基于AT89S52芯片的簡易智能小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張大為，劉 迪，趙亞范

（1.海軍航空工程學(xué)院 控制工程系，山東 煙臺 264001；2.海軍航空工程學(xué)院 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部，山東 煙臺 264001）

目前，國內(nèi)外在智能機(jī)器的研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定成果，并且開始在生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。智能機(jī)器是具有簡單智能的自動機(jī)器，用智能機(jī)器代替人的工作有很多優(yōu)點(diǎn)。智能機(jī)器不僅可以自動完成任務(wù)，而且與人相比它的動作準(zhǔn)確可靠、精度高、無疲勞感，在高精度、高強(qiáng)度的工作場所是代替人類勞動的首選機(jī)器[1]。尤其在強(qiáng)輻射、嚴(yán)重污染和高溫、高寒、高壓等環(huán)境下可以用智能機(jī)器代替人類工作，完成各種危險(xiǎn)復(fù)雜的任務(wù)。智能機(jī)器在我們的生活中有著越來越重要的作用。在特定的領(lǐng)域和場所智能機(jī)器代替人的工作甚至可以做得比人好。

隨著生產(chǎn)的發(fā)展和生活水平的提高，要求我們加大對智能機(jī)器的研究。因此，加大對智能機(jī)器的研制開發(fā)非常重要。在智能機(jī)器中智能汽車又是一個重要的分支。我們設(shè)計(jì)制作的簡易智能小車是智能機(jī)器的簡化模型，是智能機(jī)器的初級階段，對以后深入研究智能機(jī)器會有一定的幫助。

簡易智能小車的設(shè)計(jì)目的是使小車具有簡單智能，可以完成自動尋跡、測量路程、檢測金屬、躲避障礙物、計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)、報(bào)警等任務(wù)。小車硬件組成分為驅(qū)動轉(zhuǎn)向模塊、信號采集模塊和報(bào)警顯示模塊3部分。驅(qū)動轉(zhuǎn)向模塊主要解決小車動力部份的問題，包括電源、電機(jī)、轉(zhuǎn)向方式等。信號采集模塊主要完成采集信號的任務(wù)，主要解決各種傳感器的制作和使用問題。報(bào)警和顯示模塊主要解決聲光報(bào)警和顯示的問題[2]。系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，單片機(jī)采集傳感器信號，再根據(jù)信號變化對執(zhí)行器輸出相應(yīng)的控制信號對小車進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

1 總體功能框圖

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求及功能實(shí)現(xiàn)的分析，畫出系統(tǒng)的總體功能框圖，框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)可分為幾個基本的模塊，根據(jù)不同的模塊選擇相應(yīng)的器件，實(shí)現(xiàn)模塊的基本功能?？刂菩酒捎肁T89S52單片機(jī)。AT89S52單片機(jī)是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 k系統(tǒng)可編程存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容[3]。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。AT89S52有5個中斷源和3個定時(shí)計(jì)數(shù)器。

圖1 系統(tǒng)的總體功能框圖Fig.1 Block diagram of system overall function

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

小車從起跑線出發(fā)能夠沿引導(dǎo)線駛過直線區(qū)，再經(jīng)過彎道區(qū)到達(dá)5 s停車點(diǎn)。停車5 s之后在光源的引導(dǎo)下穿過障礙區(qū)駛?cè)胲噹?。整個行程用時(shí)不得超過90 s，當(dāng)行駛時(shí)間達(dá)到90 s時(shí)不論行駛到何處都要馬上停車。而且，在直線區(qū)的白紙下面放置了1～3塊寬度為15 cm、長度不等的鐵片。要求小車經(jīng)過時(shí)必需檢測到鐵片，發(fā)出聲光報(bào)警并顯示鐵片中心到起跑線的距離[4]。電動車經(jīng)直線區(qū)、彎道區(qū)到達(dá)5 s停車點(diǎn)（停車點(diǎn)下埋有邊長為15 cm的正方形薄鐵片）停車5 s鐘。再次起動時(shí)要求小車以光源為前進(jìn)方向，穿過障礙區(qū)順利駛?cè)胲噹臁?/p>

