合集王伟华大

1、摘要此次设计的主要内容:根据所选的题目，首先确定了本次设计的整体结构，然后根据整体结构拆分成车的每个分部结构，再由车需完成的任务对各方式、电机测速原理、车系统设计的主要工作:个部件进行选型和设计。其次阐述小车系统的红外电机速度的 PWM 驱动方式及中断等几个部分。红外(l)对电机的 PWM 调速原理进行了简要的阐述。在实际的硬件设计上,首先完成光编码盘测速装与单片机的接口电路。根据对小车的齿轮齿数的观察统计可以简单确定小车转速,可以为后面实际转速的测量提供参考依据。(2)对红外信号发射的编码原理以及红外信号接收的原理分别进行阐述。明确了信号发射设备所使用的编码方式;通过接收到的测试数据，根据这

2、些数据的红外信号的设备终端确定包含在红外信号中的内容，根据这些内容来设定小车的运行状态。(3)车系统能否准确的完成所要求的任务在于是否能有稳定调速系统,本次设计采用直流电机的 PWM 调速方式。首先根据直流电机给定数据计算出频域内直流电机的数学模型,再通过数字 PID器根据测速系统所获得的实际速度值与所设定值进行比较得出偏差后进行校正。车技术是集合了有很好的发展空间，是:红外;PWM;PID;中断;多种新型学科技术，不管是在还是民用都最前沿的科学技术之一，值得我们深入研究。IABSTRACTThe main content of this design: according to the se

3、lected topic, first determine the overall structure of the design, then according to the whole structure into each division of the structure of remote control car, by remote control car need to complete the task of again to selection and design of the parts. Secondly expounds the car control system

4、of infrared remote control way and principle of motor speed, motor speed of PWM drive mode and several parts such as interrupt. Infrared remote control car system design main job:(l) the PWM motor speed control principle are briefly described. In the actual hardware design, the first complete light

5、dish coding speed and single chip microcomputer interface circuit. According to observation of the car of gear teeth can be simple to determine the car speed, can provide reference basis for measuring the rotational speed of actual behind.(2) the coding principle of infrared signal transmitting and

6、receiving infrared signal decoding principle expounds respectively. Clear the encoding used by signal transmitting equipment; By receiving the test data, according to the data of the infrared signal decoding device terminal to determine the content contained in the infrared signal, running condition

7、 of the car according to the content.(3) for the remote control car system can accurately finish the required task lies in whether can have stable speed regulation system, the design adopts dc motor PWMspeed control mode. First of all, according to the given data to calculate the dc motormathematica

8、l mof the dc motor in the frequency domain, and then through thedigital PID controller according to the actual speed values obtained by the velocity-measuring system comparing with the set value after deviation correction are obtained.Remote control car technology is a collection technology in today

9、s society a variety of new disciplines, both in the military or civilian have good development space, is one of the forefront of science and technology in todays society, worthy of our in-depth study.Keywords: Infrared; PWM. PID; InterruptII目录绪论1第一章1.1 引言11.2 研究背景及意义2车驱动部分31.31.3.1 驱动方式的选择31.3.2 各种类

10、型电机的比较41.4 主要研究内容4系统总体设计及各部分组成原理6第二章车驱动部分62.12.1.1 红外信号的调制原理62.1.2 红外信号的二进制编码6. 82.1.3 红外信号的接收与2.2 直流电机原理简介82.3 测速系统原理简介92.3.1 小车齿轮结构92.3.2 光编码器测速原理102.3.3 光编码器测转向原理102.4 调速系统简介112.4.1PWM 调速原理112.4.2Atmegal6 调制PWM 信号122.5AVR 工作原理简介14III2.6 系统结构总体设计152.7 本章小结16系统硬件部分选型及设计17第三章系统结构173.1 红外3.1.1 红外信号发射

11、装置的选型及硬件电路173.1.2 红外信号接收装置的选型及硬件电路193.2 测速部分的硬件设计20的选型及驱动方式设计213.3 电机驱动物检测和寻迹模块223.43.5 本章小结23系统软件环境及算法设计24第四章4.1AVR 编程环境简介244.1.1AVR 几种常用编程环境简介244.1.2AVR 一Libc 与器件相关的l/0 定义244.2 红外接收部分算法设计254.3Atmega 的快速PWM 信号调制26是数学模型284.4 直流电4.4.1 电压与转速间的传递函数28调速304.4.2 直流电算法314.5PID4.5.1 模拟PID314.5.2 位置式数字PID32I

