基于A(yíng)tmega128的智能教學(xué)無(wú)人車(chē)控制系統設計

摘要：針對市場(chǎng)上大多數教學(xué)無(wú)人車(chē)設計采用單片機單一控制導致其功能擴展性弱、靈活度低等問(wèn)題，設計了一種基于Atmega128單片機和無(wú)線(xiàn)通信的智能教學(xué)無(wú)人車(chē)控制系統，該系統包括PC機控制部分和無(wú)人車(chē)控制部分，通過(guò)PC控制端軟件可以經(jīng)無(wú)線(xiàn)通信模塊實(shí)現對無(wú)人車(chē)的準確運動(dòng)控制。實(shí)驗結果表明，系統工作穩定，無(wú)人車(chē)在遇到干擾的情況下順利完成貨物運輸、環(huán)境勘察、敵我識別、打擊等功能，控制效果理想。

關(guān)鍵詞：教學(xué)無(wú)人車(chē);控制系統;無(wú)線(xiàn)通信;單片機

智能教學(xué)無(wú)人車(chē)是一種履帶式移動(dòng)機器人，目前市場(chǎng)上的無(wú)人車(chē)大多采用單片機對其進(jìn)行控制，其優(yōu)點(diǎn)是體積小，成本低，結構簡(jiǎn)單，但僅僅依靠單片機遠不能使無(wú)人車(chē)在復雜多變的工作環(huán)境中進(jìn)行及時(shí)調整，并且極大地限制了其功能的擴展?；诖瞬蛔?，本設計主要利用PC機與無(wú)人車(chē)的無(wú)線(xiàn)通信，使無(wú)人車(chē)在PC機無(wú)線(xiàn)指令下完成前進(jìn)、后退、轉彎、打擊、生命值顯示、調速和自動(dòng)行駛等功能，并通過(guò)車(chē)載攝像頭實(shí)時(shí)獲取無(wú)人車(chē)所處環(huán)境信息，實(shí)現了遠程監控。在執行任務(wù)時(shí)，如遭遇敵方車(chē)輛干擾通信，無(wú)人車(chē)在抵御干擾信號同時(shí)進(jìn)行敵我識別，適時(shí)作出反擊。

1 設計原理

教學(xué)無(wú)人車(chē)控制系統由上位機(PC)控制部分和下位機(教學(xué)無(wú)人車(chē))控制部分組成。系統結構框圖如圖1所示。

?

?

系統工作原理為：打開(kāi)教學(xué)無(wú)人車(chē)電源時(shí)，Atmega128單片機通過(guò)語(yǔ)音模塊使揚聲器發(fā)出啟動(dòng)提示。當上位機無(wú)線(xiàn)控制臺及PC端軟件準備好后，PC端控制軟件通過(guò)USB口向無(wú)線(xiàn)控制臺單片機發(fā)出指令，使其配置無(wú)線(xiàn)模塊相關(guān)寄存器，芯片進(jìn)入指令發(fā)射模式;下位機由Atmega128單片機控制，在接收到上位機的指令后通過(guò)其集成的PWM外設模塊產(chǎn)生2路PWM波和4條轉向控制線(xiàn)經(jīng)電機驅動(dòng)模塊增大驅動(dòng)能力后控制左右2個(gè)電機產(chǎn)生相應的動(dòng)作。例如，當PC端發(fā)出“左轉”的指令時(shí)，下位機的無(wú)線(xiàn)模塊接受成功后會(huì )自動(dòng)返回接受成功應答信號。接著(zhù)Atmega128單片機通過(guò)PA口控制L298P，使左側電機反向轉動(dòng)，右側電機正向轉動(dòng)，從而實(shí)現左轉的功能;當PC端發(fā)出“打擊”指令時(shí)，Atmega128則通過(guò)PE5口使紅外發(fā)射管發(fā)出相應碼制的紅外進(jìn)攻信號;當PC端發(fā)出“自動(dòng)行駛”指令時(shí)，Atmega128結合接收霍爾傳感器采集回來(lái)的數據，通過(guò)相應算法來(lái)協(xié)調左右兩側的電機，使坦克完成直線(xiàn)行走、轉過(guò)固定角度，行駛固定距離等功能。教學(xué)無(wú)人車(chē)通過(guò)連接到PE5口的紅外傳感器感應對方無(wú)人車(chē)的攻擊信號。如果接收到紅外信號，PE5口會(huì )輸入固定碼制的信號，此時(shí)主控芯片會(huì )將生命參數減一并熄滅一個(gè)LED燈，當所有LED燈都被熄滅后，主控模塊會(huì )通知語(yǔ)音芯片發(fā)出陣亡提示，無(wú)人車(chē)停止一切動(dòng)作。

