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單片機實踐之閉門造車 安徽師范大學 07級電子信息工程
一、造車綜述
從2003年全國電子設計大賽以來智能小車一直備受青睞，大家都在前人的基礎上紛紛亮出自己的得意之作。且大部分是以循跡小車為主題，主控芯片自然是用的贊助商提供的片子為多。其中飛思卡爾、MPS430等都是智能小車的熱門主控芯片，甚者有采用FPGA、DSP、ARM來做控制臺的，個人覺得Cortex-M3很適合，不過既然是單片機實踐自然要從基礎的做起，這樣以后也可以很方便的移植到Cortex-M3上。而此文為大家介紹的是采用STC12C5A60S2為主控芯片，STC89S52為從處理器搭建的智能小車平臺。
簡單介紹一下智能小車平臺需要實現的功能：上位機無線遙控可發送速度、轉向、行車時間、軌跡、測距、自動蔽障等控制命令，同時可以反饋實時速度、距離、電源電壓、功率等狀態數據。
二、總體方案
測速采用光電管或者霍爾傳感器來實現，而這些傳感器的待處理信號都是開關量也就是周期性的脈沖，故測速需要占用兩只定時器。測距離目前常用的有超聲波測距、紅外測距兩種，這兩種方案都至少占用一只定時器。電機調速采用PWM信號，如果采用定時器來產生PWM信號的話又需要占用一只定時器。再算上一些串行口、定時器查詢等估計別說是普通的AT89S52就連AVR的片子也很吃力，所以采用兩片單片機也變得合情合理了。而且也為以后擴展其他信號傳感器提供接口。一般片級通信多是采用SPI通信，51的片子很少有支持，所以大部分SPI多是軟件模擬的(某些串行的AD轉換)。不過這里要是使用模擬的SPI來實現片級通信的話會由于沒有SPI中斷給通信帶來很大的局限性，或者有些人會想到使用定時器中斷來查詢實現軟件模擬的SPI片級通信，而這樣又會占用定時器(不考慮定時器服用的情況下)。分析考慮所需的資源，最終選取STC12C5A60S2作為主控制器，該芯片自帶2路PWM控制器、2個定時器、2個串行口支持獨立的波特率發生器、3路可編程時鐘輸出、10位AD轉換器、一個SPI接口等。
測速模塊掛在STC12C5A60S2上面并配置一路PWM輸出至直流電機驅動模塊(后輪驅動)，同時通過光耦隔離控制直流電機轉向以及步進電機步進節拍。STC89S52負責超聲測距通過串行口發送至STC12C5A60S2。主控芯片綜合處理各方面的信息，通過另一個串行口與PC機通信。無線模塊最初采用自帶串行接口的藍牙模塊，但由于藍牙距離不夠、重啟系統需重新配置等原因后期采用NRF2401來替代。總體結構框圖如下(采用Microsoft Office Visio繪制)
三、硬件原理
1、電機驅動：
智能小車采用12V直流電機為后輪驅動力，6V步進電機為前輪轉向控制提供動力，故智能車平臺需驅動12V直流電機和6V步進電機。由于需要控制小車的車速以及小車行駛的方向(包括轉向以及前進、后退、停車)，直流電機驅動采用常用的H橋電路，通過控制信號選通對管與否實現電機的正反轉，并改變所加電壓的占空比來改變電機轉速。這里采用電機驅動專用芯片L298N，該芯片可驅動兩路5-36V的直流電機或者一路四拍的步進電機。同時在L298N與主控芯片間通過四路光耦TLP521-4隔離消除干擾信號。
搭建好電路后不要直接在小車上調試，外界一只相同電壓的電機測試模塊。在STC12C5A60S2上配置好串口、PWM，實現串口接收的數據直接賦值給PWM定時器CCAP1L、CCAP1H。利用串口調試助手發送控制信息給STC12C5A60S2，同時輔助外界電源更改L298N的IN1和IN2，共同完成L298N電機驅動模塊的調試。
2、光電對管測速
光電對管采用TCRT5000，由一只特殊的發光二極管和光電三極管構成，當二極管發出的光打在光電三極管的基極B上時三極管CE導通。而正常情況下二極管的光不能到達光電管的基極上，故通過在車輪上貼反射片即可實現對小車的測速。假設車輪均勻貼有n片反射片，測得光電三極管的輸出脈沖頻率為f，則車速=f/n。為了提高測速的精度，在信號后級添加比較器調理信號為標準的方波，調節比較器運放的偏置電壓使方波信號最適合于測速。