12、V4.6 本章小结35总结及展望36第五章5.1 总结365.2 展望36参考文献37谢39致V江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）第一章绪论1.1 引言车辆工程在的军事领域中占有十分重要的地位，无人模式已经成为未来战场上的发展的方向,战场胜败将由无人驾驶的来决定,不再取决于有多少的人数。无人设备的优点是在不需要人亲临的情况下,代替人们完成一些高风险的任务,比如扫雷,清除不明物质等等。在两军之间的战斗,我们可以通过设备的交战,而不是让人们去战场,这大大降低了对人们的损害,而两军的实时性决定了哪一方可以抢占先机，取得战斗的胜利。同时由发展起来的科技一经改造就可应用于民用生产，比如现在的物流管

13、理等，因此车辆的研究将有利于将来的军事和民用的发展。随着生产力和生产关系的发展变化,在今天的的生产方式已和增加对大众商品的需求,传统制造业发展的需求,对生产效率更高的需求。对遥控人的研究被世界各国列为重点项目，如美国安全局的“生存能力与战略计算工程”，由此可见，对某省把人的研究作为一种极限环境下的生存尝试。人的研究不仅仅设计到各国的军事，在民用领域也是得到广泛关注和重点培养。从而我们也应该看到人的发展潜力，对的需求不断加大，为了能为人类找到新型合适能源，型工具,其发展潜质是无尽的。人作为一种新人从整体机构上可以分成两大部分，一部分是有人来另一部分是听从外界接收来信息并采取相应行动的从端。主端是

14、的主端；设备，它采用某些通讯，如通过光波、声音或磁场等方式信号;从端则是通过设备上设计好的号并将此数字信号装置将从外界接收的模拟信号转化为设备能识别的数字信给从端处理器，由处理器统一调度实现功能。由于当前的技术侄桔,使得人无法彻底摆脱人的而完成一项人将代替人任，,但半化的人仍然是未来一段时间的发展方向,将来类完成难度更大，环境更复杂的任务，比如在某些复杂环境，由于人类不在现场，仅通过一些影像和数据时无法及时到潜在的威胁，而身在现场的人如果装有合适的传感器结合适当的算法完全可以避免潜在的。在现实的生产生活中，有许多简单而重复的工作，人类不断发展科技的目的就是为了使人能够从这些工作中解脱出来。的发

15、展和科技的不断更新，为遥控人提供了新的要求，要求人能在位置环境中潜在的威胁，并采取1江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）相应的行动避免意外的产生，这些能力需要为人配备更精密的传感器，比如高品质的摄像机、红外探测仪、微波测量仪等等，同时多种传感器的协调工作需要功能更强大的器人要就的重心。处理器一起考虑周全的算法，这些都是目前机人的行动往往离不开人的作用，无论科技如何发展，能替代人类去思考，只是成为人类的一种工具，去帮人类解决一些人都不可的问题。人的来的发展。延时问题始终是其发展的瓶颈，此问题解决的情况决定了其未1.2 研究背景及意义车或者称为人，它的出现可以说是应运而生,是一个科技的，多种学

16、科的相继出现为人的诞生提供了强大的契机，首先是作为传统的学科的车辆工程为其提供了行动依据，不断发展更新的通信科技为其提供了，传感器和自动化技术的发展为其提供算法领域的协助，不得不说它的出现是集多种学科的发展创新而产生的。同时它的出现又为这些学科的发展提供了理论依据和实践经验，反过来促进新学科新理论的发展。在实际的生产生活以及军工领域提高工作效率、保障人类生命安全、降低劳动成本等，都显示出其强大的生命力。本文着红外的编码、单片机调速、车体驱动等问题对人的工作原理进行阐述。其中的一些原理将通过的方式进行论述。人出现于二期，当时由于欧洲的第二次科技，使得新的理背景下出现的，论出现，同时应用技术不断成

