EasyARM1138單片機為核心的智能小車的基本原理與實現(xiàn)方案

摘要：本設(shè)計給出了以EasyARM1138單片機為核心的智能小車的基本原理與實現(xiàn)方案。該系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計方案，運用光電編碼器、超聲波傳感器、無線收發(fā)器件組成不同的檢測電路，實現(xiàn)小車在行駛中軌跡、躲避前面的小車、測量車速等問題檢測，從而實現(xiàn)自動控制電動小車躲避前面小車，快慢速行駛，自動超車，并可以自動轉(zhuǎn)彎和實現(xiàn)交替領(lǐng)跑功能。該智能小車具有很好的識別與檢測的能力，具有定位精確、運行穩(wěn)定可靠的特點。并且該設(shè)計具有實際意義，可以應(yīng)用于考古、機器人、醫(yī)療器械等許多方面。尤其是在足球機器人研究方面具有很好的發(fā)展前景，在考古方面也應(yīng)用到了超聲波傳感器進行檢測。所以本設(shè)計與實際相結(jié)合，現(xiàn)實意義很強。

關(guān)鍵詞：EasyARM1138單片機；光電編碼器；PWM調(diào)速；電動小車；超聲波

甲車和乙車分別從自制跑道起點標志線開始，在行車道各正常行駛一圈。隨后甲、乙兩車如上位置同時起動，乙車通過超車標志線后在超車區(qū)內(nèi)實現(xiàn)超車功能，并先于甲車到達終點標志線，即第一圈實現(xiàn)乙車超過甲車。甲、乙兩車繼續(xù)行駛第二圈，要求甲車通過超車標志線后要實現(xiàn)超車功能，并先于乙車到達終點標志線，即第二圈完成甲車超過乙車，實現(xiàn)了交替領(lǐng)跑。甲、乙兩車繼續(xù)行駛第三圈和第四圈，并交替領(lǐng)跑。完成上述功能后，重新設(shè)定甲車起始位置（在離起點標志線前進方向40cm 范圍內(nèi)任意設(shè)定），實現(xiàn)甲、乙兩車四圈交替領(lǐng)跑功能。

方案一：采用通用的51單片機作為主控制器。51單片機通用靈活、價格低廉、使用方便，但此單片機字長有限，數(shù)據(jù)處理能力很弱，處理速度較慢，資源不夠豐富，需要擴展較多的外圍電路，降低了系統(tǒng)的可靠性，增加了制作的費用，難以滿足本設(shè)計要求。

方案二：EasyARM1138 人機界面擴展板是專門為廣州致遠電子有限公司開發(fā)的EasyARM1138開發(fā)板量身定制的一款人機界面的擴展板。該擴展板方案使用了基于ST7920控制器的中文圖形128×64的LCD和4×4矩陣鍵盤，豐富的人機界面完全能夠滿足用戶的要求。此方案給用戶提供了完整的硬件設(shè)計原理圖，PCB圖，軟件調(diào)試例程，LCD模擬SPI軟件包，鍵盤管理芯片ZLG7289模擬SPI軟件包。用戶在選用了這個方案后，將會大大縮減產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品設(shè)計的可靠性。

綜合比較以上兩個方案，本系統(tǒng)選擇方案二。

方案一：探測障礙的最簡單的方法是使用超聲波傳感器，它是利用向目標發(fā)射超聲波脈沖，計算其往返時間來判定距離的。具體工作原理：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收，然后將這個信號放大后送入單片機。該方法被廣泛應(yīng)用于移動機器人的研究上。其優(yōu)點是價格便宜，易于使用，且在幾米以內(nèi)能給出精確的測量。

方案二：視覺傳感器在CW系統(tǒng)中使用得非常廣泛。其優(yōu)點是尺寸小，價格合理，在一定的寬度和視覺域內(nèi)可以測量定多個目標，并且可以利用測量的圖像根據(jù)外形和大小對目標進行分類。但是算法復(fù)雜，處理速度慢。

綜合以上方案，采用方案一。

方案一：采用專用芯片L298N作為電機驅(qū)動芯片，L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。

方案二：對于直流電機用分離元件構(gòu)成驅(qū)動電路，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，在實際應(yīng)用中很廣泛，但在應(yīng)用中不夠穩(wěn)定。

方案三：采用達林頓管組成的H型PWM電路，用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，可精確調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速。這種電路工作在飽和截止模式下，一般用起來不大經(jīng)濟，且難于控制。