同樣適用外界電機(已配有自制的編碼盤)，給電機加電讓其帶動編碼盤旋轉，將光電對管靠近編碼盤，用示波器觀測輸出脈沖信號的有無與好壞，調節比較器偏置電壓使脈沖最接近于方波且幅度大于3.3V。
3、超聲測距
超聲波測距的方法有多種：如往返時間檢測法、相位檢測法、聲波幅值檢測法。本設計采用往返時間檢測法測距。其原理是超聲波傳感器發射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質傳播，到達測量目標或障礙物后反射回來，經反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經歷的時間即往返時間，往返時間與超聲波傳播的路程的遠近有關。測試傳輸時間可以得出距離。假定s為被測物體到測距儀之間的距離，測得的時間為T，超聲波傳播速度為V表示，則有關系式S=VT／2 。
超聲波發射部分是為了讓超聲波發射換能器TCT40－16T能向外界發出40 kHz左右的方波脈沖信號。編程由單片機端口輸出40 kHz左右的方波脈沖信號，由于單片機端口輸出功率不夠，40 kHz方波脈沖信號分成兩路，送給一個由74HC04組成的推挽式電路進行功率放大以便使發射距離足夠遠，滿足測量距離要求，最后送給超聲波發射換能器TCT40－16T以聲波形式發射到空氣中。發射部分的電路，如圖4所示。圖中輸出端上拉電阻R31，R32，一方面可以提高反向器74HC04輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。
上述TCT40－16T發射的在空氣中傳播，遇到障礙物就會返回，超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到超聲波接收換能器TCT40－16R進行轉換變成電信號，并對此電信號進行放大、濾波、整形等處理后，這里用索尼公司生產的集成芯片CX20106，得到一個負脈沖送給單片機的INT0引腳，以產生一個中斷。
接在CX20106的第五腳上的電阻，用以設置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。電路中采用一只粗調的可變電阻和一只精密調節的電阻串聯而成。調節函數信號發生器產生40K的方波，接在超聲發射電路的輸入端，同時用示波器觀測超聲接收電路的輸出端。用書本等模擬障礙物，調節兩只電阻觀測示波器看接收端否會產生電平跳變。
若產生跳變則發射與接收電路調試完成。
4、電源模塊
對于小車而言電源是整個系統的咽喉，考慮到體積、重量、電能容量等。這里我們選取8節1.5V鋰電池串聯起來作為總電源輸出(12V)，采用LM78L05、LM317構成整個電源模塊。
5、無線通信模塊
無線通信采用現成的串行接口的藍牙模塊，只需要配置主從機、信道、通信密鑰、波特率即可實現無線串行通信。這樣PC和主控STC12C5A60S2只需將通信理解為串行通信，給程序構架帶來便利。不過需要考慮通信接口的問題：STC12C5A60S2是5V電壓供電，TXD和RXD的通信電信號自然是以5V為參考電平；藍牙模塊是3.3V電壓供電，TXD和RXD的通信電信號自然是以3.3V為參考電平。所以我們需要添加電平轉換，實現STC12C5A60S2與藍牙模塊的正常通信。一般電平轉換可以使用專用的芯片74xHCT或164245，電阻分壓法、OC/OD 器件法、晶體管上拉電阻法等。不過對比幾種方案同時考慮電平兼容、電源次序、速度/頻率、輸出驅動能力等，最終選取晶體管法，電路如下，圖中NPN的管子可以選取8050，1815等，不過倒不是所有的NPN的管子都可行，調試時使用9014就不能實現正常通信，估計是輸出驅動能力不夠的緣故。由于藍牙的通信范圍約束，我們還采用射頻NRF2401來實現遠距離的無線通信，由于篇幅有限這里不予細述。
四、軟件構架
1、主控STC12C5A60S2