3 驅(qū)動轉(zhuǎn)向模塊

采用直流電動機(jī)作為轉(zhuǎn)向電動機(jī)，通過電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制轉(zhuǎn)動方向。這種設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠，成本低，易于實(shí)現(xiàn)控制，但轉(zhuǎn)向角度不可調(diào)，每一次調(diào)整都是以最大的調(diào)整角度進(jìn)行的，所以小車總處于調(diào)節(jié)方向的狀態(tài)，左右不停地轉(zhuǎn)向。左右不停的轉(zhuǎn)動在快速前進(jìn)的時(shí)候就容易導(dǎo)致調(diào)節(jié)不及時(shí)和振蕩劇烈，但是如果適當(dāng)降低車速可以得到滿意的調(diào)節(jié)效果。構(gòu)成H橋電路可以用達(dá)林頓管，也可以用繼電器。如果使用達(dá)林頓管工作頻率可以很高，工作電流不能很高，另外要采用必要的光電隔離，否則很容易對單片機(jī)產(chǎn)生干擾[5]。如果使用繼電器那么工作的頻率將受到限制，工作電流與控制端無關(guān)。繼電器的另一特點(diǎn)是自身實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)電、弱電的隔離，有利于防止干擾提高電路穩(wěn)定性。

繼電器1和繼電器2的控制端分別為P3.1和P3.2。如果控制端都為低電平時(shí)，繼電器1、繼電器2的開關(guān)k1、k2都為常閉狀態(tài)，都與電源負(fù)極接通。電動機(jī)自身形成閉合回路，無電流通過，電機(jī)不轉(zhuǎn)動。如果控制端P3.1為高電平，P3.2為低電平。繼電器1的開關(guān)k1動作，與電源正極相連。繼電器2的開關(guān)k2為常閉狀態(tài)，接通電源負(fù)極。電動機(jī)有正向電流通過，正向轉(zhuǎn)動，帶動小車前輪左轉(zhuǎn)。如果控制端P3.1為低電平，P3.2為高電平。繼電器1的開關(guān)k1為常閉狀態(tài)，接通電源負(fù)極。繼電器2的開關(guān)k2動作，與電源正極相連。電動機(jī)有反向電流通過，反向轉(zhuǎn)動，帶動小車前輪右轉(zhuǎn)。如果控制端P3.1和P3.2都為高電平。繼電器1、2的開關(guān)k1、k2都與電源正極相連，電動機(jī)形成閉合回路，無電流通過，電機(jī)不轉(zhuǎn)動。整個過程如圖2所示。

4 金屬檢測模塊

圖2 轉(zhuǎn)向電機(jī)電路圖Fig.2 Circuit diagram of steering motor

當(dāng)小車行進(jìn)到軌跡的盡頭時(shí)，要轉(zhuǎn)入避障狀態(tài)，就需要檢測到終點(diǎn)，由控制器發(fā)出指令，進(jìn)入相應(yīng)的程序。采用檢測金屬片的方法。只要在運(yùn)行軌跡的終點(diǎn)放置一塊鐵片，再用金屬傳感器檢測金屬片就可以了，電路簡單，不會占用很多CPU資源?？紤]到金屬一般都是導(dǎo)體，根據(jù)電磁場理論可知，在受到變化的電磁場作用的任何導(dǎo)體，都會產(chǎn)生電渦流[6]。電感式接近開關(guān)由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，金屬物體接近傳感器的振蕩感應(yīng)頭時(shí)，物體內(nèi)部產(chǎn)生電渦流，當(dāng)電渦流作用于接近開關(guān)時(shí)，接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進(jìn)而控制開關(guān)的通和斷，并以電信號脈沖的形式送入單片機(jī)。電感式接近開關(guān)內(nèi)部工作原理圖如圖3所示。

圖3 電感式接近開關(guān)內(nèi)部工作原理圖Fig.3 Internal operating principle diagram of inductive proximity switch