由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，要求精度較高，所以選擇方案一。

根據(jù)賽題任務(wù)的要求，我們在現(xiàn)有玩具電動車的基礎(chǔ)上，加裝光電編碼器、超聲波傳感器、電機驅(qū)動芯片L298N及nRF24L01無線收發(fā)器件，實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量和兩車之間的順利通訊，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。基于這些要求，我們設(shè)計并制作了基于EasyARM1138單片機為核心的智能小車系統(tǒng)。針對小車在行駛過程中的不同要求，采用模塊化設(shè)計方案，進行了各部分電路的設(shè)計。

file:///C:\Users\admin\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps9F10.tmp.png       圖2-1 原理總體設(shè)計圖

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圖2-2電機驅(qū)動電路圖

L298N介紹和電路原理

L298N是專門用來驅(qū)動電機的芯片，內(nèi)部集成了一個H橋電路和保護電路。連接時第1、29、30腳必須通過10K電阻接地，第8腳必須接地。11、12、18或27任意接一組電源就可以。驅(qū)動步進電機的L298N相線一定要接對,否則電機肯定不轉(zhuǎn)其他沒說明的引腳不用管。在連接和測試時不要用手碰芯片的任何引腳，否則輸不出信號。一旦過流保護被啟動，芯片必須重新上電后才可恢復(fù)正常工作。如果用手去碰第1、29、30引腳則過流保護立即啟動。

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圖2-3接收信號電路圖

該電路通過光電感應(yīng)跑道邊界對小車的運行情況進行實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車方向的控制。

軟件部分采用模塊化程序設(shè)計的方法，由主控制程序、電機驅(qū)動模塊的子程序、接收模塊的子程序、光電編碼器模塊的子程序等組成。該軟件是基于調(diào)控PWM波占空比來調(diào)節(jié)車速和運動方向的，通過無線電收發(fā)使兩車彼此聯(lián)系并及時反饋信息從而達到協(xié)調(diào)運行。最主要是應(yīng)用超聲波測距來確定小車自身所處的車位。

file:///C:\Users\admin\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps9F13.tmp.png        圖2-4主程序流程圖                       圖2-5超車模塊流程圖

地點：實驗室       時間：2011年9月4日      溫度：25℃

多功能數(shù)字萬用表、數(shù)字示波器、EasyARM1138單片機、秒表、計算機

先讓甲乙兩車分別在長度已知的跑道上各跑一圈，用秒表記錄兩車所用的時間，最后通過路程時間的關(guān)系推算出速度從而和軟件中設(shè)置的速度作比較，根據(jù)實際速度來改寫軟件的設(shè)置而達到理想值。第二圈、第三圈乃至后幾圈都同上述方法一樣，分別記錄多組超車速度、到達終點的時間，同軟件設(shè)置的速度值時間值作比較，最終使小車運行更快更省時。

軟件模塊測試：采用自下而上的調(diào)試方式，先進行模塊測試程序的調(diào)試，待全部通過之后將所有的軟件程序串接起來并結(jié)合硬件電路進行整體調(diào)試。

表4-1兩車平均速度統(tǒng)計表

表4-2兩車超車速度統(tǒng)計表

表4-3兩車所用時間統(tǒng)計表

因為控制器的時間是通過內(nèi)部定時器定時實現(xiàn)的，所以精度高，顯示時間準，其與秒表實測值之間的微小誤差是由測量誤差所引起的。另外，小車采用直流電機，不能短時間急轉(zhuǎn)和大弧度轉(zhuǎn)彎，所以導(dǎo)致速度控制不夠精確和穩(wěn)定，這也極大的造成了誤差。再加上跑道是用兩塊細木工板拼接而成，所以地面的摩擦力也對小車的速度造成了影響從而導(dǎo)致了誤差。最后就是在數(shù)據(jù)的處理時，由于人工的測量與計算，肯定存在著誤差，從而導(dǎo)致了與理論值的偏差。

從測試結(jié)果來看，本系統(tǒng)實現(xiàn)了題目基本部分以及發(fā)揮部分的要求， PWM技術(shù)能夠極大地提高電動機的驅(qū)動效率，通過接收模塊解決了小車嚴格按照軌跡(黑線)運行的問題，超聲波傳感器能夠精確測量小車與障礙物之間的距離。從運行情況看，采用本方案設(shè)計制作的智能小車，系統(tǒng)可靠性較高，運行穩(wěn)定，定位準確，達到了設(shè)計要求。 由于單片機留有空閑的I/O口，因此可以進一步對系統(tǒng)的功能進行擴展，比如加入自動循跡的功能進一步完善等，將使得系統(tǒng)更趨于智能化、人性化的特點。

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                         圖2-6單片機最小系統(tǒng)電路圖