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单片机实践之闭门造车安徽师范大学 07 级电子信息工程一、造车综述从 2003 年全国电子设计大赛以来智能小车一直备受青睐，大家都在前人的基础上纷纷 亮出自己的得意之作。

且大部分是以循迹小车为主题，主控芯片自然是用的赞助商提供的片 子为多。

其中飞思卡尔、MPS430 等都是智能小车的热门主控芯片，甚者有采用 FPGA、DSP、 ARM 来做控制台的， 个人觉得 Cortex‐M3 很适合，不过既然是单片机实践自然要从基础的做 起，这样以后也可以很方便的移植到 Cortex‐M3 上。

而此文为大家介绍的是采用STC12C5A60S2 为主控芯片，STC89S52 为从处理器搭建的智能小车平台。

简单介绍一下智能小车平台需要实现的功能：上位机无线遥控可发送速度、转向、行车 时间、轨迹、测距、自动蔽障等控制命令，同时可以反馈实时速度、距离、电源电压、功率 等状态数据。

二、总体方案测速采用光电管或者霍尔传感器来实现， 而这些传感器的待处理信号都是开关量也就是 周期性的脉冲，故测速需要占用两只定时器。

测距离目前常用的有超声波测距、红外测距两 种，这两种方案都至少占用一只定时器。

电机调速采用 PWM信号，如果采用定时器来产生 PWM 信号的话又需要占用一只定时器。

再算上一些串行口、定时器查询等估计别说是普通 的 AT89S52 就连 AVR 的片子也很吃力，所以采用两片单片机也变得合情合理了。

而且也为 以后扩展其他信号传感器提供接口。

一般片级通信多是采用 SPI 通信， 51的片子很少有支持， 所以大部分 SPI 多是软件模拟的(某些串行的 AD 转换)。

不过这里要是使用模拟的 SPI来实现 片级通信的话会由于没有 SPI 中断给通信带来很大的局限性，或者有些人会想到使用定时器 中断来查询实现软件模拟的 SPI片级通信， 而这样又会占用定时器(不考虑定时器服用的情况 下)。

分析考虑所需的资源，最终选取 STC12C5A60S2 作为主控制器，该芯片自带 2 路PWM 控制器、2 个定时器、2 个串行口支持独立的波特率发生器、3 路可编程时钟输出、10 位 AD 转换器、一个 SPI 接口等。

测速模块挂在 STC12C5A60S2 上面并配置一路PWM输出至直流电机驱动模块(后轮驱 动)，同时通过光耦隔离控制直流电机转向以及步进电机步进节拍。

STC89S52 负责超声测距 通过串行口发送至 STC12C5A60S2。

主控芯片综合处理各方面的信息，通过另一个串行口与 PC 机通信。

无线模块最初采用自带串行接口的蓝牙模块，但由于蓝牙距离不够、重启系统 需重新配置等原因后期采用 NRF2401 来替代。

总体结构框图如下(采用 Microsoft Office Visio 绘制)图 1.智能小车总体结构框图三、硬件原理1、电机驱动：智能小车采用 12V 直流电机为后轮驱动力，6V步进电机为前轮转向控制提供动力，故 智能车平台需驱动 12V 直流电机和 6V步进电机。

由于需要控制小车的车速以及小车行驶的 方向(包括转向以及前进、后退、停车)，直流电机驱动采用常用的 H 桥电路，通过控制信号 选通对管与否实现电机的正反转，并改变所加电压的占空比来改变电机转速。

这里采用电机 驱动专用芯片 L298N，该芯片可驱动两路 5‐36V 的直流电机或者一路四拍的步进电机。

同时 在 L298N 与主控芯片间通过四路光耦 TLP521‐4 隔离消除干扰信号。

搭建好电路后不要直接在小车上调试，外界一只相同电压的电机测试模块。

在STC12C5A60S2 上配置好串口、 PWM， 实现串口接收的数据直接赋值给 PWM 定时器 CCAP1L、 CCAP1H。

利用串口调试助手发送控制信息给 STC12C5A60S2，同时辅助外界电源更改L298N 的 IN1 和 IN2，共同完成L298N 电机驱动模块的调试。

图 2.直流电机驱动电路2、光电对管测速光电对管采用 TCRT5000，由一只特殊的发光二极管和光电三极管构成，当二极管发出的 光打在光电三极管的基极 B 上时三极管 CE 导通。

而正常情况下二极管的光不能到达光电管假设车轮均匀贴有n 片反射片， 的基极上， 故通过在车轮上贴反射片即可实现对小车的测速。

测得光电三极管的输出脉冲频率为 f，则车速=f/n。

为了提高测速的精度，在信号后级添加 比较器调理信号为标准的方波，调节比较器运放的偏置电压使方波信号最适合于测速。

同样适用外界电机(已配有自制的编码盘)，给电机加电让其带动编码盘旋转，将光电对 管靠近编码盘，用示波器观测输出脉冲信号的有无与好坏，调节比较器偏置电压使脉冲最接 近于方波且幅度大于 3.3V。

