基于Atmegal6L單片機(jī)的智能小車的設(shè)計與制作

摘要：介紹了一款具有智能循跡、自動避障等功能的智能小車的制作方法。該小車的車體由光電傳感模塊、L298N電機(jī)驅(qū)動模塊、電源穩(wěn)壓模塊、Atmegal6L單片機(jī)控制模塊組成，可用于無人駕駛、自動探測等人工智能領(lǐng)域。
關(guān)鍵字：電機(jī)驅(qū)動；A／D采樣；PID控制；PWM

O 引言
    自工業(yè)革命以來，隨著電氣的發(fā)展，人類進(jìn)入了文明的新階段。機(jī)器人已經(jīng)廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)、軍事、機(jī)械、交通、航天航空等領(lǐng)域。智能機(jī)器人水平的不斷提高，大大提高了勞動效率，減輕了勞動強(qiáng)度。機(jī)器人與人類并肩作戰(zhàn)，在征服自然，改造自然地過程中發(fā)揮著重要作用。
    智能小車是集理論力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、數(shù)字電路、模擬電路、傳感器、單片機(jī)、控制理論和算法等多門學(xué)科為一體的綜合系統(tǒng)，其內(nèi)容涵蓋機(jī)械、電子、自動控制原理、計算機(jī)、傳感技術(shù)等多個學(xué)科和領(lǐng)域。
    本文設(shè)計的基于ATmagel6L的智能小車就是要求其從起跑線出發(fā)，然后通過自身自動調(diào)整向角和車速，使其自動沿著一條黑色引導(dǎo)線行駛。

1 智能小車的硬件設(shè)計方案
    本智能小車控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中的Atmegal6L單片機(jī)是智能小車的控制模塊，它是高性能、低功耗的8位AVR微處理器，采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，具有16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash和512字節(jié)的EEPROM。工作于16 MHz時，其性能高達(dá)16 MIPS，并具有32個可編程通用I／0口和用于邊界掃描的JTAG接口，基本都能夠滿足設(shè)計要求。電路穩(wěn)壓模塊輸入12 V電壓。經(jīng)過穩(wěn)壓電路后可得到9 V、5 V兩種電壓，其中9 V電壓用于電機(jī)驅(qū)動模塊的工作電壓，5 V電壓則用于單片機(jī)的工作。圖2所示是RPR220光電傳感模塊的電路圖，光電傳感是由10個RPR220型光電對管組成。RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器則是一個高靈敏度的硅平面光電三極管。L298N的INPUT、OUTPUT兩端口用于提供穩(wěn)定的電壓以使電機(jī)轉(zhuǎn)動。

     
1．1 光電傳感模塊
    圖2所示是本系統(tǒng)中光電傳感模塊的電路圖。尋線路徑一般是刻在白色平面上的3 cm的黑線，小車沿著黑線循徑，當(dāng)檢測到白線，即二極管發(fā)出的光被白線反射回來時，光電對管中的三極管導(dǎo)通，比較器6號端口輸入為低電平，經(jīng)過比較器后，7號端口輸出為高電平。當(dāng)檢測到黑線時，光被吸收，光強(qiáng)度減弱，光電對管中的三極管不導(dǎo)通，比較器6號端輸入為高電平，7號端輸出為低電平。通過PC端口將高低電平(l和0)反饋給單片機(jī)后，經(jīng)單片機(jī)處理后可用于調(diào)整車頭的轉(zhuǎn)向，以使黑線剛好在10個光電探頭的中間，從而使小車平穩(wěn)前進(jìn)。在7號端串一個0．1μF的電容再接地，這樣，經(jīng)過濾波后進(jìn)入到單片機(jī)中的方波就非常完美。將這個光電管與碼盤相連，通過光電管不斷掃描碼盤格數(shù)，這樣，當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動且轉(zhuǎn)速較低時，6號端的信號就可變?yōu)轭l率與轉(zhuǎn)速一一對應(yīng)的方波。但是，當(dāng)碼盤速度很快時，6號端信號將變?yōu)轭l率與轉(zhuǎn)速一一對應(yīng)的正弦信號。放大器LM324可用作比較器，可將6號端處的正弦信號與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后，然后將在7號端產(chǎn)生頻率與轉(zhuǎn)速一一對應(yīng)的方波，單片機(jī)采集此信號后，即可根據(jù)公式計算出直流電機(jī)的各個參數(shù)，從而精確地控制小車的轉(zhuǎn)向與位移。
1．2 電機(jī)驅(qū)動模塊
    圖3所示是L298N驅(qū)動模塊的電路連接圖。L298N作為電機(jī)驅(qū)動芯片，是一款高電壓大電流全橋驅(qū)動芯片，它的頻率高，可控制兩個直流電機(jī)，而且具有控制使能端，工作電壓可通過4、9引腳分別輸入9 V、5 V電壓。ENA、ENB引腳是兩個使能端口，而INT、OUT則為電機(jī)驅(qū)動引腳，通過改變OUT端的邏輯電平可控制電機(jī)的正、反、停止?fàn)顟B(tài)，表1所列是直流電機(jī)控制邏輯。L298N的5、6、7、10、ll、12六個引腳可直接與單片機(jī)的PD端口相連，而通過對單片機(jī)的編程則可以實現(xiàn)直流電機(jī)PWM調(diào)速。

