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        基于虛實(shí)結(jié)合的智能小車設(shè)計(jì)

        2023-06-07 05:47:10吳蓬勃張金燕王拓孫會澤南陪鈞于逸龍劉慧劉濤
        電子制作 2023年9期
        關(guān)鍵詞:單片機(jī)

        吳蓬勃,張金燕,王拓,孫會澤,南陪鈞,于逸龍,劉慧,劉濤

        (1.石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北石家莊,050021;2.河北工程技術(shù)學(xué)院,河北石家莊,050091)

        0 引言

        隨著疫情的常態(tài)化[1],許多高校的實(shí)踐課程無法正常在線下開展,需要在線上進(jìn)行或者線上、線下同步進(jìn)行。另一方面,在實(shí)踐過程中,經(jīng)常存在物品損壞的情況,影響了正常教學(xué)開展。

        本文以單片機(jī)課程為例,以智能小車為載體,論述了如何通過Proteus 虛擬仿真和實(shí)物相結(jié)合的方式進(jìn)行單片機(jī)課程教學(xué)的過程[2~4]。

        1 智能小車總體設(shè)計(jì)

        智能小車組成,如圖1 所示。智能小車主要面向單片機(jī)的初級入門人員,所以選擇了較為簡單、經(jīng)典、可進(jìn)行軟件仿真的STC89C52。智能小車的外部設(shè)備主要包括:黑線循跡、紅外避障和超聲波測距傳感器;LCD 顯示單元;直流電機(jī)驅(qū)動模塊和4 路直流電機(jī);同時,采用串口連接藍(lán)牙模塊,實(shí)現(xiàn)與手機(jī)或者PC 的通信。

        圖1 智能小車組成

        2 硬件電路的虛實(shí)設(shè)計(jì)

        ■2.1 單片機(jī)與運(yùn)動控制單元

        單片機(jī)最小系統(tǒng)與電機(jī)驅(qū)動單元硬件電路圖,如圖2所示。單片機(jī)最小系統(tǒng),包括:復(fù)位、時鐘電路、P0 口上拉電阻、用戶按鍵和串口選擇端子;其中,通過串口選擇端子實(shí)現(xiàn)了串口的復(fù)用,計(jì)算機(jī)可通過CH340(USB 轉(zhuǎn)串口芯片)與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)串口通信、串口程序燒寫以及藍(lán)牙模塊調(diào)試。

        圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)與電機(jī)驅(qū)動單元硬件電路圖

        電機(jī)驅(qū)動部分,通過L293D 實(shí)現(xiàn)四路電機(jī)的驅(qū)動。L293D 為推挽四通道驅(qū)動器,工作電壓4.5V ~36V,電流最大600mA,內(nèi)部有2 路H 橋,可以同時驅(qū)動2 路電機(jī)運(yùn)動。通過1 腳EN1 可開啟第一路H 橋,通過2腳IN1、7 腳IN2 可控制3 腳OUT1、6 腳OUT2 的高低電平,OUT1 和OUT2 控制左側(cè)的兩路并聯(lián)直流電機(jī)運(yùn)動;通過9 腳EN2 可以開啟第2 路H 橋,通過OUT3和OUT4 控制右側(cè)兩路并聯(lián)直流電機(jī)運(yùn)動。

        圖3為單片機(jī)最小系統(tǒng)與電機(jī)驅(qū)動單元的Proteus仿真圖,除了單片機(jī)與L293D 驅(qū)動電路外,還增加了四路直流電機(jī)(需設(shè)置為6V 電壓)。在編寫好單片機(jī)電機(jī)驅(qū)動程序后,可以通過Proteus 仿真電路驗(yàn)證程序的邏輯功能,為程序在實(shí)車上的正常運(yùn)行奠定基礎(chǔ),有利于進(jìn)行軟硬件故障排查和降低車輛的電機(jī)損耗。

        圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)與電機(jī)驅(qū)動單元仿真圖

        ■2.2 黑線循跡單元

        黑線循跡單元硬件電路圖,如圖4 所示。智能小車包括左右2 路黑線循跡單元,主要采用反射型光電探測器RPR220 實(shí)現(xiàn)黑線和白色地面的識別。RPR220 通過砷化鎵發(fā)光二極管向外發(fā)射紅外光,通過高靈敏度硅平面光電三極管接收反射光,如遇到黑色物體,則光電三極管將接收到很少的反射光,其自身的電阻值將增加;如遇到白色或者淺色物體,則有更多的紅外光被接收到,其自身的阻值將減小。RPR220 的光電三極管與電阻R6(以左循跡為例,見圖4)對5V 進(jìn)行分壓,地面黑白顏色的變化,將導(dǎo)致R6 上端電壓發(fā)生變化,R6 上端電壓與電位器R1 電壓送入LM358AD 進(jìn)行電壓比較,從而向外輸出高低電平,單片機(jī)通過IO 口讀取該信號,從而判斷小車循跡傳感器下面是黑線還是白色地面。實(shí)際中,可通過電位器R1 和R9 調(diào)節(jié)黑線探測距離。

