智能小車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱梅梅

摘要：本項(xiàng)目以增強(qiáng)型51芯片STC12C5A60S2為主控芯片，配合直流電機(jī)，灰度傳感器，紅外接近開關(guān)等器件構(gòu)成智能小車。該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)PWM波的輸出可實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)向，加速，減速等操作，可精準(zhǔn)地完成小車沿邊界線行走，在標(biāo)志線處轉(zhuǎn)彎和在超速區(qū)加速等功能。

關(guān)鍵詞：主控芯片；智能小車；邊界線行走；標(biāo)志線處轉(zhuǎn)彎；超速區(qū)加速

中圖分類號(hào)：TP313文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2012)21-5192-04

Design and Implementation of the Smart Car

ZHU Mei-mei

(Jiangsu Vocational and Technical College of Finance & Economics,Huaian 223003,China)

Abstract: This project enhanced 51-chip STC12C5A60S2 constitute a Smart car for the main chip, with the DC motor, gray-scale sen sors, infrared proximity switches and other devices. The system adjusts the PWM wave output can be realized the car forward, backward, turning, acceleration, deceleration operation, the car along the border boundary can be accurately completed to walk in the flag line at the turn and accelerate in the speeding District functions.

Key words: master chip; smart car; boundary line to walk; flag line at the turn; speeding district acceleration

1系統(tǒng)方案與論證

本系統(tǒng)主要由微控制器模塊，電機(jī)模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電源模塊，邊界檢測(cè)模塊和標(biāo)志檢測(cè)模塊組成。為了更好地實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，分別設(shè)計(jì)了幾種方案并進(jìn)行了論證。

1.1微控制器的論證與選擇

方案一：采用可編程邏輯器件FPGA作為微控制器，F(xiàn)PGA可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的功能，規(guī)模大，密度高，體積小，穩(wěn)定性高，IO資源豐富，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。FPGA處理速度很快，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心，但本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高，考慮性價(jià)比因素，最終放棄了此因素。

方案二：采用STC公司STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制器，STC12C5A60S2是高速，低功耗，高性能的增強(qiáng)型51單片機(jī)，片內(nèi)含60K的flash，1280B的SRAM，帶有片內(nèi)AD，獨(dú)立的波特率發(fā)生器以及PCA定時(shí)器可方便地產(chǎn)生PWM波。

綜合考慮采用方案二。

1.2電機(jī)模塊的論證與選擇

方案一：采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為不連續(xù)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的機(jī)電裝置，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)，故步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停的能力，轉(zhuǎn)動(dòng)精度高，正反轉(zhuǎn)控制靈活。

方案二：采用普通的直流電機(jī)，直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊過載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)，制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。直流電機(jī)更易于購(gòu)買，并且電路相對(duì)簡(jiǎn)單。

綜合考慮采用方案二。

1.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的論證與選擇

方案一：用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，分立元件夠成驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在實(shí)際中應(yīng)用廣泛，但這種電路性能不夠穩(wěn)定。

方案二：采用專用芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端，用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作簡(jiǎn)便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。

綜合考慮采用方案二。

1.4電源模塊的論證與選擇

方案一：采用蓄電池供電，蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力，以及穩(wěn)定的電壓輸出性能，但是蓄電池體積過于強(qiáng)大，在小型電動(dòng)車上使用極為不方便。

方案二：采用可充電鎳氫電池，直接對(duì)電機(jī)供電，通過7805轉(zhuǎn)換成+5V后給單片機(jī)供電，此種電池工作后單片機(jī)和傳感器工作穩(wěn)定，直流電機(jī)不受影響，且電池體積小，能夠滿足系統(tǒng)的要求。

綜合考慮采用方案二。

1.5邊界檢測(cè)模塊的論證與選擇

方案一：根據(jù)題目要求，小車場(chǎng)地高出了地面，為了防止小車掉離場(chǎng)地，需要對(duì)場(chǎng)地邊界進(jìn)行檢測(cè)。由于場(chǎng)地邊界由黑膠帶圍繞，可以用灰度傳感器檢測(cè)邊界?；叶葌鞲衅鞲鶕?jù)不同顏色對(duì)光的反射強(qiáng)度不一樣來(lái)判斷木板與黑膠帶的區(qū)別。

方案二：采用紅外接近開關(guān)來(lái)檢測(cè)邊界，紅外接近開關(guān)對(duì)目標(biāo)物發(fā)出紅外光，當(dāng)目標(biāo)物在一定距離之內(nèi)時(shí)，接近開關(guān)才有感知，輸出信號(hào)，否則接近開關(guān)沒有信號(hào)輸出，從而達(dá)到開關(guān)的功能，用紅外接近開關(guān)可以有效地檢測(cè)處高出地面的邊界，使用方便。

綜合考慮采用方案二。

1.6標(biāo)志檢測(cè)模塊的論證與選擇

方案一：根據(jù)題意，在起始點(diǎn)，終點(diǎn)，轉(zhuǎn)彎處都貼有黑膠帶提醒小車轉(zhuǎn)彎或加速，灰度傳感器根據(jù)不同顏色對(duì)光的反射強(qiáng)度不一樣來(lái)判斷木板與黑膠帶的區(qū)別，所以灰度傳感器對(duì)檢測(cè)黑膠帶最為合適，采用此方案。

