Atmegal6L单片机的智能小车的设计与制作
时间：2020-09-10 08:27:01
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[导读]0 引言自工业革命以来，随着电气的发展，人类进入了文明的新阶段。机器人已经广泛用于工业、农业、服务业、军事、机械、交通、航天航空等领域。智能机器人水平的不断提高，大大提高了劳动效率，减轻了劳动强度。机
0 引言
自工业革命以来，随着电气的发展，人类进入了文明的新阶段。机器人已经广泛用于工业、农业、服务业、军事、机械、交通、航天航空等领域。智能机器人水平的不断提高，大大提高了劳动效率，减轻了劳动强度。机器人与人类并肩作战，在征服自然，改造自然地过程中发挥着重要作用。
智能小车是集理论力学、机械结构、数字电路、模拟电路、传感器、单片机、控制理论和算法等多门学科为一体的综合系统，其内容涵盖机械、电子、自动控制原理、计算机、传感技术等多个学科和领域。
本文设计的基于ATmagel6L的智能小车就是要求其从起跑线出发，然后通过自身自动调整向角和车速，使其自动沿着一条黑色引导线行驶。
1 智能小车的硬件设计方案
本智能小车控制系统的结构如图1所示。其中的Atmegal6L单片机是智能小车的控制模块，它是高性能、低功耗的8位AVR微处理器，采用先进的RISC结构，具有16K字节的系统内可编程Flash和512字节的EEPROM。工作于16 MHz时，其性能高达16 MIPS，并具有32个可编程通用I／0口和用于边界扫描的JTAG接口，基本都能够满足设计要求。电路稳压模块输入12 V电压。经过稳压电路后可得到9 V、5 V两种电压，其中9 V电压用于电机驱动模块的工作电压，5 V电压则用于单片机的工作。图2所示是RPR220光电传感模块的电路图，光电传感是由10个RPR220型光电对管组成。RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器则是一个高灵敏度的硅平面光电三极管。L298N的INPUT、OUTPUT两端口用于提供稳定的电压以使电机转动。
1．1 光电传感模块
图2所示是本系统中光电传感模块的电路图。寻线路径一般是刻在白色平面上的3 cm的黑线，小车沿着黑线循径，当检测到白线，即二极管发出的光被白线反射回来时，光电对管中的三极管导通，比较器6号端口输入为低电平，经过比较器后，7号端口输出为高电平。当检测到黑线时，光被吸收，光强度减弱，光电对管中的三极管不导通，比较器6号端输入为高电平，7号端输出为低电平。通过PC端口将高低电平(l和0)反馈给单片机后，经单片机处理后可用于调整车头的转向，以使黑线刚好在10个光电探头的中间，从而使小车平稳前进。在7号端串一个0．1μF的电容再接地，这样，经过滤波后进入到单片机中的方波就非常完美。将这个光电管与码盘相连，通过光电管不断扫描码盘格数，这样，当码盘转动且转速较低时，6号端的信号就可变为频率与转速一一对应的方波。但是，当码盘速度很快时，6号端信号将变为频率与转速一一对应的正弦信号。放大器LM324可用作比较器，可将6号端处的正弦信号与基准电压进行比较后，然后将在7号端产生频率与转速一一对应的方波，单片机采集此信号后，即可根据公式计算出直流电机的各个参数，从而精确地控制小车的转向与位移。
1．2 电机驱动模块
图3所示是L298N驱动模块的电路连接图。L298N作为电机驱动芯片，是一款高电压大电流全桥驱动芯片，它的频率高，可控制两个直流电机，而且具有控制使能端，工作电压可通过4、9引脚分别输入9 V、5 V电压。ENA、ENB引脚是两个使能端口，而INT、OUT则为电机驱动引脚，通过改变OUT端的逻辑电平可控制电机的正、反、停止状态，表1所列是直流电机控制逻辑。L298N的5、6、7、10、ll、12六个引脚可直接与单片机的PD端口相连，而通过对单片机的编程则可以实现直流电机PWM调速。
