基于STC89C52RC單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì)

【摘要】系統(tǒng)采用兩片STC89C52RC單片機(jī)為核心控制器，結(jié)合紅外收發(fā)對(duì)管、光電傳感開關(guān)等模塊，完成了履帶式電動(dòng)小車在賽道內(nèi)安全行進(jìn)、后車在規(guī)定區(qū)域超前車等功能。單片機(jī)通過檢測(cè)四個(gè)紅外光電收發(fā)器和安裝在車前后部的光電傳感開關(guān)，從而控制左右兩個(gè)電機(jī)來控制小車的行進(jìn)。光電傳感器可以保證兩個(gè)小車在行進(jìn)時(shí)保證距離差一定，從而可以以固定模式進(jìn)行超車。同時(shí)小車可在邊緣黑膠布線內(nèi)安全行駛而且不會(huì)發(fā)生碰撞。設(shè)計(jì)中，在超車區(qū)域兩輛小車通過光電傳感器進(jìn)行通信，其中車前部和后部不同位置的光電傳感器，都是保證快車與慢車的距離差保證一定距離的設(shè)計(jì)，可將兩小車行使間距固定，從而使多次超車更加容易控制。

【關(guān)鍵詞】STC89C52RC；智能小車；超車；紅外收發(fā)管；光電傳感器

一、系統(tǒng)方案

1.1 功能與要求

1.1.1 功能

甲車車頭緊靠起點(diǎn)標(biāo)志線，乙車車尾緊靠邊界，甲、乙兩輛小車同時(shí)起動(dòng)，先后通過起點(diǎn)標(biāo)志線，在行車道同向而行，實(shí)現(xiàn)兩車交替超車領(lǐng)跑功能。跑道如圖1-1。

1.1.2 設(shè)計(jì)要求

（1）甲車和乙車分別從起點(diǎn)標(biāo)志線開始，在行車道各正常行駛一圈。

（2）甲、乙兩車按圖1所示位置同時(shí)起動(dòng)，乙車通過超車標(biāo)志線后在超車區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)超車功能，并先于甲車到達(dá)終點(diǎn)標(biāo)志線，即第一圈實(shí)現(xiàn)乙車超過車。

（3）甲、乙兩車在完成（2）時(shí)的行駛時(shí)間要盡可能的短。

（4）在完成基本要求后，甲、乙兩車?yán)^續(xù)行駛第二圈，要求甲車通過超車標(biāo)志線后要實(shí)現(xiàn)超車功能，并先于乙車到達(dá)終點(diǎn)標(biāo)志線，即第二圈完成車超過乙車，實(shí)現(xiàn)了交替領(lǐng)跑。甲、乙兩車在第二圈行駛的時(shí)間要盡可能的短。

1.2 系統(tǒng)分模塊比較與論證

本系統(tǒng)主要由車體、控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、紅外收發(fā)傳感器、無(wú)線收發(fā)模塊、測(cè)距模塊組成，現(xiàn)做比較分析如下。

1.2.1 車體的選擇比較

方案一：采用四輪雙電機(jī)電動(dòng)車。這種電動(dòng)車具有靈活性和體積較小的優(yōu)點(diǎn)。但是一般的說來，它還具有如下缺點(diǎn)：首先，這種電動(dòng)車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，車輪較小而且容易與賽道表面打滑，雖然能夠通過兩個(gè)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，但是不容易控制。其次，這種電動(dòng)車一般都是兩個(gè)直流電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)小車，力矩小，空載轉(zhuǎn)速快，負(fù)載性能差，不易調(diào)速。

方案二：采用帶舵機(jī)的電動(dòng)小車。前端加舵機(jī)的電動(dòng)小車可以精準(zhǔn)的控制其轉(zhuǎn)彎方向，能較好的完成題目賽道里的轉(zhuǎn)彎要求。但是舵機(jī)小車的轉(zhuǎn)向需要通過MCU對(duì)光電收發(fā)器進(jìn)行信號(hào)采集，通過處理分別發(fā)送給電機(jī)和舵機(jī)從而控制小車的前進(jìn)。其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)彎精確，能較好的完成轉(zhuǎn)彎路徑的實(shí)現(xiàn)，但相對(duì)其他類型小車成本高，控制較復(fù)雜。

方案三：采用履帶式電動(dòng)小車。選擇RP5底盤的小車，它是大功率坦克車體，采用帶電感的大扭力260馬達(dá)，組合斜齒+金屬齒，形成大扭力系統(tǒng)，具有動(dòng)力性能強(qiáng)、底盤穩(wěn)定性高、可原地轉(zhuǎn)圈、轉(zhuǎn)彎靈活精確等特點(diǎn)。履帶小車可以完成本次題目的要求，達(dá)到轉(zhuǎn)彎靈活，轉(zhuǎn)彎角度可調(diào)，可滿足小車運(yùn)行平穩(wěn)等要求，而且控制兩個(gè)直流電機(jī)相對(duì)簡(jiǎn)單。

