兩種基于單片機(jī)的自動(dòng)小車設(shè)計(jì)

朱海星，方小坤，劉 錚

(揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)電子工程系，江蘇 揚(yáng)州225012)

方案一設(shè)計(jì)的自動(dòng)小車是受到參考文獻(xiàn)[1]的啟發(fā)，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。

原方案[1-2]采用兩塊單片機(jī)(AT89C51和AT89C2051)作為智能小車的檢測(cè)和控制核心，實(shí)現(xiàn)小車識(shí)別路線、判斷并自動(dòng)躲避障礙、選擇正確的行進(jìn)路線。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流電機(jī)，電機(jī)控制方式為單向PWM控制。電機(jī)控制核心采用AT89C2051單片機(jī)，控制系統(tǒng)與電路用光電耦合器完全隔離以避免干擾。

本設(shè)計(jì)采用一塊單片機(jī)（AT89S52）作為智能小車的檢測(cè)和控制核心，是一種分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，分為電機(jī)模塊、傳感器模塊和驅(qū)動(dòng)模塊三部份。小車模型采用5 V電池驅(qū)動(dòng)，通過改變PWM占空比調(diào)速。小車可以在不完全確定的道路環(huán)境下，通過自我判斷，對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，并做出相應(yīng)的反應(yīng)，如左拐彎、右拐彎和改變速度等，還可以自動(dòng)后退。目前用在機(jī)器人上的多為價(jià)格較貴的超聲波傳感器和紅外傳感器等，本設(shè)計(jì)采用價(jià)格便宜的反射式光電傳感器來完成對(duì)周圍環(huán)境的感知。

1 方案一的設(shè)計(jì)功能概述

1.1 設(shè)計(jì)概述

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)能自動(dòng)往返于起跑線與終點(diǎn)線間的小汽車。允許用玩具汽車改裝，但不能用人工遙控（包括有線和無線遙控）,如圖1所示。

圖1 小車運(yùn)行跑道

1.2 設(shè)計(jì)要求

(1)車輛從起跑線出發(fā)(出發(fā)前，車體不得超出起跑線)，到達(dá)終點(diǎn)線后停留 10 s，然后自動(dòng)返回起跑線（允許倒車返回）。往返一次的時(shí)間應(yīng)力求最短（從合上汽車電源開關(guān)開始計(jì)時(shí)）。

(2)到達(dá)終點(diǎn)線和返回起跑線時(shí)，停車位置離起跑線和終點(diǎn)線偏差應(yīng)最小 （以車輛中心點(diǎn)與終點(diǎn)線或起跑線中心線之間距離作為偏差的測(cè)量值）。

(3)D～E間為限速區(qū)，車輛要求以低速通過，通過時(shí)間不得少于8 s，但不允許在限速區(qū)內(nèi)停車。

(4)可以設(shè)計(jì)自動(dòng)記錄、顯示定時(shí)時(shí)間（記錄顯示裝置要求安裝在車上）。

(5)不允許在跑道內(nèi)外區(qū)域另外設(shè)置任何標(biāo)志或檢測(cè)裝置。

(6)車輛（含在車體上附加的任何裝置）外圍尺寸的限制：長度≤35 cm，寬度≤15 cm。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件總體邏輯設(shè)計(jì)

2.1.1 前輪H橋驅(qū)動(dòng)電路模塊

為順利實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小汽車的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，采用可逆PWM變換器?？赡鍼WM變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有H型、T型等類型。前輪控制電路為H橋驅(qū)動(dòng)電路。

(1)前輪控制電路的原理圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

(2)用Multisim8.0對(duì)電路進(jìn)行仿真，對(duì)電路的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。。

對(duì)左邊橋路輸入 Vp-p為 5 V,周期為1 ms,占空比為60%的電壓信號(hào),右邊橋路輸入低電平(接地)，所以Q1的B極是高電平，同時(shí)Q5對(duì)其C極提供反向電壓偏置，又因 E極為低電平，從而 Q1、Q2導(dǎo)通，左邊橋路工作；因Q4的B極是低電平，故其截止，右邊橋路不工作，經(jīng)過電路仿真，使電機(jī)正(反)轉(zhuǎn)。

變換電橋信號(hào)輸入,右邊橋路輸入Vp-p為5 V,周期為1 ms,占空比為60%的電壓信號(hào),左邊橋路輸入低電平(接地),其工作原理同上。在電機(jī)兩端產(chǎn)生電勢(shì)差,使電機(jī)反(正)轉(zhuǎn)。

2.1.2 后輪H橋驅(qū)動(dòng)電路模塊

(1)后輪控制電路的原理圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

(2)用Multisim8.0對(duì)電路進(jìn)行仿真，對(duì)電路的正確性進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試。