17、熟，人正是在这样的它一经诞生便替代人去完成环境的高危任务。战后随着的不断复苏，科技的发展也是日新月异，由于人在军事和民用生产的优势和特点使得各国对其发展都表现出极大的关注，尤其是近几十年，随着高新科技的出现和发展，大量的科研新成果不断踊跃，都为人的发展注入新的血液，使其蓬勃发展。例如在 1993 年法国能源委员会生产出用于核废料的人，我们可以看到它的出现证明了人为人类造福的，替代人类完成高危任务这样的一种巨大价值。随着通信技术、计算机技术的发展以及理论的不断成熟，为人的发展及更新换代提供了宝贵契机。使得人的性上得到提高。这些主要表现在以下方面：在实时性、安全性及平稳(l)大规模集成硬件电路使得

18、硬件的可靠性和安全性提高：早期由于技术水平的限制，导致完成某能的硬件设备极为繁重庞大，由2江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）于运行设备对机载接收设备要求小巧灵活，这样便于安装和维修，庞大的硬件设备一方面不利于运行设备的行动，同时由于其内在的发热和电磁祸合等问题，使得系统不够稳定，这些都为人的发展造成阻碍，而出现的大规模集成电路的解决了这些问题，提高了系统各个方面的性能。(2)编码技术的纠错能力为的性提供了保障由于通信和编码技术的发展，使用无线通讯设备的数量不断递增，这使得无线信号的发射可能对与自身不配套的设备产生干扰，这种问题的出现需要从新审视无线发射源的编码和纠错问题，同时对编码的安全

19、性提出新的要求，如何能有效的通过无线与配套设备进行通讯是当下纠错技术所要解决的问题。(3)复杂的系统，这里的复杂指有些不单单是上位机和下位机那种开环的系统，这里指的的是主机和从机之间进行的闭环系统，从机需要对传输来的实际信号与目标要求的信号进行对比，对无差进行分析，从而产生反馈信号格主端，主端根据从端的误差信号进行调整后，再进行补偿，将补偿后的信号在传输给从端。(4)利用的人要在恶劣的高危环境下进行工作，这需要人利用一切可，通过传感器是人获得信息，进而它完成工作，这里对传感器的要求是很高的，除了需要视觉传感，听觉、对电磁、热和气体的感知同样是不可缺少的。当然强大的处理器，会协调传感器所传递的各

20、类信息,使其协调工作。1.3车驱动部分在车的动力选择上，我一直在考虑选用什么类型的电机来驱动更为合适。为此，我考虑了以下几个问题：电机的额定功率多大？电机的步进电机、直流电机和电机中选择那种类型的电机更合适。多大？在1.3.1 驱动方式的选择车几种常见的驱动头方式：将以下的选择：、转轮或步行式。如果选择轮式，那么(1) 两个驱动轮由一个电机驱动，另外两个轮负责转向。(2) 两个驱动轮各自由一个电机驱动，另有一个负责转向。(3)两个驱动轮各自单独驱动并带有脚轮或滑轮，像一样移动。如果选择式则驱动方式一般只能选择两电机驱动两个，通过对两轮的速度改变方向。3江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）1

21、.3.2 各种类型电机的比较首先根据各类电机的功率、所适合的任务或移动方式将步进电机、伺服电机、直流电机等分门别类，如表 1-1。表 1-1 各类型电机功率比较各类电机优缺点等不同特征的综合比较如表 1-2 所示。表 1-2各类电机优缺点比较由于本次设计需要小车具有较大的调速范围，所以将通过光电编码器及 PWM对电机进行调速，直流电机除了具有较大的调速范围，还具有功率大及接口间的的特点，所以此次选用直流电机作为驱动装置。1.4 主要研究内容此次研究内容的流程图如图 1-1 所示。4电机类型优点缺点应用场合直流电机容易购得；型号多； 功率大；接口简单；适合大型人。太快，需要齿轮器；电流较大；复杂

22、；较贵。较大型的人。伺服电机内部带齿轮 器； 型号多；适合室内机器人的速度；价格便宜；功率适合小型机器人；易于安装，接口简单。负载能力较低；速度调节范围较小。小型人；步进机器人。步进电机精确的速度；型号多；适合室内人速度；接口简单；便宜。功率与自重比小；电流通常较大；体积大； 负载能力低；功率小；复杂。寻线跟踪人，迷宫人。相对功率使用的电机适用的重量范围最强齿轮电机任何重量的人中等伺服电机重至 5 磅的人最弱步进电机轻型人江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）红外车系统第一章绪论第二章系统总体设第三章硬件部分第四章软件部分第五章总结背景遥控遥控研究测展望测驱动总调速调速AV接收速硬速系结及意