l．3 单片机控制模块
采用Atmel公司的Atmegal6L单片机可对小车进行控制，该单片机具有32个功能强大的可编程I／O接口和4个PWM通道，并具有八路十位ADC，可对小车进行实时控制。该单片机的PC0～PC7八个端口可与光电传感模块的八个光电探头相连。设探头检测的逻辑实际值为P，假定值N，车轮的运动状态分别为forward-move、right-move、leftmove、hard-right-move、hard-left-move，通过对实际值P与假定值N(0b0011-1100)的比较，可得出如表2所列的Atmegal6L单片机的控制模块参数表，其中x为无关项。设计时，可将Atmegal6L的PD2～PD3分别连接带码盘的两个光电对管，以用于精确测量车轮的转向与位移；PD5和PD4可分别连在电机驱动模块的使能端ENA和ENB。PDl、PD0、PD6和PD7分别于电机驱动模块的INl、IN2、IN3、IN4相连，INl、IN2口一般用于PWM的输入，以便利用PWM调速法，即由单片机输出一系列频率固定的方波，并通过功率放大器来驱动电机，再通过单片机编程来改变输出方波的占空比，这样就可改变加在电机上的平均电压，从而改变电机的转速。
2 智能小车的软件设计方案
基于AVR单片机和C语言编程的系统软件流程图如图4所示。
3 结束语
本文着重讨论了光电传感器、单片机控制和稳压器原理及这几个模块之间的相互沟通与协调关系，本系统采用便宜的红外对管，并以具有强大功能的ATmagel6L单片机为主控制器，同时以L298N驱动芯片通过C语言程序编写调试软件，从而完成了能够智能循迹、自动避障、结构模块化、抗干扰能力强的智能小车的设计。该系统通过对小车的调试，能够使小车成功平稳地在任意给定的黑线上行驶，而且循迹效果很好，运行十分平稳，同时速度也很快，而且在拐弯处不会因速度大而产生离心现象。
智能小车在军事、民用、科研、航天探测领域已得到广泛的应用，它的发展与自动控制、单片机开发、控制算法的优化和微机存储处理速度有着密切的关系，很值得进一步的研究与探索。
自工业革命以来，随着电气的发展，人类进入了文明的新阶段。机器人已经广泛用于工业、农业、服务业、军事、机械、交通、航天航空等领域。智能机器人水平的不断提高，大大提高了劳动效率，减轻了劳动强度。机器人与人类并肩作战，在征服自然，改造自然地过程中发挥着重要作用。
智能小车是集理论力学、机械结构、数字电路、模拟电路、传感器、单片机、控制理论和算法等多门学科为一体的综合系统，其内容涵盖机械、电子、自动控制原理、计算机、传感技术等多个学科和领域。
本文设计的基于ATmagel6L的智能小车就是要求其从起跑线出发，然后通过自身自动调整向角和车速，使其自动沿着一条黑色引导线行驶。
1 智能小车的硬件设计方案
本智能小车控制系统的结构如图1所示。其中的Atmegal6L单片机是智能小车的控制模块，它是高性能、低功耗的8位AVR微处理器，采用先进的RISC结构，具有16K字节的系统内可编程Flash和512字节的EEPROM。工作于16 MHz时，其性能高达16 MIPS，并具有32个可编程通用I／0口和用于边界扫描的JTAG接口，基本都能够满足设计要求。电路稳压模块输入12 V电压。经过稳压电路后可得到9 V、5 V两种电压，其中9 V电压用于电机驱动模块的工作电压，5 V电压则用于单片机的工作。图2所示是RPR220光电传感模块的电路图，光电传感是由10个RPR220型光电对管组成。RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器则是一个高灵敏度的硅平面光电三极管。L298N的INPUT、OUTPUT两端口用于提供稳定的电压以使电机转动。
1．1 光电传感模块
