52單片機對智能小車的控制設計

引言：

隨著電子技術、計算機技術和制造技術的飛速發展，消費產品呈現光、機、電一體化、智能化、小型化的趨勢。各種智能化小車在市場玩具中占一個很大的比例。傳統玩具的市場比重正在逐步縮水，高科技含量的電子玩具蒸蒸日上，日益成為電子玩具行業的發展主流。智能控制與傳統控制有機的結合起來，取長補短，提高整體優勢，更好地滿足人們的需求。智能技術必將迎來它的發展新時代，因此，我們設計了這款智能小車。

1、機械部分總方案

在小車的機械要求保證預定的功能的前提下，我們還考慮到小車的經濟、可靠、外形美觀，性能好、富有時代特點。

轉向機構與驅動系統的設計是至關重要的。為了保證小車轉向時精確、靈敏、可靠性高且在轉向時小車前輪純滾動而無滑動，利用阿克曼原理及解析算法，設計出等腰梯形的雙搖桿機構，小車的完美轉向變為現實。

1.1、機械控制原理

在以單片機為核心的控制下，直流減速雙電機驅動小車后輪，舵機通過等腰梯形雙搖桿機構控制小車轉向。

如圖一所示：

圖一：機械控制原理圖

1.2、阿克曼原理：

如圖二所示：

圖二：阿克曼原理示意圖

轉彎時因輪距與軸距的關系，兩前輪轉角不同，內側輪轉向角比外側轉向角大，要使車輛轉向順利，車輪在地面純滾動而不產生滑移，必須使所有車輪都繞同一瞬時轉動中心滾動，兩前輪轉軸延長線與后輪輪軸延長線交與一點，這是阿克曼原理。此時，轉向的內外輪轉角關系為 ：

ctgβ-ctgα=M/L

由解析法計算等腰梯形雙搖桿機構連桿、連架桿長度：

已知連架桿AB的三個位置與連架桿CD的三個位置相對應，即三組對應位置為

，用解析法設計該四桿機構。

建立直角坐標系，如圖所示，和分別為AB和CD的初始角，各桿長度分別用矢量和表示。將各矢量分別在軸和軸投影，得到投影方程

在上述方程中消去并整理，可得與之間的函數關系

在上式中令：

通過化簡可得到：

將兩連架桿對應的參數分別代入到方程得到，再根據其他條件選定機架長度，據此，可求出其余桿的長度

有了小車的驅動結構和轉向結構，將小車其他零件裝配好，可得到小車的裝配圖，如圖三：

圖三：小車整體裝配圖

2、電路部分總體方案

智能小車采用52單片機作為控制器，通過控制電路控制舵機轉向和直流減速電機的轉速、轉動方向，使小車能夠走直線和轉彎。運用集成的紅外對管GP2A25來巡線，安裝在車子前方，并排安裝三個，采集路面信號反饋給單片機，再由單片機控制電機的轉動和方向的調整，從而達到巡線的效果。整個小車還采用金屬傳感器來識別小車巡線上的金屬。

整個小車的結構圖如圖四所示：

圖四：電路部分總方案圖

下面分別討論以上五個模塊。

2.1、單片機最小系統

單片機要能夠工作，必須加上晶振和復位電路，如果用到P0口的話還得給其加上上拉電阻，保證通電后P0為高電平。另外還得有給單片機燒寫程序的下載器，這個老師已給。單片機是此電路的核心部分。設計采用的52單片機，其工作電壓為5V（20引腳接5V，40引腳接地）。單片機根據程序輸出邏輯電壓從而完成控制作用。本設計使用單片機的P0.5到P0.7引腳來作為紅外巡線的反饋控制引腳。P0.4為金屬傳感器的控制端口，只可惜時間上不允許我們把金屬探測的功能做出來。P2.0到P2.3，為直流減速電機的控制線接口，能控制左右電機的正轉、反轉和停轉;P2.4和P2.5為電機的使能端接口，分別控制左右電機的轉速。P2.6為舵機的控制線接口，通過控制占空比來控制舵機的轉向及轉角大小。電路圖如圖五：

圖五：單片機最小系統

2.2、電源模塊

首先單片機用到的是5V的數字電，而電機驅動要用到L298的芯片，這種芯片用到12V的模擬電壓，驅動舵機用到的又是5V的模擬電壓。這就用到了三種電壓。我手上有一塊12V的電池，能夠供給L298作為電機驅動的電源。然后我選擇L7805來得到5V的模擬電壓。最后供給單片機的也是此電壓，然后把數字地和模擬地共地，從而得到了整個智能小車的總體供電系統。但是由于數字電和模擬電共在一起，干擾很大，系統的效果并不是很好。電路圖如圖六：

