毕业设计（论文）-基于单片机的迷宫小车系统的设计.doc

本科生毕业论文本科生毕业论文 基于单片机的迷宫小车系统的设计 The System Design of Maze Trolley System on SCM 学生姓名 所在专业电子信息工程 所在班级电子 1091 班 申请学位工学学士 指导教师职称讲师 副指导教师 职称 答辩时间2013 年 6 月 1 日 目 录 目目 录录 摘摘 要要 .I ABSTRACT .II 第 1 章绪论.3 1.1 课题背景.3 1.2 课题的目的及意义.3 1.3 主要实现的功能.4 1.4 主要实现的功能.5 第 2 章方案设计与论证.6 2.1 总体设计.6 2.2 路径识别系统及布局方案.6 2.2.1 确定路径检测方法.6 2.2.2 确定传感器布局.8 2.3 小车动力及主体设计方案.9 2.4 电机驱动方案.9 2.5 显示方案.10 第 3 章硬件电路设计.11 3.1 电源电路模块.11 3.2 传感器电路模块设计.12 3.2.1 红外避障模块.12 3.2.2 终点寻黑线模块.13 3.2.3 小车距离检测模块.15 3.3 电机驱动模块.16 3.3.1 电机驱动原理.16 3.3.2 H 桥式电机驱动电路.17 3.4 液晶显示电路模块.21 3.5 主控板电路.22 3.5.1 单片机最小系统原理.22 3.5.2 STC12C5A60S2 单片机简介.22 第 4 章软件程序设计.24 4.1 总体控制流程图.24 4.2 电机驱动子程序设计.25 4.3 测距及及时子程序设计.28 4.4 避障及停止子程序设计.30 目 录 4.5 显示子程序设计.33 第 5 章系统测试及操作说明.37 5.1 系统硬件测试.37 5.2 系统软件测试.38 5.3 系统操作说明.38 第 6 章结束语及展望.39 鸣 谢.40 参考文献.41 摘 要 I 摘摘 要要 介绍了一种基于 8 位单片机 STC12C5A60S2 的迷宫小车系统，充分利用该芯片自 带的两路 PWM 结合 L298N 芯片控制小车的运行状态；该系统采用五路红外传感器来 自动检测路况，将所测得信息反馈给小车控制电路，通过软件对其行进路线进行智能 调节，实现了小车自动从事先所设定的迷宫中走出；测距采用以霍尔传感器为核心的 电路模块实现测距功能。采用光电对管 TCR5000 来检测终点坐标信息，控制小车停止。 同时，采用 LCD12864 来显示迷宫小车的距离及行走的时间。本设计结构简单，较容 易实现，具有一定的智能化。 总体规划 对于走迷宫小车控制系统设计主要有三个方面：一、控制电路设计；二、传感器 选择以及安放位置设计；三、程序设计。从总的方面来考虑，传感器的使用数量应该 尽量少以减少单片机的信号处理量，但是又必须能使小车行驶自如。控制电路要根据 选用的电机和传感器来设计，主要考虑稳定性，抗干扰性。 关键词：STC12C5A60S2 单片机；PWM；红外传感器；LCD12864；迷宫左手算 法 ABSTRACT II ABSTRACT Describes a kind of maze car system based on 8-bit MCU STC12C5A60S2, make full use of the chip comes with the two way of PWM and L298N chip to control the car running state; The system USES the infrared sensor to automatically detect five road traffic, measured by information feedback to the control circuit, the car through the software to its path of intelligent adjustment, has realized the automatic car from within the labyrinth set in advance; Distance measurement based on hall sensor TCR5000 as the core circuit module implementation ranging function. The photoelectric pair tubes to detect end-point coordinate information, control the car stop.At the same time, adopt LCD12864 labyrinth to display the car walking distance and time. This design has simple structure, is easy to implement, has a certain intelligence. The overall plan: The design of the control system of maze-running intelligent car mainly includes three parts: First: the design of the control circuit; Second: the choosing of the sensor