直流电机驱动电路与电源模块设计

微控制器模块

AT89S52是一个低功耗、高性能CMOS 8位单片机，片内有8KB ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S52有40个引脚，片内有8KB Flash程序存储器，256B的RAM，32个外部双向输入/输出口，5个中断优先级，2层中断嵌套，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗(WDT)电路，片内时钟振荡器等。

在开发过程中使用开发板，以方便程序的调试和整机的测试，待系统调试完成后，将单片机从开发板上取下，安装在机器人系统板的单片机座中，由于设计中的机器人需要完成的任务比较简单，因此只在机器人系统板的单片机系统中保留了晶振和复位电路，取消了JTAG编程口等冗余电路。

3.2 传感器模块

光电传感器的工作原理是传感器红外发射管发射出红外光，接收管根据反射回来的红外光强度大小来计数的，故被检测的部件或物体表面必须有黑白相间的部位用于吸收和反射红外光，这样接收管才能处于有效的截止和饱和区以达到计数的目的。传感器的检测与调节电路如图2所示。图中的R3用于调节比较器的门限电压，经示波器观察，输出波形相当规则，可以直接供单片机查询使用，而且经验证给此电路供电的电池压降较小。红外光电传感器通过主板P8、P9、P10接口连接到AT89S52的P0.5、P0.6和P0.7端口。其中P0.5 = 0，表示前方有障碍;P0.6 = 0 ，表示左方有障碍; P0.7=0，表示右方有障碍。

直流电机驱动电路与电源模块

直流电机通过主板的P5接口连接到主板的驱动模块上。本文采用L298作为电机的驱动芯片，L298的5、7、10、12四个引脚连接到单片机上，通过对单片机的编程就可以实现两组直流电机的正反转等功能。由于单片机的电压在4.8V左右，故采用VFM升压型电源芯片，为单片机及外围电路提供5V左右的电压。

软件开发环境与搜索算法

本文采用Keil U Version2 作为系统的开发环境，在程序设计中采用C语言和汇编语言混合编程。在软件算法上，考虑到深度优先搜索算法的时空效率和迷宫地形的复杂程度成正比，即迷宫越复杂，搜索出口的时间就越长。本文采用了一种称为左手(或右手)法则的迷宫路径搜索策略，即在迷宫中一直沿着左侧(或右侧)的墙寻找，就可以找到出口。

相对于深度优先搜索法，左手(或右手)法则的空间占用与迷宫复杂程度无关，机器人搜索路径的选择只与当前结点有关，不需要回溯。同时，硬件的制造精度要求不高，不需要精确的控制机器人的移动距离和移动方向，方便了驱动设计。为便于算法的实现，本文设定了如下约束条件：

1.在算法中不管迷宫地形有多么复杂，均由直线、死路、丁字形、十字形、转角形和终点七个基本地形构成。

2.按分岔的多少将分岔口分为二岔口和三岔口(一般没有四岔口)，而将分岔口前面的岔路按从右到左的顺序分别称为第一岔路、第二岔路、第三岔路(十字型才有)。二岔路有三种不同的形式，第一种是前进的路线右边出现一条岔路(右边的岔路称为第一岔路、前方称为第二岔路);第二种是在前进的路线左边出现一条岔路(前方称为第一岔路、左边的岔路称为第二岔路);第三种是丁字路口(右边的岔路称为第一岔路、左边的岔路称为第二岔路)。对于这三种情况，算法对应的程序由主程序、走直线子程序、左转子程序、右转子程序和校正子程序组成。主程序起到导向和决策的功能，决定机器人什么时候该做什么。机器人的其他功能通过调用具体的子程序来实现。

本文所采用的迷宫搜索算法流程如图3所示。接通电机和传感器电源后，单片机在程序的控制下，根据传感器检测到的值，决定电机的正转和反转。当P0.7=1时，表示左方没有障碍物，依据“右手”遍历算法，机器人将调用右转子程序;当P0.7=0并且P0.5=0时，机器人将调用左转子程序;否则机器人直线前进，如此反复检测并调整机器人的动作，直至机器人走出迷宫为止。

从架构上看，CLB与FPGA的可编程逻辑结构很相似。构成CLB的每个BLE由⼀个4输⼊LUT(Lookup-Table, 查找表)和⼀个D触发器组成。CLB的输入接口提供了16个输入的选择锁存器，每个选择锁存器可以选择最多40种不同的信号之一的信号来作为输入，这些信号可以是通过外部引脚输入的信号，内部外设的输出信号以及软件操作的寄存器的信号。CLB输入端都嵌入了可编程的边沿检测器，这些边沿检测器默认由上升沿触发，但可以编程为由下降沿触发或完全旁路。