圖六：電源模塊電路圖

2.3、直流電機驅動模塊

電機驅動我們選擇芯片L298，當然在單片機和L298之間我們加了光耦，用來隔離數字電路和模擬電路。設計采用的光耦是TLP521-4，它主要由發光二極管和光敏三極組成。其工作原理如下：當光耦的輸入端（如IN1）接收到高電壓時，發光二極管沒有導通不發光，光敏三極管呈高阻態（可以認為其為斷路），此時輸出端（如OUT1）輸出高電壓;當光耦的輸入端接收到低電壓時，發光二極管導通發光，光敏三極管導通呈低阻態（可以認為其短路），此時輸出端輸出低電壓。由此可以看出通過光耦可以順利地將數字電路的邏輯電壓信號轉換到模擬電路中。而L298是雙H高電壓大電流功率集成電路。直接采用11L邏輯電平控制?？梢则寗永^電器、直流電動機、步迸電動機等電感性負載。在此電路中L298連接保護電路根據單片機提供的邏輯電壓對電機進行驅動。具體驅動方式如下：當使能端為高電平時。輸人端1N1（IN3）為高電平信號，IN2（IN4）為低電平信號時，電機正轉;輸人端INl（IN3）為低電平信號，IN2（IN4）為高電平信號時，電機反轉;INl（IN3）與IN2（IN4）相同時，電機快速停止。當使能端為低電平時。電動機停止轉動。電機驅動采用的是PWM（脈寬調制）的方式。這是單片機上常用的模擬量輸出方法，通過外接轉換電路，可以將占空比不同的脈沖轉換成不同的電壓，以驅動直流電機轉動從而得到不同的轉速。PWM波的占空比越大，電機轉動速度越快，當占空比達到100%時，速度達到最大。電路圖如圖七所示。

圖七：電機驅動電路和光耦隔離電路圖

2.4、舵機驅動

舵機驅動我們選擇的是單片機的P2.6端口，在接到舵機之前我們也用了光耦來隔離數字電路和模擬電路，如圖七所示。而舵機的連接電路也很簡單，僅僅只有三根線：紅線接5V電壓，黑線接地，白線為信號控制線，接入單片機即可。舵機的內部有一個基準電路，產生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。接口連接圖如圖八所示。

2.5、紅外探測電路和金屬傳感器電路

紅外探測采用的是GP2A25集成紅外對管。其工作原理是當其檢測到黑線，即發射管發射的信號被黑線吸收而不能接收時單片機的端口得到一個高電平，否則為低電平。金屬傳感器的原理和紅外對管的原理相差無幾。接口連接圖如圖八所示。

圖八：舵機、紅外以及金屬探測器接口電路

3、程序部分

我所設計的三個紅外對管探測地面的算法是：首先中間檢測到黑線，則車直行，這時當黑線偏離時，左右的紅外對管都有可能檢測到。到檢測到就向相應方向轉。這時黑線必將到達中間的紅外對管下面，車又直行。以下（圖九）為程序流程圖。

圖九：程序流程圖

程序有很多都是老師提供，只有紅外巡線的程序是我自己編寫，故我將此段程序寫于附錄之中。

4、調試部分

當電路板焊接好以后，首先是在不通電的情況下進行測試，看有無短路斷路問題存在。還好，我此次焊接的電路板并沒有這種問題。下一步就是通電測試了。主要是看單片機有沒有起振，有沒有開始工作，各管腳的電壓值等等啊。還好，一切正常。第三步就是燒寫程序以后的程序測試了。這也是耗費我最多時間的地方。在測試中，我先是發現自己的電路數字電路和模擬電路的相互干擾特別嚴重，舵機在工作的時候會很顫。于是我把電路分離開，重新測試。這時在測試的過程中我先后發現了其中一個直流電機存在問題，舵機也壞了。我又更換它們再次測試。

在整個測試過程中，我收獲頗豐。以前沒有調試過舵機，這次終于在自己的努力和老師的不吝賜教下學會了如何調試舵機。還有就是對整個電路系統的把握上也得到了很大的提高。

5、總結

看到小車比賽的視頻或是現場的比賽，勾起了兒時的美好回憶，興起了自己動手制作智能巡跡小車的念頭。曾經還認為小車的硬件部分應該是比較簡單的，通過自己的實踐才明白，從小車的整體構思設計到每個零件的設計和加工，都蘊含了機械設計的各項原則，滿足性能要求，經濟、可靠、外形美觀的諸多限制。

在小車轉向方面，我們認真研究了阿克曼原理并查閱了相關的資料最終采用解析法確定了平面等腰梯形四雙搖桿機構，實現了小車轉向時靈敏、準確，純滾動無滑動的完美結構。

電路方面，我們的收獲也很大。不僅鍛煉了自己在電路板焊接、測試方面的能力，包括了檢查錯誤，改正錯誤的能力;還學習了單片機的有關知識，這其中包括了直流電機、舵機、紅外巡線等方面的知識。

附錄：

1、 總電路圖

2、 機械結構總圖