基于单片机的机器人小车实验平台设计

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。

参考文献：

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