另外，CLB支持8路输出可以路由到外部引脚、内部寄存器或内部外围设备的输⼊。CLB还包含⼀个3位硬件计数器，以帮助使⽤CLB构建状态机。当MCU需要执⾏简单的多任务并⾏处理，或者需要实现少量硬件级实时处理时，CLB的作⽤就会更⼤程度地显现出来。开发者可以使⽤CLB来实现状态机或“⾼速”外设，例如软件驱动的信号多路复⽤器、计数器、正交解码器、步进电机控制器或⾼速PWM(脉宽调制器)等。

全新的开发体验

实际上，对于Microchip来说，在MCU中集成可编程逻辑功能并不是⼀个全新的课题。早在⼗多年前，Microchip就曾在其MCU中引⼊了⼀种被称为可配置逻辑单元(CLC)的可编程逻辑外设，这⼀设计思路的价值已经被市场所验证。随着实际应⽤中对更复杂的可编程逻辑需求的增加，终在PIC16F13145系列中演化出了CLB这个规模更⼤、更复杂的可编程逻辑块，完成了⼀次重要的迭代升级，也使得该系列MCU能够⽤于以往属于独⽴可编程逻辑器件的应⽤领域。

PIC16F13145系列MCU这一独特的定位，可以为开发者带来诸多好处。

首先，集成到MCU的CLB，是通过硬件的方式实现逻辑功能，在性能上明显优于“通用MCU+软件”的模式，有利于优化嵌入式控制系统的速度和响应时间，提升整体的系统性能。而且由于在系统设计时，无需增加额外的外部逻辑器件，还可以降低BOM成本，可谓是一举两得。

其次，作为独立于CPU内核的外设，PIC16F13145中的CLB可以在CPU处于睡眠模式时运行，以响应和处理来自外部和内部的任务，更大限度地降低MCU的功耗。CLB还可以与其他外设(如定时器、ADC、PWM模块等)结合使用，进一步优化系统功耗性能。

此外，CLB还有助于PIC16F13145系列MCU实现更强的可扩展性。在实际工作中，随着需求的变化，设计的调整在所难免，而PIC16F13145系列MCU所具备的可编程逻辑功能，使得开发者无需“从头再来”彻底修改整个设计，就能够通过灵活的硬件编程快速完成设计迭代，简化整个设计流程。

由此可见，凭借CLB模块而带来的更高的性能、更低的功耗以及更强的可扩展性，加之其他丰富的片上资源(包括具有内置计算功能的快速10位ADC、8位DAC、快速比较器、8位和16位定时器，以及I2C和SPl等通信模块)，PIC16F13145系列MCU无疑为嵌入式开发者提供了一个强大而灵活的开发利器。

完善的开发生态

当然，⼀个嵌⼊式硬件平台，加上配套的软件开发⼯具以及相关技术资源，才能够提供完整的开发体验。具体到PIC16F13145系列MCU这个创新的硬件架构，更是需要完善开发⽣态的⽀持，尽可能降低开发者上⼿“尝鲜”的⻔槛。

好消息是，这⼀点Microchip已经准备好了。PIC16F13145 系列MCU 的开发， 可以得到MPLAB 代码配置器(MCC)的⽀持，MCC是Microchip的MPLAB X IDE中⼀个免费软件插件，为开发者提供了⼀个基于GUI的简便开发界⾯，⽤于配置器件和片上外设(包括CLB)。CLB所需的⾃定义逻辑配置可通过MCC创建原理图，因此⼤⼤减少了开发时间，⽽且⽤户可以使⽤硬件描述语⾔(Verilog)作为开发语言，增加了开发的灵活性。自定义逻辑配置的原理图也可以通过在线方式创建(logic.microchip.com)。

同时，PIC16F13145 Curiosity Nano评估套件可为使⽤PIC16F13145系列MCU进⾏设计提供全⾯⽀持，⽆需外部⼯具、编程和调试，简单易⽤，有助于开发者实现⽆缝嵌⼊式开发体验，缩短产品上市时间。

今天，竞争激烈的MCU市场，迫切需要差异化的创新产品。Microchip的PIC16F13145系列MCU，创造性地将可编程逻辑外设功能与8位MCU架构相结合，在继承MCU固有优势特性的同时，⼜带来了更佳的性能、低功耗特性和可扩展性，在实时控制、数字传感器节点，以及⼯业和汽⻋等细分市场，为嵌⼊式开发者提供了全新的想象空间和开发体验。