基于单片机的机器人小车实验平台设计
2020-06-28匡畅曾繁崎
匡畅 曾繁崎
摘 要:针对目前单片机、无线通信、传感器等课程,学习过程枯燥无味、缺乏应用实例等问题,设计了一种基于单片机的机器人小车实验平台。该实验平台以机器人小车为载体,可以安装蓝牙、Wi-Fi、摄像头、红外避障、超声波、LED点阵等等模块,极大地丰富了学习内容,提高了学生的学习兴趣和动手能力,广泛适用于单片机技术、通信技术、传感器技术、物联网技术、人工智能技术等专业课程。该平台具有安装方便、扩展性强、功能丰富等特点。
关键词:单片机;机器人小车;实验平台
学生在学习单片机、通信、传感器、物联网等课程时,只能在实验板上练习,缺乏应用实例,学习积极性不高。针对这一问题,本文设计了一种基于单片机的机器人小车实验平台,可以丰富课程的教学方式,扩展学习内容。
一、硬件设计
(一)系统整体框架
本文設计的机器人小车实验平台主要由可选模块、单片机、L298N和电机构成,如图1所示。其中,可选模块是可以添加的通信、传感器等模块,用于扩展平台功能;单片机用于控制机器人移动,并向可选模块提供通信接口;L298N是电机驱动,用于驱动电机运转;电机安装在机器人底盘上,转子上有轮子,可以带动机器人移动。
(二)单片机模块
单片机模块采用AVR的ATmega328p作为主控芯片,模块核心板包含14个数字输入输出引脚,其中6个可用于PWM输出,6个模拟输入引脚,一个16 MHz的晶体振荡器,一个USB接口,一个DC接口,一个ICSP接口和一个复位按钮。单片机模块工作在5V电压下,但可以接受5~20V的电源输入,主控芯片含有32KB Flash内存、2KB SRAM以及1KB EEPROM,完全满足电机控制功能。为了方便上位机的控制,单片机模块提供了串行通信接口,通过串口,上位机可以使用简单指令操作单片机模块控制电机运转。
(三)L298N模块
L298N是专用驱动集成电路,属于H桥集成电路,功率较强。其输出电流为2A,最高电流4A,最高工作电压50V,可以驱动感性负载,如大功率直流电机,步进电机,电磁阀等,特别是其输入端可以与单片机直接相联,从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时,可以直接控制步进电机,并可以实现电机正转与反转,实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。
L298N模块主要用于驱动两个直流电机,电路简单,控制方便。外接电源一般采用锂电池或干电池,输入电源大约在5V左右。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号,通过4个输入引脚可以控制两台电机正转或反转,并且拥有两个使能端控制两台电机的停转。因此,单片机可以通过IO口控制电机正反转,我们使用PWM引脚连接L298N控制端,可以通过PWM方式调节电机转动速度。
二、软件设计
(一)机器人小车移动
为了控制小车移动,我们编写了电机程序程序,根据电机正反转情况,编写了前、后、左、右、停止等5个子函数,分别用于控制小车前进、后退、左转、右转和停止。其次,程序可以根据输入参数的大小决定PWM的占空比,从而控制电机运转的速度。最后,程序通过接收串口命令来控制小车移动,若没有收到命令,则停止。
(二)通信协议
为了方便上位机控制单片机,从而控制机器人移动,我们编写了串口通信协议,通过串口命令可以简单地控制机器人移动。为了提高控制实时性,通信帧仅为1个字节。具体控制指令如表1所示。
本文设计的机器人小车实验平台,操作简单,价格实惠,扩展性强,适应电子、通信、物联网等专业使用。使用该平台上课后,学生可以通过小车进行比赛、改装、设计和创新。解决了单片机、通信、传感器、物联网等课程应用实践平台少、学生学习积极性不高等问题,值得推广。
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