基于紅外反射式智能循跡遙控小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尹 杰 ， 楊宗帥， 聶 海 ， 王海峰

（成都信息工程學(xué)院 通 信工程學(xué)院， 四川 成 都 6 10225）

隨著城鎮(zhèn)化，軌道交通及智慧城市的深入推進(jìn)，關(guān)于智能汽車(chē)的研究也就越來(lái)越受到各國(guó)政府的關(guān)注。全國(guó)電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車(chē)這方面的題目。全國(guó)各高校也都很重視該領(lǐng)域的研究[1-2]。智能小車(chē)是指可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一定的環(huán)境里自動(dòng)行駛。它集中地運(yùn)用了微控制器、傳感器信息處理及自動(dòng)控制等技術(shù)?？蓮V泛應(yīng)用于科學(xué)勘探，工業(yè)控制和家用電器等領(lǐng)域[3]。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)

智能小車(chē)的整體結(jié)構(gòu)由光敏傳感器模塊TCRT5000、微處理器模塊 STC89C52、紅外遙控 HX1838、輸出驅(qū)動(dòng)模塊L298N、液晶1602顯示模塊及串口下載模塊構(gòu)成如圖1所示。

圖1 智能循跡小車(chē)整體框圖Fig.1 Intelligent tracking the car overall block diagram

智能循跡部分是基于紅外反射式光電傳感器的尋跡原理，采用STC89C52單片機(jī)為核心控制單元，控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)小車(chē)按預(yù)定軌道平穩(wěn)行駛。紅外遙控部分是手動(dòng)模式，單片機(jī)解碼遙控器發(fā)出的指令，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制小車(chē)行進(jìn)路線(xiàn)[4-6]。

1.2 傳感器模塊設(shè)計(jì)

TCRT5000傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線(xiàn)，當(dāng)發(fā)射出的紅外線(xiàn)沒(méi)有被反射回來(lái)或反射回來(lái)但強(qiáng)度不夠大時(shí)，光敏三極管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，比較器負(fù)端相當(dāng)于接地，比較器輸出端為高電平，指示二極管被點(diǎn)亮；被檢測(cè)物體出現(xiàn)在檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，紅外線(xiàn)反射回來(lái)且強(qiáng)度足夠大，光敏三極管飽和，比較器負(fù)端為高電平，比較器輸出端為低電平，指示二極管一直處于熄滅狀態(tài)。傳感器模塊電路如圖2所示。

圖2中，采用了4個(gè)CTRT5000傳感器，運(yùn)放LM423做比較器處理傳感器采集到的路面信息，并傳遞給單片機(jī)?？烧{(diào)電阻RV2可以調(diào)節(jié)比較器的門(mén)限電壓，使輸出波形可以直接夠單片機(jī)查詢(xún)使用。

智能小車(chē)傳感器的布局方式有多種[7]，這里采用一字型非均勻?qū)ΨQ(chēng)布局。均勻排布型不利于對(duì)彎道信息采集的準(zhǔn)確性?？紤]到弧度信息采集的連貫性，非均勻排布采用等角原則，即在直線(xiàn)垂直上方處某點(diǎn)等角的引射線(xiàn)與直線(xiàn)的交點(diǎn)即傳感器的分布點(diǎn)，此種方法檢測(cè)連貫簡(jiǎn)單，程序控制算法簡(jiǎn)單，使小車(chē)控制穩(wěn)定[7]。

圖2 傳感器模塊電路Fig.2 Sensor module circuit

1.3 處理器模塊設(shè)計(jì)

微處理器完成對(duì)各個(gè)模塊的管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍模塊的信號(hào)發(fā)送，以及對(duì)傳感器模塊的信號(hào)采集，并根據(jù)軟件算法對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行處理，發(fā)送信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行模塊進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行，還對(duì)各種突發(fā)事件進(jìn)行監(jiān)控和處理，保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)作。這里采用STC89C52。該單片機(jī)是兼容8051內(nèi)核的低電壓。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器。具有8k在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。在單芯片上擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8 k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線(xiàn)，看門(mén)狗定時(shí)器，內(nèi)置4 KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專(zhuān)用編程器，如圖4所示[8-10]。