        圖4 黑線循跡單元硬件電路圖

        左右兩路黑線循跡單元的Proteus 仿真電路,如圖5所示。仿真圖中,采用了與實(shí)物RPR220 功能相近的仿真元件ALS-PT19 來模擬光的變化,在右側(cè)的輸出端,通過直流電壓表可觀察輸出信號的電壓值。通過圖5 可知,左循跡單元設(shè)置的光線較強(qiáng),循跡電路輸出電壓為0.02V;右側(cè)循跡單元設(shè)置的光線較弱,循跡電路輸出電壓為5.00V。需要注意一點(diǎn),仿真中LM358 輸出端信號較弱,需要添加2個非門增加信號強(qiáng)度,才可以被單片機(jī)正常識別。

        圖5 黑線循跡單元仿真圖

        ■2.3 紅外避障單元

        紅外避障單元硬件電路與黑線循跡(如圖4)類似,區(qū)別在于傳感器從RPR220 更換為紅外發(fā)射管和紅外解碼器,在此不再贅述。紅外避障單元Proteus 仿真電路,如圖6所示,基本原理與黑線循跡相同,紅外傳感器采用了光敏電阻TORCH_LDR。在圖6 中,左側(cè)避障傳感器前方?jīng)]有障礙物,反射回來的光線較少,紅外避障電路輸出5.00V 電壓;右側(cè)避障傳感器前方有障礙物,紅外避障電路輸出0.00V電壓。

        圖6 紅外避障單元仿真圖

        ■2.4 超聲波測距與LCD 顯示單元

        超聲波測距與LCD 顯示單元仿真電路,如圖7 所示,主要包括:HCSR04 超聲波測距模塊和LM016L 液晶顯示模塊。通過HCSR04 的距離(單位為cm)調(diào)節(jié)按鈕,可模擬超聲波模塊到物體的距離,通過單片機(jī)的程序處理后,在LM016L 液晶模塊上顯示實(shí)際測量距離。實(shí)際中距離的測量值是存在誤差的,這一現(xiàn)象在仿真中也得到了體現(xiàn);通過不斷優(yōu)化程序,使得仿真中距離的測量值接近實(shí)際值,從而提高了在真實(shí)小車上超聲波測距的準(zhǔn)確率。

        圖7 超聲波測距與LCD 顯示仿真圖

        3 軟件設(shè)計(jì)

        智能小車的軟件部分包括:直流電機(jī)調(diào)速和運(yùn)動控制、黑線循跡、紅外避障、超聲波測距與LCD 顯示。其中,直流電機(jī)調(diào)速通過定時器產(chǎn)生PWM 波實(shí)現(xiàn),直流電機(jī)運(yùn)動控制、黑線循跡、紅外避障和LCD 顯示主要通過IO 口的控制與檢測實(shí)現(xiàn)。本部分重點(diǎn)對超聲波測距進(jìn)行介紹。

        超聲波測距的時序圖,如圖8 所示。單片機(jī)通過IO 口向超聲波測距模塊的觸發(fā)引腳TR 發(fā)送最少10μs 的高電平脈沖,然后,超聲波測距模塊內(nèi)部的單片機(jī)會通過升壓電路向外發(fā)射8 個40kHz 的脈沖信號;超聲波遇到前方障礙物會產(chǎn)生反射回波,回波經(jīng)超聲波測距模塊處理后,通過ECHO 引腳向外輸出一定寬度的高電平脈沖。單片機(jī)通過測量ECHO 引腳輸出脈沖信號的寬度,即可計(jì)算出小車到前方障礙物的實(shí)際距離。

        圖8 超聲波測距時序圖

        超聲波測距軟件流程圖,如圖9 所示。首先初始化用于脈沖測量的定時器,向超聲波測距模塊的TR引腳發(fā)送15μs 的高電平脈沖;然后,判斷回波引腳ECHO 是否為高電平,如果為高電平,則證明回波脈沖開始出現(xiàn),此時開啟定時器;當(dāng)ECHO 引腳變低時,說明回波脈沖已經(jīng)結(jié)束,此時關(guān)閉定時器。根據(jù)定時器的計(jì)數(shù)值Count,結(jié)合晶振頻率Fosc 和聲波在空氣中的傳播速度,即可計(jì)算出相應(yīng)的距離。

        圖9 超聲波測距軟件流程圖

        4 測試

        圖10為智能小車黑線循跡和超聲波測距的實(shí)際效果。

        圖10 智能小車測試效果

        5 總結(jié)

        本文基于虛擬仿真與實(shí)物相結(jié)合的方法,設(shè)計(jì)了一套智能小車系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真與實(shí)物硬件電路的映射;通過虛擬仿真驗(yàn)證了軟件功能,有利于線上教學(xué)的開展,有利于實(shí)車驗(yàn)證時的故障排查和降低車輛的硬件損耗。為當(dāng)前疫情常態(tài)化下單片機(jī)課程的實(shí)踐教學(xué),提出了一套切實(shí)可行的方案。

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