图2所示是本系统中光电传感模块的电路图。寻线路径一般是刻在白色平面上的3 cm的黑线，小车沿着黑线循径，当检测到白线，即二极管发出的光被白线反射回来时，光电对管中的三极管导通，比较器6号端口输入为低电平，经过比较器后，7号端口输出为高电平。当检测到黑线时，光被吸收，光强度减弱，光电对管中的三极管不导通，比较器6号端输入为高电平，7号端输出为低电平。通过PC端口将高低电平(l和0)反馈给单片机后，经单片机处理后可用于调整车头的转向，以使黑线刚好在10个光电探头的中间，从而使小车平稳前进。在7号端串一个0．1μF的电容再接地，这样，经过滤波后进入到单片机中的方波就非常完美。将这个光电管与码盘相连，通过光电管不断扫描码盘格数，这样，当码盘转动且转速较低时，6号端的信号就可变为频率与转速一一对应的方波。但是，当码盘速度很快时，6号端信号将变为频率与转速一一对应的正弦信号。放大器LM324可用作比较器，可将6号端处的正弦信号与基准电压进行比较后，然后将在7号端产生频率与转速一一对应的方波，单片机采集此信号后，即可根据公式计算出直流电机的各个参数，从而精确地控制小车的转向与位移。
1．2 电机驱动模块
图3所示是L298N驱动模块的电路连接图。L298N作为电机驱动芯片，是一款高电压大电流全桥驱动芯片，它的频率高，可控制两个直流电机，而且具有控制使能端，工作电压可通过4、9引脚分别输入9 V、5 V电压。ENA、ENB引脚是两个使能端口，而INT、OUT则为电机驱动引脚，通过改变OUT端的逻辑电平可控制电机的正、反、停止状态，表1所列是直流电机控制逻辑。L298N的5、6、7、10、ll、12六个引脚可直接与单片机的PD端口相连，而通过对单片机的编程则可以实现直流电机PWM调速。
l．3 单片机控制模块
采用Atmel公司的Atmegal6L单片机可对小车进行控制，该单片机具有32个功能强大的可编程I／O接口和4个PWM通道，并具有八路十位ADC，可对小车进行实时控制。该单片机的PC0～PC7八个端口可与光电传感模块的八个光电探头相连。设探头检测的逻辑实际值为P，假定值N，车轮的运动状态分别为forward-move、right-move、leftmove、hard-right-move、hard-left-move，通过对实际值P与假定值N(0b0011-1100)的比较，可得出如表2所列的Atmegal6L单片机的控制模块参数表，其中x为无关项。设计时，可将Atmegal6L的PD2～PD3分别连接带码盘的两个光电对管，以用于精确测量车轮的转向与位移；PD5和PD4可分别连在电机驱动模块的使能端ENA和ENB。PDl、PD0、PD6和PD7分别于电机驱动模块的INl、IN2、IN3、IN4相连，INl、IN2口一般用于PWM的输入，以便利用PWM调速法，即由单片机输出一系列频率固定的方波，并通过功率放大器来驱动电机，再通过单片机编程来改变输出方波的占空比，这样就可改变加在电机上的平均电压，从而改变电机的转速。
2 智能小车的软件设计方案
基于AVR单片机和C语言编程的系统软件流程图如图4所示。
3 结束语
本文着重讨论了光电传感器、单片机控制和稳压器原理及这几个模块之间的相互沟通与协调关系，本系统采用便宜的红外对管，并以具有强大功能的ATmagel6L单片机为主控制器，同时以L298N驱动芯片通过C语言程序编写调试软件，从而完成了能够智能循迹、自动避障、结构模块化、抗干扰能力强的智能小车的设计。该系统通过对小车的调试，能够使小车成功平稳地在任意给定的黑线上行驶，而且循迹效果很好，运行十分平稳，同时速度也很快，而且在拐弯处不会因速度大而产生离心现象。
智能小车在军事、民用、科研、航天探测领域已得到广泛的应用，它的发展与自动控制、单片机开发、控制算法的优化和微机存储处理速度有着密切的关系，很值得进一步的研究与探索。
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