单片机应用系统开发实例

时间：2023-03-11作者：佚名

1. 智能移动机器人系统的结构与功能
智能移动机器人控制系统的设计与开发主要采用模块化组合设计，采用ATMEL公司的ATMEGA16单片机芯片，同时配合ICCAVR7.01软件开发环境，支持C语言的程序设计。
智能移动机器人硬件主要由直流电机驱动模块、发生器模块、串口通信模块以及无线遥控、循线、寻光、避章等模块组成。

图1 智能移动机器人控制系统硬件框图
其主要功能为：
① 红外遥控功能
红外通信采用38K载波传输方式，利用长虹电视机遥控器作为红外遥控的发射装置，利用串口以及串口调试助手，找出遥控器控制键（前进、后退、左转、右转以及停止）的编码，通过编程实现控制。
② 避障功能
由红外发送和接收装置两大部分组成，可以实现自发自收，也可以实现实验板之间的通信。发送部分发送红外载波，若前面没有障碍物，接受部分不能收到载波，若前面有障碍物，载波将返回被接受模块接受，于是通过接受模块判断是否收到载波就可以判断前面是否有障碍物
③ 循线功能
由5路反射式红外光电传感器组成，检测距离可调整范围大，4-10mm范围可用。
④ 寻光功能
主要采用灵敏度较高的光敏电阻，通过LM393将信号放大，返回主控模块。
2. 红外遥控功能
① 红外遥控工作原理

图2 无线遥控系统框图
通常红外遥控系统由发射和接收两大部分组成。主要应用编/解码专用集成电路芯片来进行操作控制。发射部分由键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器组成；接受部分由光、电转换放大电路、解调以及解码电路组成（如图2所示）。在本实验中，接受装置采用TL538B专用集成芯片，发射装置采用长虹电视机遥控器（RK23C）。
② 遥控信号发射
当发射器按下按键后，即有遥控码发出，所按的键不同遥控编码也就不同，这种遥控码主要具有以下特征：
采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔为0.56 ms、周期为1.125 ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔为1. 685 ms、周期为2. 25 ms的组合表示二进制的“1”，其波形如图3所示。

图3 遥控码的“0”和“1”
上述的“0”和“1”组成的32位二进制码经38kHZ的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的，然后再通过红外发射二极管产生红外线向外界空间发射，如图4所示。遥控编码产生的是32位二进制编码，其中前16位是用户识别码，能区别不同的电器设备，防止不同机种遥控码互相干扰，后16位为8位操作码（功能码）及其反码。

图4 红外发射编码图
遥控器在按键按下后，周期性地发出同一种32位二进制码，周期大约为108ms，一组码本身的持续时间随它包含的二进制“0”“1”的个数不同而不同，大约在45~63ms之间,图5为发射波形图。

图5 遥控连发信号波形
当一个按键被按下超过36ms，振荡器使芯片激活，将发射一组108ms的编码脉冲，这108ms发射代码由一个引导码（9ms）、结果码（4.5ms）、低8位地址码（9ms~18ms）、高8位地址码（9ms~18ms）、8位数据码（9ms~18ms）和这8位数据的反码（9ms~18ms）组成，如果按下超过108ms仍未松开，接下来发射的代码（连续码）将仅由起始码（9ms）和结束码（2.25ms）组成。

图6 引导码图7 连发码
③ 遥控信号接受
接受电路使用一种红外接受和放大于一体的红外接受器TL538B，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接受到输出与TLL电平信号兼容的所有工作，而体积和普通的塑料封装三极管大小一样，适合于各种红外遥控盒红外数据传输。
④ 红外遥控电路图

图8 TL538B与单片机连接图
⑤ 红外遥控程序流程图

图9 红外遥控程序参考流程图
3.红外避障功能
① 红外避障原理
红外避障传感器具有一对红外信号发射与接收信号装置，发射管发射一定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，机器人即可利用红外波的返回信号来识别周围环境的变化。

图10 发射接受原理图
红外避障信号发射装置（如图10所示）主要由555定时器和外界元件R1、R2、C3、C2组成的多谐振荡器构成。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路也不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C3充电，以及C3通过R1向放电端DISCHG放电，使电路产生振荡。www.gdzrlj.com电容C3在2/3Vcc和1/3Vcc之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如下图12所示。

图11 红外发射电路图图12 多谐振荡器的波形图
输出信号的时间参数是：T=tw1 tw2
tw1=0.7 (R1 R2) C
tw2=0.7R2 C
其中，tw1为Vc由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需的时间，tw2为电容C3放电所需的时间。
注：通过调节WR4可调电阻的阻值，可以增大或减短障碍物距离的检测。
② 红外避障程序流程图

图13 红外避障程序参考流程图
4. 循线功能
① 循线原理

(a) (b) (c) (d)
图14 小车循线示意图
一般情况下，选择三个ST178光电传感器，编号分别为A、B、C，如图14所示，B检测到黑线，而A、C没有检测到，那么机器人小车直行；若A 处于黑线上，B、C 在白色区域，那么机器人小车左偏以矫正路线；若C 处于黑线上，A、B 在白色区域，则机器人小车右偏以矫正路线，A 、B 、C 都在黑线上时，机器人小车处于黑线交界处。
② 循线电路图