綜上，選擇方案三，使用RP5底盤履帶式電動(dòng)小車。

1.2.2 控制器的選擇比較

方案一：采用凌陽(yáng)公司的16位單片機(jī)，它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力高、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。處理速度高，尤其適用于語(yǔ)音處理和識(shí)別等領(lǐng)域。

方案二：采用宏晶科技公司的STC89C52RC單片機(jī)作為主控制器。本款單片機(jī)是單時(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），針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。其編程下載使用較方便，而且能夠完成對(duì)本題目要求較簡(jiǎn)單的控制。

51單片機(jī)控制簡(jiǎn)單，下載使用方便。其處理能力能夠滿足本題目的要求，故采用方案二。

1.2.3 紅外收發(fā)傳感器模塊的選擇比較

方案一：使用紅外發(fā)射和接收管制作紅外收發(fā)電路，紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測(cè)出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測(cè)出黑線繼而輸出高電平。輸出的高低電平通過電壓比較器可以得到單片機(jī)可以識(shí)別的信號(hào)，從而進(jìn)行控制。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求，但是工作不夠穩(wěn)定，且容易受外界光線的影響。

方案二：采用TCRT5000型光電對(duì)管模塊。傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強(qiáng)度不夠大時(shí)，光敏三極管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)模塊的輸出端為低電平，指示二極管一直處于熄滅狀態(tài)；當(dāng)無(wú)檢測(cè)黑線出現(xiàn)在檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，紅外線被反射回來且強(qiáng)度足夠大，光敏三極管飽和，此時(shí)輸出端為高電平。此紅外收發(fā)模塊運(yùn)行穩(wěn)定，感應(yīng)靈敏，可以使單片機(jī)采集信號(hào)后對(duì)小車進(jìn)行很好的控制。

為使紅外收發(fā)管感應(yīng)黑色膠布線保證靈敏從而控制小車，使用方案二的TCRT5000紅外收發(fā)模塊。

1.2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的選擇比較

方案一：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可以分別控制兩個(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)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。

方案二：對(duì)于直流電機(jī)用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。由分立元件構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。

為使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，能夠靈活控制小車行進(jìn)，選用方案一。

1.2.5 避障和牽引模塊的選擇比較

方案一：采用超聲波測(cè)距避障。超聲測(cè)距是一種非接觸式的檢測(cè)方式。與其它方法相比，它不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等影響。對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。

方案二：采用激光、雷達(dá)、攝像等復(fù)雜方式測(cè)距避障，可以得到精確的距離，但本題并不要求能夠得到兩車間精確距離，而且控制電路過于復(fù)雜，較難實(shí)現(xiàn)。

方案三：采用E18-D80NK光電傳感器進(jìn)行避障，這種光電開關(guān)具有良好的開關(guān)特性，輸出測(cè)量障礙物距離可調(diào)，可自己設(shè)置感知物體的距離。在輸出端上拉10K電阻后得到5V電壓，方便單片機(jī)進(jìn)行控制。

綜上，本系統(tǒng)通過避障模塊實(shí)現(xiàn)的功能是防止撞車的發(fā)生而且保證兩車間距離，不需要得到精確的距離值，故可以采用方案三，選用E18-D80NK光電傳感器進(jìn)行避障。

1.2.6 總體方案設(shè)計(jì)與比較

方案一：利用賽道的固定性，采用單片機(jī)控制兩個(gè)小車精準(zhǔn)轉(zhuǎn)彎，按賽道和題目要求，嚴(yán)格按照規(guī)定好的路線進(jìn)行兩個(gè)小車的行進(jìn)，如轉(zhuǎn)彎和進(jìn)、出超車區(qū)；同時(shí)兩車間利用無(wú)線模塊進(jìn)行通信，通過調(diào)節(jié)速度實(shí)現(xiàn)兩個(gè)小車的超車；通過光電開關(guān)可以進(jìn)行避障防止撞車發(fā)生。此種方案程序復(fù)雜，容易受賽道、小車性能等因素干擾，很難實(shí)現(xiàn)。

方案二：利用紅外反射發(fā)送接收開關(guān)，使小車在賽道內(nèi)能夠識(shí)別邊界線、起點(diǎn)/終點(diǎn)標(biāo)志線、轉(zhuǎn)彎標(biāo)志線等黑膠帶線，從而可以循跡和轉(zhuǎn)彎行進(jìn)，完成題目要求。此種方案能控制小車按照賽道邊緣行進(jìn)，但在超車區(qū)進(jìn)入和外出部分容易掉出賽道，同時(shí)兩車進(jìn)行超車時(shí)，單純利用循跡很難實(shí)現(xiàn)。

