基于AVR ATmega128的智能小车的硬件设计与实现

摘要：主要介绍一种以 AVR ATmega128为核心的智能小车的硬件原理设计。智能小车以AVR ATmega128单片机为整个系统的控制核心；应用红外传感识别外界信息；使用左、右两侧电动机的差速驱动实现转向；外部通信拓展了无线和有线两种方式；同时还预留了陀螺仪端口，方便进行后续更新和升级。该智能小车可以作为对智能车辆进一步研究的平台。

关键词：AVR ATmega128；智能小车；传感器；硬件设计

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）08-1809-06

近年来，智能交通和人工智能的发展迅速，智能小车在许多领域已经成为热门的研究方向。智能小车的应用领域也越来越广泛，例如在远程控制中，可以在室内控制在任何地方的智能小车；视频监控，代替人到危险的地方侦查，传回视频资料；防爆排爆，可以代替人工排爆，很大程度的降低人员的伤亡，并且可以提高排爆的精准度；学生科教学习竞赛，让学生把课堂上学到的理论知识运用到实践中，加深了对理论的理解。参加一些比赛，提升自我的技巧与能力，促进创新性的发展。

智能小车通过红外感应了解周边的情况，实现对障碍物所在的环境进行分析，提前预设任务，将自动完成任务。智能小车的系统设计是以人工智能为背景，是多学科相互结合，相互协调的产物。智能小车拥有强劲的动力来源――直流电动机，灵敏的感知设备――红外传感，还有富有“思维”的中心控制――单片机。

本文设计的智能小车是一种基于avr atmega128单片机系统的设计与实现方法.文中对其硬件构成做了详细的说明. 主要包括主控模块、红外传感模块、电动机驱动模块、电源模块四个部分，同时预留了陀螺仪和一个无线传感模块。智能小车能实现了在迷宫内快速稳定的行走及对迷宫最优路径的搜索。在此基础上可以进行再次开发，满足各种智能小车竞赛要求的功能与用途。

1 系统整体方案

智能小车应具备行走功能，判断并自动避开障碍，在具有障碍的路面上自由行走。因此，智能小车硬件系统主要包括AVR ATmega128微控制器、红外发射管SFH4550、红外接收管TPS601A、A3950驱动芯片、直流减速电动机、CD4013BPWR（D触发器）等。其系统总体设计原理图如图l所示，其硬件设计实物图如图2和图3所示。其中AVR ATmega128微控制器是智能小车的核心，对红外传感器进行控制和检测，通过检测到的传感信号，经过预先设计的算法分析处理，控制电动机，实现小车的智能避障行走。

在智能小车中陀螺仪是起到平衡和稳定的作用，是智能小车能平稳快速的行进的保证。由于陀螺仪是预留模块，就不详细介绍，简要概括。

陀螺仪模块即陀螺稳定平台，以陀螺仪为主要构件，主要目的是保持智能小车能够平稳的运行的装置。动力陀螺稳定器是指使用内外环组成陀螺仪的力矩轴，从而产生力矩抵抗干扰的力矩，形成平衡使陀螺仪静止。陀螺仪依据使用角色能保持平稳的转动轴的数量分成单轴、双轴和三轴陀螺仪。主要使用陀螺仪旋转时产生的力抵消其他的干扰力，从而使信号平稳的输出。

2 系统硬件设计与实现

智能小车主要包括主控制部分、红外探测器部分、直流电动机驱动部分、电源供电部分四个部分。同时预留了陀螺仪和一个无线传感模块。

2.1 主控模块

主控模块选用AVR ATmega128芯片。初期曾用ATM16芯片作为主控模块，随着项目的深入，发现ATM16的资源比较有限，不能满足智能小车应用的需求。经过对比、研究，决定使用ATmegal128。ATmegal128芯片资源丰富，符合智能小车的硬件开发，其上手容易，开发周期较短，比较适于学生、教学与实验需求。而且价格适中，使用普遍，相关资料较多等优势。

除上述提到的优势外ATmegal128本身具有如下特点：拥有128 KB的可以编程的Flash，并且具有同时读写的功能； 3 2个通用的寄存器可以直接使用；以及多个通用接口；并且拥有6种使用软件选择的方法。片中的ISP Flash可以使用编程器与引导程序进行多次编程。ATmegal 28为许多嵌入式应用编程提供了各种方便和低价的选择。

