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1、摘 要智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。智能小车是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人，它具有制作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便等优点。由于具有很强的趣味性，智能小车深受广大机器人爱好者以及高校学生的喜爱。本系统以设计题目的要求为目的，采用80C51单片机为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。实验测试结果基本满足要求，本文着重介绍了该系
2、统的硬件设计方法及软件的编写。关键词：智能小车；单片机；超声波检测；PWM调速AbstractAs a new product of modern society, intelligence is the trend in future development. It can work in some specific environment according to the mode which sets in advance. Dispensing with behavior adjustment management,but it can achieve the expected， ev
3、en higher goal. Smart car is a means through programming specific tasks to complete the iniaturi -zation of the robot, it has produced low-cost, circuit structure is simple and conveni -ent debugging. Because of its highly interesting, intelligent robot car enthusiasts, as well as by the broad masse
4、s of college students love. This system regards the request of the topic, adopting 80C51 for controlling core, super sonic sensor for test the hinder. It can run in a high and a low speed or stop automatically. It also can record the time, distance and the speed automatically and the construction of
5、 whole system is simple, the function is dependable. Experiment test result basically satisfy the request, this text emphasizes introduced the hardware system designs and the write of program.Key words：smart car；single chip computer；ultrasound detector；PWM speed adjusting目 录1 引言(1)1.1 课题背景.(1)1.2 课题
6、的目的和意义.(1)1.3 设计要求.(1)2 总体方案设计.(3)2.1整体方案的设计思想.(3)2.2 总体设计框图.(3)2.3各模块分析选择.(3)2.3.1小车部分分析.(3)2.3.2 控制芯片的分析选择.(4)2.3.3电机驱动模块的分析与选择.(5)2.3.4避障模块的分析与选择.(5)2.3.5电源分析与选择.(6)2.3.6智能小车最后方案.(6)3系统单元电路的设计.(7)3.1 单片机最小系统的设计.(7)3.1.1 STC89C52单片机基本结构简介(7)3.1.2 单片机时钟震荡电路.(10)3.1.3 单片机复位电路.(10)3.2 显示模块的设计.(12)3.3
7、 电机驱动电路的设计.(13)3.3.1智能小车驱动电机的要求(13)3.3.2直流电机调速原理(14)3.3.3 L298N双H桥直流电机驱动芯片简介.(15)3.4 HCSR04超声波测距模块.(18)3.4.1模块特点(18)3.4.2主要技术参数(19)3.4.3模块实物图(19)3.4.4基本工作原理(19)3.4.5超声波测距模块与单片机相连的接线方法(20)3.4.6超声波时序图.(20)3.4.7 超声波测距原理及系统组成. (21)3.4.8超声波检测电路(21)3.5速度检测模块(22)3.6 电源模块的设计.(27)4 软件设计.(25)4.1 系统主程序流程图.(25)
