教學用多功能單片機智能車設計與實現

華 俊， 高紅葉， 魏曉東

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

在單片機面世后短短的二三十年時間里，單片機技術已經廣泛應用于工業控制、儀器儀表、消費產品、汽車、辦公自動化和通信等領域［1］.單片機是有些專業同學必修的一門課程，在教學過程中主要以老師講課為主，再配合一定課時的實驗課.這樣的教學方式比較枯燥無味同學面對單調的實驗箱，無法激發他們的學習熱情.而學習單片機又注重理論與實際的結合，軟件與硬件結合.怎樣讓學生學好這門技術，各大院校也給出了各自的建議［2～4］.以單片機為控制核心，配以外圍電路以及執行機構組成的智能車，選用經典的51系列單片機P89V51，其下載電路簡單，無需專門的編程下載工具.車輛移動選擇步進電機39BYG401A作為執行機構，能夠精確控制小車的移動距離和轉向角度.避障、循跡和測距功能的實現借助了紅外技術，由紅外發射管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進行信息的顯示.

1 智能車系統的硬件設計

1.1 系統設計

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

Flash程序存儲器和1KB RAM數據存儲器［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壓電路、單片機復位電路、串口電路、步進電機驅動電路、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I／O資源有限，對某些端口進行了復用，并通過短接帽進行選擇，系統框圖如圖1所示.

圖1 智能車系統框圖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，更是要體現精確控制.所以，選擇了常用于精確控制的步進電機，并配合不同的實驗讓同學更了解步進電機.同時在使用步進電機的時候，如何配合好其它傳感器的使用、單片機的編程，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 各部分電路設計

1.2.1 電源穩壓電路

智能車使用兩種規格的電池進行供電，分別為8V和16V的鋰電池.由于步進電機的功耗相對于其它電路來說較大，因此由電壓轉換芯片7812將16V轉換為12V后單獨向電機驅動部分進行供電，并且為了提高電源的驅動力并聯了兩個7812一起向電機驅動模塊供電.而其它電路則由7805將8 V轉換為5V后進行供電.并且為了防止電源正負極插反導致電路的損壞，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 復位電路

智能車的復位電路既可以在上電時通過RC電路使得單片機復位，又可以進行手動復位，并帶有LED，可指示是否復位成功.

1.2.3 電機驅動電路

智能車采用的電機是兩相混合式步進電機39BYG401A，其最大靜轉距為2 300g·cm，工作電壓為12V，電流為0.4A［7］.電機驅動芯片選擇常用的L298N，其內部為雙全橋電路，可以驅動兩個直流電機或是一個兩相步進電機，最大工作電流為4 A，最大工作電壓可達46V［8］.智能車通過兩個步進電機的正反轉或是同向差速的方法實現轉向，所以需要兩個L298N.同時，每個電機驅動電路使用了8個肖特基二極管1N5817作為續流二極管，吸收電機內部電感產生的反向電流，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電平轉換芯片，將TTL電平轉換為±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 單個步進電機驅動電路Fig.3 Single stepper motor drive circuit

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

a.紅外發射管紅外發射管TSAL6200的驅動電路.單靠單片機引腳無法滿足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，發射管功率越大，發射出來的紅外光越強.三極管的基極與38K振蕩電路相連，也就是說，只要通電，發射管就開始工作.

b.紅外一體化接收管LL－M6038的外圍電路.LL－M6038已經對接收到的紅外信號進行濾波與放大，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驅動電路.光敏三極管接收到的紅外光強度不同，流過三極管的電流也不同，從而產生在限流電阻上的電壓也不同.通過一片LM358N中的兩個運算放大器對電壓進行處理.一級運算放大電路對限流電阻上的電壓進行跟隨，并通過小電容濾去一些干擾.二級運算放大電路對得到的電壓進行直流放大.得到的電壓經ADC0809進行A／D轉換后送往單片機.

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，并經計數器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，通過單片機根據距離的遠近控制其蜂鳴的頻度.同樣通過一個三極管進行驅動.