图 3.光电对管测速电路3、超声测距超声波测距的方法有多种：如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。

本设计 采用往返时间检测法测距。

其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波， 借助空气媒质传 播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时 间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。

测试传输时间可以得出距离。

假 定 s 为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为T，超声波传播速度为 V表示，则有关 系式 S=VT／2 。

超声波发射部分是为了让超声波发射换能器 TCT40－16T能向外界发出 40 kHz 左右的 方波脉冲信号。

编程由单片机端口输出40 kHz 左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40 kHz 方波脉冲信号分成两路，送给一个由 74HC04 组成的推挽式电路进行功 率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器 TCT40－ 16T以声波形式发射到空气中。

发射部分的电路，如图 4 所示。

图中输出端上拉电阻 R31， R32，一方面可以提高反向器 74HC04 输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能 器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

图 4.超声发射电路上述 TCT40－16T发射的在空气中传播， 遇到障碍物就会返回，超声波接收部分是为了 将反射波(回波)顺利接收到超声波接收换能器 TCT40－16R 进行转换变成电信号，并对此电 信号进行放大、滤波、整形等处理后，这里用索尼公司生产的集成芯片 CX20106，得到一 个负脉冲送给单片机的 INT0 引脚，以产生一个中断。

图 5.超声接收电路接在 CX20106 的第五脚上的电阻，用以设置带通滤波器的中心频率 f0，阻值越大，中 心频率越低。

电路中采用一只粗调的可变电阻和一只精密调节的电阻串联而成。

调节函数信 号发生器产生 40K的方波，接在超声发射电路的输入端，同时用示波器观测超声接收电路 的输出端。

用书本等模拟障碍物，调节两只电阻观测示波器看接收端否会产生电平跳变。

若产生跳变则发射与接收电路调试完成。

4、电源模块对于小车而言电源是整个系统的咽喉，考虑到体积、重量、电能容量等。

这里我们选取8 节 1.5V锂电池串联起来作为总电源输出(12V)，采用 LM78L05、LM317 构成整个电源模 块。

图 6.电源模块电路5、无线通信模块无线通信采用现成的串行接口的蓝牙模块，只需要配置主从机、信道、通信密钥、波特 率即可实现无线串行通信。

这样 PC 和主控 STC12C5A60S2 只需将通信理解为串行通信，给 程序构架带来便利。

不过需要考虑通信接口的问题：STC12C5A60S2 是 5V电压供电，TXD 和 RXD 的通信电信号自然是以 5V为参考电平；蓝牙模块是 3.3V电压供电，TXD 和 RXD 的通信电信号自然是以 3.3V为参考电平。

所以我们需要添加电平转换， 实现 STC12C5A60S2 与蓝牙模块的正常通信。

一般电平转换可以使用专用的芯片 74xHCT或 164245，电阻分压 法、OC/OD 器件法、晶体管上拉电阻法等。

不过对比几种方案同时考虑电平兼容、电源次 序、速度/频率、输出驱动能力等，最终选取晶体管法，电路如下，图中 NPN 的管子可以选 取 8050，1815 等，不过倒不是所有的NPN 的管子都可行，调试时使用 9014 就不能实现正 常通信，估计是输出驱动能力不够的缘故。

由于蓝牙的通信范围约束，我们还采用射频 NRF2401 来实现远距离的无线通信，由于篇幅有限这里不予细述。

图 7.5V转 3.3V电路图 8.3.3V转 5V电路图 9.蓝牙模块电路四、软件构架1、主控STC12C5A60S2配置 STC12C5A60S2 定时器 0 为定时器方式 2、10ms 中断，定时器 1 为计数器方式，初 值为 0。

累计 100 次定时器 0 中断为 1 秒，此时 TL1即光电对管输入的脉冲频率，最终 Speed=L*TL1/n(n 为后轮上反射纸的片数，L 为后轮的周长)。

同时在此一秒内触发 AD 采集一 次电源电压 Voltage送入内存。

当 Voltage 低于与设电压值时蜂鸣器报警。

配置 STC12C5A60S2 串行口 2 为方式 2、独立波特率发生器 9600、允许接收中断。

当串 口 2 接收到 PC 机数据转入中断处理程序，检测接收到的数据最高位，以此来区分数据是控 制信号还是速度信息。

配置 STC12C5A60S2 串行口 1 为方式 1、波特率固定、允许接收中断。

当串口 1接收到从 处理器 STC89S52 数据将转入中断处理程序，将接收到的数据处理后送至主控的内存当中， 以备主控芯片使用，同时等待PC 命令随时传给PC 机控制台。

配置 STC12C5A60S2 脉宽调制 PWM 为 8 位、无中断。

主程序中循环执行 PwmContral 函 数实时更改PWM定时器 CCAP1L、CCAP1H 的值。

PwmContral()程序如下(AutoFlags 为超声自动调速标志)：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;}}图 10.PwmContral 子程序流程2、从处理器STC89S52配置 STC89S52 串行口为方式 1、波特率固定、允许接收中断(与主控的串行口 1 作双机 通信交换数据信息)。