简述关于ATmegal28L的智能探测车的设计与实现

以AVR单片机ATmega128L为核心，提出了一种智慧探测小车的软硬件设计方案。系统可以预先设定小车的行走路线，能够实现小车与计算机之间的无线通讯，通过超声测物和红外测障电路使小车安全行走。另外，系统通过JTAG接口在线调试程序。软件设计中采用神经网络自学习，大大增强了小车

1 引言

智能探测车能根据任务及环境信息做出全局路径规划，可在行进中不断感知局部环境信息并做出决策，从而能够安全行驶并到达目标。本文以ATmegal28L单片机为核心介绍了一种智能探路车的设计雏形，该系统利用各种传感器获取周围环境信息，采用多传感器信息融合技术对接收到的信息进行处理与判断，从而自动绕开障碍物：能与计算机实现无线通讯;具有预先设定路线的功能;通过JTAG接口可以方便地在线调试程序或下载程序。

美国Atmel公司推出的ATmegal28L是基于AVR RISC的低功耗8位单片机，最高工作频率可达16 MHz，具有128 KB Flash内部存储器、4 KBEEPROM和4 KB SRAM数据存储空间，并且采用了JTAG技术。它具有很高的性价比，并有超低的功耗和丰富的片上外围资源，很适合作为移动设备的微控制器。

2 硬件结构

ATmegal28L内含128 KB写操作可读在系统可编程Flash、53个通用I/O口、32个通用工作寄存器、实时计数器（RTC）、4个具有比较模式和PWM的定时器/计数器、2个UART、2线（I2C）串行接口、一个带内部振荡器的可编程看门狗定时器、一个SPI口、一个符合IEEE Std的JTAG等。ATmegal28L主要

对超声波和红外传感器测得的信息进行处理，产生两路PWM信号来控制直流电机，通过I/O控制步进电机。同时，ATmegal28L引出JTAG接口进行在线调试程序或下载程序。另外。系统通过键盘与显示电路来实现人机对话;选用电机驱动器件1298N来驱动直流电机;超声波测物模块和红外避障测量模块用来获取环境信息；利用无线模块nRF401与：PC机端口的无线模块进行通讯。系统的路线设置功能主要由软件实现，硬件选取24C02用于存放路线。

2.1 键盘与显示电路

为了方便人机对话和功能选择，本系统设计了 5个按键和液晶显示模块。5个按键分别是：单片机复位按键，小车自动行走按键（接A15（PC7））、超声波测物按键（接A14（PC6））、无线发射按键（接A13（PC5））和小车设置路线按键（接A12（PC4））。

采用液晶模块LCM103显示按键的选择和执行结果。LCM103为10位多功能通用型8段式液晶显示模块，内置显示RAM，可显示任意字段笔划，3-4线串行接口，可与任何单片机接口。由于LCM130与MCU的工作电压相同，因此LCM103与MCU直接连接。其中WR直接与ATmegal28L的WR连接．DATA端与ATmegal28L的AD4（PA4）连接，CS与ATmegal28L的A12（PC4）连接。

2.2 JTAG接口电路

在设计系统中，引出ATmegal28L的JTAG接口进行在线编程和下载，以方便调试和程序更新。对AVR器件进行编程是由JTAG端口的TCK、TMS、TDI和TDO实现的。通过JTAG可以实现如下的编程功能：

（1）Flash编程及校验;

（2）EEPROM编程及校验;

（3）熔丝位编程及校验;

（4）锁定位编程及校验。

2.3 电机驱动电路

系统采用直流电机驱动两个前轮实现小车的前进、后退、左转、右转。ATmega128L具有2个带预分频器和比较模式的8位定时/计数器、2个扩充的带预分频器和比较/捕获模式的16位定时/计数器、2通道8位PWM、6通道2～16位精度：PWM。这里采用ATmegal281。的16位定时/计数器l来产生两路PWM信号，分别接1298N的EN A和EN B，用于控制两个电机的起停、转向及速度。它工作在相位和频率修正PWM模式下，该工作模式可以产生高精度、相位与频率都准确的PWM波形。通常用OCRnA作为TOP值。改变TOP值即可改变PWM信号的占空比，从而改变电机转速。