and the design of the mount position; Third: Program Design. From a overall perspective, you should use the sensors as few as possible so as to reduce the signal processing amount of the MCU and at the same time you must make the car march freely. The control circuit must be designed according the motors and sensors chosen, mainly take the stability and the noise immunity into account. KEYWORDS: STC12C5A60S2 single chip microcomputer; Pulse width modulation; Infrared seneor；LCD12864；Left hand maze algorithm 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 基于单片机的迷宫小车系统基于单片机的迷宫小车系统的设计的设计 电子信息工程，200911611121，王靖 指导教师：郭晓云 第 1 章绪论 1.1 课题背景 随着微电子计算机软/硬件，通信和电子工程等多种技术的融合，嵌入式系统的技 术含量也越来越高了，为了促进信息技术的科技创新，不断的更新机器人技术是一个 很好的创新方式。 本课题将才用 ARM 公司的微控制器制作机器鼠的硬件机构，采用 近年来国际上新兴的蚁群算法，实现从起点到终点的最优路径的选择。通过模型的制 作实现理论的实际创新过程。蚁群算法是通过对生物行为的分析而得出的团体最优配 置和路径选择，所以机器鼠的路径选择是非常相似的。 智能机电鼠又称电脑鼠，电脑鼠( micro mouse)是一只迷人的人工智慧鼠，它不但 有锐利的眼睛和灵活的双脚，还有聪明的头脑来控制眼睛和双脚，使眼睛和双脚能够 同心协力，互相配合，以达成那唯一的目标一走出迷宫。实际上就是一个电动小车， 只不过这个电动小车是由一个或多个微控制器来控制、通过传感器和其他各器件的配 合，具备一定智能的电动小车。目前，电脑鼠在一些电子设计竞赛中出现的比较多， 电脑鼠走迷宫是机器人比赛中比较重要的一个分支，其主要考察的是电脑鼠对未知世 界的自动探索和学习过程。 本设计是以“IEEE 国际电脑鼠上海邀请赛”为背景，结合模拟电路,数字电路知识以 及传感器知识，将平时所学的各种控制理论运用到实践当中，制作出一个性能优良的 电子产品-能够走迷宫的电脑鼠。 1.2 课题的目的及意义 人从上世纪七十年代美国举办第一届电脑鼠走迷宫的比赛开始，到如今该比赛已 经遍及全球。电脑鼠走迷宫比赛是考察一个机电系统对一个未知环境的探索、分析以 及决策能力的一种比赛，随着科技的发展，各参赛者在电脑鼠机械结构上的差距并不 明显。在同样规则和相近的机械结构的情况下，决定比赛胜负的，往往就是电脑鼠对 迷宫的探索和决策的算法了，因此迷宫算法也就成为了各电脑鼠爱好者们研究的热门 课题。 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 4 随着迷宫的出现，就有人对迷宫算法进行专门的研究，经过几十年的发展，电脑 鼠走迷宫算法已经多种多样，除了简单的传统的左右手算法等之外，目前比较先进的 算法有八方向走迷宫算法、遗传算法、蚁群算法等等，这些算法的基础是近代的一些 比较著名的理论，因此较之以前有了很大的进步，然而，到目前为止，没有任何一种 算法堪称完美，每种算法都有自己的特点，更没有哪种算法可以完全取代其他的算法。 因此在迷宫算法领域里形成了多足鼎立的局面。 走迷宫算法的一个重要用途就是机器人设计，随着各种技术的飞速发展，机器人 的用途也越来越广，人们要求机器人可以完成的工作的复杂度也越来越高，电脑鼠作 为一个机电整合的系统，其发展也是越好的。电脑鼠走迷宫是针对一个未知的、待探 测的环境，用红外线或超声波等传感器采集周围数据回给处理器，通过软件处理生成 一个简单的平面电子地图，而后通过对地图坐标的观测给定电脑鼠想要它行走的 X，Y 坐标，电脑鼠自身通过对刚才数据的采集而计算出一条合适路径，而自动走到相 应的地点，从而实现了简单的绘制未知地形地图及定位功能，这是电脑鼠算法研究的 一个重要技术基础。其应用的前景应该是非常光明的，因为机器人的发展是一个不可 阻挡的历史潮流，在机器人代替人作的一些工作中，有些环境是不可以或者很难事先 预知的，如火山口、深海底、外星球等人不能够到达的地方，这就要求机器人有相当 高的智能，其中最基础的就是对未知环境的探测及决策能力。走迷宫的算法研究的意 义也就是为机器人的智能打下基础。 进入 21 世纪,伴随着电子、信息技术的应用与迅速普及，人们对电子技术的要求越 来越高。迷宫小车的出现对今后更好地用机器来代替人的工作垫定更扎实的基础。经 过完善后的迷宫小车可以广泛用于抢险，救灾，有害气体中毒的抢救等。随着技术的 发展智能迷宫机器人将替代小车工作，在危险场合迷宫机器人起着不可替代的作用， 如在失火情况下迷宫机器人可以在最短的时间找到最优的路径将受困人员救出。迷宫 小车的发展为智能机器人的开发提供了理论依据。 