2 硬件電路設計

教學(xué)無(wú)人車(chē)控制系統硬件電路設計包括PC端無(wú)線(xiàn)控制臺部分和下位機無(wú)人車(chē)控制部分的硬件設計。

2.1 PC端無(wú)線(xiàn)控制臺部分硬件設計

無(wú)線(xiàn)控制臺部分由PC機、STC12LE5A60S2單片機、NRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊及PL2303組成。PC端控制臺軟件通過(guò)USB口向STC12LE5A60S2發(fā)出指令，使其通過(guò)SPI串行通信協(xié)議配置NRF24L01的相關(guān)寄存器，隨后芯片進(jìn)入發(fā)射模式，將上位機指令轉發(fā)給下位機。其設計電路圖如圖2所示。

?

?

2.2 下位機無(wú)人車(chē)控制部分硬件設計

下位機硬件由MCU模塊、電機驅動(dòng)模塊、傳感器模塊、無(wú)線(xiàn)模塊、語(yǔ)音模塊、LED生命值顯示模塊以及電源模塊組成。

2.2.1 MCU模塊

MCU模塊以Atmega128單片機為核心，Atmega128單片機是一款高性能、低功耗的AVR 8位微處理器，處理速度可達1 MIPS/MHz，應用先進(jìn)的RISC結構，特別是具有I2C、SPI、PWM、RS232串口、ADC、定時(shí)器等功能十分全面的外設。該單片機通過(guò)SPI串行通訊接口與無(wú)線(xiàn)模塊連接，通過(guò)通用可編程I/O接口與電機驅動(dòng)模塊、語(yǔ)音模塊、紅外發(fā)射管和接收管連接。

2.2.2 電機驅動(dòng)模塊

電機驅動(dòng)模塊用于驅動(dòng)直流電機，采用L298P電機驅動(dòng)芯片。L298P是SGS公司的產(chǎn)品，為20管腳的專(zhuān)用電機驅動(dòng)芯片，內含二個(gè)H—Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅動(dòng)器，接收標準TTL邏輯準位信號，可驅動(dòng)46 V、2 A以下的步進(jìn)電機和直流電機，具有高電壓、高電流的特點(diǎn)。電路設計如圖3所示。

?

?

Enable控制電機停轉，接到單片機的PE3、PFA口上，由這兩個(gè)I/O口產(chǎn)生PWM波控制電機轉動(dòng)。input1—input4控制電機的正反轉，接到單片機的PA0-PA3口上。OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個(gè)直流電機。

2.2.3 傳感器模塊

傳感器模塊包括紅外模塊和霍爾模塊兩部分。

紅外模塊包含接收和發(fā)射兩個(gè)功能模塊。紅外接收模塊由一個(gè)紅外接收管構成，接收對方車(chē)輛發(fā)射的紅外攻擊信號。當系統接收到進(jìn)攻信號時(shí)，PE6引腳上會(huì )出現一個(gè)高電平，觸發(fā)一次外部中斷，在中斷服務(wù)程序中處理并判斷紅外數據。如果確認為進(jìn)攻信號，則使生命值變量減一，同時(shí)熄滅一個(gè)LED燈。發(fā)射模塊由一只紅外發(fā)射管和一個(gè)三極管組成，紅外攻擊信號經(jīng)過(guò)三極管放大后由紅外發(fā)射管發(fā)出。攻擊信號為8位數據，當收到進(jìn)攻指令時(shí)，發(fā)射模塊將程序中設定好的8位數據按位發(fā)出。

霍爾模塊由兩只霍爾傳感器和四片磁鐵組成，用于測速，以實(shí)現調速、自動(dòng)行駛等功能。磁鐵正反安放在左右兩個(gè)電機減速箱的二級齒輪的邊緣上。當教學(xué)無(wú)人車(chē)行駛時(shí)，電機帶動(dòng)齒輪轉動(dòng)，兩片磁鐵就會(huì )交替從霍爾元件下面經(jīng)過(guò)，由于兩片的磁場(chǎng)方向不同，就會(huì )使霍爾元件內部的電子發(fā)生不同的偏轉，這樣，二級齒輪每轉過(guò)一周就會(huì )使霍爾元件產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號，構成閉環(huán)系統。主控芯片接收脈沖信息，通過(guò)不同算法可控制兩電機完成不同的控制要求。