5 報(bào)警顯示模塊

當(dāng)小車檢測到金屬由循跡程序進(jìn)入到避障程序及由避障程序進(jìn)入到遙控程序時(shí)均會發(fā)出聲音報(bào)警，通常選擇蜂鳴器作為聲音報(bào)警器件。蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型，在電路中用字母“H”或“HA”表示。壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成。當(dāng)接通電源后 （1.5～15 V直流工作電壓），多諧振蕩器起振，輸出1.5～2.5 kHz的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵 、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲。壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器又分別有源型和無源型兩種。有源蜂鳴器內(nèi)部自帶振蕩源，電路接通后便會發(fā)出聲音；無源蜂鳴器需要外部輸入脈沖的驅(qū)動下才能夠發(fā)出聲音，且聲音隨脈沖頻率的不同而改變，通過輸入特定頻率的脈沖可以彈奏出美妙的音樂[7]。系統(tǒng)只需要發(fā)出聲音報(bào)警即可，故選用有源蜂鳴器。

在小車行進(jìn)時(shí)，需要顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)，顯示裝置就必不可少了。采用點(diǎn)陣型LCD顯示。點(diǎn)陣型LCD功能強(qiáng)大，顯示信息量大，可以保證良好的用戶模式。它具有顯示質(zhì)量高、體積小、重量輕、功耗低、無輻射危險(xiǎn)、平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，且可視面積大，圖面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)。

6 智能小車總體程序流程的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)流程時(shí)，充分考慮到小車的各種傳感器的合理搭配，相互協(xié)調(diào)，互相配合，使小車運(yùn)行平緩，通過對繼電器組成的H橋電路的控制來完成小車后輪的驅(qū)動和前輪轉(zhuǎn)向，在設(shè)定的路面環(huán)境下，使小車能夠不超調(diào)嚴(yán)重。檢測鐵片和障礙物通過兩個外部中斷來完成，判斷B點(diǎn)是采用內(nèi)部定時(shí)器來完成的，對小車的路面較正是通過T2計(jì)時(shí)器產(chǎn)生的中斷子程序完成。其流程圖如圖4所示。在小車啟動以后，同時(shí)啟動計(jì)數(shù)器和計(jì)時(shí)器，對小車進(jìn)行計(jì)時(shí)并對小車后輪的傳感器檢測到的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)打開兩個外部中斷和定時(shí)器的中斷，完成初始化。接下來查詢標(biāo)志位的狀態(tài)，如果檢測到鐵片則產(chǎn)生外部中斷，調(diào)用中斷子程序，完成鐵片的計(jì)數(shù)同時(shí)置位標(biāo)志位，進(jìn)入路程計(jì)算程序并調(diào)用BCD碼和聲光顯示。如果T1沒有中斷則繼續(xù)循環(huán)查詢，否則進(jìn)入第二部分查詢，和第一部分不同的是這次再檢測到鐵片時(shí)小車要執(zhí)行的是停車5 s鐘再啟動。再去查詢光源的狀態(tài)，調(diào)用尋光子程序。當(dāng)再次發(fā)生中斷時(shí)CPU首先判斷是障礙物產(chǎn)生的中斷還是車庫產(chǎn)生的中斷，如果是障礙物產(chǎn)生的中斷就調(diào)用避開障礙物的子程序，如果是車庫則停車。小車完成題目設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié) 論

小車的各項(xiàng)行駛指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求：轉(zhuǎn)彎靈敏，速度控制靈活。紅外傳感器[8]判斷黑線準(zhǔn)確干擾小。檢測金屬及時(shí)準(zhǔn)確。路程測量誤差小，顯示清楚穩(wěn)定，亮度高。尋找光源準(zhǔn)確靈敏，作用距離遠(yuǎn)。能夠發(fā)現(xiàn)并躲避障礙物。停車位置符合要求，行駛?cè)逃脮r(shí)小于90 s。各個模塊在性能測試中工作良好，證明了選定方案是可行的。通過對改進(jìn)前后的方案進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)是必要的，合理的，改進(jìn)效果是顯著的。在硬件上，使用了很多開關(guān)式傳感器，避免了A/D轉(zhuǎn)換的復(fù)雜性。用繼電器代替達(dá)林頓管則解決了電機(jī)驅(qū)動的效率問題。用兩個受光管代替可變電阻與受光管的組合提高了傳感器的適應(yīng)能力。AT89S52單片機(jī)芯片運(yùn)行平穩(wěn)，抗干擾能力強(qiáng)。控制小車轉(zhuǎn)動方向的前輪轉(zhuǎn)動方向上，如采用步進(jìn)電機(jī)控制可更精確?？傮w能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖4 程序流程圖Fig.4 Flow chart of program

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