8、4.2 显示子程序设计及流程图.(26)4.3测距子程序设计与流程(27)4.4按键改变占空比程序设计(28)5“看门狗”技术.(30)6 软件的简单介绍 .(32)6.1 Keil软件简介.(32)6.2 STC_ISP_V480的简介.(32)7 总结.(34)致 谢.(35)参考文献.(36)附录A 作品实物图(37)附录B 总程序(37)1 引言1.1 课题背景随着电子技术的不断发展人们发明了各式各样的具有感知，决策，行动和交互能力的机器人。智能小车可以理解为机器人的一种特例，它是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人。与普遍意义上的机器人相比智能小车制作成本低廉，电路结构简单
9、，程序调试方便，具有很强的趣味性，为此其深受广大机器人爱好者以及高校学生的喜爱。全国大学生电子设计竞赛每年都设有智能小车类的题目，由此可见国家对高校机器人研究工作的重视程度。本次设计的智能小车应该能够调节速度，具有自动避障功能，可以记录行驶速度、显示小车与前面障碍物的距离。根据题目的要求，确定了如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装光电、红外线，实现对电动车的速度、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。本设计与实际相结合，现实意义很强！智能的技术研究、应用也都是非常有意义而且有很高的市场价值的。随着电子技术、计算机技术和
10、制造技术的飞速发展，智能控制必将迎来它的发展新时代。1.2 课题的目的和意义本题目设计的是具有自动避障功能的智能小车，其设计思想与一些日常生活迫切需要的智能机器人类似。由于采用了超声波传感器，它不受光照强弱和能见度的影响，能耗低，灵敏度高，即使在较复杂的环境内也可以工作。智能小车系统的设计采用了模块化的设计方法，电路结构简单，调试方便，有很大的扩展空间，稍加改动便可应用于实际生产生活中，也可作为高校学生以及广大机器人爱好者学习研究使用。1.3 设计要求本设计要求采用单片机为控制核心,利用超声波传感器检测道路上的障碍,控制电动小汽车的自动避障,快、慢速行驶,以及自动停车,并可以自动记录时间、里程
11、和速度。小车能够显示距障碍物的距离。使用51单片机的输出端口产生四路占空比可调的PWM信号,驱动四轮两路智能小车的软件实现方法。程序中T0定时器采用中断的方式控制PWM信号的频率,T1定时器采用查询的方式控制PWM信号的占空比;并通过单片机自带的串行口接收主机传输过来的控制智能小车运动方向和速度(即占空比)的信号, 方便、及时、可靠、简洁地控制智能小车的运动状态。2 总体方案设计2.1整体方案的设计思想利用超声波检测模块检测道路前面的障碍物，然后把回响信号交给单片机处理，如果前面有障碍物，单片机的引脚会输出两个高电平信号控制小车刹车，当距离接近到一定程度以后控制小车向左转，与此同时继续检测障碍
12、物。当然小车启动的时候就要求开始显示小车与前面障碍物的距离。当小车又检测到障碍物时，说明刚才向左转的动作行不通，此时就要求小车退后，一定时间以后再向右转，然后再检测障碍，如果又遇到障碍物就停车。在小车上加装光电传感器以后，小车后轮每转过一圈，就计一个脉冲，通过记录单位时间内的脉冲数就可以算出小车的速度。2.2 总体设计框图本系统基本框图2-1所示：STC89C52 单 片 机 驱动模块检测避障模块显示模块电源模块调速模块看门狗电路图2-1 总体设计框图2.3各模块分析选择2.3.1小车部分分析在本设计中采用了实验室提供的玩具电动车。该玩具电动车价格低廉，有完整的驱动、传动和控制单元，其中传动装
13、置是我们所需的，克服了自己设计制作小车时周期较长的缺点。此玩具电动小车采用普通直流电机驱动，带负载能力稍差，调速方面对程序要求较高。同时，该玩具电动车装有两个电机，分别控制小车的前后两组轮子，转向依靠前轮电机带动前轮转向完成，精度低。加速减速依靠后面的电机带动后面一组车轮完成。可以完成前进、后退、左转、右转、左后转、右后转等动作满足本次设计的要求。减速电机扭矩大，转速较慢，易于控制和调速，符合避障小车的要求。考虑到利用玩具电动小车做车架开发周期短，可留够充分的时间用于系统调试，且硬件上的不足可以通过优良的算法来弥补。本次利用的小车如图2-2所示：图2-2 本次设计用到的小车实物图2.3.2 控
14、制芯片的分析选择凌阳公司的16位单片机是16位控制器，具有体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单、具有语音处理、运算速度快等优点，但我对这种单片机并不熟悉，使用起来并不是很方便，这对于硬件电路的设计和软件编程增加了难度。因此采用STC89C52单片机作为主控制器，STC89C52是一个超低功耗，和标准51系列单片机相比较具有运算速度快，抗干扰能力强，支持ISP在线编程，片内含8k空间的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，具有256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个I/O口，3个16位可编程定时计数器。其指令系统和传统的8051系列单片机指令系统兼容，降低了系统软