配置STC12C5A60S2定時器0為定時器方式2、10ms中斷，定時器1為計數器方式，初值為0。累計100次定時器0中斷為1秒，此時TL1即光電對管輸入的脈沖頻率，最終Speed=L*TL1/n(n為后輪上反射紙的片數，L為后輪的周長)。同時在此一秒內觸發AD采集一次電源電壓Voltage送入內存。當Voltage低于與設電壓值時蜂鳴器報警。
配置STC12C5A60S2串行口2為方式2、獨立波特率發生器9600、允許接收中斷。當串口2接收到PC機數據轉入中斷處理程序，檢測接收到的數據最高位，以此來區分數據是控制信號還是速度信息。
配置STC12C5A60S2串行口1為方式1、波特率固定、允許接收中斷。當串口1接收到從處理器STC89S52數據將轉入中斷處理程序，將接收到的數據處理后送至主控的內存當中，以備主控芯片使用，同時等待PC命令隨時傳給PC機控制臺。
配置STC12C5A60S2脈寬調制PWM為8位、無中斷。主程序中循環執行PwmContral函數實時更改PWM定時器CCAP1L、CCAP1H的值。
PwmContral()程序如下(AutoFlags為超聲自動調速標志)：
uchar Pid(uchar Setpoint,uchar Achieved)
{
float P=5,I=1,D=0.5;
float Eun=0.0,En=0.0,En1=0.0,En2=0.0;
int Output0=0,Output1=50;
En=Setpoint-Achieved;
Eun=P*En-I*(En-En1)+D*(En1-En2);
Eun=Eun/500;
Output0=Output1+(int)Eun;
Output1=Output0;
En2=En1;
En1=En;
return Output0;
}
uchar AutoDistance(uchar D,uchar S)
{
uint Output;
uint t;
t=D/S;
Output=0xff-0.75*t;
return Output;
}
void PwmContral()
{
if(AutoFlags==1)
{
PwmTemp = AutoDistance(Distance,Speed);
if(PwmTemp>256)
PwmTemp=256;
if(PwmTemp<0)
PwmTemp=0;
PwmLower=PwmTemp;
PwmHigher=PwmTemp;
CCAP1L=PwmLower;
CCAP1H=PwmHigher;
}
if(AutoFlags==0)
{
if((Speed-ContralSpeed)<=-100||(Speed-ContralSpeed)>=100)
PwmTemp=Pid(ContralSpeed,Speed);
if(PwmTemp>256)
PwmTemp=256;
if(PwmTemp<0)
PwmTemp=0;
PwmLower=PwmTemp;
PwmHigher=PwmTemp;
CCAP1L=PwmLower;
CCAP1H=PwmHigher;
}
}
2、從處理器STC89S52
配置STC89S52串行口為方式1、波特率固定、允許接收中斷(與主控的串行口1作雙機通信交換數據信息)。此種情況下需將主控芯片與從處理器的晶振選取為同一數值，這里我們選取12M。若是選取11.0592M會導致測距的定時器0和定時器1算得的時間不準確，極大影響測距結果。同時主控選取12M晶振的同時也會影響它與PC機之間的雙機通信，故我們配置STC12C5A60S2的串行口2為獨立波特率發生器。
配置STC89S52定時器0為16為定時器、初值為0、開定時器0允許中斷，定時器1為方式2、中斷產生40K方波、關定時器1。定時器0中斷處理程序中開定時器1允許中斷、重裝初值。定時器1中斷處理程序中產生40K方波，通過控制產生2個脈沖后關掉定時器1，開外部中斷0。
外部中斷0處理程序中，關掉定時器0、定時器1和總中斷EA同時置位接收成功標志ReceFlags，最終發送超聲波到接收到超聲波時間差為Time=256*TH0+TL0。對于時間Time需要作適當的修正補償，帶入Distance=Time*0.017即可得到小車與前方障礙物的距離。將Distance送入STC89S52的內存中，以備通過串行口發送至主控的串行口1。
