基于AVR单片机的无线遥控智能车设计

XJzy

引言

随着社会信息化的深入发展，在军事侦察、反恐、防爆、防核及污染等恶劣的环境作业变得越来越危险，高性能的智能车便成为首选系统，以其体积小、低成本、生存力强等优点为人们的普遍使用提供了方便。本设计以Atmega16L单片机为主CPU，设计出具有轨道探测、壁障、红外控制及无线信号发射等众多功能集于一体的智能小车。

系统总体的硬件设计

Atmega16L是Atmel公司研制的一款低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，采用大型的存取寄存器组、快速的单周期指令系统以及单级流水线等先进技术，使其具有高达1MIPS/MHz的高速运行处理能力，16Kb的Flash满足绝大部分的实际需求，内置资源丰富，大部分指令执行时间为单个时钟，完全符合设计要求。本设计的几个模块中，红外模块使用IR1308红外接收芯片进行模式选择及控制功能，光电开关E18-D80NK构成红外避障模块，光电传感器RPR220和LM324构成黑白轨道探测模块以及nRF24L01作为无线数据发送模块，其总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

小车在运行时需要考虑的外部因素很多，其中光线对循迹就具有很强的干扰能力，为了避免轨道探测时的光线干扰，将模块放于小车底盘的前端，小车的尾部放无线接收模块，为了保持小车的平衡度将单片机和电池放于小车中间。

电机驱动模块

电机驱动模块主要由L298N和二极管IN4014构成，L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压而且可以用单片机的I/O口提供信号，方便PWM调速，电路简单，性能稳定，使用比较方便。L298N可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，正好符合小车两个直流电机的驱动要求，其驱动模块如图2所示。

图2 电机驱动模块

二极管的作用有开关、保护电路等，图2中的二极管起保护作用，为了防止电机中因为电磁感应产生的电流倒灌，烧坏片子，因为线圈式的电机在忽然停止或者反向运行的时候会产生很大的电流，故此二极管起保护作用。L298N作为常用的电机驱动芯片，提供高达2A的电流满足电机需求。

轨道探测模块

图3是一路轨道探测模板，实际上是三路同用，将他们分别放于小车的左、中、右。光电感应器RPR220其实就是一个光线感应器，通过检测自己所发射后返回的光线来根据光线反射率的不同进行判断，由于黑色对光线的反射率低，所以当感应器对准黑色物体时，感应器内部的光电二极管接收到的反射光线少，故因为内部不能导通而输出高电平。

图3 轨道探测模块

使用时需注意的是RPR220焊于电路板底部，将其对准地面，增强反射光强度，同时遮蔽光；其次将RPR220用纸壳包裹，防止干扰；将输出端口与单片机相连进行数据传输，用来驱动电机运动；将滑动电位器调到合适位置，当正极高于负极时，比较器输出高电平，否则为低电平，最后由单片机根据所比较的信号来判断小车的位置并做出相应的处理。

障碍探测模块

E18-D80NK是一种集发送与接受于一体的三线NPN输出型红外光电传感器，主要用于障碍物的探测，对于障碍物的距离感应可以通过后面的旋钮进行调节。

E18-D80NK是一款易于装配、工作电流低、易于使用的光电传感器，其工作电压为5V，有效测量距离为0~80CM，可以很方便的实现小车的探测功能。该传感器工作模式简单，单片机可以直接通过端口输入的高低电平进行判断，其原理图如图4所示，当传感器工作时，单片机通过黄线端口输出的高低电平进行判断有无障碍物，其中黄线连接单片机的INT1端口，工作方式为低电平触发，即当有障碍物的时候小车进行避障操作，当无障碍时输出为高电平所以中断并不会响应。

图4 轨道探测芯片的原理图

红外控制模块

在红外控制模块中使用了两款芯片，发射芯片TC9012和接收芯片IR1308，TC9012是一款采用CMOS工艺制造的东芝系列的红外发射芯片，提供8种编码方式，最多可外接32个按键，成本低廉，方便使用。其发送的一帧数据中除了引导码和同部位外，还包含有32位码，分别是用户码及其反码、数据码及其反码，其发射码的格式如图5所示。

图5 发射码的格式

IR1308是红外接收器，也是由三个管脚构成，工作方式简单，除了电源和地管脚之外，另外一个管脚则与单片机相连进行通信，由于IR1308所接收到的码流都是数字信号，所以单片机中必须使用定时和中断来进行高电平宽度的计算，从而进行数据码的提取，设计中红外控制模块含有系统的模式设定和遥控两个功能。

无线数据发送模块

无线数据发送模块的主要功能是在小车进库以后给接收机发送提示信息证明小车已经安全入库。在设计中使用nRF24L01这款芯片来进行数据无线发送，nRF24L01是由Nordic公司生产的工作频率在2.4GHz~2.5GHz的无线收发芯片，芯片具有体积小、数据传输速率快、功耗低等优点，加上简单的SPI通讯端口，为其与单片机的连接提供了基础。

nRF24L01具有四种工作模式：收发模式、配置模式、空闲模式以及关机模式，这四种工作状态完全由CS、CE和PWR_UP三个管脚决定。当PWR_UP为低电平时，无论CE

和CS为何种状态，工作模式为关机模式；当PWR_UP为高电平时，CE和CS为低电平时工作模式为空闲模式；当PWR_UP为高电平、CE为低电平、CS为高电平时为配置模式；当PWR_UP为高电平，CE为高电平CS为低电平时为收发模式。收发模式中分为直接收发和Shock Burst 收发两种模式，Direct Mode的使用与其它传统射频收发器的工作一样，需要通过软件在发送端添加校验码和地址码，在接收端判断是否为本机地址并检查数据传输是否正确；Shock Burst Mode则是通过使用芯片内部堆栈区的FIFO功能将数据低速送入高速送出，至于校验码和地址则会通过硬件自动添加和去除，这种模式的优点主要体现在功耗较低、发射速度快并且抗干扰性能强以及可以使用速度较低的微控制器来控制芯片工作，所以设计中使用了Shock Burst Mode。

如图6所示，nRF24L01的功能引脚有六个，CE是使能发射或接收的；CSN、SCK、MOSI、MISO是进行SPI协议的配置管脚；IRQ是中断标志位，在遵循nRF24L01的传输协议的基础上通过单片机对这几个管脚的设置来进行数据的发送和接收。

硬件电路实现

将所要实现的功能制成PCB板易于操作，实物图如图7左图所示，主要的工作功能即先通过红外进行模式选择，其中按键11进入红外遥控控制模式，按键10进入轨道探测和壁障模式，按键12则退出所有模式重新设定。在红外遥控模式中由按键1~9进行遥控控制，分别控制了前进、后退、刹车、原地左转、原地右转、左转（左轮不转）、右转（右轮不转）、左转、右转。右图则是当小车进库后单片机通过nRF24L01发送“NOTICE CAR IN”语句来提示小车已经入库，另一块具有nRF24L01芯片的单片机在接收到数据后于LCD12864显示出来。

结论

本设计是基于Atmega16L的智能小车设计，通过对智能小车相关信息的研究及设计画出了相应的PCB板图，并且众多功能都能于硬件电路实现，所占用的单片机资源少、功耗低，对于智能化系统的不断研究深入提供了相应的参考与应用。

图6 nRF2401模块电路图

图7 智能小车实物原理图


吉林省无线电监测站白城站 富大鹏
安徽理工大学电气与信息工程学院 唐彬
本贴来自中电网