15、件设计的难度，电路设计简单、价格低廉。且在运用过程中STC89C52的精确度和运算速度也都完全符合系统的要求。综合以分析选用了比较普通的且更为熟悉的STC89C52单片机为整个系统的控制核心。2.3.3电机驱动模块的分析与选择在选用驱动芯片的过程中，刚开始我考虑了与小车配套的传统的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，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻的电流大，发热厉害，损耗大。在使用的过程中发现它满足不了本次设计的要求，后来考虑了专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率
16、高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。且由L298N结合单片机可实现对小车速度的精确控制。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L298N控制直流电机。2.3.4避障模块的分析与选择采用红外线避障，利用单片机来产生38KHz信号对红外线发射管进行调制发射，发射出去的红外线遇到避障物的时候反射回来，红外线接收管采用数字接受器件HS0038对反射回来信号进行解调，输出TTL电平，外界对红外信号的干扰比较小，且易于实
17、现，价格也比较便宜。用漫反射式光电开关进行避障。光电开关的工作原理是根据光线发射头发出的光束，被物体反射，其接收电路据此做出判断反应，物体对红外光由同步回路选通而检测物体的有无。当有光线反射回来时，输出低电平。当没有光线反射回来时，输出高电平。但是这种电路在户外容易受阳光的影响。因此放弃此方案。用超声波传感器进行避障。超声波传感器的原理是：超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收。超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。采用超声波避障，超声波受环境影响较大，电路复杂，而且地面对超声波的反射，会影响系统对障碍物的判断。考虑到本系统只需要检测前面的障碍物，基本上
18、没有十分复杂的环境。且模块化的芯片使用起来方便，便于操作和调试，故选择了超声波传感器。2.3.5电源分析与选择如果采用双电源供电。电动机驱动电源采用四节五号电池，单片机及其外围电路电源采用5V钮扣电池供电，两路电源完全分开，这样做虽然可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统稳定性。但是不如单电源方便灵活。如果所有器件采用单一电源，虽然会在电动机启动瞬间电流很大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰等。但是这样供电会比较简单，且能够找到基本符合要求的镍镉充电电池来供电，单片机的开发板上就有一个7805稳压芯片可以利用，这样在实现起来也比较可行，因此决定采用镍镉充电电池供电。2.3.6智能小车最后
19、方案经过上面的思考和分析最终确定智能避障小车的最终方案如下：采用STC89C52单片机作为整个电路的控制核心。直接使用镍镉电池提供基准电源。采用直流减速电机作为小车系统的驱动电机。使用电机专用驱动芯片L298N作为直流电机的驱动芯片。、采用超声波探测器进行障碍检测。用开发板自带的数码管显示时间、里程、以及到障碍物的距离。3系统单元电路的设计3.1 单片机最小系统的设计3.1.1 STC89C52单片机基本结构简介本模块采用STC89C52单片机作为核心处理器。STC89C52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)
20、的可反复擦写10000次以上的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的STC89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。其应用范围广，性能良好，可用于解决复杂的控制问题。利用STC89C52的I/O端口对传感器信号进行实时判断监控来控制步进电机做出相应的反映。STC89C52单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存
21、储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。其基本结构框图如图32图所示：微处理器（运算部件）控制部件BRAMP0口P2口特殊功能寄存器（SFR）ROMP1口串行口定时/计数器中断系统P3口图31 单片机基本结构框图微处理器该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。 数据存储器片内为128个字节，片