L1298N是SGS公司生产的恒压恒流桥式2 A驱动器件，内部包含4通道逻辑驱动电路。

系统采用了步进电机来控制超声波旋转平台的上下左右运动，驱动电路与此类似。

2.4 超声波测物电路和红外测障电路

系统采用一组超声波传感器和五组红外传感器感知环境信息。超声波通过一个可以上下左右旋转的平台安装在小车的正前方，用来测量物体的大小。在普通行车中，超声波传感器的用途和红外传感器一样。红外传感器分别安装在小车的左前方、右前方、左侧、右侧和后面。本系统利用ATmegal28I。产生40 kHz的脉冲信号，驱动发射电路发送超声波。红外传感器测量小车在五个方向的一定距离内（本系统为30 cm）是否有障碍物，辅助小车避开障碍物。

2.5 无线发射接收电路

本系统选用集成度较高的无线数据传输产品nRF401来实现PC与小车的无线通信。 nRF40l收发模块的主要特点：工作频段为433MHz;采用FSK调制，抗干扰能力强：频率稳定性好;灵敏度高，功耗小;具有多频段切换功能。

通过ATmega128L的PA5（AD5）控制PWR UP。当PWR-UP=“l”时，表示进入正常工作模式：当PWR-UP=“0”时，表示进入接收待机模式。PANAD6） CS=“1”时，表示中心频率为434.32 MHz，当CS=“0”时，表示中心频率为433.92 MHz。PA7 （AD7）控制nRF40l的TXEN端，当TXEN=“1”时，表示进入发送模式，当TXEN=“0”时，表示进入接收模式。数据输入端DIN与ATmegal28L的PEO（RXD0）相连。数据输出端DOUT与ATmegal28L的PEl（TXD0）相接。

2.6 充电电路

由于电机启动时瞬间电流很大，且PWM驱动的电动机电流波动较大，导致车载电源电压不稳，从而影响其他电路的正常工作，所以系统采用双电源供电的方法。将电机驱动电源与单片机及传感器电源完全隔离开来，利用耦合器进行连接。

3 软件设计

系统软件的主要功能是：能够根据传感器信息正确避开障碍物：小车与PC的无线通信;预先设定路线;测量物体的大小。为了提高小车避障的智能性，软件设计采用了神经网络自学习。软件设计的重点在于小车的神经网络训练程序和小车与PC机的无线通讯程序。

3.1 神经网络训练程序

BP神经网络应用广泛，具有较好的分类和记忆功能，同时有很强的容错性和鲁棒性。采用两层前向BP网络实现多传感器信息的融合，输入层有6个节点（分别对应6组传感器。其中超声波传感器测得距离在30 cm之内记为1），输出层有4个节点（前进F、左转L、右转R、后退B）。

样本确立后，需要进行网络训练。网络训练就是对网络的连接权系数进行学习和调整，使该网络实现给定的输入输出映射关系。权系数修改按照式

（1）进行：

uij（t+1）=uij（t）+λ［dj（t）-yj（t）xi（t）+α△uij（t-1） （1）

式中：λ表示学习速率（取0.3）;α表示学习动量（取0.3）;dj（t）和yj（t）分别表示j单元在t时刻的目标输出和实际输出;xi（t）表示单元i在t时刻的输入；△uij（t-1）表示前一次迭代中;；单元i和J连接权系数更新增量。

BP网络算法采用C语言编程，训练好的网络权系数存放于Flash内存之中。采用的是离线训练方式。

3.2 小车与PC机的无线通讯程序

PC机在小车行驶过程中可以通过无线通讯对小车进行控制。

4 结束语

本文讨论了基于ATmega128L的智能探测车的设计思路，对系统中的各个模块接口作了简要描述，利用神经网络来增强小车的智能性，并提出了系统软件的总体设计思想。该电路各部分功能模块化，易于调试，并且容易扩展其他功能。本设计的应用前景广阔，可用于肮脏、危险等不适宜人类工作或者是人类难以到达的环境，可作为特殊应用器材的载体工具，为无线检测、信息传输及远距离控制技术提供了一个很好的应用平台。

编辑：jq