l．3 單片機(jī)控制模塊
    采用Atmel公司的Atmegal6L單片機(jī)可對小車進(jìn)行控制，該單片機(jī)具有32個功能強(qiáng)大的可編程I／O接口和4個PWM通道，并具有八路十位ADC，可對小車進(jìn)行實時控制。該單片機(jī)的PC0～PC7八個端口可與光電傳感模塊的八個光電探頭相連。設(shè)探頭檢測的邏輯實際值為P，假定值N，車輪的運動狀態(tài)分別為forward-move、right-move、leftmove、hard-right-move、hard-left-move，通過對實際值P與假定值N(0b0011-1100)的比較，可得出如表2所列的Atmegal6L單片機(jī)的控制模塊參數(shù)表，其中x為無關(guān)項。設(shè)計時，可將Atmegal6L的PD2～PD3分別連接帶碼盤的兩個光電對管，以用于精確測量車輪的轉(zhuǎn)向與位移；PD5和PD4可分別連在電機(jī)驅(qū)動模塊的使能端ENA和ENB。PDl、PD0、PD6和PD7分別于電機(jī)驅(qū)動模塊的INl、IN2、IN3、IN4相連，INl、IN2口一般用于PWM的輸入，以便利用PWM調(diào)速法，即由單片機(jī)輸出一系列頻率固定的方波，并通過功率放大器來驅(qū)動電機(jī)，再通過單片機(jī)編程來改變輸出方波的占空比，這樣就可改變加在電機(jī)上的平均電壓，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

 

2 智能小車的軟件設(shè)計方案
    基于AVR單片機(jī)和C語言編程的系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

  

3 結(jié)束語
    本文著重討論了光電傳感器、單片機(jī)控制和穩(wěn)壓器原理及這幾個模塊之間的相互溝通與協(xié)調(diào)關(guān)系，本系統(tǒng)采用便宜的紅外對管，并以具有強(qiáng)大功能的ATmagel6L單片機(jī)為主控制器，同時以L298N驅(qū)動芯片通過C語言程序編寫調(diào)試軟件，從而完成了能夠智能循跡、自動避障、結(jié)構(gòu)模塊化、抗干擾能力強(qiáng)的智能小車的設(shè)計。該系統(tǒng)通過對小車的調(diào)試，能夠使小車成功平穩(wěn)地在任意給定的黑線上行駛，而且循跡效果很好，運行十分平穩(wěn)，同時速度也很快，而且在拐彎處不會因速度大而產(chǎn)生離心現(xiàn)象。
    智能小車在軍事、民用、科研、航天探測領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用，它的發(fā)展與自動控制、單片機(jī)開發(fā)、控制算法的優(yōu)化和微機(jī)存儲處理速度有著密切的關(guān)系，很值得進(jìn)一步的研究與探索。