教学用多功能单片机智能车设计与实现

华 俊， 高红叶， 魏晓东

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

在单片机面世后短短的二三十年时间里，单片机技术已经广泛应用于工业控制、仪器仪表、消费产品、汽车、办公自动化和通信等领域［1］.单片机是有些专业同学必修的一门课程，在教学过程中主要以老师讲课为主，再配合一定课时的实验课.这样的教学方式比较枯燥无味同学面对单调的实验箱，无法激发他们的学习热情.而学习单片机又注重理论与实际的结合，软件与硬件结合.怎样让学生学好这门技术，各大院校也给出了各自的建议［2～4］.以单片机为控制核心，配以外围电路以及执行机构组成的智能车，选用经典的51系列单片机P89V51，其下载电路简单，无需专门的编程下载工具.车辆移动选择步进电机39BYG401A作为执行机构，能够精确控制小车的移动距离和转向角度.避障、循迹和测距功能的实现借助了红外技术，由红外发射管TSAL6200、红外一体化接收管LL－M6038和红外光敏三极管3DU5C来辅助完成.同时，选用体积较小的LCD1602进行信息的显示.

1 智能车系统的硬件设计

1.1 系统设计

作为智能车的控制核心的P89V51RD2FN单片机，是一款低功耗的8位51核单片，片内有64 KB

Flash程序存储器和1KB RAM数据存储器［5］.支持ISP编程，只需串口电路并配合下载软件即可完成程序下载过程.智能车主要由电源稳压电路、单片机复位电路、串口电路、步进电机驱动电路、时钟源电路、红外电路、蜂鸣器电路和液晶电路组成.由于单片机I／O资源有限，对某些端口进行了复用，并通过短接帽进行选择，系统框图如图1所示.

图1 智能车系统框图Fig.1 Block diagram of the smart car

与很多其它的智能车相比，本智能车并非单纯追求速度而去选择直流电机，更是要体现精确控制.所以，选择了常用于精确控制的步进电机，并配合不同的实验让同学更了解步进电机.同时在使用步进电机的时候，如何配合好其它传感器的使用、单片机的编程，是不同于其它智能车的地方.整体智能车如图2所示.

图2 整体智能车Fig.2 Overview of smart car

1.2 各部分电路设计

1.2.1 电源稳压电路

智能车使用两种规格的电池进行供电，分别为8V和16V的锂电池.由于步进电机的功耗相对于其它电路来说较大，因此由电压转换芯片7812将16V转换为12V后单独向电机驱动部分进行供电，并且为了提高电源的驱动力并联了两个7812一起向电机驱动模块供电.而其它电路则由7805将8 V转换为5V后进行供电.并且为了防止电源正负极插反导致电路的损坏，在电源入口增加了肖特基二极管1N5817，其前向电压仅为0.75V＠3.0ADC［6］.

1.2.2 复位电路

智能车的复位电路既可以在上电时通过RC电路使得单片机复位，又可以进行手动复位，并带有LED，可指示是否复位成功.

1.2.3 电机驱动电路

智能车采用的电机是两相混合式步进电机39BYG401A，其最大静转距为2 300g·cm，工作电压为12V，电流为0.4A［7］.电机驱动芯片选择常用的L298N，其内部为双全桥电路，可以驱动两个直流电机或是一个两相步进电机，最大工作电流为4 A，最大工作电压可达46V［8］.智能车通过两个步进电机的正反转或是同向差速的方法实现转向，所以需要两个L298N.同时，每个电机驱动电路使用了8个肖特基二极管1N5817作为续流二极管，吸收电机内部电感产生的反向电流，如图3所示.

1.2.4 串口电路

P89V51RD2FN支持ISP编程模式，智能车与计算机串口相连仅需3根线即可，分别是TXD、RXD和GND.在这里使用了最常用的MAX232电平转换芯片，将TTL电平转换为±9V.

1.2.5 红外电路

红外电路又分为3个部分，如图4所示.

图3 单个步进电机驱动电路Fig.3 Single stepper motor drive circuit

图4 红外光敏三极管A／D转换电路Fig.4 A／D converter circuit for infrared phototransistor

a.红外发射管红外发射管TSAL6200的驱动电路.单靠单片机引脚无法满足TSAL6200工作所需的电流.因此选用了三极管放大电路，将发射管放在集电极端，并加上一个220Ω的限流电阻.限流电阻越小，发射管功率越大，发射出来的红外光越强.三极管的基极与38K振荡电路相连，也就是说，只要通电，发射管就开始工作.

b.红外一体化接收管LL－M6038的外围电路.LL－M6038已经对接收到的红外信号进行滤波与放大，使用方便，只需外部上拉10K电阻，并且VCC与GND之间放置一个电容值较大的电解电容就可以正常工作.

c.红外光敏三极管3DU5C驱动电路.光敏三极管接收到的红外光强度不同，流过三极管的电流也不同，从而产生在限流电阻上的电压也不同.通过一片LM358N中的两个运算放大器对电压进行处理.一级运算放大电路对限流电阻上的电压进行跟随，并通过小电容滤去一些干扰.二级运算放大电路对得到的电压进行直流放大.得到的电压经ADC0809进行A／D转换后送往单片机.

避障功能和循迹功能都使用了3组TSAL6200和LL－M6038，而测距使用了一个TSAL6200和一个3DU5C.

1.2.6 时钟源电路

TSAL6200产生LL－M6038能够接收的红外光（940nm）需要38K的方波信号，使用了38K晶振配合典型振荡电路的方式可以获得较好的方波信号.同时，ADC0809也需要时钟才能工作，在这里使用了6M晶振，并经计数器74HC4040分频后获得750kHz方波.