22、外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。 程序存储器由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。中断系统具有5个中断源，2级中断优先权。定时器/计数器片内有2个16位的定时器/计数器， 具有四种工作方式。 串行口1个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。特殊功能寄存器共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。
23、实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。由上可见，STC89C52单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的一个突破，这也是MCS-51单片机在设计的精美之处。如图3-2是本次设计用到的单片机开发板实物图。图3-2 本次设计用到的单片机开发
24、板实物图其原理图如图3-3所示：图3-3 开发板原理图3.1.2 单片机时钟震荡电路MCS51单片机各功能部件运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊的一步一步地工作，因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。单片机虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。电
25、容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值，但在60pF到70pF时振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中，振荡晶体选择6MHZ,电容选择65pF。在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。图34是单片机时钟振荡电路图：图34单片机时钟振荡电路3.1.3 单片机复位电路单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC0000H，使单片机从第个单元取指
26、令。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。单片机复位的条件是：必须使RST/Vpd或RST引脚(9)加上持续两个机器周期(即24个振荡周期)的高电平。本系统时钟频率为12MHz，每机器周期为1us，则只需2us以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。80C51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲
27、方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。按键手动复位电路如图35所示。图中S1、R2构成按键复位电路。若要复位，只需按图中的S键，此时电源VCC经电阻R4、R9分压，在RESET端产生复位高电平，两个机器周期后单片机复位。图中C为上电复位电容，它是利用电容充放电来实现的。在接电瞬间，RESET端的电位与VCC相同，随着充电电流的减少，RESET的电位逐渐下降。只要保证RESET为高电平的时间大于两个机器周期，便能正常复位。 图35单片机复位电路3.2 显示模块的设计在本次设计中采用数码管作为显示部分，数码管实际上是由7个发光二极管组成8字形构成的，加上小数点就是8个
28、。我们分别把他命名为a、b、c、d、e、f、g、dp。如图36所示。图32 数码管原理图图36 数码管作为显示部分本电路采用四位一体共阴极数码管，利用动态扫描方式来完成显示功能。动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。CPU送来的数据信号直接送入数码管的段号码，进行数字显示，本次设计中采用了开发板自带的ULN2003作为数码管的位选控制芯片，要控制
29、右边的数码管中的哪个点亮只需要在ULN2003的左边的A1、A2、A3、A4端送入相应的控制信号就可以点亮其中一位。而数码管的段选信号则由单片机的P1口控制，超声波传感器检测到的距离通过数字编码转换后才送到数码管显示，在送段选信号时，通过单片机的控制，首先显示个位数, 再延时一会，然后关掉.之后然后显示十位数，再延时一会，再关掉,然后显示百位数，这样一直循环下去，那么我们将会看到连续的数字显示,轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上四位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示而不会有闪烁感。L