23、驱动系统目的方式系统算法R简算法件设统简义部分结构设计简介设计介设计计介图-1总流程图5江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）第二章系统总体设计及各部分组成原理2.1车驱动部分车的部分所采用的方式是利用红外信号(IR)的方式,这里就涉及到了红外信号的编码输出和接收问题，能否选择合适的发射及接收装置决定了介绍。的效率及质量，下面对红外信号的发射及接收原理进行简要2.1.1 红外信号的调制原理红外信号传输时存在很多干扰，为了提高能力，红外系统发射数据时会把的二进制编码信号调制成一系列的脉冲信号，调制载波频率一般在30kHz 到60kHz 之间，大多数使用的是38kHz，占空比13的方波，如图2-

24、1所示。图2-1 调制载波频率2.1.2 红外信号的二进制编码现在的红外信号一般都是采用二进制的编码方式，而现行通用的编码方式也很多。下面介绍几种常见的红外信号编码方式。1、ITT 编码脉冲信号图如图 2-2。图2-2 脉冲信号2、脉冲位置编码(PPM 码)图 2-3 中(a)为 NEC 公司使用的脉冲串宽度为 560us 的二进制编码；图 2-36江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）中(b)图为 Sharp 公司使用的脉冲串宽度为 320us 的二进制编码。(a)(b)图2-3 脉冲编码3、脉冲宽度编码(PWM 码)脉冲宽度编码方式通过均匀间距脉冲序列，根据脉冲序列的不同宽度来区分高低电

25、平。如图 2-4 所示。图2-4 脉冲编码上述介绍的几种红外编码的逻辑定义很全面概括了应用在各类电子中的编码原则，当前市面上的红外发射设备应用上述的一种或混合应用几7江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）种编码方式，但基本的原则都是不变的。2.1.3 红外信号的接收与接收模块的主要任务是对接收的红外信号进行，通用方式有两种:硬件和软件。硬件成本较高、电路复杂，并且存在系统升级的局限性，所以硬件应用并不广泛；而软件的局限性低、具有很高的灵活性，成本也更低，因此是现行主流的方式。2.2 直流电机原理简介直流电，多年以来一直做为基本的换能器使用。直流电绝大多数都是利用电磁力形成方向不改变的转矩而实

26、现连续的旋转运动的，如图2-5所示，此图是直流电的物理模型图，其中，它的固定部分(定子)是由磁铁(称为主磁极)和电刷组成:转动部分(转子)是由环形铁心和绕在环形铁芯上的线圈组成， 定子与转子之间存在的间隙，由A 和B 两个导体连接的电枢线圈放在电枢铁芯上， 线圈的首尾两端分别连到两个弧形的铜片上，此铜片称之为换向器，换向器之间彼此是相互绝缘，在换向器上放置着一对固定不动的电刷 Bl 和 B2。当电枢转动时，电枢线圈通过换向器和电刷与外电路接通。图2-5 直流电机物理模型如图 2-6 所示，给两个电刷加上直流电源，上下为两个固定的永磁极，上面是 N 极，下面是 S 极，abcd 是一段可旋转的导

27、体，称之为电枢，AB 称为为电刷， 它直接连接到电源上，在 AB 之间不相连的圆环是换向器。8江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）(a)导体 ab 处于 N 极（b）导体 ab 处于 S 极下图2-6 直流电机原理图2.3 测速系统原理简介2.3.1 小车齿轮结构在了解测速原理前首先要对小车齿轮结构有所认识，所使用小车的齿轮结构如图2-7所示，图中小齿轮的齿数都是12齿，包括电机上的和负责中间传导的， 而大齿轮的齿数都是50齿，各个齿轮通过一定比例相互咬合，和电机齿轮紧密咬合的大齿轮就是光电编码盘，因此经过如下计算：50/12*50/12=17*13/36;17*13/36*36=625。

28、可将编码盘分为36段(18段黑，18段白)，所以采用段增量编码器，机构的比为：g=12/50*12/5012/50=1728/125000=0.013824，电机每转过一转，车轮仅仅转过0.013842转。图2-7 小车齿轮结构图车轮转1圈，编码盘转过2500/144圈，36段编码器产生625个上升沿和下降沿9江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）信号。小车的车轮直径为50mm，车轮转1圈，小车移动157.08mm，因此光电编码器每改变一次电平，小车前进0.251mm。2.3.2 光编码器测速原理光编码器是一种光电传感器。目前这种传感器的使用是比较广泛的，它主要组成部分如图2-8所示。光栅盘

