基于單片機(jī)控制的太陽能智能小車

鐘偉東

（廣東河源技師學(xué)院，廣東河源517000）

基于單片機(jī)控制的太陽能智能小車

鐘偉東

（廣東河源技師學(xué)院，廣東河源517000）

太陽能智能小車以STC89C52單片機(jī)為控制核心，在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、停止、前后方障礙物判斷、遙控信號(hào)接收與解碼、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示以及太陽能充電等功能，通過紅外遙控器對(duì)小車進(jìn)行啟動(dòng)、停止和后退。當(dāng)小車驅(qū)動(dòng)電源低于8.4V時(shí)，可通過太陽能自動(dòng)充電控制系統(tǒng)對(duì)充電鋰電池進(jìn)行充電，保證小車有足夠的驅(qū)動(dòng)電壓。

單片機(jī)；太陽能；環(huán)保；智能小車

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境污染狀況加劇，倡導(dǎo)使用新能源產(chǎn)品已迫在眉睫，發(fā)展環(huán)保新能源技術(shù)是解決問題的關(guān)鍵所在。太陽能智能小車結(jié)合新能源產(chǎn)品的要求，采用環(huán)保新能源技術(shù)研制而成。在遙控器的控制下，小車可前進(jìn)、后退、停止，并在車載LED屏上顯示相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在前進(jìn)過程中，若遇前方有障礙物，小車通過超聲波電路的檢測進(jìn)行避障；在后退在過程中，如遇后方在所設(shè)范圍內(nèi)有障礙物，小車馬上停止運(yùn)動(dòng)，避免撞到障礙物；當(dāng)小車電源電壓不足8.4V時(shí)，太陽能充電控制系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)充電功能，通過太陽能電池板光電轉(zhuǎn)換，對(duì)電源進(jìn)行補(bǔ)給，保證小車能正常運(yùn)行。

一、智能小車電路方框圖及實(shí)物圖

太陽能智能小車主要由單片機(jī)主控電路、紅外遙控接收電路、前后方障礙檢測電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、太陽能自動(dòng)充電控制系統(tǒng)、小車底盤和電源等8個(gè)部分組成如圖1和圖2所示。

二、智能小車主控電路及其控制過程

1.主控制電路原理圖

主控制電路主要由單片機(jī)STC89C52、12MHZ時(shí)鐘電路和自動(dòng)復(fù)位電路組成，如圖3所示。單片機(jī)是將CPU、RAM、ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及輸入/輸出接口電路等計(jì)算機(jī)主要部件集成在一塊芯片上，這樣所組成的芯片級(jí)微型計(jì)算機(jī)稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱為單片微機(jī)或單片機(jī)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用需求的發(fā)展，單片機(jī)以其高可靠性、高性價(jià)比、低電壓、低功耗、體積小、應(yīng)用靈活等一系列優(yōu)點(diǎn)，近幾年來得到迅猛發(fā)展和大范圍推廣。尤其在控制領(lǐng)域幾乎無處不在，從工業(yè)過程控制到家用電器控制，從尖端科學(xué)技術(shù)到日常生活用具，單片機(jī)控制的例子枚不勝舉。本作品以STC89C52為控制核心，與紅外線接收、超聲波檢測等接口電路相結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)，單片機(jī)的P0口和P2口為車載LED點(diǎn)陣顯示驅(qū)動(dòng)接口、P1口為電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口、P3為超聲波檢測和紅外線接收等接口。

2.主控電路程序控制流程圖，如圖4所示

圖1 智能小車電路方框圖

圖2 智能小車實(shí)物圖

圖4 小車主控電路程序控制流程圖

三、小車各接口電路原理圖及工作原理

（一）紅外信號(hào)發(fā)射與接收電路

常用的紅外遙控收發(fā)系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩部分組成，紅外發(fā)射采用專用集成電路芯片（HT6221）進(jìn)行編碼調(diào)制，接收采用萬能紅外接收器，利用單片機(jī)對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行解碼。紅外信號(hào)的發(fā)射與接收過程如圖5所示。從圖中可知，紅外信號(hào)的發(fā)射部分包括矩陣鍵盤、編碼調(diào)制、LED紅外發(fā)射；接收部分包括萬能紅外接收器、單片機(jī)解碼電路。

圖5 發(fā)射與接收過程

1.鍵值編碼原理

常用的紅外遙控器，一般采用PPM（Pulse Position Modulation脈位調(diào)制）調(diào)制的HT6221芯片。其鍵碼的編碼原理如下：

