基于AVR的智能教學(xué)無(wú)人車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　針對(duì)市場(chǎng)上大多數(shù)教學(xué)無(wú)人車設(shè)計(jì)采用單片機(jī)單一控制導(dǎo)致其功能擴(kuò)展性弱、靈活度低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于Atmega128單片機(jī)和無(wú)線通信的智能教學(xué)無(wú)人車控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括PC機(jī)控制部分和無(wú)人車控制部分，通過(guò)PC控制端軟件可以經(jīng)無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人車的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，無(wú)人車在遇到干擾的情況下順利完成貨物運(yùn)輸、環(huán)境勘察、敵我識(shí)別、打擊等功能，控制效果理想。

　　智能教學(xué)無(wú)人車是一種履帶式移動(dòng)機(jī)器人，目前市場(chǎng)上的無(wú)人車大多采用單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制，其優(yōu)點(diǎn)是體積小，成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但僅僅依靠單片機(jī)遠(yuǎn)不能使無(wú)人車在復(fù)雜多變的工作環(huán)境中進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，并且極大地限制了其功能的擴(kuò)展?；诖瞬蛔悖驹O(shè)計(jì)主要利用PC機(jī)與無(wú)人車的無(wú)線通信，使無(wú)人車在PC機(jī)無(wú)線指令下完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、打擊、生命值顯示、調(diào)速和自動(dòng)行駛等功能，并通過(guò)車載攝像頭實(shí)時(shí)獲取無(wú)人車所處環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控。在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，如遭遇敵方車輛干擾通信，無(wú)人車在抵御干擾信號(hào)同時(shí)進(jìn)行敵我識(shí)別，適時(shí)作出反擊。

　　1設(shè)計(jì)原理

　　教學(xué)無(wú)人車控制系統(tǒng)由上位機(jī)(PC)控制部分和下位機(jī)(教學(xué)無(wú)人車)控制部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)工作原理為：打開(kāi)教學(xué)無(wú)人車電源時(shí)，Atmega128單片機(jī)通過(guò)語(yǔ)音模塊使揚(yáng)聲器發(fā)出啟動(dòng)提示。當(dāng)上位機(jī)無(wú)線控制臺(tái)及PC端軟件準(zhǔn)備好后，PC端控制軟件通過(guò)USB口向無(wú)線控制臺(tái)單片機(jī)發(fā)出指令，使其配置無(wú)線模塊相關(guān)寄存器，芯片進(jìn)入指令發(fā)射模式;下位機(jī)由Atmega128單片機(jī)控制，在接收到上位機(jī)的指令后通過(guò)其集成的PWM外設(shè)模塊產(chǎn)生2路PWM波和4條轉(zhuǎn)向控制線經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊增大驅(qū)動(dòng)能力后控制左右2個(gè)電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。例如，當(dāng)PC端發(fā)出“左轉(zhuǎn)”的指令時(shí)，下位機(jī)的無(wú)線模塊接受成功后會(huì)自動(dòng)返回接受成功應(yīng)答信號(hào)。接著Atmega128單片機(jī)通過(guò)PA口控制L298P，使左側(cè)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，右側(cè)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)的功能;當(dāng)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(yīng)碼制的紅外進(jìn)攻信號(hào);當(dāng)PC端發(fā)出“自動(dòng)行駛”指令時(shí)，Atmega128結(jié)合接收霍爾傳感器采集回來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)相應(yīng)算法來(lái)協(xié)調(diào)左右兩側(cè)的電機(jī)，使坦克完成直線行走、轉(zhuǎn)過(guò)固定角度，行駛固定距離等功能。教學(xué)無(wú)人車通過(guò)連接到PE5口的紅外傳感器感應(yīng)對(duì)方無(wú)人車的攻擊信號(hào)。如果接收到紅外信號(hào)，PE5口會(huì)輸入固定碼制的信號(hào)，此時(shí)主控芯片會(huì)將生命參數(shù)減一并熄滅一個(gè)LED燈，當(dāng)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)人車停止一切動(dòng)作。

　　2硬件電路設(shè)計(jì)

　　教學(xué)無(wú)人車控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)包括PC端無(wú)線控制臺(tái)部分和下位機(jī)無(wú)人車控制部分的硬件設(shè)計(jì)。

　　2.1 PC端無(wú)線控制臺(tái)部分

　　硬件設(shè)計(jì)無(wú)線控制臺(tái)部分由PC機(jī)、STC12LE5A60S2單片機(jī)、NRF24L01無(wú)線模塊及PL2303組成。PC端控制臺(tái)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(jī)指令轉(zhuǎn)發(fā)給下位機(jī)。其設(shè)計(jì)電路圖如圖2所示。

　　2.2下位機(jī)無(wú)人車控制部分

　　硬件設(shè)計(jì)下位機(jī)硬件由MCU模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、無(wú)線模塊、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(jī)為核心，Atmega128單片機(jī)是一款高性能、低功耗的AVR 8位微處理器，處理速度可達(dá)1 MIPS/MHz，應(yīng)用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，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(shè)。該單片機(jī)通過(guò)SPI串行通訊接口與無(wú)線模塊連接，通過(guò)通用可編程I/O接口與電機(jī)驅(qū)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，采用L298P電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L298P是SGS公司的產(chǎn)品，為20管腳的專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)含二個(gè)H—Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46 V、2 A以下的步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)，具有高電壓、高電流的特點(diǎn)。電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

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