基于單片機的機器人小車實驗平臺設計

匡暢 曾繁崎

摘 要：針對目前單片機、無線通信、傳感器等課程，學習過程枯燥無味、缺乏應用實例等問題，設計了一種基于單片機的機器人小車實驗平臺。該實驗平臺以機器人小車為載體，可以安裝藍牙、Wi-Fi、攝像頭、紅外避障、超聲波、LED點陣等等模塊，極大地豐富了學習內容，提高了學生的學習興趣和動手能力，廣泛適用于單片機技術、通信技術、傳感器技術、物聯網技術、人工智能技術等專業課程。該平臺具有安裝方便、擴展性強、功能豐富等特點。

關鍵詞：單片機;機器人小車;實驗平臺

學生在學習單片機、通信、傳感器、物聯網等課程時，只能在實驗板上練習，缺乏應用實例，學習積極性不高。針對這一問題，本文設計了一種基于單片機的機器人小車實驗平臺，可以豐富課程的教學方式，擴展學習內容。

一、硬件設計

（一）系統整體框架

本文設計的機器人小車實驗平臺主要由可選模塊、單片機、L298N和電機構成，如圖1所示。其中，可選模塊是可以添加的通信、傳感器等模塊，用于擴展平臺功能;單片機用于控制機器人移動，并向可選模塊提供通信接口;L298N是電機驅動，用于驅動電機運轉;電機安裝在機器人底盤上，轉子上有輪子，可以帶動機器人移動。

（二）單片機模塊

單片機模塊采用AVR的ATmega328p作為主控芯片，模塊核心板包含14個數字輸入輸出引腳，其中6個可用于PWM輸出，6個模擬輸入引腳，一個16 MHz的晶體振蕩器，一個USB接口，一個DC接口，一個ICSP接口和一個復位按鈕。單片機模塊工作在5V電壓下，但可以接受5～20V的電源輸入，主控芯片含有32KB Flash內存、2KB SRAM以及1KB EEPROM，完全滿足電機控制功能。為了方便上位機的控制，單片機模塊提供了串行通信接口，通過串口，上位機可以使用簡單指令操作單片機模塊控制電機運轉。

（三）L298N模塊

L298N是專用驅動集成電路，屬于H橋集成電路，功率較強。其輸出電流為2A，最高電流4A，最高工作電壓50V，可以驅動感性負載，如大功率直流電機，步進電機，電磁閥等，特別是其輸入端可以與單片機直接相聯，從而很方便地受單片機控制。當驅動直流電機時，可以直接控制步進電機，并可以實現電機正轉與反轉，實現此功能只需改變輸入端的邏輯電平。

L298N模塊主要用于驅動兩個直流電機，電路簡單，控制方便。外接電源一般采用鋰電池或干電池，輸入電源大約在5V左右。L298N可接受標準TTL邏輯電平信號，通過4個輸入引腳可以控制兩臺電機正轉或反轉，并且擁有兩個使能端控制兩臺電機的停轉。因此，單片機可以通過IO口控制電機正反轉，我們使用PWM引腳連接L298N控制端，可以通過PWM方式調節電機轉動速度。

二、軟件設計

（一）機器人小車移動

為了控制小車移動，我們編寫了電機程序程序，根據電機正反轉情況，編寫了前、后、左、右、停止等5個子函數，分別用于控制小車前進、后退、左轉、右轉和停止。其次，程序可以根據輸入參數的大小決定PWM的占空比，從而控制電機運轉的速度。最后，程序通過接收串口命令來控制小車移動，若沒有收到命令，則停止。

（二）通信協議

為了方便上位機控制單片機，從而控制機器人移動，我們編寫了串口通信協議，通過串口命令可以簡單地控制機器人移動。為了提高控制實時性，通信幀僅為1個字節。具體控制指令如表1所示。

本文設計的機器人小車實驗平臺，操作簡單，價格實惠，擴展性強，適應電子、通信、物聯網等專業使用。使用該平臺上課后，學生可以通過小車進行比賽、改裝、設計和創新。解決了單片機、通信、傳感器、物聯網等課程應用實踐平臺少、學生學習積極性不高等問題，值得推廣。

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