2.2.4 語(yǔ)音模塊

語(yǔ)音模塊由WT588D語(yǔ)音芯片和SPI尋址的8M ROM芯片及其外圍電路組成。使用前將需要播放的語(yǔ)音燒寫(xiě)在ROM芯片中。語(yǔ)音模塊使用三線(xiàn)串口控制模式，這種控制模式由CS，DATA，CLK 3條通信線(xiàn)組成，分別連接到Atmega128的PC0、PC1、PC2 3個(gè)I/O口?？刂茣r(shí)序根據標準SPI通信方式。

2.2.5 無(wú)線(xiàn)模塊

無(wú)線(xiàn)模塊主要包括NRF24L01和Atmega128。NRF24L01采用FSK調制，內部集成NORDIC公司自家的Enhanced Short Burst協(xié)議，可實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)或是1對6的無(wú)線(xiàn)通信，無(wú)線(xiàn)通信速度可達2.4 Gbps，并可以通過(guò)配置其寄存器實(shí)現調頻傳輸。主控芯片通過(guò)SPI協(xié)議配置NRF24L01的相關(guān)寄存器來(lái)完成對無(wú)線(xiàn)模塊的初始化和數據的傳輸。無(wú)線(xiàn)模塊的SPI信號線(xiàn)對應的接到Atmega128的PB0-PB3 4個(gè)I/O口上，CE端接到PE2，利用Atmega128內部集成的SPI功能進(jìn)行通信。無(wú)線(xiàn)模塊電路設計如圖4所示。

?

?

3 軟件設計

軟件設計包括控制端軟件的設計和終端軟件的設計。

3.1 控制端軟件設計

無(wú)人車(chē)控制臺的主控軟件將鍵盤(pán)指令轉化為控制碼發(fā)往下位機，控制小車(chē)的動(dòng)作并顯示下位機發(fā)來(lái)的狀態(tài)信息???。該軟件利用Labview串口通訊將鍵盤(pán)指令轉化為二進(jìn)制字符串送到上位機。利用模擬SPI的方式，通過(guò)STC12LESA60S2配置NRF24L01的寄存器使其處于發(fā)射模式。當收到PC串口發(fā)送的數據時(shí)，NRF24L01在單片機的控制下將數據逐位發(fā)出。設計的控制端軟件如圖5所示。

?

?

3.2 終端軟件設計

教學(xué)無(wú)人車(chē)的終端軟件主要包括無(wú)線(xiàn)接收程序、驅動(dòng)控制程序等。程序中定義變量Life為生命值標識，定義Date為小車(chē)的控制標識，定義函數Motor()為電機控制函數。流程圖如圖6所示，主要分為以下步驟：

?

1)小車(chē)啟動(dòng)后，首先初始化各I/O口、系統中斷、SPI接口以及NRF24L01的相關(guān)寄存器。小車(chē)的無(wú)線(xiàn)模塊配置為接收模式。

2)下位機接收到無(wú)線(xiàn)信號后會(huì )產(chǎn)生一個(gè)中斷，將數據通過(guò)SPI送到Atmega128中。在控制程序中，用多分支選擇結構switch—case判斷Date的值，通過(guò)調用Motor()函數控制電機做出相應動(dòng)作。

3)接收到紅外信號時(shí)，經(jīng)判斷若為有效信號，則使生命值標識Life減一。同時(shí)判斷當前的Life值，設置PA口的值控制LED燈(生命值)的顯示。

4 結束語(yǔ)

文中進(jìn)行了一種基于A(yíng)tmega128單片機和無(wú)線(xiàn)通信的無(wú)人車(chē)控制系統設計。實(shí)驗結果表明，教學(xué)無(wú)人車(chē)在無(wú)障礙區域無(wú)線(xiàn)通信有效傳輸距離可達80～100米，利用車(chē)載攝像頭可以實(shí)時(shí)獲取無(wú)人車(chē)所處環(huán)境信息，實(shí)現遠程監控。其創(chuàng )新點(diǎn)是采用了PC控制模式和單兵運行模式兩種方式對無(wú)人車(chē)進(jìn)行控制，極大地增強了無(wú)人車(chē)的功能性和環(huán)境適應能力。在實(shí)際對抗演練中，無(wú)人車(chē)在遇到干擾的情況下順利完成貨物運輸、環(huán)境勘探、反擊敵方車(chē)輛等功能，取得了良好的控制效果。該設計可廣泛應用于短途貨運客運、應急救援、惡劣環(huán)境下自動(dòng)作業(yè)等領(lǐng)域。