29、是与输出轴同轴的圆盘，它上面有一定图案或空隙，在电旋转时，光栅盘随着电以相同的速度旋转，经发光二极管电子原件组成的检测装置对过往的特征图案或空隙进行计数，从而得到当前电机的转速。其原理示意如下图：图2-8 光编码盘测速原理图而编码器的种类根据不同的分类可以分为很多种，下面介绍几种常见的编码器。(l)绝对式旋转编码器通过使用机械连接的方式,再电机断电后是改变编码器的位置,通电后可以立即得到断电前的位置数据，因为得到的时格雷码的检测数据,所以没有模拟信号检测误差。(2)增量式旋转编码器每转动一个预设的角度，编码器就输出一个脉冲信号,旋转的角度的大小就通过脉冲信号来计算。(3)混合式旋转编码器使用红

30、外信号扫描分度盘(分度盘结合旋转轴),通过检测统计红外信号开关来的次数来计算旋转角度,同时输出绝对旋转角度编码和相对旋转角度的编码。2.3.3 光编码器测转向原理编码器输出信号如下图2-9所示。10江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）图2-9 编码输出信号编码器输出相位相差90度的正交方波脉冲信号 A、B，A 相或 B 相的每个脉冲代表被测对象旋转的角度增量，电机的转速可以通过对 A 和 B 相的脉冲信号的统计计算得到，电机的转角则通过对脉冲信号的累加计算得到，A 相和 B 相的相位关系则反映了电机的旋转方向。而电机的正转和反转则由 A 相和 B 相的相对位置决定。2.4 调速系统简介近年

31、来随着直流电机整流技术的发展以及单片机功能的不断完善，使得采用开关功率原件进行脉宽调制，即 PWM方式成为主流。单片机功能的不断完善以及性能的不断提升是此种方式得以广泛使用的先决条件。2.4.1PWM 调速原理Atmegal6生成 PWM 信号调速原理框图如图2-10所示。图2-10 PWM 调速原理图Atmegal6 产生一定占空比的 PWM 信号，电机的转速，转速通过测速系统测得实际的转速，实际转速与预定转速的差通过电路对占空比进行不断调整。这里的电路需要对其编程，实现一定的算法对偏差进行。11江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）PWM 即脉冲宽度调制，它是指将输出信号的基本周期固定，

32、通过调整基本周期内周期的大小来输出功率的方法。因此，PWM 又称为“开关驱动装置”。如图 2-11 所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减小。图2-11 转速-时间关系设电机在始终接通电源的情况下，电机的最大转速Vmax ，设占空比为a= t / T ，则电机的平均速度为:Vd = Vmax a(2-1)式中:Vd 表示电机的平均速度;Vmax 表示电机在正常通电时的速度(最大)；D 表示占空比。由公式(2-1)可知，当改变占空比 D 时，就可以改变电机速度，从而实现调速。2.4.2Atmegal6 调制PWM 信号PWM 可以用来在单片机的OCRIA(PDS 引脚

33、的第二功能)和OCRIB(PD4 引脚的第二功能)引脚产生占空比可变的脉冲串。如果能够输出频率比较高的脉冲频率， 则使用体积比较小、价格比较便宜的元件就能很方便的实现这个功能。AVR 单片机的 PWM 有三种模式: (1)快速 PWM 模式(2)相位校正 PWM 模式12江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）(3)相位频率校正 PWM 模式由于后两种模式都是基于双斜率的计数过程，比较复杂，因此在这里我们选用快速 PWM 模式，其频率产生的公式为：fclk _ I / O=OCPWM（2-2）nxN (1+ TOP )N 代表分频因子(l、8、64、256 或 1024)其中 fclk _ I

34、 / O 为时钟频率,其的选择是通过 T/C1寄存器 B 的开始三位CS10、CSll 及 CS12 来的,具体表2-1如表 2-1 所示。时钟频率的设置计数功能是由 16 位计数器 TCNTI 来计数，其数值大于 65535 时溢出，中断寄存器 TIMSK 的 TOIEI 位置位。通过低通滤波器以后就可以产生模拟电平了 50%的占空比是输出电源电平的一半，150k 的占空比会产生电源电平四分之一的模拟信号。同时，又要尽可能的低，保证截止 P 删信号的基频,最大程度上减少由此引起的纹波。如果产生的模拟信号用来驱动低阻抗负载，则需要加一个缓冲放大器来保证输出效果。AVR 单片机中以计数器为基础实