1.3 主要实现的功能 该迷宫小车主要可以实现的功能如下： （1）小车基本控制：能够实现在非迷宫场地内完成直行的前进、急停，以及原地 转弯和行进转弯等基本的运动方式，并能通过检测和中断电路来进行计步； （2）红外线探测：通过红外线的探测，反馈 5 个信息，前方/左方近/左方远/右方 近/右方远，通过调节每一个红外线发射接受器的发射和反馈的强度来使小车能最好工 作； （3）小车调试与实际运行：将程序下载到小车内，能够在迷宫（没有孤岛）中自 动避障，并进行寻路，实现出迷宫的功能；能够实现寻光源行走功能。 （4）显示行驶的总时间，距离及运行时的状态，要求整个系统功耗低，性价比高。 本文的组织结构 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 5 1.4 主要实现的功能 （1） 理解题目的内容，参考现有系统，提出设计方案； （2） 设计系统的硬件电路，选取合适的器件，成功做出实物； （3） 硬件电路包括：主控制器电路 STC12C5A60S2 单片机，电源电路，电机驱 动电路和传感器电路等； （4） 设计系统相应的软件程序如主程序、电机控制子程序等。 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 6 第 2 章方案设计与论证 2.1 总体设计 图 2.1 系统框架图 如图 2.1 所示，该智能小车系统主要分为以下三大块： （1）信息采集模块：在该模块中包括障碍物信息采集，终点信息采集和小车行驶 距离采集两个三个子模块，分别采集小车前方是否有障碍物信息，小车是否到达终点 和小车行使的距离信息，并将采集到的信息传给 MCU，其核心是红外传感器，光电传 感器和霍尔传感器。 （2）信息处理模块：信息处理模块包括信息处理和控制模块，其核心是 MCU，MCU 接收到采集来的信号，对信号进行处理后作出判断，并发出控制信号。 （3）执行模块：该模块包括了驱动电机和液晶显示，当接收到 MCU 的命令后便 执行相应操作，驱动两个直流电机行进及在液晶上显示运行模式信息。从傅里叶变换 到小波分析 2.2 路径识别系统及布局方案 2.2.1 确定路径检测方法 2.2.1.1 确定障碍物检测方案 迷宫小车行走过程中，路径信息的采集是整个系统中很重要的一部分，它就像是 模型车的眼睛，直接影响模型车的行走路径是否合理。道路检测方式有很多中，总体 可以分为两类： 方案一: 红外检测方式。通过红外发光管发射红外线照射障碍物（白色泡沫挡板） ， 经过挡板反射回来后，由于发射出去的红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最后 消失。如果有障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到达传感器接收头。如果有障碍物， 传感器检测到这一信号，不同位置上的红外接收管回接受到强弱不同的红外光，由此 可以判断出挡板相对迷宫车的位置，并送给单片机，单片机进行一系列的处理分析， 信息采集 红外传感 器模块 霍尔传感 器模块 信息处理 MCU 数 据 处 理 命 令 输 出 执行模块 电机操作 显示操作 信息采集 红外避障模块 终点寻黑线模 块 霍尔测距模块 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 7 协调小车两轮工作，完成一个漂亮的躲避障碍物动作此种方式电路设计比较简单，速 度快，成本低，但精度较低，前瞻距离较短。 方案二：用超声波传感器进行避障，超声波传感器的原理是：超声波由压电陶瓷 超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收，然后将这信 号放大后送入单片机。超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。但是超声波传感器 需要 40Hz 的方波信号来工作，因为超声波传感器对工作频率要求较高，偏差在 1%以 内，所以用模拟电路来做方波发射器比较难以实现。而且单片机来做方波发射器未免 有些浪费资源。因此只能考虑其它方案。 由于本次毕业设计主要是实现迷宫小车自动避障功能，而对迷宫小车车速度要求 不高，最终选择了方案一来识别障碍物。 2.2.1.2 确定终点检测方法 由于本次终点检测是指小车在地板上行走，由于黑色和白色对光线的反射系数不 同，可根据接收到的反射光的强弱来判断小车是否到达终点。在该模块中利用了简单、 应用也比较普遍的检测方法红外探测法。 红外光发光二级管与光敏三级管组成的发射-接收器,将光敏三级管电流变化转变成 电压变化信号,再将电压信号送至单片机 A/D 转换口。这种方式不但有方案二的优点,而 且传感器输出的是连续的模拟量,在一定的范围内可根据电压与黑线位置的关系曲线定 位黑线的位置,所以通过这种方式可在传感器数量和布局受到限制的条件下对黑线位置 进行精确定位。 TCRT5000 原理图如下所示： 图 2.2 TCRT5000 原理图 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 8 2.2.1.3 确定小车行驶距离检测方法 方案一、通过测试得出小车平均速度 v，在行驶过程中将行驶时间与其乘积 tv 作 为驶过的距离。但该方案受电池电量、路面介质等因素的影响，在大多数情况下均暴 露出误差较大的缺点。故不予采用。 