匡暢 曾繁崎

摘 要：針對目前單片機(jī)、無線通信、傳感器等課程，學(xué)習(xí)過程枯燥無味、缺乏應(yīng)用實(shí)例等問題，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的機(jī)器人小車實(shí)驗(yàn)平臺。該實(shí)驗(yàn)平臺以機(jī)器人小車為載體，可以安裝藍(lán)牙、Wi-Fi、攝像頭、紅外避障、超聲波、LED點(diǎn)陣等等模塊，極大地豐富了學(xué)習(xí)內(nèi)容，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力，廣泛適用于單片機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)等專業(yè)課程。該平臺具有安裝方便、擴(kuò)展性強(qiáng)、功能豐富等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);機(jī)器人小車;實(shí)驗(yàn)平臺

學(xué)生在學(xué)習(xí)單片機(jī)、通信、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等課程時(shí)，只能在實(shí)驗(yàn)板上練習(xí)，缺乏應(yīng)用實(shí)例，學(xué)習(xí)積極性不高。針對這一問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的機(jī)器人小車實(shí)驗(yàn)平臺，可以豐富課程的教學(xué)方式，擴(kuò)展學(xué)習(xí)內(nèi)容。

一、硬件設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)整體框架

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人小車實(shí)驗(yàn)平臺主要由可選模塊、單片機(jī)、L298N和電機(jī)構(gòu)成，如圖1所示。其中，可選模塊是可以添加的通信、傳感器等模塊，用于擴(kuò)展平臺功能;單片機(jī)用于控制機(jī)器人移動(dòng)，并向可選模塊提供通信接口;L298N是電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn);電機(jī)安裝在機(jī)器人底盤上，轉(zhuǎn)子上有輪子，可以帶動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)。

（二）單片機(jī)模塊

單片機(jī)模塊采用AVR的ATmega328p作為主控芯片，模塊核心板包含14個(gè)數(shù)字輸入輸出引腳，其中6個(gè)可用于PWM輸出，6個(gè)模擬輸入引腳，一個(gè)16 MHz的晶體振蕩器，一個(gè)USB接口，一個(gè)DC接口，一個(gè)ICSP接口和一個(gè)復(fù)位按鈕。單片機(jī)模塊工作在5V電壓下，但可以接受5～20V的電源輸入，主控芯片含有32KB Flash內(nèi)存、2KB SRAM以及1KB EEPROM，完全滿足電機(jī)控制功能。為了方便上位機(jī)的控制，單片機(jī)模塊提供了串行通信接口，通過串口，上位機(jī)可以使用簡單指令操作單片機(jī)模塊控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

（三）L298N模塊

L298N是專用驅(qū)動(dòng)集成電路，屬于H橋集成電路，功率較強(qiáng)。其輸出電流為2A，最高電流4A，最高工作電壓50V，可以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，如大功率直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，電磁閥等，特別是其輸入端可以與單片機(jī)直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機(jī)控制。當(dāng)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)時(shí)，可以直接控制步進(jìn)電機(jī)，并可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)此功能只需改變輸入端的邏輯電平。

L298N模塊主要用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，電路簡單，控制方便。外接電源一般采用鋰電池或干電池，輸入電源大約在5V左右。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，通過4個(gè)輸入引腳可以控制兩臺電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，并且擁有兩個(gè)使能端控制兩臺電機(jī)的停轉(zhuǎn)。因此，單片機(jī)可以通過IO口控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，我們使用PWM引腳連接L298N控制端，可以通過PWM方式調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

二、軟件設(shè)計(jì)

（一）機(jī)器人小車移動(dòng)

為了控制小車移動(dòng)，我們編寫了電機(jī)程序程序，根據(jù)電機(jī)正反轉(zhuǎn)情況，編寫了前、后、左、右、停止等5個(gè)子函數(shù)，分別用于控制小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止。其次，程序可以根據(jù)輸入?yún)?shù)的大小決定PWM的占空比，從而控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度。最后，程序通過接收串口命令來控制小車移動(dòng)，若沒有收到命令，則停止。

（二）通信協(xié)議

為了方便上位機(jī)控制單片機(jī)，從而控制機(jī)器人移動(dòng)，我們編寫了串口通信協(xié)議，通過串口命令可以簡單地控制機(jī)器人移動(dòng)。為了提高控制實(shí)時(shí)性，通信幀僅為1個(gè)字節(jié)。具體控制指令如表1所示。

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人小車實(shí)驗(yàn)平臺，操作簡單，價(jià)格實(shí)惠，擴(kuò)展性強(qiáng)，適應(yīng)電子、通信、物聯(lián)網(wǎng)等專業(yè)使用。使用該平臺上課后，學(xué)生可以通過小車進(jìn)行比賽、改裝、設(shè)計(jì)和創(chuàng)新。解決了單片機(jī)、通信、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等課程應(yīng)用實(shí)踐平臺少、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高等問題，值得推廣。

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