李龍

摘要：主要介紹一種以 AVR ATmega128為核心的智能小車(chē)的硬件原理設(shè)計(jì)。智能小車(chē)以AVR ATmega128單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心；應(yīng)用紅外傳感識(shí)別外界信息；使用左、右兩側(cè)電動(dòng)機(jī)的差速驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向；外部通信拓展了無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)兩種方式；同時(shí)還預(yù)留了陀螺儀端口，方便進(jìn)行后續(xù)更新和升級(jí)。該智能小車(chē)可以作為對(duì)智能車(chē)輛進(jìn)一步研究的平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：AVR ATmega128；智能小車(chē)；傳感器；硬件設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）08-1809-06

近年來(lái)，智能交通和人工智能的發(fā)展迅速，智能小車(chē)在許多領(lǐng)域已經(jīng)成為熱門(mén)的研究方向。智能小車(chē)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，例如在遠(yuǎn)程控制中，可以在室內(nèi)控制在任何地方的智能小車(chē)；視頻監(jiān)控，代替人到危險(xiǎn)的地方偵查，傳回視頻資料；防爆排爆，可以代替人工排爆，很大程度的降低人員的傷亡，并且可以提高排爆的精準(zhǔn)度；學(xué)生科教學(xué)習(xí)競(jìng)賽，讓學(xué)生把課堂上學(xué)到的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中，加深了對(duì)理論的理解。參加一些比賽，提升自我的技巧與能力，促進(jìn)創(chuàng)新性的發(fā)展。

智能小車(chē)通過(guò)紅外感應(yīng)了解周邊的情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物所在的環(huán)境進(jìn)行分析，提前預(yù)設(shè)任務(wù)，將自動(dòng)完成任務(wù)。智能小車(chē)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以人工智能為背景，是多學(xué)科相互結(jié)合，相互協(xié)調(diào)的產(chǎn)物。智能小車(chē)擁有強(qiáng)勁的動(dòng)力來(lái)源——直流電動(dòng)機(jī)，靈敏的感知設(shè)備——紅外傳感，還有富有“思維”的中心控制——單片機(jī)。

本文設(shè)計(jì)的智能小車(chē)是一種基于AVR ATmega128單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法.文中對(duì)其硬件構(gòu)成做了詳細(xì)的說(shuō)明. 主要包括主控模塊、紅外傳感模塊、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊四個(gè)部分，同時(shí)預(yù)留了陀螺儀和一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感模塊。智能小車(chē)能實(shí)現(xiàn)了在迷宮內(nèi)快速穩(wěn)定的行走及對(duì)迷宮最優(yōu)路徑的搜索。在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行再次開(kāi)發(fā)，滿(mǎn)足各種智能小車(chē)競(jìng)賽要求的功能與用途。

1 系統(tǒng)整體方案

智能小車(chē)應(yīng)具備行走功能，判斷并自動(dòng)避開(kāi)障礙，在具有障礙的路面上自由行走。因此，智能小車(chē)硬件系統(tǒng)主要包括AVR ATmega128微控制器、紅外發(fā)射管SFH4550、紅外接收管TPS601A、A3950驅(qū)動(dòng)芯片、直流減速電動(dòng)機(jī)、CD4013BPWR（D觸發(fā)器）等。其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理圖如圖l所示，其硬件設(shè)計(jì)實(shí)物圖如圖2和圖3所示。其中AVR ATmega128微控制器是智能小車(chē)的核心，對(duì)紅外傳感器進(jìn)行控制和檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)到的傳感信號(hào)，經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)的算法分析處理，控制電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的智能避障行走。

在智能小車(chē)中陀螺儀是起到平衡和穩(wěn)定的作用，是智能小車(chē)能平穩(wěn)快速的行進(jìn)的保證。由于陀螺儀是預(yù)留模塊，就不詳細(xì)介紹，簡(jiǎn)要概括。