方案二、利用霍尔开关 在后轮内侧匀距贴上 2 个磁钢，车厢内装上霍尔开关。 对轮子转速进行测量，由于低速下轮子与地面接触良好，设轮周长为 c，可以用霍尔开 关输出脉冲数 n 乘以 c/m 得出行驶距离。只要磁钢在后轮上的位置足够精确，霍尔开 关固定牢靠，就可以获得较好的测试效果。但车子颠簸时，稳定性较差。由于我们使 用的小车车轮有较高的防滑性能，且同侧车轮使用同一驱动电机（具有相同的转速） ， 所以行车距离检测是比较准确的。经过实验测试，测出距离的精度相当高。 在本次设计中我们使用第二种方法进行测距。 2.2.2 确定传感器布局 2.2.2.1 确定避障传感器的布局 前红外传感器安装方式在路径识别中的作用也不可小觑。传感器的安装一般要考 虑下面几个问题。 （a） 一排安装还是两排安装。两排安装除了可以获取道路的中心位置，同时可 以得到道路的方向信息，但是它是以降低检测空间分辨率作为代价的。 （b） 排列的几何形状。一般用“一”字型排列， “八”字型排列及“W”型排列等。其 中“一”字型排列是最常用的布局形式，即各个传感器都在一条直线上，从而保证了纵 向的一致性，使其控制策略集中在横向上。 “八”字型排列与“一”字型相似，但它增加了 纵向的特性，从而具有一定的前瞻性。 “W”型排列则能更好的预测弯道的出现。可见， 八字型和 W 型比较一字型能更好的使智能车在加速及过弯道能力有所提高，但其控制 算法相对比较复杂。 （c） 分布密度。红外传感器分布间距与道路中心线的宽度以及红外传感器距离 地面的距离有关系，一般要满足传感器下面的道路中心线可以引起一个或者两个传感 器相应为准。 （d） 传感器相对地面的高度与角度。这两个参数决定了检测道路的范围。传感 器的高度以及相对垂直地面的角度越大，它的检测前瞻距离越远，同时检测道路的宽 度也越大，稳定性也越好。 （e）红外传感器的探出距离。这个距离是指传感器安装位置超出车模前端的距离。 采用等腰梯型安装的方法，其中传感器离地高度 2 cm，传感器共有 5 个。考虑到 传感器距离地面的角度对检测稳定性的影响，其角度垂直地面。 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 9 2.2.2.2 确定终点寻黑线传感器的布局 在本次设计中，由于终点用一块黑色区域标注，只要小车能够检测到黑色区域， 就会自动停止运行，故对传感器的安装布局要求不高，这里采用单排平行放置两个光 电对管寻迹传感器 TCR5000 来检测终点。 2.2.2.3 确定霍尔测距传感器的布局 在本次设计中，由于测量小车距离采用霍尔传感器 A44E 结合磁钢的形式，首先 把两个磁钢对称的固定在小车轮子内部，再把 A44E 用胶水固定在电机轮子附近，这 样小车每转一圈，传感器就会近距离接触磁钢两次，然后再把测出的信号送给单片机 处理 2.3 小车动力及主体设计方案 前轮亦为驱动轮,其决定小车能否灵活拐弯的关键部分。这辆小车和汽车不同，不 是靠摆舵来控制转弯，而是靠左右后轮速度差来实现转弯控制。小车后轮属从动轮， 这里采用的是牛眼万向轮,质地较硬，其与地面磨擦力较小，与其动力相比可以忽略不 记。所以它可以自由偏移，而不影响小车的转向。小车电机方案选择如下: 方案一：选用直流电机作为系统动力装置。直流电机体积相对较小，易于安装， 有较好的应用性能。但本系统对小车行进的速度要进行控制，使用直流电机时，如果 要控制速度，在程序设计的时候就必有使用 PWM 波来实现，而 PWM 实现的方式有两 种，一种是采用定时器输出一个固定频率的方波信号，这样的产生的 PWM 波形稳定， 精确，不足之处在于，它要占用一个 MCU 定时器，这使得程序在后面的设计中会遇到 困难。另一种实现 PWM 波的方式是采用延时程序，产生一定频率方波信号，但由于 C 语言程序运行时，对时间的不确定，所以会造成延时误差，也就给系统的运行带来 误差，汇编程序对时间的掌控很精确，但这又会造成 C 与汇编混编的情况，这对程序 设计者在存储空间这一知识上要求较高。 方案二：采用步进电机，步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果 负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。另 一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。 由于普通直流电机更易于购买，并且电路相对简单，因此采用直流电机作为动力 源. 2.4 电机驱动方案 方案一：采用传统的功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱 动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距 运行时，通过电阻 R 的电流大，发热厉害，损耗大。 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 10 方案二：采用专用芯片 L298N 作为电机驱动芯片。L298N 是一个具有高电压大电 流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片 L298N 可以分别控制两个直流电机，而且还 带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。