综上比较，主要控制的单片机模块使用ATmegal128，也就是智能小车的大脑。图4为智能小车主控模块关于ATmegal128的资源分配原理图。

如图所示MCU选用ATmega128芯片，其中pin46-51是红外输出PWM信号；pin45是MCU的spi的CE信号，pin35是左电动机方向控制信号，36是左电动机模式控制信号，pin37是左电动机睡眠信号，pin38是左电动机辨向电路复位控制信号，pin39是右电动机方向控制信号，40是右电动机模式控制信号，pin41是右电动机睡眠信号，pin42是右电动机辨向电路复位控制信号，pin2是MCU的PDI信号，pin3是MCU的PDO信号，pin6-7是右电动机辨向电路反馈信号（10 正；01 反），pin8是右电动机倍频电路反馈信号，pin9是MCU的spi中断信号，pin33、34、43、18是led灯控制信号，pin19是蜂鸣器信号，pin10是MCU的SPI的CS信号，pin11是MCU的SPI的SCK信号，pin12是MCU的SPI的MOSI信号，pin13是MCU的SPI的MISO信号，pin14是左电动机PWM信号，pin17是右电动机PWM信号，pin25-26是左电动机辨向电路反馈信号（10 正；01 反），pin27是MCU的RXD1信号，pin28是MCU的TXD1信号，pin31是左电动机的倍频电路反馈信号，pin56-61是红外电路反馈信号，pin55是A_BAT_DET 信号，pin54是MCU_ADC信号，pin20是MCU复位信号，pin23-24是MCU的XTAL信号。

2.2 红外传感模块

红外传感模块用于智能小车在迷宫寻找路径，相当于智能小车的眼睛。采用的是红外传感，共六组，向前方两组，左右各一组，45’和135’方向各一组如图5。红外探测传感器每组包含一对发射探测管和接收探测管。大部分智能小车都是把红外接收管和发射管放在同一面上，这样容易相互干扰，不利于红外准确接收。该文推陈出新，把接收管和发射管分别位于PCB板的上下两个面，这样有利于减少本身干扰，又方便接收。并且在迷宫中做了相关实验，实验中，接收管根据接收到红外的强弱来判断是否有挡板。发现这种设计能很好地达到预期效果，比原来放在同一侧的红外感应精准许多。具体设计如图6所示。

智能小车的发射管选用SFH 4550，接收管选用TPS601A；均为寻迹红外，使用的是非调制普通红外管。虽然非调制红外精度不是很高，但是它的电路简单，容易实现。而且智能小车无需十分精确，只要判断障碍有无，距离多远，普通非调制足够使用，并且价格低廉。

智能小车采用红外传感器，以实现路岔口检测、姿态修正的功能。红外传感器检测到的数据是一段模拟信号，但是单片机的程序只能处理数字信号，所以使用ATmega128单片机自带的ADC功能，避免额外的电路转换。

红外模块主要由红外发射和接收管，还有三极管和电容电阻等器件组合而成。如图7是一组智能小车的红外传感的原理图，其余五组电路图与此相同。如图所示，其中R17为1K限流电阻，Q4为三极管2N3904，功能类似自动开关，IR_LED1 SFH4550为红外发射二极管；R13为330欧姆的限流电阻，起到保护红外发射管的作用，R14为10K的电阻，具有两方面作用，一是作为限流电阻保护红外接收管，二是将其所在的线路的电流变化转化为电压变化，可以作为反馈信号使用。

接收由外部输入一个PWM信号，作为红外发射管的信号的一个驱动，接收到信号使得三极管管处于放大状态，使得红外发射管通过的电流变大，从而使发射管发射出红外信号。红外信号经挡板反射回来，红外接收管接收到该反射回来的信号，从而使接收管处于导通状态使得输出信号的电位产生变化，作为一个模拟信号输出到单片机的ADC引脚，进行相应的信号处理。

2.3 电动机驱动模块

电动机驱动模块选用A3950。采取对比、分析、实验得出结论：集成的A3950芯片，准确性高，集成度好，开发周期短，电路简单，易于开发。A3950拥有 DMOS 全桥式电动机驱动器，它为了直流电动机的脉宽调制控制而设计的，A3950 能承受住最高±2.8A电流流出，并且电压能够达到 36 V，能够很好的满足驱动模块的供电需求。其中同步整流控制的电路主要功能是降低脉宽调制 （PWM）时的功率损耗，减少散热。封装时有的焊盘，用来加快散热，降低芯片上的温度，并且是环保产品。