30、ED数码管与单片机连接电路如图37所示。图37 数码管与单片机连接图3.3 电机驱动电路的设计3.3.1智能小车驱动电机的要求控制电机是本次设计中的重要元件，如果控制电机的性能不佳或使用不当，将直接影响到整个系统的工作性能。智能小车控制系统中对控制电机要求其体积小、重量轻、耗电少，另外还要求其有高可靠性、高精度和快速响应等特点，主要集中在以下几个方面高可靠性。控制电机的可靠性对保证任何自动控制系统的正常工作极为重要，一旦发生故障，将会直接导致本次设计的失败。高精度。在本次设计中对电机的响应精度要求较高，因为我们所加的脉冲宽度是毫秒级得，有时甚至是微秒级的。从广义上而言，直流电机特性的线性度和失
31、灵区会直接影响到系统的精度。启动、停止和反向均能连续有效的进行，具有良好的响应特性。正转反转的特性相同，且运行特性稳定。良好的抗干扰能力、体积小、重量轻。常用的控制电机有步进电机和直流电机两大类。步进电机效率较低，功率较小，虽然近年来不断有小体积大功率的步进电机出现，但其价格昂贵，因此在小车类控制中常用的是直流电机。直流电机能够将输入的电压信号变成转轴的角位移或角速度输出，改变控制电压即可改变电机转速和转向，用途很广泛，主要有如下优点：宽广的调速范围。直流电机的转速能够随着控制电压的改变在宽广的范围内连续调节。线性的机械特性和调节特性。直流电机在控制电压一定时，转速随着转矩的变化而变化。转矩一
32、定时，转速则随电压的变化而线性调节。线性的机械特性和调节特性有利于提高自控系统的动态精度。与步进电机相比，小体积较易获得大功率。3.3.2直流电机调速原理直流电动机转速可以用下式表示： n=(U-IR)/K其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，为每极磁通量，K为电动机结构参数。直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中PWM(脉宽调制)便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。PWM调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通和断开的时间比(占
33、空比)来改变直流电机电枢上电压的占空比，从而改变平均电压，控制电机的转速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。而且采用PWM技术构成的无级调速系统启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，且设占空比为D=tT，则电机的平均速度Vd为：Vd=VmaxD由公式可知，当改变占空比D=tT时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可将其近似地看成线性关系。 在直流电机驱动控制
34、电路中，PWM信号由单片机产生，驱动L298N的H桥左右两边的三极管开关来改变直流电机电枢上平均电压的大小，从而控制电机的转速，实现直流电机PWM调速。当用单片机I/O口输出PWM信号时，可采用以下三种方法：利用软件延时。当高电平延时时间到时，对I/O口电平取反变成低电平，然后再延时；当低电平延时到时，再对I/O口电平取反，如此循环就可得到PWM信号。利用定时器。控制方法相同，只是在这里利用单片机定时器来定时进行高低电平的翻转，而不用软件延时。利用单片机单片机自带的PWM控制器。但本实验用的STC89C52并没有PWM控制器，所以采用定时器产生PWM信号。3.3.3 L298N双H桥直流电机驱
35、动芯片简介电机驱动模块主要功能是将主控芯片发出的信号通过电机控制芯片转化为小车实际的动作。本设计中采用的电机专用驱动芯片L298N。L298N是欧洲著名的SGS公司的产品，为单块集成电路、高电压、高电流、四通道驱动。设计用来接收DTL或者TTL逻辑电平，驱动感性负载(比如继电器，直流电机)，和开关电源晶体管。L298N芯片有一个电源引脚VCC和接地引脚GND。四个电机驱动引脚和四个PWM波控制引脚。VCC引脚可以接+12V电源用来给芯片和电动机供电。还可从板内取5V 电压用来给单片机部分供电。可实现电机正反转及调速、启动性能好、启动转矩大、可同时驱动两台直流电机。L298N驱动电路实物如图3-
36、8所示：图3-8 L298N驱动电路实物其原理图如图3-9所示。. 图3-9 L298N原理图图直流电机由驱动芯片L298N提供驱动电机所需要的电压和电流，通过改变加在电动机上的电压的平均值来控制电机的运转。L298N可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。由于需要驱动电路在接收到单片机发出的控制信号时就能立即做出动作因此使能端既ENA、ENB引脚直接+5v，即让电机直使能。通过单片机的I/0输入芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转、停止的操作，表3-1是其输入引脚和输出引脚的逻辑关系。操作非常方便，能满足直流减速电机的大电流要求。L298N是双H桥驱动芯片，包含两个H桥电路。每个H桥电路原