且由 L298N 结合单片机可实现对小车速度的精确控制。这种调速方式有调速特性优良、调 整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级 快速启动、制动和反转等优点。 因此决定采用 L298N 控制直流电机。 2.5 显示方案 方案一 ：用普通的数码管来实现显示功能。这种方法较容易行，并且操作简单， 但是数码管消耗电流特别大，对电源的容量要求很高，难以在用电池供电的系统运行。 方案二 ：使用 LCD12864 来完成显示的功能。LCD12864 的操作需要一定的难度 和技巧，而且很容易损坏，所以其硬件需要谨慎使用，但是它解决了数码管存在的各 种问题，如消耗电能特别小且显示东西多。 经验证比较，方案二能很好地节省电能，采用方案二。 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 11 第 3 章硬件电路设计 3.1 电源电路模块 迷宫小车系统各个模块正常工作所需要的工作电压和工作电流各不相同，全部硬 件电路模块的电源采用 6 节 1.2V 蓄电池为直流电机供电，将 7.2V 电压降压、稳压到 5V，为外围芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能，所 以我们采用可充电电池供电。如图 2.1 所示：，对它进行电压调节。设计中，除了需要 考虑电压范围和电流容量等基本参数外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰 和电路简单等方面进行优化。电源模块应该包含稳电路，将充电电池电压转换成各个 模块所需要的电压。 图 3.1 电源模块方案 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 12 3.2 传感器电路模块设计 3.2.1 红外避障模块 此红外检测模块主要由 74HCOOD 为控制芯片加上外围的扩展电路组成。模块的 检测距离可以达到 20 厘米，如果外围电子元件稍加调试的话，可以检测到 40 厘米。 74HC00 引脚功能表及引脚图： 管脚位管脚位 SYMBOL 符号符号 NAME AND FUNCTION 名称及功能名称及功能 1, 4, 9, 121A to 4AData Inputs 数据输入 2, 5, 10, 131B to 4BData Inputs 数据输入 3, 6, 8, 111Y to 4YData Outputs 数据输出 7GNDGround 接地(0V) 14VCCPositive Supply Voltage 电源电压 图 3.2.1 74HCOOD 的引脚功能表 图 3.2.2 74HCOOD 的内部电路和引脚图 在外围扩展电路中主要有 38HZ 的一体化红外接收管和 940nm 的红外发射管 74HCOOD主要用来调节94nm的红外发射管的发射频率和调节38HZ的红外接收管 的接收频率，以达到发射和接收的性能达到最好，其中38HZ的红外接收管用的是进口 的HS0038型号的管子，103 可调电阻用于改变红外光的发射频率，502 可调电阻可改 变红外发射管的亮度 （也就是改变发射功率） 。当传感器前方有物体反射38KHZ 红外 光，一体化接收头接收到之后将输出0V电压，当前方无物体时输出5V 电压。 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 13 图 3.3 红外避障模块电路图 3.2.2 终点寻黑线模块 红外光电传感器犹如是模型车的眼睛，对车模的行驶效果有着直接的影响。模型 车在行进时，要实现寻迹功能，可采用高灵敏度的反射式光电传感器 TCRT50005对地 面进行扫描，再将采集到的数据信息经过比较器后输出高低电平，最后送入单片机处 理，便可以检测出轨道的位置，从而控制模型车的转向，使模型车一直沿轨道前进。 当模型车在白色地面行驶时，红外发射管发出的红外信号被反射，接收管收到信号后， 输出端为低电平。而当红外信号遇到黑色导轨时，红外信号被吸收，接收管不能接收 到信号，输出端为高电平。经过对一只 TCRT5000 的测试，发现 TCRT5000 接收管输 出端的低电平输出大致为 0.78V，高电平的输出大致为 2.85V,经过 LM324 四运放，比 较后输出低电平为 0.03V,高电平为 4.96V,能正常稳定地被单片机 IO 所识别。 采用的光电传感器型号为 TCRT5000，它的是采用高发射功率红外光电二极管和高 度灵敏光电晶体管组成。通过测试，其检测距离在 6mm-14mm。TCRT5000 的发射管 和接收管是一起封装在矩形塑料壳中，其结构如图 3.4 所示。为了使检测更加准确，我 们用了 5 只 TCRT5000 检测黑线，其中一只放在黑线上方，其余四只对称分布在黑线 的两侧。寻迹模块的原理图如图 3.5 所示： 图 3.4 TCRT5000 结构图 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 14 TCRT5000 传感器输出的信号可以直接输入给单片机 I/0，但是根据需要，可以采 用 LM324 组成的电压比较器进行电平整形，最终给单片机使用，从而提高了传感器的 灵敏度。 LM324 是四运放集成电路3，它采用 14 脚双列直插塑料封装，外形如图 3.5 所示。 