2.1.3 光電傳感器電路模塊

對(duì)于自動(dòng)尋跡傳感器，反射距離都在1 cm～2 cm左右，探測(cè)環(huán)境都在陰影之下，不易受到日光的干擾。因此，這兩種探測(cè)的傳感器都選用FS-359F反射紅外傳感器，048W型封裝。該封裝形狀規(guī)則，便于安裝。在使用約40 mA的發(fā)射電流、沒有強(qiáng)烈日光干擾(在有日光燈的房間里)探測(cè)距離能達(dá)8 cm，完全能滿足探測(cè)距離要求。

紅外反射光強(qiáng)法的測(cè)量原理是將發(fā)射信號(hào)經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā)射,光敏管接收調(diào)制的紅外信號(hào)。反射光強(qiáng)度的輸出信號(hào)電壓Vout是反射面與傳感器之間距離x的函數(shù)，設(shè)反射面物質(zhì)為同種物質(zhì)時(shí)，x與Vout的響應(yīng)曲線是非線性的[4]。如果設(shè)定電壓達(dá)到某一閾值時(shí)作為目標(biāo)，不同的目標(biāo)距離閾值電壓是不同的。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境

uVision2 IDE是一個(gè)基于Window的開發(fā)平臺(tái),包含一個(gè)高效的編輯器、一個(gè)項(xiàng)目管理器和一個(gè) MAKE工具。uVision2支持所有的 KEIL8051工具,包括C編譯器宏匯編器連接/定位器目標(biāo)代碼到HEX的轉(zhuǎn)換器。

單片機(jī)仿真器普遍支持C語言程序的調(diào)試，為單片機(jī)編程使用C語言提供了便利條件[6]。

3.2 程序流程圖

程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

4 方案二的設(shè)計(jì)

方案二設(shè)計(jì)的光電電動(dòng)小車能夠?qū)崟r(shí)顯示時(shí)間、速度、里程，具有自動(dòng)尋跡、避障功能，可程控行駛速度、準(zhǔn)確定位停車。

4.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

方案二同樣采用80C51單片機(jī)進(jìn)行智能控制。開始由手動(dòng)啟動(dòng)小車并復(fù)位，當(dāng)經(jīng)過規(guī)定的起始黑線，由超聲波傳感器和紅外光電傳感器檢測(cè)，通過單片機(jī)控制小車開始記數(shù)顯示并避障、調(diào)速；系統(tǒng)的自動(dòng)避障功能通過超聲波傳感器正前方檢測(cè)和紅外光電傳感器左右側(cè)檢測(cè)，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)；在電動(dòng)車行駛過程中，采用雙極式H型PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，以提高系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)性能；采用動(dòng)態(tài)共陰顯示行駛時(shí)間和里程。

4.2 主要分電路設(shè)計(jì)

4.2.1 調(diào)速電路

方案二也采用雙極式H型變換器，它是由4個(gè)三極電力晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。

4.2.2 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)，即利用各種傳感器對(duì)電動(dòng)車的避障、位置、行車狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。

由于紅外檢測(cè)具有反應(yīng)速度快、定位精度高、可靠性強(qiáng)以及可見光傳感器所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，故采用紅外光電碼盤測(cè)速方案。具體電路圖略。

4.3.顯示電路

本設(shè)計(jì)中用兩片4位八段數(shù)碼管gem4561ae作顯示器,并具有雙重功能,在小車不行駛時(shí)其中一片顯示年﹑月,另一片顯示時(shí)﹑分；當(dāng)小車行駛時(shí),分別顯示時(shí)間和行駛距離。

本設(shè)計(jì)中采用新型芯片EM78P458作為顯示驅(qū)動(dòng)器,用單片機(jī)的并行口控制,一個(gè)數(shù)碼顯示電路用4個(gè)口線,用專用驅(qū)動(dòng)芯片控制可以減少對(duì)CPU的利用時(shí)間,單片機(jī)將有更多的時(shí)間去完成其他功能。

4.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)說明

本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序、定時(shí)子程序、避障子程序﹑中斷子程序、顯示子程序﹑調(diào)速子程序﹑算法子程序構(gòu)成。

[1]黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)練教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[3]羅志增.機(jī)器人感覺與多信息融合[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.6

[4]羅志增.簡易紅外接近覺傳感器[M].北京：全國青年第三屆機(jī)器人學(xué)研討會(huì)論文集，1990

[5]張毅坤.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1998

[6]劉光斌.單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)用抗干擾技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2003.10

[7]許寶發(fā).實(shí)用電工計(jì)算手冊(cè)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1992.9