35、现和P 删输出。计数器的时钟和最大计数值决定 P 枷的基频的频率。加快的频率和使用比较低的计数器最大值会增大PWM 的基频。对于 Atmega16 最大分辨率(16 位)的最大 PWM 基频是 244Hz，这个频率是比较低的。不过可以通过降低分辨率来提高 PWM 的基频，比如使用 8 位分辨率时最大 PWM 基频可以达到 62.5kHz。同时，改变输出比较寄存器 OCR 的值，就会改变占空比。增大 OCR 的值，会增加占空比。对于快速 PWM 模式，在计数值13CS12CS11CS10说明000无时钟源（ T / C 停止）001clk I /0 /1 (无预分频）010clk I /O /

36、8 （来自预分频器）011clkI /O / 64 （来自预分频器）100clk I /O / 256 （来自预分频器）101clkI /O /1024 （来自预分频器）110外部T1 引脚，下降沿驱动111外部T1 引脚，上升沿驱动江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）低于 OCR 的值时输出是高，在达到 OCR 以后和最大值以前这段时间输出是低。图2-12 PWM 输出原理图在实际使用中，PWM输出需要设置的内容还是很多的，具体的如何根据需要设置寄存器，还要详细参看 Atmega16说明书。2.5AVR 工作原理简介AVR 系列广泛应用在各个领域中，可谓是种类繁多。但其内在的工作原理和组

37、成结构确实基本一致的，这主要体现在它内在的运算方式、指令传输方式以及数据方式上。AVR 具有犯个通用寄存器以及丰富的指令集。所有的通用寄存器(在程序中为变量)都直接与运算单元 ALU 相连，这种方式极大的提高了运算效率，使得它在一个指令周期内完成运算。AVR 系列单片机的与众不同的特点及高效的运行效率与它推出的精简指令集RISC 有的很密切的关系。下图为 AVR 内核的结构框图。从这个图中我们可以看出其内核采用的是 Harvard(哈弗)结构数据空间与程序空间是彼此相互的。其内核工作原理如图 2-13。14江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）图2-13 AVR 内核工作原理图2.6 系统结

38、构总体设计由光电编码器测量电机转速反馈信号通过接口反馈到 Atmega16。单片机系统通过通口(如 A/D、并行通信、串口通信等)从上位机得到电机给定速度,或单片机系统给定的电转速。单片机根据系统给定的速度和速度反馈信号相减的偏差,通过各种算法(如 PI)得到量。单片机再把量以 PWM 的形式输出，经过 L298 功率放大，驱动直流电机。总体的工作原理如图 2-14。图2-14 系统工作原理图15江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）2.7 本章小结本章主要介绍了车的驱动方式以及系统设计的一些原理。着重介绍了红外信号的接收、编码以及及运用 PWM 调速原理对供了理论依据。；如何运用光编码测速

39、原理对车的速度检测以、测速以及调速提车进行速度。为车的16江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）第三章系统硬件部分选型及设计3.1 红外系统结构红外系统主要分为发射和接收两部分，如图 3-1 所示。图 3-1 红外发射3.1.1 红外信号发射装置的选型及硬件电路目前红外信号发射装置有很多类型，根据你选择的不同的类型可以发出不同的编码信号。由于发射系统通常使用电池来提供电源,这样就限定了的耗能,功耗太高的就不适合了，所以现在使用的大部分被设计成休眠状态。虽然红外发光二极管与普通二极管在外表上看起来一样，但其内部结构大不相同，所起红外发光二极管发出的时红外线而不是可见光。（a） 简单驱动电路（b

40、） 射极输出驱动电路图 3-2 红外驱动电路17江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）红外发光二极管的驱动电路如上图 3-2 所示，（a）图是一种简易的的红外驱动电路，这个电路的选择主要要注意的地方就时对三极管的选型，在使用时开关三极管的速度要快。同时还要注意红外二极管的电流方向，电流越大会使得其发射的波形强度变大。（a）图电路有一点缺陷，由于使用电池供电，随着时间的推移，电池的能量用尽时，就使得通过红外发射二极管的电流变小，进而使得发射的波形强度降低，从而的距离就大大降低。而（b）图所示的射极输出驱动电路可以解决这个问题，在（a）图的基础之上添加了两个二极管这两个二极管的作用是稳压，可以使