图 3.5 LM324 外形图 它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独 立。每一组运算放大器可用图 3.6 所示的符号来表示，它有 5 个引出脚，其中“+”、 “-” 为两个信号输入端， “V+”、 “V-”为正、负电源端， “Vo”为输出端。两个信号输入端中， Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+） 为同相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相同。LM324 的引脚排 列见图 3.7。 图 3.6 运算放大器图 图 3.7 LM324 引脚图 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 15 由于 LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格 低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。 当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为 运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,如 LM324 运放开环放大倍数为 100dB，既 10 万倍)。此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+） ， 就是低电平（V-或接地） 。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。 图 3.8 比较器运用 图 3.8 中使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻 R1、R1组成分压电路， 为运放 A1 设定比较电平 U1；电阻 R2、R2组成分压电路，为运放 A2 设定比较电平 U2。输入电压 U1 同时加到 A1 的正输入端和 A2 的负输入端之间，当 Ui U1 时，运 放 A1 输出高电平；当 Ui U2，则当输入电压 Ui 越出U2，U1区间范围时，LED 点亮，这便是 一个电压双限指示器。 若选择 U2 U1，则当输入电压在U2，U1区间范围时，LED 点亮，这是一个“窗 口”电压指示器。 此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短 路、断路报警等。 3.2.3 小车距离检测模块 此霍尔传感器测速工作原理是：利用霍尔开关元件测转速，内部具有稳压电路、 霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路，其输出电平和TTL电平兼容。 在待测旋转体的转轴上装上一个圆盘，在圆盘上装上若干对小磁钢，小磁钢愈多分辨 率越高。霍尔开关固定在小磁钢附近，当旋转体以角速度M 旋转时，每当一个小磁钢 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 16 转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转 体的速度。 在后轮上贴了N 个磁铁，轮子每转1/N 圈，霍尔元件就会输出一个脉冲，只要测 量每两个脉冲之间的时间就可以知道当前车速。要提高测速的速度可以适当增加N 值， 但相应测到速度的精度就会下降，但考虑到实际运行系统对速度精度要求不高，所以 在调试阶段可以根据情况增减N 值。如图3-4 所示，当电动车的车轮转动一周，霍尔 开关将输入2 个低电平脉冲到单片机。单片机通过外部中断，捕获这些脉冲，从而计 算出小车已行驶的距离。 图3.9 霍尔开关型传感器A44E电路图 3.3 电机驱动模块 3.3.1 电机驱动原理 迷宫小车有两个直流电机，两个直流电机分别驱动左右轮，两个直流电机需要单 片机控制，但是单片机输出电压电流不足以驱动两个直流电机。所以可以采用了一片 电机驱动芯片 L298N 对其进行驱动。STC12C5A60S2 为该芯片提供驱动信号，传至 PWM 控制各个电机的转速，从而调整小车的前进速度和转向。其原理图如图 3.10 所 示： 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 17 图3.10 电机驱动模块电路图 3.3.2 H 桥式电机驱动电路 理论上讲, 图 3.11 中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H 桥驱动 电路”是因为它的形状酷似字母 H。4 个三极管组成 H 的 4 条垂直腿，而电机就是 H 中 的横杠。 图 3.11 H 桥驱动电路 如上图所示，H 桥式电机驱动电路包括 4 个三极管和一个电机。要使电机运转， 必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至 右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。要使电机运转，必须使对角线上的一 对三极管导通。