單片機(jī)P3.3引腳負(fù)責(zé)接收紅外遙控HX1383指令，選擇工作模式（智能循跡模式或手動(dòng)模式），P1.0～P1.3引腳采集傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)處理后由P0口輸出到液晶屏1602顯示，由于P0口內(nèi)無(wú)上拉電阻，需在外面接上拉電阻。P3.4～P3.7引腳傳遞指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制小車(chē)運(yùn)行軌跡。

1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)效率、降低功耗，功放驅(qū)動(dòng)電路采用基于雙極型H橋型脈寬調(diào)制方式（PWM）的集成電路L298N。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含二個(gè)H橋的高電壓大電流橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46伏、2安培以下的電機(jī)，工作溫度范圍從-25度到130度。EnA和EnB是控制使能端，EnA控制OUTl和OUT2之間電機(jī)的停轉(zhuǎn)，由EnB控制OUT3和OUT4之間電機(jī)的停轉(zhuǎn)，根據(jù)IN3、IN4腳的輸入電平情況控制OUT3和OUT4之間電機(jī)的轉(zhuǎn)向。表1是其使能引腳，輸入引腳和輸出引腳之間的邏輯關(guān)系。

圖3 單片機(jī)模塊電路Fig.3 MCU module circuit

表1 L298N輸入和輸出引腳的邏輯關(guān)系Tab.1 L298N logical relationship of input and output pin

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖4所示。

在硬件電路的連接上，單片機(jī)的P3.7～P3.4引腳分別接到L298N的IN1～I(xiàn)N4上，通過(guò)改變P3.7～P3.4引腳上的高低電平以控制小車(chē)的行進(jìn)軌跡，通過(guò)改變P3.7～P3.4引腳上的高低電平占空比以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。EnA和EnB接電源，使使能端有效。為保證L298N驅(qū)動(dòng)芯片正常工作，還要在其與直流電機(jī)之間加入四對(duì)續(xù)流二極管用以將電機(jī)中反向電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電流分流到地或電源正極，以免反向電動(dòng)勢(shì)對(duì)L298N產(chǎn)生損害。電容C0和C7是濾波電容，減少外界干擾，使電機(jī)穩(wěn)定工作。C4和C5是電源退耦電容[9-10]。

1.5 顯示模塊和串口模塊設(shè)計(jì)

顯示模塊由液晶1602承擔(dān)，與單片機(jī)P0口相連。

串聯(lián)模塊采用芯片MAX232，把PC機(jī)程序數(shù)據(jù)下載到單片機(jī)中，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[11]。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 功能及算法分析

根據(jù)液晶屏顯示信息，選擇智能循跡模式，還是手動(dòng)操作模式。若選擇智能循跡模式，單片機(jī)自動(dòng)處理傳感器傳送的路面識(shí)別信號(hào)，控制小車(chē)的行走狀態(tài)。手動(dòng)模式由紅外遙控器控制。小車(chē)系統(tǒng)的軟件使用C51編程[12]。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路Fig.4 Motor driver module circuit

根據(jù)傳感器的電平信息進(jìn)行編碼，單片機(jī)根據(jù)編碼可將小車(chē)運(yùn)行狀態(tài)分為3種情況，見(jiàn)表2?？刂齐姍C(jī)的電平信號(hào)由單片機(jī)P3口高四位輸出到L298N，進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。

表2 小車(chē)運(yùn)行狀態(tài)編碼Tab.2 Code of the car running status

手動(dòng)模式小車(chē)運(yùn)行狀態(tài)見(jiàn)表3。

表3 手動(dòng)模式小車(chē)運(yùn)行狀態(tài)Tab.3 Mannul mode of the car running status

2.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序由延時(shí)程序、電機(jī)動(dòng)作控制程序、傳感器掃描程序和主程序構(gòu)成，篇幅限制，需要程序可發(fā)郵件。 程序流程圖如圖5所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

論文采用STC89C52、L298N和TCRT5000實(shí)現(xiàn)了智能循跡和紅外遙控小車(chē)的設(shè)計(jì)。以紅外反射式光電傳感器的尋跡原理，采用STC89C52單片機(jī)為核心控制單元，控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)小車(chē)按預(yù)定軌道平穩(wěn)行駛。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)小車(chē)沿給定的黑線(xiàn)快速平穩(wěn)行駛和手動(dòng)遙控操作。顯示模塊的設(shè)計(jì)，操作更加簡(jiǎn)單、智能、人性化。

圖5 小車(chē)系統(tǒng)軟件流程Fig.5 Car flow chart of system software

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