41、得三极管的基极电压维持在一个稳定的范围内，从而能保证三极管发射极的电压稳定持续发出红外信号，可以保证距离的稳定性。而我采用的电路如图 3-3 所示：该电路采用的的主要器件为HT6221。发射电路的主要原理如下，发射通过点出式键盘，共有K1-K8 八个按键。当不同的按键按下时，单片机可以发出不同光二极管发出不同的脉冲信号，继而传送到小车上的红外车运行。表 3-1 小车运行状态令使得红外发上，继而小图 3-3 红外发射原理图18K1K2K3K4停止右转左转启动K5K6K7K8循迹自动后退江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）3.1.2 红外信号接收装置的选型及硬件电路图3-4 红外接收系统结构图

42、红外信号接收系统的基本电路结构如图 3-4 所示，以上电路通常被集成在一个元件中，成为红外接收头，如图 3-5 所示。图3-5 红外一体接收头现行的红外接收头的有很多类型，它们的引脚定义也不相同，一般都有三个引脚，包括供电脚，接地和信号输出脚，也有些红外接收头可以调节解调频率。在应用时要使得发射端的脉冲信号的频率与接收端的解调频率一致，否则将接收不到红外信号。我采用的模块使用的红外一体接收头为 1838，其电路如图 3-6 所示。瓷片电容 104 为去耦电容，DOUT 即是解调信号的输出端，直接与单片机的 P3.2 口相连。有红外编码信号发射时输出为检波整形后的方波信号，并直接提供给单片机。1

43、9江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）图3-6 红外接收原理图3.2 测速部分的硬件设计在本次设计中,就小车电机转速的问题参考了一些文献,觉得用光编码的办法是一种比较可行的方法,其中分为两部分,一部分是光编码器,这里使用的是旋转编码器,由黑白相间的条形码;另一部分为检测部分,采用SFH9092计数。,当检测到黑色条码时便将模拟信号转化成数字信号,同时进行图 3-7 光编码盘如图 3-7 所示的光编码测速系统,在齿轮转动过程中 SFH9092 反射型光电开关配合光电编码器将模拟信号转化为数字信号并进行计数处理。其原理图如图示。20江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）图 3-8 光编码测速

44、原理图3.3 电机驱动的选型及驱动方式设计对于电机的驱动,我们可以自行设计电路,也可以通过选用合适的来完成，但相比之下自行设计电路需要的时间较长,精力较多,而具有集能良好,可以迅速的投入使用,节省时间和精力,经过筛选，我决定选用L298 作为主要，图 3-9 为 L298 的引脚示意图。图 3-9 L298 引脚示意图为了能充分说明问题，先以一个电机为例，通过我们选择 Atmega16 的端口向L298 的IM 和JNZ 输出转动情况如表 3-1 所示。信号来电机的正反转其中电压输入与电机21江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）表 3-1 L298 的输入输出关系由L298两个直流电机的正

45、反转和转速，其电路如图3-10 所示。L298是一种高压、大电流双全桥式驱动器。IN1、IN2、IN3、IN4 为数据输入端，OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 为数据输出端。D1D8 是保护二极管（IN5819），作用是电机停止时产生的反响尖峰电势。图3-10 电机驱动原理图3.4物检测和寻迹模块小车的避障循迹原理图如图 3-11 所示。从的角度考虑，该模块选用了反射式光耦，反射式光耦由一个红外发射管和一个光敏三极管组成。LM324 的作用是比较引脚 3 和 2 的电压，当 3 脚的电压大于 2 脚电压时，输出端 1 脚输出高电之输出低电平。高低电平的电压值取决于 2 脚的电压，而 2

46、脚的电压在R23 的作用下稳定在 3V。避障电路安装在小车头部，用于检测左右物。工作过程是：当无物时，不反射红外线，光敏三极管截止，3 脚在 R16 的上拉作用下为高电平（5V），大于 2 脚电压（3V），1 脚输出高电平；反之，当遇到物时，1 脚输出低电平。左边遇到物时小车右转，右边遇到物时小车左转。循迹电路安装在小车底部的左右两边，通过辨别黑白色来控小车行走。工作22ENAIN1IN2电机运行情况高高低正转高低高反转高高高速停低低低缓停江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）过程是：红外发射管发射红外线，当遇到黑色时，不反射红外线，比较器 1 脚输出高电平；当遇到白色时，红外线被反射，比较

