基于ATmega16的智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

當(dāng)前的電動(dòng)小車基本上采取的是基于純硬件電路的一種開(kāi)環(huán)控制方法,這種電動(dòng)小車雖然也具有直線行駛、前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、停車等基本功能，但在某些特殊場(chǎng)合，電動(dòng)小車卻無(wú)法采集到自動(dòng)化控制領(lǐng)域的有用信息。在這種情況下,就需要開(kāi)發(fā)用于自動(dòng)化控制領(lǐng)域的智能小車。為此，本文以ATmega16單片機(jī)為控制核心，用RF2401無(wú)線收發(fā)模塊進(jìn)行遙控通信，同時(shí)用DS18B20進(jìn)行溫度檢測(cè)，并采用超聲波等傳感器材來(lái)檢測(cè)信號(hào)和障礙物，最后利用單片機(jī)的串口資源和運(yùn)算、處理能力，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種智能控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了小車的測(cè)溫、躲避障礙物等功能。

1總體方案及器件的選取

1.1總體方案

本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，增添其他外圍設(shè)備，如雙電源模塊、超聲波探測(cè)器、顯示模塊、無(wú)線收發(fā)模塊等，以兩個(gè)直流電機(jī)經(jīng)過(guò)減速箱作為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)主控單元來(lái)處理傳感器上信號(hào)，處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)的操作，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。小車總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1  小車總體設(shè)計(jì)方案

1.2器件的選取

本設(shè)計(jì)的車體設(shè)計(jì)由筆者制作。主控芯片采用Atmel公司推出的高性能、高速度、低功耗的ATmega16AVR單片機(jī)作為電動(dòng)車的主控制芯片；電機(jī)選擇使用控制方法較為簡(jiǎn)單的直流減速電機(jī)作為電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)選擇可直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，而無(wú)須隔離電路的L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。

系統(tǒng)無(wú)線收發(fā)模塊采用Nordic公司能滿足較大傳輸速率無(wú)線通信需求的NRF24L01芯片；對(duì)于電源的處理，本設(shè)計(jì)采用2節(jié)鋰電池12V來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)芯片，然后用7805穩(wěn)壓管來(lái)形成5V電壓給單片機(jī)供電，無(wú)線傳感器NRF24L01的電源用3.3V電壓提供。

2硬件實(shí)現(xiàn)2.1ATmega16單片機(jī)

AVR單片機(jī)是Atmel公司推出的較為新穎的單片機(jī)，其顯著的特點(diǎn)為高性能、高速度、低功耗。而ATmega系列是AVR單片機(jī)中的高端產(chǎn)品。單周期可執(zhí)行本指令功能，同時(shí)完成下一條指令的讀取。通常時(shí)鐘頻率用6~16MHz，故最短指令執(zhí)行時(shí)間為250~125ns。還有I/O第二功能，內(nèi)部有時(shí)鐘電路、10BitAD功能，片內(nèi)資源很豐富。

2.2ATmega16最小系統(tǒng)圖

ATmega16單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖2所示。最小系統(tǒng)主要包括晶振電路、電源電路、復(fù)位電路等。

2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分

該模塊主要由L298芯片來(lái)控制兩個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，以及改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。L298芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器。其中，SENSEA、SENSEB分別為兩個(gè)H橋的電流反饋腳，不用時(shí)可以直接接地。VCC、VS接電源引腳，電壓范圍分別是4.5~7V、2.5~46V，設(shè)計(jì)中VCC端與單片機(jī)電源端共用5V工作電源，VS端獨(dú)立地接9V電源。ENA、ENB為使能端，低電平禁止輸出。IN1、IN2、IN3、IN4為數(shù)據(jù)輸入引腳，OUT1、OUT2、OUT3、OUT4為數(shù)據(jù)輸出引腳。根據(jù)L298N的引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系，將IN1、IN2經(jīng)過(guò)非門連接，IN3、IN4經(jīng)過(guò)非門連接，即IN1和IN2永遠(yuǎn)是相反的，一高一低，IN3、IN4也一樣，通過(guò)改變ENA、ENB就能分別改變左右輪的速度。

在SENSEA、SENSEB端輸出采集電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)LM358運(yùn)放放大，送給ADC處理，即可得到電機(jī)的工作電流，具有過(guò)流保護(hù)功能。圖3所示為系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和電流檢測(cè)電路。

2.4穩(wěn)壓電源部分和外接傳感器部分

設(shè)計(jì)時(shí)，可采用7805穩(wěn)壓芯片為電路提供穩(wěn)定的5V電壓，1117芯片為電路提供3.3V電壓。由于本系統(tǒng)的電源電路比較簡(jiǎn)單，而且應(yīng)用也比較廣泛，所以本文就不詳細(xì)介紹了。

系統(tǒng)中的傳感器包括溫度傳感器DS18B20、霍爾元件速度傳感器等，其電路都比較簡(jiǎn)單。因此，只需在電路板上預(yù)留3線接口，即電源、接地、數(shù)據(jù)。

2.5顯示部分

本系統(tǒng)使用LCD12864作為電路顯示元件，LCD12864有20個(gè)引腳，圖4所示是LCD12864的驅(qū)動(dòng)電路圖。

本設(shè)計(jì)采用8位數(shù)據(jù)線并行口方式驅(qū)動(dòng)，三根控制線為RS（命令/數(shù)據(jù)選擇）、R/W（讀/寫(xiě)控制）、EN（使能端），背光通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)，采用PWM來(lái)控制背光亮度。

3小車程序設(shè)計(jì)

小車程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先進(jìn)行端口初始化，然后進(jìn)行PWM初始化，再NRF24L01初始化，將NRF24L01設(shè)為接收狀態(tài)。收到命令，則執(zhí)行小車的相應(yīng)函數(shù)，否則，采集傳感器數(shù)據(jù)。然后設(shè)置NRF24L01為發(fā)射狀態(tài)，以發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送完畢,再將NRF24L01設(shè)置為接收狀態(tài)。圖5所示是其系統(tǒng)主程序流程圖。

圖5  軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖

4結(jié)語(yǔ)

目前，市面上尋跡的、避障的，多傳感器數(shù)據(jù)融合等基于單片機(jī)編程的智能小車已經(jīng)發(fā)展開(kāi)了，用于玩具、大學(xué)生實(shí)踐比賽、工業(yè)數(shù)據(jù)檢測(cè)，以及用于生活的智能電動(dòng)小汽車也已有了一定發(fā)展，在充滿環(huán)保、節(jié)能、科技的未來(lái)社會(huì)，智能小車的應(yīng)用將無(wú)處不在。

本課題主要研究了多功能智能小車的技術(shù)，多功能智能小車的研制課題涉及到機(jī)械電子、傳感器技術(shù)、驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、人工智能等多個(gè)領(lǐng)域的研究及技術(shù)融合。本課題研制的演示系統(tǒng)高度的智能化、人性化，并且具備良好的安全性和環(huán)保性。

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