陀螺儀模塊即陀螺穩(wěn)定平臺(tái)，以陀螺儀為主要構(gòu)件，主要目的是保持智能小車(chē)能夠平穩(wěn)的運(yùn)行的裝置。動(dòng)力陀螺穩(wěn)定器是指使用內(nèi)外環(huán)組成陀螺儀的力矩軸，從而產(chǎn)生力矩抵抗干擾的力矩，形成平衡使陀螺儀靜止。陀螺儀依據(jù)使用角色能保持平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的數(shù)量分成單軸、雙軸和三軸陀螺儀。主要使用陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的力抵消其他的干擾力，從而使信號(hào)平穩(wěn)的輸出。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智能小車(chē)主要包括主控制部分、紅外探測(cè)器部分、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、電源供電部分四個(gè)部分。同時(shí)預(yù)留了陀螺儀和一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感模塊。

2.1 主控模塊

主控模塊選用AVR ATmega128芯片。初期曾用ATM16芯片作為主控模塊，隨著項(xiàng)目的深入，發(fā)現(xiàn)ATM16的資源比較有限，不能滿(mǎn)足智能小車(chē)應(yīng)用的需求。經(jīng)過(guò)對(duì)比、研究，決定使用ATmegal128。ATmegal128芯片資源豐富，符合智能小車(chē)的硬件開(kāi)發(fā)，其上手容易，開(kāi)發(fā)周期較短，比較適于學(xué)生、教學(xué)與實(shí)驗(yàn)需求。而且價(jià)格適中，使用普遍，相關(guān)資料較多等優(yōu)勢(shì)。

除上述提到的優(yōu)勢(shì)外ATmegal128本身具有如下特點(diǎn)：擁有128 KB的可以編程的Flash，并且具有同時(shí)讀寫(xiě)的功能； 3 2個(gè)通用的寄存器可以直接使用；以及多個(gè)通用接口；并且擁有6種使用軟件選擇的方法。片中的ISP Flash可以使用編程器與引導(dǎo)程序進(jìn)行多次編程。ATmegal 28為許多嵌入式應(yīng)用編程提供了各種方便和低價(jià)的選擇。

綜上比較，主要控制的單片機(jī)模塊使用ATmegal128，也就是智能小車(chē)的大腦。圖4為智能小車(chē)主控模塊關(guān)于ATmegal128的資源分配原理圖。

如圖所示MCU選用ATmega128芯片，其中pin46-51是紅外輸出PWM信號(hào)；pin45是MCU的spi的CE信號(hào)，pin35是左電動(dòng)機(jī)方向控制信號(hào)，36是左電動(dòng)機(jī)模式控制信號(hào)，pin37是左電動(dòng)機(jī)睡眠信號(hào)，pin38是左電動(dòng)機(jī)辨向電路復(fù)位控制信號(hào)，pin39是右電動(dòng)機(jī)方向控制信號(hào)，40是右電動(dòng)機(jī)模式控制信號(hào)，pin41是右電動(dòng)機(jī)睡眠信號(hào)，pin42是右電動(dòng)機(jī)辨向電路復(fù)位控制信號(hào)，pin2是MCU的PDI信號(hào)，pin3是MCU的PDO信號(hào)，pin6-7是右電動(dòng)機(jī)辨向電路反饋信號(hào)（10 正；01 反），pin8是右電動(dòng)機(jī)倍頻電路反饋信號(hào)，pin9是MCU的spi中斷信號(hào)，pin33、34、43、18是led燈控制信號(hào)，pin19是蜂鳴器信號(hào)，pin10是MCU的SPI的CS信號(hào)，pin11是MCU的SPI的SCK信號(hào)，pin12是MCU的SPI的MOSI信號(hào)，pin13是MCU的SPI的MISO信號(hào)，pin14是左電動(dòng)機(jī)PWM信號(hào)，pin17是右電動(dòng)機(jī)PWM信號(hào)，pin25-26是左電動(dòng)機(jī)辨向電路反饋信號(hào)（10 正；01 反），pin27是MCU的RXD1信號(hào)，pin28是MCU的TXD1信號(hào)，pin31是左電動(dòng)機(jī)的倍頻電路反饋信號(hào)，pin56-61是紅外電路反饋信號(hào)，pin55是A_BAT_DET 信號(hào)，pin54是MCU_ADC信號(hào)，pin20是MCU復(fù)位信號(hào)，pin23-24是MCU的XTAL信號(hào)。

