基于单片机的简易寻迹小车设计
2.5.3 调速系统
脉宽调速系统。
采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。可在行进间变速，直道高速，弯道低速。
与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：
1) 由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得
脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。
2) 同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的
频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。
3) 由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。 根据以上综合比较，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用PWM波进行调速。PWM的产生可通过单片机中的定时器来实现，但是驱动能力有限，因此PWM的输出需通过驱动电路才能驱动电机正常运转。 2.5.4电机驱动模块
采用集成芯片L298N驱动直流电机。
L298N是一种高电压、大电流电机驱动芯片。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。
2.6 电源模块
用电池串联6--8V电压，接后续稳压电路，单片机与大电流器件分开供电，避免大电流器件对单片机造成干扰。在不超过单片机工作电压范围的情况下，又能驱动直流电机。且这个电源结构简单，价格便宜，容易得到。
2.7显示模块
本系统采用两个颜色不同的的LED灯来显示系统的运行状况，P2.6口接绿灯，
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P2.7口接红灯。当系统正常运行时，P2.6口输出低电平，P2.7口输出高电平，绿色LED灯亮，红灯熄灭，电机正常运行。当系统出现问题时，P2.6输出高电平，P2.7输出低电平，绿灯熄灭，红灯亮，电机停转，系统须复位后才能正常运行。
2.8系统工作原理
本次设计利用ST188红外传感器作为路径检测元件，由于传感器输出信号微弱且带有噪音干扰，因此传感器输出接放大电路（施密特触发器）进行滤波整形，将传感器信号转换为稳定的高低电平以供单片机查询。
系统上电后，单片机开始不停地扫描与检测电路连接的I/O 口状态。一旦检测到某个I/O 口有信号变化，就执行相应的判断程序，并通过电机驱动LN298N驱动左、右电机。在驱动过程中，单片机采用T0定时计数器，通过来产生PWM波，控制电机转速。当左右电机转速相同时则小车直走，若不同则实现转向功能。
小车转向主要通过两不同占空比的PWM波通过驱动电路来控制左右轮电机的转速，由于占空比不同因此两轮转速不同，左轮快则向右转反之则左转从而纠正小车的状态，使之回到预设轨道上。
系统原理图如图2.3所示。 ST188 晶振 AT89C51 复位 放大电路 LN289N 直流电机 电源 图2.2 系统原理图
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3.硬件设计
根据各模块方案选择结果，本次设计所涉及到的硬件部分主要包括： 1) 电源模块，电源采用干电池接后续稳压电路为各模块独立供电。 2) 单片机最小系统模块，使单片机能正常工作。 3) 前向通道模块，包括传感器电路和放大电路。
4) 后向通道模块，利用单片机通过驱动芯片L298N驱动直流电机。
3.1 电源模块设计
3.1.1 智能车电源设计要点
由于电机在正常工作时对电源的干扰很大， 只用一组电源时会影响单片机的正常工作， 所以选用双电源供电。一组5V 电源给单片机和控制电路供电， 另外一组5V、9V 电源给L298N 的+VSS、+VS供电。
电源是整个系统稳定工作的前提，因此必须有一个合理的电源设计，且应该主要注意稳压压差和最大输出电流两个指标能否满足设计要求。对于小车来说电源设计应注意两点：
1. 与一般的稳压电源不同，小车的电池电压一般在6-8V ，还要考虑在电池损耗的情况下电压的降低，因此常用的78系列稳压芯片不再能够满足要求，因此必须采用低压差的稳压芯片，在本设计中以较为常见的LM2940-5.0 为核心器件。
2. 单片机必须与大电流器件分开供电，避免大电流器件对单片机造成干扰，影响单片机的稳定运行。
3.1.2 低压差稳压芯片LM2940 简介
LM2940 系列是输出电压固定的低压差三端端稳压器；输出电压有5V、8V、10V 多种；最大输出电流1A；输出电流1A 时，最小输入输出电压差小于0.8V；最大输入电压26V；工作温度-40～+125℃；内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。同时LM2940 价格适中而且较容易购买，非常适合在本设计中使用。LM2940-5.0 封装和实物图如图3.1 所示。
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图3.1 LM2940 封装和实物图
从封装可以看出LM2940-5.0 与78 系列完全相同，实际应用中电路也大同小异。图3.2 为参考电路图。
图 3.2 LM2940 参考电路图
如图3.2 所示，采用两路供电，这样可以使用其中一路单独为单片机，指示灯等供电。另外一路提供L298N、光电管工作电压。
3.2单片机最小系统设计
AT89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单、可靠。用89C51单片机构成最小应用系统[4]时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点：有可供用户使用的大量I/O口线，内部存储器容量有限，应用系统开发具有特殊性。 1) 时钟电路
AT89C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。AT89C51单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。
本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时
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钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。电容值无严格要求，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值。所以本设计中，振荡晶体选择11.0592MHZ，电容选择30pF。
在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。 2) 复位电路
AT89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过在每个机器周期的对复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。时钟频率用11.0592MHZ时C取10uF，R取10KΩ。控制器模块如图3.3所示。
图3.3 51 单片机最小系统
C1XTAL130pX1CRYSTALXTAL2C230pRESC310uFR110k除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。按键手动复位电路见图3.4。时钟频率选用6MHZ时，C取22uF，Rs取200Ω，RK取1KΩ。
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