主程序中等待ReceFlags，當接收成功清除標志同時通過短延時控制測量間隔，也就是再一次發送2個脈沖的超聲波時間。
3、上位機界面
2.JPG (81.27 KB, 下載次數: 145)
下載附件
2013-7-11 09:40 上傳
采用Visual Baisc6.0編寫智能車控制臺，使用MSCcom串口通信控件實現數據傳輸，實時監測與控制。
4、雙機通信
考慮到小車需要實時反饋速度以及測得前方的障礙物的距離，同時需要將居多控制命令發送給小車。由于主控芯片是8位的片子，串口緩沖區大小就是1個字節(8位數據)，一般將信息數據送入堆棧，不過對于數據處理就變得復雜了。這里為了便捷我們考慮到速度值和控制命令都可以控制在1字節以內，只是需要區分這些信息而已。這里我們約定控制命令都以最高位為標志位，當最高位為1時是控制信息，為0時是速度信息。同時考慮到速度會超過0x7f所以在上位機上將速度除以2，等待下位機接收之后再還原。當然還需要對反饋的數據流作處理，將速度與上0xfe、距離或上0x01，以此通過最低位來區分數據流。
五、造車心得：
小車從規劃到完工一共花了4天時間，雖然很普通也沒有什么創新之處，卻也和以往的小車不大一樣。既然上位機已經可以往小車發送各種控制命令和信息了，那么只要我們在PC端的控制臺上多花點時間，小車就有他的價值所在了。比如說雷區探雷，在小車上安裝探雷的傳感器，PC機解析人工提供的路徑為控制命令和信息，按規律發送給小車，實現小車的人工智能。
學習單片機就是需要不停的實踐，哪怕看起來很簡單的你也需要自己去體會一下。就拿超聲測距說事，很久以前就有所了解，覺得這玩意太簡單了只不過是測一個時間而已(定時器一開一關當時就這樣認為的)。然而自己去弄了才知道，需要考慮的問題很多，或許你會想到網上有現成的程序參考一下不就得了。但是如果等下一次你接觸的很少有人研究怎么辦，你去參考誰？有一套自己解決問題的方法比什么都強，而這個就來自多次的——單片機實踐。
1、由于文章中有大量的圖片，論壇上傳圖片不太方便所以就上傳一個pdf版的完整篇啦，各位見諒一下
下載地址:http://www.zg4o1577.cn/f/閉門造車.pdf
2、文中提及的框圖是用Visio畫的，上傳全部框架
下載地址:http://www.zg4o1577.cn/f/框圖Visio.rar
3、第一版本無線采用的是藍牙傳輸，后來采用nRF2401作為無線傳輸，上傳文檔一篇(自己寫的不要拍磚啊 HoHo)
下載地址:http://www.zg4o1577.cn/f/NR2401無線通信.pdf
上傳程序代碼：
1、小車程序包括STC12C5A60S2和STC89C51的程序，程序框架是我個人寫的驅動庫Easy Hw OS，反正就是這樣結構我看著舒服移植也很方便，同時也方便大家看。小弟初學程序寫的不好，望各位多多提點意見，便于我成長，也不枉我敲這么多字，呵呵。
點擊此處下載:http://www.zg4o1577.cn/f/DoubleTransfer.rar
2、nRF2401的程序包，為了方便以后使用采用AT89C2051加上nRF2401構成通信節點，很方便的實現無線串行通信，用戶直接使用無須考慮其他問題。不過2051很少用了，可以在STC中找一款替代的片子，我看了一下一般在1.8元左右的STC片子都可以用來替代，價格在這擺著呢，相關的說明請看——NR2401無線通信.pdf。
點擊此處下載:http://www.zg4o1577.cn/f/NFR2401無線串口.rar
3、上位機控制臺采用Visual Basic 6.0編寫，程序還沒達到預期的功能。是初版的不過模型已經搞定了，接下來就是將一系列的命令打包就可以啦，上傳源代碼
點擊此處下載 :http://www.zg4o1577.cn/f/智能車控制臺.rar
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