2.2 紅外傳感模塊

紅外傳感模塊用于智能小車(chē)在迷宮尋找路徑，相當(dāng)于智能小車(chē)的眼睛。采用的是紅外傳感，共六組，向前方兩組，左右各一組，45和135方向各一組如圖5。紅外探測(cè)傳感器每組包含一對(duì)發(fā)射探測(cè)管和接收探測(cè)管。大部分智能小車(chē)都是把紅外接收管和發(fā)射管放在同一面上，這樣容易相互干擾，不利于紅外準(zhǔn)確接收。該文推陳出新，把接收管和發(fā)射管分別位于PCB板的上下兩個(gè)面，這樣有利于減少本身干擾，又方便接收。并且在迷宮中做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中，接收管根據(jù)接收到紅外的強(qiáng)弱來(lái)判斷是否有擋板。發(fā)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)能很好地達(dá)到預(yù)期效果，比原來(lái)放在同一側(cè)的紅外感應(yīng)精準(zhǔn)許多。具體設(shè)計(jì)如圖6所示。

智能小車(chē)的發(fā)射管選用SFH 4550，接收管選用TPS601A；均為尋跡紅外，使用的是非調(diào)制普通紅外管。雖然非調(diào)制紅外精度不是很高，但是它的電路簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。而且智能小車(chē)無(wú)需十分精確，只要判斷障礙有無(wú)，距離多遠(yuǎn)，普通非調(diào)制足夠使用，并且價(jià)格低廉。

智能小車(chē)采用紅外傳感器，以實(shí)現(xiàn)路岔口檢測(cè)、姿態(tài)修正的功能。紅外傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)是一段模擬信號(hào)，但是單片機(jī)的程序只能處理數(shù)字信號(hào)，所以使用ATmega128單片機(jī)自帶的ADC功能，避免額外的電路轉(zhuǎn)換。

紅外模塊主要由紅外發(fā)射和接收管，還有三極管和電容電阻等器件組合而成。如圖7是一組智能小車(chē)的紅外傳感的原理圖，其余五組電路圖與此相同。如圖所示，其中R17為1K限流電阻，Q4為三極管2N3904，功能類(lèi)似自動(dòng)開(kāi)關(guān)，IR_LED1 SFH4550為紅外發(fā)射二極管；R13為330歐姆的限流電阻，起到保護(hù)紅外發(fā)射管的作用，R14為10K的電阻，具有兩方面作用，一是作為限流電阻保護(hù)紅外接收管，二是將其所在的線(xiàn)路的電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，可以作為反饋信號(hào)使用。

接收由外部輸入一個(gè)PWM信號(hào)，作為紅外發(fā)射管的信號(hào)的一個(gè)驅(qū)動(dòng)，接收到信號(hào)使得三極管管處于放大狀態(tài)，使得紅外發(fā)射管通過(guò)的電流變大，從而使發(fā)射管發(fā)射出紅外信號(hào)。紅外信號(hào)經(jīng)擋板反射回來(lái)，紅外接收管接收到該反射回來(lái)的信號(hào)，從而使接收管處于導(dǎo)通狀態(tài)使得輸出信號(hào)的電位產(chǎn)生變化，作為一個(gè)模擬信號(hào)輸出到單片機(jī)的ADC引腳，進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理。

2.3 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用A3950。采取對(duì)比、分析、實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：集成的A3950芯片，準(zhǔn)確性高，集成度好，開(kāi)發(fā)周期短，電路簡(jiǎn)單，易于開(kāi)發(fā)。A3950擁有 DMOS 全橋式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它為了直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)制控制而設(shè)計(jì)的，A3950 能承受住最高±2.8A電流流出，并且電壓能夠達(dá)到 36 V，能夠很好的滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)模塊的供電需求。其中同步整流控制的電路主要功能是降低脈寬調(diào)制 （PWM）時(shí)的功率損耗，減少散熱。封裝時(shí)有裸露的焊盤(pán)，用來(lái)加快散熱，降低芯片上的溫度，并且是環(huán)保產(chǎn)品。