图8为A3950芯片的信号功能图。

智能小车使用脉宽调制（PWM）的方法调控电动机的转速。使用A3950电动机驱动，带有编码器来测距。由于A3950具有自带编码器，这样可以减轻智能小车重量，方便使用。图9为A3950电动机驱动原理图。图中的A3950是电动机驱动芯片，其中信号MOTOL_DR为方向控制为电动机的正转和反转，信号MOTOL_PWM为A3950的使能控制信号，为1（高电平）时芯片控制正反转工作信号MOTOL_MODE为1时刹车状态慢衰减模式，为0时快速衰变同步整流模式，信号MOTOL_SLEEP休眠状态，为1时芯片进入休眠模式MOTOL_A和MOTOL_B 为输出信号，接入到电动机的信号输入端，用于控制电动机的正反转等，J7是电动机插座，其中由A3950输出的MOTOL_A和MOTOL_B信号接入到电动机输入，控制电动机的正转和反转；电动机模块和红外模块一样，有自己的电源供电模块，需要磁珠，电容等构成一个防止互相干扰的模块进行电源接入的防干扰处理；74AHC1G86所在电路是二倍频电路，由一个异或门构成，根据异或门的工作原理，信号A和信号B输入之后异或门后输出的时钟脉冲表现为时钟频率是输入信号的两倍，二倍频电路的功能是提高电动机输出信号的频率，以提高测速的精度。

如图10所示其中MOTOL_CHA连接到左电动机的编码器输出信号1，MOTOL_CHB连接到左电动机的编码器输出信号2，VDO_L：连接到左电动机的VDO_L信号，MOTOL_CLK：连接到MCU的左电动机的倍频电路反馈信号pin31。

如图11所示其中MOTOL_CHA连接到左电动机的编码器输出信号（2），MOTOL_CHB连接到左电动机的编码器输出信号（1），MOTOL_CHA#：连接到MCU的左电动机辨向电路反馈信号pin25，MOTOL_CHB#连接到MCU的左电动机辨向电路反馈信号pin26，MOTOL_CHRESET#连接到MCU的左电动机辨向电路复位控制信号。

2.4 电源模块

电源模块采用400mAH 7.4V铝电池供电，电动机直接接入电源，另外，经过LDO（线性稳压）电路获得5V电压，供给MCU、红外传感等。电源部分是整辆智能小车的动力部分，要电压稳，防干扰，电量充足。

整个电源模块由7.4V电池（BATT2）供电，电池由火车头（JP1）供电。这个系统由多个不同的模块组合而成，不同的模块需要的电源电压不同，故需要对源电源引出的电压进行不同的降压处理，以得到各自符合要求的电源电压，供不同模块使用。调压各模块电路图如图12所示。

从BATT2引出BBAT_IN到SW1开关，通过开关进行控制，开关输出端VBATT。VBATT还是7.4V，在VBATT端的话接有一个大电容，有储能的作用，以维持电源电压的稳定；还接有一个指示灯，用于指示电源供电与否，之间串联一个限流电阻对LED灯进行保护。然后从BATT引出一个输出到单片机，作为单片机的电源供电。通过两个电阻分压来实现，使输出电压为3.7V。在电源输出端还并有一个电容进行滤波防干扰的作用。

AMS1117是一个正向低电压稳压器，其中有高温保护和限流回路，是VBATT输出通过线性稳压芯片AMS1117输出5V的稳定电压，这个电压值可以根据两个电阻来计算，故在电路中药选择合适的电阻。这里选择的是R1 = 100，R2 = 300； V = 1.25V * （1+R2/R1）；由此可得出5V的输出电压。然后在电压的输出端串联上两个一大一小的电容，电容的作用是滤波，并联两个一大一小的电容目的是为了扩大滤波的范围，因为不同容值的电容对不同频率的干扰信号敏感，两个电容的并联的话可以扩大滤波的范围。

将电源分别引到不同的模块进行供电，在VDD5V和各个不同的模块之间都串联一个磁珠，并联有两个一大一小的电容，电容的作用同上述的一致，磁珠本质是电感，电感的作用是通直流阻交流，电感会阻止一部分的交流信号进入下一个模块，电容的作用是同交流阻直流，电容会把一部分的交流信号短路到地下去，防止其干扰下一个模块。如图12。

3 总结

本文介绍了智能小车的硬件实现过程和流程。主要侧重于智能小车的硬件设计与器件的选型。使用用模块化方法，本系统拥有优秀的在开发性和外扩性。选用以AVR ATmega128为微控制器的核心，其高速的处理能力和芯片拥有许多的连接外部设备接口，以及A3950芯片作为驱动芯片，为智能小车提供一个稳定，强劲的动力保障；新颖的红外传感器位置设计，使得红外传感更加精准；预设许多接口，以便再次开发与拓展。

本文的智能小车具拥有编程方法简便、方便控制小车，稳定性好、拓展性强等优势。经过实验，成功完成小车的加减速、向前、向后、向左，向右、持续转弯，回送速度和路程的数据等功能。由于智能小车的应用范围广泛，例如盲人导航机器人、考古机器人、地震搜索机器人、远距摄像机器人等等。随着电子技术的发展，对智能小车的深入研究将具有很好的发展和应用前景。

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