逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，這樣我們就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正傳與反轉(zhuǎn)的控制了，單片機(jī)的控制引腳只用了兩個(gè)，一個(gè)接Q5和Q8的基級(jí)這樣可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正傳，另一個(gè)接Q6與Q7的基級(jí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)。如果用PWM波控制該電機(jī)，那PWM波就可以從基級(jí)直接輸入，但是對(duì)于三極管的選型特別要注意，第一，要看管子的耐壓特性，第二，要看管子的頻率特性，如果頻率特性不太好，那PWM控制電機(jī)就失去了意義。

4.小車(chē)的尋線功能

小車(chē)的尋線功能采用的是GP2A25傳感器，該傳感器檢測(cè)黑線的靈敏度非常的高，一般在工業(yè)上用來(lái)探測(cè)紙張比較多，利用此功能，我們也可以用他來(lái)檢測(cè)黑線，只是取的電平剛好和測(cè)紙張的電平相反。GP2A25探測(cè)的距離有一個(gè)要求，一般在1.5厘米的空度是最為靈敏的，所以在小車(chē)上安裝此傳感器比較有精度要求。

在小車(chē)的左邊和右邊各安裝一個(gè)GP2A25傳感器。當(dāng)小車(chē)左邊檢測(cè)到黑線，證明小車(chē)尾部向右歪了，這時(shí)候單片機(jī)輸出相應(yīng)的代碼來(lái)糾正小車(chē)的位置，左電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)右電機(jī)靜止，這樣小車(chē)就能擺正位置，同理，當(dāng)右邊傳感器檢測(cè)到黑線，小車(chē)尾部向左傾斜，右電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，左電機(jī)靜止。這樣小車(chē)就能在黑線上穩(wěn)定的前進(jìn)了。

5.超聲波測(cè)距原理 （40KHZ）

超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見(jiàn)，超聲波測(cè)距原理與雷達(dá)原理是一樣的。

測(cè)距的公式表示為：L=C×T

式中L為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差(T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)[10]。

·用戶(hù)通過(guò)從TX腳輸出40KH的方波信號(hào)，即就是從單片機(jī)的IO口連續(xù)發(fā)出高低電平，產(chǎn)生方波，方波的個(gè)數(shù)一般為10個(gè)左右，發(fā)出后啟動(dòng)定時(shí)器，開(kāi)始計(jì)時(shí)，此時(shí)，超聲波發(fā)射頭開(kāi)始發(fā)出超聲波，當(dāng)發(fā)出的超聲波被前方的障礙物返射回來(lái)，返射回來(lái)的超聲波被接收探頭接收到，此時(shí)，模塊的RX引腳會(huì)產(chǎn)生一個(gè)從高電平到低電平的跳變，此時(shí)，停止計(jì)時(shí)，通過(guò)計(jì)時(shí)的時(shí)間，根據(jù)以下公式計(jì)算測(cè)量距離

測(cè)量距離=[時(shí)間×聲速(340M/S)]/2具體流程圖如圖9。

6.結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的紅外遙控小車(chē)具有操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，易擴(kuò)展升級(jí)，在小車(chē)的主板上預(yù)留了多個(gè)擴(kuò)展端口，比如還可以再增加金屬傳感器TL-Q5MC來(lái)檢測(cè)路上感應(yīng)到的鐵片，從而來(lái)來(lái)測(cè)量小車(chē)在行進(jìn)的過(guò)程中所遇到的鐵片數(shù)量，通過(guò)霍爾元件感應(yīng)磁鐵來(lái)產(chǎn)生脈沖，計(jì)算一秒所得的脈沖數(shù)，從而計(jì)算出一秒小車(chē)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，再測(cè)量出小車(chē)車(chē)輪周長(zhǎng)即可計(jì)算出小車(chē)當(dāng)前速度，累加可得到當(dāng)前路程；或者通過(guò)語(yǔ)音芯片來(lái)控制小車(chē)的運(yùn)行等等。

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