47、器 1 脚输出低电平。左边检测到白色时小车右转，右边检测到白色时小车左转，两边检测都检测到黑色时小车前进，两边都检测到白色时小车停止。图3-11循迹原理图3.5 本章小结本章主要介绍了本次研究中所要用到的一些硬件的选型、介绍并设计了硬件电路。着重介绍了红外信号发射和接受设备的选型并设计了相关的发射和接收硬件电路。在车驱动电路以及车的驱动方面选择了 L298并以 L298为设计了车的循迹电路。解决了本次研究的主要问题。23江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）第四章系统软件环境及算法设计4.1AVR 编程环境简介AVR 在编程方面比较突出的地方就是对使用C 语言的使用做了优化，适合 AVR编程

48、的编译器有很多。在这里介绍几种常用的编译器。我们从是否方便等方面比较，从中选取合适的编译器。4.1.1AVR 几种常用编程环境简介(1)Codevision AVR它的集成开发环境很友好，很好用；按照工程进行管理，有一个叫代码生成器，通过这个代码库也可以在里面找到。产生相应的初始代码，进行编程。并且一些常用的器件(2)Imageeratf C ComPilerImagecratf C ComPiler 简称工 ICC,是一个完整的 AVR 集成开发环境,它的集成开发环境比较好用,也是按工程管理的。(3)WinAVRWinAVR 最大特点是:开放代码，同时支持 C 语言开发。WinAVR 套件包

49、括:编译器 AVR 一 GCC，编辑器 PN，Debug 工具 GDB 和其前端 AVR 一 Insight。AVR 一 GCC 可在多种操作系统，例如 MS 一 DOS、Win32、linux 中使用。与其他编译器相比，WinAVR 有一个很突出的优势是完全自由的软件，它的源代码都可得到，并很容易编译，因此它几乎可适用于任何平台。基于此点， 在本次设计选用 WinAVR。4.1.2AVR 一Libc 与器件相关的l/0 定义使用 AVR 一 GCC 时，最基本的要加入如下包含文件：#inelude(avr/io.h)。该文件通过 AVR 一 GCC 的“-mmcu-”编辑选项获得编译的 CP

50、U 类型，并且自动的包含正确的 I/O 定义。事实上，编译器是通过包含正确的来实现该功能的。头文件不应直接包含在用户程序中,因为一些 AVR单片机公共的 I/O 定义在 中。 头文件中包含有头文件，包含了对特殊功能寄存器(SFR)的操作函数。24江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）头文件中包含了ATMEL 公司的中提到I/0 寄存器和特殊的数据位的定义；还定义了中断和信号处理程序的定义。下图为 C 语言与硬件的,它能跟好说明头文件的作用：图4-1C 语言与硬件间的4.2 红外接收部分算法设计前面部分提到过通过红外线发射数据信息，数据信息采用的是 RC5格式的代码。而所发射的每个数据信息包应

51、包含三个部分。这三个部分分别为翻转位(ToggleBit)、设备地址(DiviceBit)以及控件(KeyCode)。这里涉及到终端测试问题，我们需要知道设备接收代码的情况，在单片机与 TSOP34386完成接口后，再通过 USB 与 PC 机连接，这时再使用发射信号，在 PC 的终端接收系统显示我们从中接收的代码，通过接收的代码(主要是控件)对小车的方向进行编码。例如，我们对着小车的红外会出现三个数字，其中最后一个数字是2，那么按下向前箭头在终端设备上对小车前进的方向定义编码2即可，通过 MCU 的运算，小车驱动电机一定的速度行驶(转速可以通过编写程序设置)。红外接收部分大体的设计流程如图4-2所示。25江西理工大学 14 届本科生毕业设计（）图4-2 红外接收流程图TSOP34386内置有自动增益(AGC)、带通滤波器器以及检波器，这些内置设备通过电路对信号进行，后产生三部分分别存放于 Atmegal6的翻转位(ToggleBit)、设备地址(DiviCeBit)以及控件(KeyCode)三个变量中。Atmegal6根据这三个变量的情况对车体的运动进行。4.3Atmega 的快速PWM 信号调制在电机驱动信号