綜上所述：本作品選用STC12C5A60S2作為主控制芯片，選用L298N來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，邊界檢測(cè)和標(biāo)志檢測(cè)采用紅外接近開關(guān)和灰度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，兩車之間通過NRF24L01無(wú)線通信模塊進(jìn)行通信，整個(gè)系統(tǒng)用可充電鎳氫電池來(lái)供電。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體框圖

圖1系統(tǒng)總體框圖

2.2主控制器電路的設(shè)計(jì)

2.2.1主控制器最小系統(tǒng)圖

2.2.2 STC12C5A60S2單片機(jī)簡(jiǎn)介

STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S，即25萬(wàn)次/秒)，針對(duì)電機(jī)控制，抗干擾場(chǎng)合。

2.2.3 STC12C5A60S2單片機(jī)的主要性能

1）增強(qiáng)型8051CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；

2）用戶應(yīng)用程序空間為60K，片上集成1280字節(jié)的RAM；

3）看門狗；

4）共4個(gè)16位定時(shí)器，兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,16位定時(shí)器T0和T1，沒有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器,再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器；

5）PWM(2路)/PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列,2路），可用來(lái)當(dāng)2路D/A使用，也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器，也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn)2個(gè)外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持)；

6）A/D轉(zhuǎn)換,10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S(每秒鐘25萬(wàn)次)；

2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

2.3.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

圖3電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

2.3.2 L298N介紹及電路工作原理

L298N是專門用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的芯片，內(nèi)部集成了一個(gè)H橋電路和保護(hù)電路，連接時(shí)第1、29、30腳必須通過10K電阻接地。第8腳必須接地。11、12或27、18任意接一組電源就可以。在連接、測(cè)試時(shí)千萬(wàn)不要用手去接觸MMC的任何引腳，否則輸出不了信號(hào)。一旦過流保護(hù)被啟動(dòng)，芯片必須重新上電后才可恢復(fù)正常工作，如果用手去碰MMC的第1、29、30腳則過流保護(hù)立即啟動(dòng)。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1主程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)復(fù)位后，首先開始初始化工作，初始化定時(shí)器1以產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘，初始化PCA定時(shí)器，以產(chǎn)生PWM波，初始化片內(nèi)ADC，以便傳感器采集數(shù)據(jù)。小車的行駛區(qū)域分為兩種：非超車區(qū)和超車區(qū)，小車的身份又分為：超車和被超車。系統(tǒng)主程序框圖如圖4所示：

主程序代碼如下：

void SystemInit()

{jiffies=0;delay_time=0;

oflag=0;lcount=0;

time1_init();//定時(shí)器1初始化

ADC_init(ADC0|ADC1|ADC2|

ADC5|ADC6|ADC7); //片內(nèi)ADC初始化

pwm_init();//PCA定時(shí)器初始化}

void APP_fun()

{Fcar=0;Scar=!Fcar;

Dir=RIGHT;

while(1)

{ triside(200);//非超速區(qū)處理函數(shù)

Overtake(200);//超速區(qū)處理函數(shù)

Scar=!Fcar;//切換小車身份

Dir=RIGHT;oflag=0;}}

void main()

{SystemInit();APP_fun(); }

3.2非超車區(qū)程序設(shè)計(jì)

由于小車初始位于非超車區(qū)，我們需要小車在非超車區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)正常行駛和轉(zhuǎn)速的功能，并且通過計(jì)算遇到的黑線數(shù)目實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小車是否已經(jīng)進(jìn)入超車區(qū)。

非超車區(qū)代碼如下：

void triside(uchar speed)

{lcount=0;

while(!isOvertake()//檢測(cè)是否到達(dá)超車區(qū)

{while(!isLine())//檢測(cè)是否有黑線

{RelySw(Dir,speed);}

while(isLine());lcount=lcount<<1 | 0x01; }/遇到的總黑線條數(shù)加1

lcount=0;}

3.3超車區(qū)程序設(shè)計(jì)

在超車區(qū)每個(gè)小車輪流扮演兩種角色：超車和被超車。超車在檢測(cè)到超車區(qū)標(biāo)記后左轉(zhuǎn)進(jìn)入超車區(qū)，然后向前走一條反射線后出超車區(qū)。被超車檢測(cè)到超車區(qū)標(biāo)記后先左轉(zhuǎn)，然后減速沿邊界向前走，直至離開超車區(qū)。

超車區(qū)代碼如下：

void Overtake(uchar speed)

{

if(Fcar) //被超車

{curr=jiffies;

while(curr+550>jiffies)

{RelySw(RIGHT,speed); }//沿右邊轉(zhuǎn)

while(!isLine())

RelySw(RIGHT,speed/3);//沿右邊減速行駛

Fcar=0;

return ;}

else //超車

{ InOvertake(speed);//轉(zhuǎn)彎

GoForward(speed); //直走

while(!isEdge_L())

是否到達(dá)左邊邊界

GoForward(speed);

while(!isEdge_R())

//檢測(cè)到黑虛線

RelySw(LEFT,speed);

GoForward(speed);

while(isEdge_R());

//越過虛線

while(!isEdge_R())

GoForward(speed);

RelySw(RIGHT,speed);

//沿右邊緣到達(dá)終點(diǎn)

Fcar=1;

return ;}}

4結(jié)論

經(jīng)測(cè)試，甲乙兩車完成一次超車的時(shí)間約為57s。

本智能小車以STC12CSA60S2為主控芯片，配合灰度傳感器和紅外接近開關(guān)，可以沿車到平滑地繞走一圈，并靈活地實(shí)現(xiàn)超車。

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