例如，如图 3.12 所示，当 Q1 管和 Q4 管导通时，电流就从电源正极经 Q1 从左至右穿过电机，然后再经 Q4 回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的 电流将驱动电机顺时针转动。当三极管 Q1 和 Q4 导通时，电流将从左至右流过电机， 从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向） 。 图 3.12 H 桥电路驱动电机顺时针转动 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 18 图 3.13 所示为另一对三极管 Q2 和 Q3 导通的情况，电流将从右至左流过电机。当 三极管 Q2 和 Q3 导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动 （电机周围的箭头表示为逆时针方向） 。 图 3.13 H 桥驱动电机逆时针转动 驱动电机时，保证 H 桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管 Q1 和 Q2 同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路 中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅 受电源性能限制） ，甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件 电路方便地控制三极管的开关。 图 3.14 具有使能控制和方向逻辑的 H 桥电路 图 3.14 所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本 H 桥电路的基础上增加了 4 个与门和 2 个非门。4 个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控 制整个电路的开关。而 2 个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在 H 桥的 同侧腿上都只有一个三极管能导通。 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 19 采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能 信号。如果 DIRL 信号为 0，DIRR 信号为 1，并且使能信号是 1，那么三极管 Q1 和 Q4 导通，电流从左至右流经电机（如下图 3.15 所示） ；如果 DIRL 信号变为 1， 而 DIRR 信号变为 0，那么 Q2 和 Q3 将导通，电流则反向流过电机。 图 3.15 使能信号与方向信号的使用 实际使用的时候，用分立元件制作 H 桥是很麻烦的，好在现在市面上有很多封装 好的 H 桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流 内使用非常方便可靠。比如 L298N。 L298N 为 SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用驱动芯 片( Dual Full-Bridge Driver ) ，内部包含 4 信道逻辑驱动电路，L298 内部逻辑图如图 3.16，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动 2 个二相或 1 个四相步进 电机，内含二个 H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL 逻辑准 位信号，可驱动 46V、2A 以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此 芯片可直接由单片机的 IO 端口来提供模拟时序信号。L298N 的接脚如图 3.17 所示， Pin1 和 Pin15 可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路； OUTl、OUT2 和 OUT3、OUT4 之间分别接 2 个步进电机；input1input4 输入控制电位来控制电机的正 反转；Enable 则控制电机停转。 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 20 图 3.16 L298 内部逻辑图 图 3.17 L298 引脚图 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 21 3.4 液晶显示电路模块 采用 LCD12864，由单片机的总线模式连接。图 3.21 为 LCD12864 显示模块原理 图 图 3.18 LCD12864 显示模块原理图 12864 字符液晶工业字符型液晶，能够同时显示 128x64 即 64 个字符（8 列 4 行） 。 它采用标准的 20 脚接口，其中： 图 3.19 LCD12864 管脚连接图 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 22 3.5 主控板电路 3.5.1 单片机最小系统原理 一般迷宫小车系统主要用到的是 STC12C5A60S2 单片机，所以主要的部分是最小 系统图，该最小系统图见图 3.22