1.2.8 液晶電路

智能車使用了液晶來顯示智能車當前執行的程序.液晶控制器已經集成在了子板LCD1602上，智能車上僅提供對應的接口.

2 智能車系統的軟件設計

配合硬件系統，通過編程智能車可以實現的功能為定距定向運動、避障、尋跡以及測距.

2.1 定距定向運動

步進電機是一種將電脈沖轉換成角位移或線位移的機電元件［9］.步進電機旋轉的角度與電脈沖的改變有嚴格的對應關系.通過電機驅動芯片，步進電機能夠直接受到數字量的控制，所以特別適宜采用微機進行控制.39BYG系列步進電機屬于混合式步進電機，其特點在于步距角小、出力大及動態性能好，是目前性能最好的步進電機之一.智能車的兩個步進電機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 定距運動

通過實測智能車的輪胎直徑，可以得到經過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，所需的脈沖個數則為

代入數據后，n≈1 989，即1 989個脈沖后，智能車行駛了1m的距離.實際測試的結果也驗證了該式的正確性.智能車的速度通過設定定時器0和定時器1的計數值來實現，在向正前方行進的情況下，兩定時器的值應設為一致.軟件流程見圖5.

2.1.2 定向運動

實現定向運動的原理與實現定距運動的是一致的.現在僅以原地旋轉為例，若要將車身旋轉角度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45°，那么n≈136.與定距運動不同的是這時電機一個正轉一個反轉.電機驅動的C函數原型為void xMotorDrive（int dir）.經傳入函數的dir參數來決定左（右）電機的正反轉.

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，左前方發現障礙物，則朝右原地旋轉，直到左前方沒有障礙物.正前方遇障礙同右前方發現障礙物.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試好以后，將其置于大樓的樓道內，樓道內有墻壁、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，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現過程基本一致.在非黑色的地面上用黑膠帶鋪設出需要軌跡，由于紅外光被黑膠帶所吸收，所以當紅外收發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行運動，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

測距功能實現的是智能車在倒車時，反射回來紅外光的強度越強，倒車速度越慢，蜂鳴器發出的聲音也越響.需要進行A／D轉換，軟件的實現較復雜.L358N雙通道運算放大器在電源為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算放大器本身零點漂移等因素的影響，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的工作時序進行數據的讀取后，設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，效果更好.

3 結束語

介紹了智能車實驗系統的軟硬件，并已實驗證實了系統功能的可實現性.

智能車實驗系統，豐富了學習單片機技術的途徑，方便老師深入、系統地進行單片機教學，同時增強了學生學習單片機課程的興趣，鍛煉了其動手能力.

［1］代芬，王衛星，鄧小玲，等.單片機綜合實驗開發板設計［J］.實驗室研究與探索，2010，29（8）：213－215.

［2］黃辛超，殳國華.用于創新類課程平臺智能小車實驗系統的設計［J］.實驗室研究與探索，2009，28（12）：7－9.

［3］唐煒.基于“項目驅動”的單片機類課程實踐教學改革［J］.實驗室研究與探索，2010，29（5）：130－132.

［4］張瑞成，陳至坤，王福斌.以智能汽車競賽推動實驗教學改革［J］.實驗室 研究與探索，2010，29（8）：103－105.

［5］NXP semiconductor.P89V51RB2／RD2product datasheet Rev.05［EB＼OL］.［2009－11－12］.http：／／www.cn.nxp.com／products／microcontrollers／8＿16＿bit＿legacy／flash／P89V51RB2＿RC2＿RD2.html.

［6］廖南寬.考量功率密度設計非接觸式手機充電器［D］.臺北：義守大學，2088.

［7］Jameco electronics.39BYG401AR data sheet［EB／OL］.［2011－3－22］.http：／／www.jameco.com／ webapp／wcs／stores／servlet／Product110001 10001 237472－1.

［8］張志通.直流電動機驅動及控制的PROTEUS的仿真［J］.北華航天工業學院學報，2008，18（5）：28－30.

［9］李鐵才，杜坤梅.電機驅動技術［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2000.