1.2.7 蜂鸣器

智能车上还配备了一个蜂鸣器，通过单片机根据距离的远近控制其蜂鸣的频度.同样通过一个三极管进行驱动.

1.2.8 液晶电路

智能车使用了液晶来显示智能车当前执行的程序.液晶控制器已经集成在了子板LCD1602上，智能车上仅提供对应的接口.

2 智能车系统的软件设计

配合硬件系统，通过编程智能车可以实现的功能为定距定向运动、避障、寻迹以及测距.

2.1 定距定向运动

步进电机是一种将电脉冲转换成角位移或线位移的机电元件［9］.步进电机旋转的角度与电脉冲的改变有严格的对应关系.通过电机驱动芯片，步进电机能够直接受到数字量的控制，所以特别适宜采用微机进行控制.39BYG系列步进电机属于混合式步进电机，其特点在于步距角小、出力大及动态性能好，是目前性能最好的步进电机之一.智能车的两个步进电机并排置于小车的前端，尾部添加一个无定向轮，保持车体的平衡.

2.1.1 定距运动

通过实测智能车的轮胎直径，可以得到经过n个脉冲后步智能车所走的距离.即

式中，d为智能车轮胎的直径，d＝64mm.智能车若要行驶1m后停车，所需的脉冲个数则为

代入数据后，n≈1 989，即1 989个脉冲后，智能车行驶了1m的距离.实际测试的结果也验证了该式的正确性.智能车的速度通过设定定时器0和定时器1的计数值来实现，在向正前方行进的情况下，两定时器的值应设为一致.软件流程见图5.

2.1.2 定向运动

实现定向运动的原理与实现定距运动的是一致的.现在仅以原地旋转为例，若要将车身旋转角度θ，计算式为

式中，l为智能车两轮中心之间的宽度，l＝17.4cm；θ的单位为弧度.若要旋转45°，那么n≈136.与定距运动不同的是这时电机一个正转一个反转.电机驱动的C函数原型为void xMotorDrive（int dir）.经传入函数的dir参数来决定左（右）电机的正反转.

图5 定距功能软件流程图Fig.5 Software flow chart for certain movement function

2.1.3 避障功能

避障功能使用了3组红外收发电路，分别在左前方、正前方和右前方3个方向上检测是否有障碍物，若有的话，则改变智能车的行驶方向.例如，左前方发现障碍物，则朝右原地旋转，直到左前方没有障碍物.正前方遇障碍同右前方发现障碍物.为了保证智能车不会被障碍物擦碰，将左前方和右前方能够检测的宽度调整为略宽于车身宽度.避障功能的软件流程与图5类似.

避障功能的硬件和软件都调试好以后，将其置于大楼的楼道内，楼道内有墙壁、门、门槛、消防栓等障碍物，小车都顺利地避开了这些物品，没有撞上.并且可以一直沿着墙壁朝前行进，轮胎与墙壁之间不摩擦.

2.1.4 寻迹功能

寻迹功能与避障功能的实现过程基本一致.在非黑色的地面上用黑胶带铺设出需要轨迹，由于红外光被黑胶带所吸收，所以当红外收发管所在位置处在黑胶带上方时，是无法收到红外光的，借此判断智能车是否偏离轨道.如图6所示（见下页），在地板上用黑胶带放置了轨道，小车就能一直沿着这个轨道进行运动，不偏离轨道.

图6 智能车寻迹测试Fig.6 Smart car tracing test

2.1.5 测距功能

测距功能实现的是智能车在倒车时，反射回来红外光的强度越强，倒车速度越慢，蜂鸣器发出的声音也越响.需要进行A／D转换，软件的实现较复杂.L358N双通道运算放大器在电源为5V的情况下，其直流输出最大在3V左右.另外加之3DU5C光敏三极管有漏电流和运算放大器本身零点漂移等因素的影响，即使没有任何光的情况下，仍然有0.5V左右的电压.所以经过放大后接入ADC0809的模拟信号范围为0.5～3V.按照ADC0809的工作时序进行数据的读取后，设置智能车的倒车速度，以及蜂鸣器蜂鸣的时间.软件流程图如图7所示.

图7 测距功能软件流程图Fig.7 Software flow chart for distance detection function

调试好后，将智能车的尾部对着墙壁，车辆在倒车时，随着距离越来越近，速度越来越慢，蜂鸣器的声音也随之改变.因为红外三极管会受其他光源的影响，如日光灯，在较暗的室内，效果更好.

3 结束语

介绍了智能车实验系统的软硬件，并已实验证实了系统功能的可实现性.

智能车实验系统，丰富了学习单片机技术的途径，方便老师深入、系统地进行单片机教学，同时增强了学生学习单片机课程的兴趣，锻炼了其动手能力.

［1］代芬，王卫星，邓小玲，等.单片机综合实验开发板设计［J］.实验室研究与探索，2010，29（8）：213－215.

［2］黄辛超，殳国华.用于创新类课程平台智能小车实验系统的设计［J］.实验室研究与探索，2009，28（12）：7－9.

［3］唐炜.基于“项目驱动”的单片机类课程实践教学改革［J］.实验室研究与探索，2010，29（5）：130－132.

［4］张瑞成，陈至坤，王福斌.以智能汽车竞赛推动实验教学改革［J］.实验室 研究与探索，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］廖南宽.考量功率密度设计非接触式手机充电器［D］.台北：義守大学，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］张志通.直流电动机驱动及控制的PROTEUS的仿真［J］.北华航天工业学院学报，2008，18（5）：28－30.

［9］李铁才，杜坤梅.电机驱动技术［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000.