圖8為A3950芯片的信號(hào)功能圖。

智能小車(chē)使用脈寬調(diào)制（PWM）的方法調(diào)控電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。使用A3950電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶有編碼器來(lái)測(cè)距。由于A3950具有自帶編碼器，這樣可以減輕智能小車(chē)重量，方便使用。圖9為A3950電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖。圖中的A3950是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其中信號(hào)MOTOL_DR為方向控制為電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，信號(hào)MOTOL_PWM為A3950的使能控制信號(hào)，為1（高電平）時(shí)芯片控制正反轉(zhuǎn)工作信號(hào)MOTOL_MODE為1時(shí)剎車(chē)狀態(tài)慢衰減模式，為0時(shí)快速衰變同步整流模式，信號(hào)MOTOL_SLEEP休眠狀態(tài)，為1時(shí)芯片進(jìn)入休眠模式MOTOL_A和MOTOL_B 為輸出信號(hào)，接入到電動(dòng)機(jī)的信號(hào)輸入端，用于控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)等，J7是電動(dòng)機(jī)插座，其中由A3950輸出的MOTOL_A和MOTOL_B信號(hào)接入到電動(dòng)機(jī)輸入，控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；電動(dòng)機(jī)模塊和紅外模塊一樣，有自己的電源供電模塊，需要磁珠，電容等構(gòu)成一個(gè)防止互相干擾的模塊進(jìn)行電源接入的防干擾處理；74AHC1G86所在電路是二倍頻電路，由一個(gè)異或門(mén)構(gòu)成，根據(jù)異或門(mén)的工作原理，信號(hào)A和信號(hào)B輸入之后異或門(mén)后輸出的時(shí)鐘脈沖表現(xiàn)為時(shí)鐘頻率是輸入信號(hào)的兩倍，二倍頻電路的功能是提高電動(dòng)機(jī)輸出信號(hào)的頻率，以提高測(cè)速的精度。

如圖10所示其中MOTOL_CHA連接到左電動(dòng)機(jī)的編碼器輸出信號(hào)1，MOTOL_CHB連接到左電動(dòng)機(jī)的編碼器輸出信號(hào)2，VDO_L：連接到左電動(dòng)機(jī)的VDO_L信號(hào)，MOTOL_CLK：連接到MCU的左電動(dòng)機(jī)的倍頻電路反饋信號(hào)pin31。

如圖11所示其中MOTOL_CHA連接到左電動(dòng)機(jī)的編碼器輸出信號(hào)（2），MOTOL_CHB連接到左電動(dòng)機(jī)的編碼器輸出信號(hào)（1），MOTOL_CHA#：連接到MCU的左電動(dòng)機(jī)辨向電路反饋信號(hào)pin25，MOTOL_CHB#連接到MCU的左電動(dòng)機(jī)辨向電路反饋信號(hào)pin26，MOTOL_CHRESET#連接到MCU的左電動(dòng)機(jī)辨向電路復(fù)位控制信號(hào)。

2.4 電源模塊

電源模塊采用400mAH 7.4V鋁電池供電，電動(dòng)機(jī)直接接入電源，另外，經(jīng)過(guò)LDO（線(xiàn)性穩(wěn)壓）電路獲得5V電壓，供給MCU、紅外傳感等。電源部分是整輛智能小車(chē)的動(dòng)力部分，要電壓穩(wěn)，防干擾，電量充足。

整個(gè)電源模塊由7.4V電池（BATT2）供電，電池由火車(chē)頭（JP1）供電。這個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)不同的模塊組合而成，不同的模塊需要的電源電壓不同，故需要對(duì)源電源引出的電壓進(jìn)行不同的降壓處理，以得到各自符合要求的電源電壓，供不同模塊使用。調(diào)壓各模塊電路圖如圖12所示。

從BATT2引出BBAT_IN到SW1開(kāi)關(guān)，通過(guò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，開(kāi)關(guān)輸出端VBATT。VBATT還是7.4V，在VBATT端的話(huà)接有一個(gè)大電容，有儲(chǔ)能的作用，以維持電源電壓的穩(wěn)定；還接有一個(gè)指示燈，用于指示電源供電與否，之間串聯(lián)一個(gè)限流電阻對(duì)LED燈進(jìn)行保護(hù)。然后從BATT引出一個(gè)輸出到單片機(jī)，作為單片機(jī)的電源供電。通過(guò)兩個(gè)電阻分壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，使輸出電壓為3.7V。在電源輸出端還并有一個(gè)電容進(jìn)行濾波防干擾的作用。