37、理大体如图3-10所示：图3-10 H桥电路图表3-1输入引脚和输出引脚的逻辑关系IN1(IN3)IN2(IN4)电机运行情况10正转01反转11刹车00停止若H桥的1端为低电平，2端为高电平时，三极管Q4导通，Q1截止，此时Q3的基极为低电平，Q2的基极为高电平，因此三极管Q2和Q6导通，Q3和Q5截止，电流流向如图3-11所示，电机正转。图3-11 电机正转示意图若H桥的1端为高电平，2端为低电平时，三极管Q1导通，Q4截止，此时Q3的基极为高电平，Q2的基极为低电平，因此三极管Q3和Q5导通，Q2和Q6截止，电流流向如图3-12所示，电机反转。图3-12 电机反转示意图3.4 HCSR0
38、4超声波测距模块3.4.1模块特点HCSR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。本模块性能稳定，测度距离精确。能和国外的SRF05,SRF02等超声波测距模块相媲美。模块高精度，盲区（2cm）超近。3.4.2主要技术参数如表3-2所示表3-2 HCSR04超声波测距模块参数3.4.3实物图如图3-13所示，板上各引脚的含义：VCC供5v电源、Trig触发控制信号输入、 Echo回响信号输出、 out（空脚）、GND为地线。Trig引脚是内部上拉10K的电阻，用单片机的IO口拉高Trig引脚，然后给一个持
39、续时间10us以上的脉冲信号,OUT脚为此模块作为防盗模块时的开关量输出脚，测距模块不用此脚。但是此模块应先插好在电路板上再通电，避免产生高电平的误动作，如果产生了，重新通电方可解决。图3-13 HCSR04超声波测距模块实物图3.4.4基本工作原理采用IO口Trig触发测距,给至少lOus的低电平信号；模块自动发送8个40khz的方波，自动检测足否有信号返回；如果有信号返回，通过IO口Echo输出一个高电平脉冲，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。3.4.5超声波测距模块与单片机相连的接线方法把单片机的P2口的第四位定义为Trig 位，单片机的P3口的第二位定义为Echo位，然后单
40、片机的引脚就可以直接用杜邦线接在超声波传感器的相应引脚上。因为单片机的引脚用作输入口的时候需要先给单片机的相应引脚一个高电平，然后从才能输入信号，因此在发送触发脉冲的时候应先把单片机的相应引脚拉高。在程序中先用指令产生一个持续时间20us的低电平脉冲,就可以在接收口Echo等待高电平输出。一有高电平输出就可以开启定时器计时,当Echo引脚变为低电平时关闭定时器T0，就可以读出定时器的值,此时定时器里面计下的数就是此次测距时超声波传播的时间,就可算出距离。如此不断的循环测量,就可以达到移动测量的目的了。3.4.6超声波时序图图3-14 超声波测距时序图以上时序图表明我们只需要提供一个10us以上
41、脉冲触发信号，该模块内部将自动发出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号的时间间隔可以计算得到距离。距离=高电平持续时间*声速(340m/s)/23.4.7 超声波测距原理及系统组成 超声波测距是借助于超声脉冲回波渡越时间法来实现的，设超声波脉冲由传感器发出到接收所经历的时间为 t，超声波在空气中的传播速度为 c，则从传感器到目标物体的距离D可用下式求出： D = ct /2相应的系统框如图3-15所示：图3-15 超声波测距原理框图基本原理：经发射器发射出长约6mm，频率为40kHZ 的超声
42、波信号。此信号被物体反射回来由接收头接收，接收头实质上是一种压电效应的换能器。它接收到信号后产生mV级的微弱电压信号。3.4.8超声波检测电路图3-16 超声波检测电路3.5速度检测模块采用光电编码器对驱动轮后轮的转速进行了实时检测，将反馈信号输入核心控制单元，并进行处理，从而对直流电机的转速、加减速进行准确快速的调节。本智能车的测速采用光栅编码器，它每转动一圈都会输出一定个数的脉冲，通过在单位时间内测量得到的脉冲数，就可以得出电机的转速。光栅编码器由光栅盘和光栅式光电开关组成。光栅盘可以自己制作，光栅式光电开关为配对并集成的LED管和光敏三极管。LED(发射端)的出射光照射到一小段距离之外的光敏三极管(接收端)上，传感器的状态随出射光是否被遮挡而改变。光电开关外围电路如图3-17所示。图3-17 经施密特触发器的光电开关外围电路电路A为传感器的发射端提供了限流电阻R1。Rl可以选220一1k。与反射式光电开关不同的是，在这里LED管的亮度不需要很高。事实上，如果LED管过亮，不仅增加功耗，而且红外光容易穿过阻光区域，造成误信号。因此，可以从高阻值的电阻开始选用(约1 k)，当发生误差信号问题时，只需将电阻值下调。电路B为传感器接收器(光敏三极管)的外围电路。如果接收端使用的是PNP型光敏三极管，则采用电路C。对B与C的两个电路来说，R3决定