當(dāng)用戶按下按鍵的時(shí)間超過36ms時(shí)，振蕩器使芯片激活，芯片將會(huì)產(chǎn)生9ms頭碼,4.5ms的空碼,低8位的用戶地址碼（9ms-18ms）,高8位的用戶地址碼（9ms-18ms）,8位操作碼（9ms-18ms）和操作碼的反碼（9ms-18ms），如所有代碼時(shí)間未足108ms則以空碼來彌補(bǔ)。當(dāng)按鍵時(shí)間超過108ms，將自動(dòng)發(fā)射第二個(gè)代碼，第二個(gè)代碼僅發(fā)射9ms的載波信號(hào)、2.5ms的空碼、0.56ms的載波信號(hào)和95.94ms(108ms-9ms-2.5ms-0.56ms=95.94ms)的空碼，如還未松鍵，則以第二個(gè)代碼的形式發(fā)射第三個(gè)、第四個(gè)、第五個(gè)代碼也稱之為連碼發(fā)射。信號(hào)波形如圖6所示。

2.鍵值解碼原理

根據(jù)鍵碼形成的特征，采用單片機(jī)外部中斷零(p3. 3)作為遙控器數(shù)據(jù)的輸入端口。當(dāng)遙控器發(fā)射9ms的頭碼（低電平）時(shí)，將會(huì)觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷并執(zhí)行解碼程序，接收電路原理圖如圖3所示（解碼程序略）。

（二）超聲波測距模塊接口電路

小車采用超聲波測距模塊電路（HC-SR04）作為前后方障礙物檢測模塊，通過單片機(jī)的P 1.0和P 1.1腳控制切換控制電路（如圖3所示）進(jìn)行選擇前后方測距模塊，測距模塊的工作原理是單片機(jī)的P3.2腳輸出一個(gè)40kHz的觸發(fā)信號(hào)到超聲波測距模塊的TRIG腳，由超聲波測距模塊的發(fā)射器發(fā)射超聲波，由超聲波測距模塊的接收器接收遇障礙物返回的超聲波，然后模塊電路的ECHO腳產(chǎn)生一個(gè)回應(yīng)信號(hào)，此ECHO信號(hào)被單片機(jī)所檢測，時(shí)序圖如圖7所示。由于超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出小車距障礙物的距離，即S=VT/2。

圖7 超聲波障礙距離檢測時(shí)序圖

（三）車載LED點(diǎn)陣顯示的基本原理及控制電路

從圖8中可以看出，8X8點(diǎn)陣共需要64個(gè)發(fā)光二極管組成，且每個(gè)發(fā)光二極管是放置在行線和列線的交叉點(diǎn)上，當(dāng)對(duì)應(yīng)的某一列置1電平，某一行置0電平，則相應(yīng)的二極管就亮；要實(shí)現(xiàn)顯示圖形或字體，只需考慮其顯示方式。通過編程控制各顯示點(diǎn)對(duì)應(yīng)LED陽極和陰極端的電平，就可以有效地控制各顯示點(diǎn)的亮滅，LED點(diǎn)陣的所列接至單片機(jī)的P0口，行分別接至三極管Q1-Q8的集電極，再由單片機(jī)的P2口控制Q1-Q8的基極。

圖8 車載LED控制電路原理圖

（四）電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口電路采用L293D集成電路，該集成電路是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、小電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用16腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)36V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)2A，持續(xù)工作電流為1A。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和繼電器線圈等感性負(fù)載；該芯片可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)電路原理圖和電機(jī)控制邏輯表如圖9和表1所示。

表1 電機(jī)控制邏輯表

圖9 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

四、小車電源及太陽能充電控制電路工作原理，電路原理圖如圖10所示

小車5V電源主要由2節(jié)3.6V鋰充電電池串聯(lián)，經(jīng)過三端穩(wěn)壓管7805穩(wěn)壓輸出后提供。

太陽能自動(dòng)充電控制電路采用鋰離子電池充電控制器LM3420-8.4，該充電電路可對(duì)2節(jié)3.6V串聯(lián)的鋰離子電池組充電。當(dāng)電池組電壓低于8.4V時(shí)，LM3420輸出端無電流輸出，三極管Q1截止，使LM317輸出電流太小為1.25/RN的恒定電流，在充電過程中，電池組電壓不斷上升，并由充電控制器LM3420-8.4的輸入端所檢測。當(dāng)電池組電壓上升到8.4V時(shí)，控制器LM3420-8.4輸出電流，使三極管Q1控制LM317的輸出電壓，充電電路切換到恒壓充電模式，電池電壓穩(wěn)壓在8.4V。其中三極管Q1和二極管是預(yù)防電池反充作用。

太陽電池的機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)。按照太陽電池的結(jié)構(gòu)，電池之間必需要用多根導(dǎo)線連接，導(dǎo)線連接必將影響小車的外觀和電池的滑動(dòng)。經(jīng)過研究，采用折疊軌道式連接不僅解決了如上問題，而且還易于更換、增加太陽電池，使用更方便。

太陽能智能小車結(jié)合新能源產(chǎn)品的要求，采用環(huán)保新能源技術(shù)研制而成，具有開發(fā)成本低、操作方便、低功耗、設(shè)計(jì)新穎等特征，屬綠色、環(huán)保、節(jié)能的電子產(chǎn)品。

圖10 小車電源及太陽能自動(dòng)充電控制電路

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