AMS1117是一個(gè)正向低電壓穩(wěn)壓器，其中有高溫保護(hù)和限流回路，是VBATT輸出通過(guò)線(xiàn)性穩(wěn)壓芯片AMS1117輸出5V的穩(wěn)定電壓，這個(gè)電壓值可以根據(jù)兩個(gè)電阻來(lái)計(jì)算，故在電路中藥選擇合適的電阻。這里選擇的是R1 = 100，R2 = 300； V = 1.25V * （1+R2/R1）；由此可得出5V的輸出電壓。然后在電壓的輸出端串聯(lián)上兩個(gè)一大一小的電容，電容的作用是濾波，并聯(lián)兩個(gè)一大一小的電容目的是為了擴(kuò)大濾波的范圍，因?yàn)椴煌葜档碾娙輰?duì)不同頻率的干擾信號(hào)敏感，兩個(gè)電容的并聯(lián)的話(huà)可以擴(kuò)大濾波的范圍。

將電源分別引到不同的模塊進(jìn)行供電，在VDD5V和各個(gè)不同的模塊之間都串聯(lián)一個(gè)磁珠，并聯(lián)有兩個(gè)一大一小的電容，電容的作用同上述的一致，磁珠本質(zhì)是電感，電感的作用是通直流阻交流，電感會(huì)阻止一部分的交流信號(hào)進(jìn)入下一個(gè)模塊，電容的作用是同交流阻直流，電容會(huì)把一部分的交流信號(hào)短路到地下去，防止其干擾下一個(gè)模塊。如圖12。

3 總結(jié)

本文介紹了智能小車(chē)的硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程和流程。主要側(cè)重于智能小車(chē)的硬件設(shè)計(jì)與器件的選型。使用用模塊化方法，本系統(tǒng)擁有優(yōu)秀的在開(kāi)發(fā)性和外擴(kuò)性。選用以AVR ATmega128為微控制器的核心，其高速的處理能力和芯片擁有許多的連接外部設(shè)備接口，以及A3950芯片作為驅(qū)動(dòng)芯片，為智能小車(chē)提供一個(gè)穩(wěn)定，強(qiáng)勁的動(dòng)力保障；新穎的紅外傳感器位置設(shè)計(jì)，使得紅外傳感更加精準(zhǔn)；預(yù)設(shè)許多接口，以便再次開(kāi)發(fā)與拓展。

本文的智能小車(chē)具擁有編程方法簡(jiǎn)便、方便控制小車(chē)，穩(wěn)定性好、拓展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，成功完成小車(chē)的加減速、向前、向后、向左，向右、持續(xù)轉(zhuǎn)彎，回送速度和路程的數(shù)據(jù)等功能。由于智能小車(chē)的應(yīng)用范圍廣泛，例如盲人導(dǎo)航機(jī)器人、考古機(jī)器人、地震搜索機(jī)器人、遠(yuǎn)距攝像機(jī)器人等等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)智能小車(chē)的深入研究將具有很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳懂.智能小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京：東南大學(xué)，2005.

[2] 劉新杰，王富東.競(jìng)賽機(jī)器人小車(chē)設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題及解決[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，24（4）：70-73.

[3] 蒙建波，虞建靜.管金庫(kù)智能小車(chē)目標(biāo)識(shí)別跟蹤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，27（9）.

[4] 黃辛超，殳國(guó)華.用于創(chuàng)新類(lèi)課程平臺(tái)智能小車(chē)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]-實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28（12）.

[5] 劉崇翔，于力革，高美鳳.基于ARM的智能小車(chē)驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)[J]-計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2012（8）.

[6] 梁明亮，趙成.基于嵌入式技術(shù)的四輪驅(qū)動(dòng)教育機(jī)器人設(shè)計(jì)[J]-實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012（11）.

[7] 廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司MicroMouse102 IEEE國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)電腦鼠數(shù)據(jù)手冊(cè) 2007.

[8] 方金亮，談?dòng)⒆耍茆?基于ARM的IEEE標(biāo)準(zhǔn)電腦鼠研究與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2008，37（5）.

[9] Wan Jian，Chu Xiumin.The Design of Autonomous Smart Car Used in Simulation of Vehicle Platoon[C]//Pacific-Asia Workshop on Computational Intelligence and Industrial Application，2008：885-890.

[10] TONDRA D，HALL Drew.The inception of cheddar：a detailed design and analysis of micromouse[D].Las Vegas：University of Nevada，2004.