方案三：綜合以上兩種方案，在小車的紅外收發(fā)管檢測(cè)到轉(zhuǎn)彎標(biāo)志線車區(qū)的信號(hào)時(shí)，小車按照固定的程序進(jìn)行相應(yīng)的行進(jìn)如轉(zhuǎn)固定角度的方向。同時(shí)，可利用紅外收發(fā)管檢測(cè)賽道內(nèi)、外邊線，防止小車走出賽道。兩車進(jìn)行超車時(shí)，利用無(wú)線模塊進(jìn)行通信，調(diào)節(jié)各自速度，同時(shí)有光電傳感器的保證兩輛車間的距離，使超車安全穩(wěn)定的完成。此種方案可以完成小車在行車道的行走，并在超車區(qū)及附近安全行駛。

綜上所述，方案三能夠相對(duì)完整、穩(wěn)定的完成題目提出的各項(xiàng)要求。

1.2.7 系統(tǒng)方案確定與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

進(jìn)過反復(fù)論證與實(shí)際測(cè)試，最終確定系統(tǒng)方案如下：

（1）小車車體采用RP5底盤履帶式電動(dòng)小車兩個(gè)；

（2）采用STC89C52RC單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器；

（3）用TCRT5000紅外傳感器作為光電收發(fā)模塊；

（4）L298N作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片；

（5）E18-D80NK光電傳感器進(jìn)行避障和牽引；

二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

2.1 信號(hào)檢測(cè)與控制分析

2.1.1 黑膠帶線的檢測(cè)

小車對(duì)黑膠帶線的檢測(cè)是通過接在前端的三個(gè)紅外收發(fā)管完成的，分別標(biāo)記為左、中、右紅外收發(fā)管，三個(gè)傳感器共同工作完成小車的定位和標(biāo)記識(shí)別。對(duì)應(yīng)信號(hào)的小車位置和相應(yīng)動(dòng)作如表2-1所示。

表2-1：對(duì)應(yīng)信號(hào)的小車位置和相應(yīng)動(dòng)作

左管左中管右中管右管小車位置小車相應(yīng)動(dòng)作

××××行車道正常前進(jìn)

√√√√起點(diǎn)不動(dòng)作

轉(zhuǎn)彎標(biāo)志線進(jìn)行轉(zhuǎn)彎

超車標(biāo)志區(qū)（第4條）進(jìn)入超車區(qū)

√×××跑道內(nèi)邊界向右調(diào)整

×××√跑道外邊界向左調(diào)整

2.1.2 前車識(shí)別檢測(cè)與超車

對(duì)于小車的超車功能，前車在進(jìn)過超車標(biāo)志區(qū)后，進(jìn)行減速緩慢行駛，后車也通過超車標(biāo)志區(qū)后，用光電傳感器E18-D80NK對(duì)前車進(jìn)行檢測(cè)，如果單片機(jī)識(shí)別到10cm距離的前車，則開啟超車程序，在超車區(qū)完成超車。

2.2 兩車之間的通信方法

兩車要完成互相超車的行為，必須進(jìn)行通信，才能即時(shí)的對(duì)被超過的車進(jìn)行控制。甲車進(jìn)入超車標(biāo)志區(qū)后，進(jìn)行減速前進(jìn)，待乙車也進(jìn)入超車標(biāo)志區(qū)，光電傳感器檢測(cè)到甲車后，按固定路徑超車；隨后超車完成后，乙車成為前車，再通過甲車前端的光電傳感器使其恢復(fù)原速前進(jìn)，從而完成一個(gè)超車的過程。

三、電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 電路設(shè)計(jì)

3.1.1 紅外收發(fā)管電路設(shè)計(jì)

TCRT5000紅外對(duì)管模塊采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，輸出的高低電平通過電壓比較器可以由單片機(jī)識(shí)別，從而得到傳感器信號(hào)。傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強(qiáng)度不夠大時(shí)，光敏三極管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)模塊的輸出端為低電平；被檢測(cè)物體出現(xiàn)在檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，紅外線被反射回來且強(qiáng)度足夠大，光敏三極管飽和，此時(shí)模塊的輸出端為高電平。

3.1.2 光電傳感器電路

E18-D80NK模塊是開關(guān)電路。集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。輸出端口接上拉電阻可輸入至單片機(jī)I/O口，進(jìn)行障礙物的信號(hào)檢測(cè)。

3.1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298N驅(qū)動(dòng)電路，由單片機(jī)P1口接四路輸入和兩路使能信號(hào)，從而控制兩個(gè)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)。

3.2 程序設(shè)計(jì)

程序流程圖如圖3-1。

四、測(cè)試方案與結(jié)果

在自制的標(biāo)準(zhǔn)賽道上，將兩只小車分別置于起點(diǎn)，小車啟動(dòng)后，均可行進(jìn)，能完成一圈的行走，最后回到起點(diǎn)。通過觀察和測(cè)試得到兩個(gè)小車直行速度不同，一快一慢。這樣的情況導(dǎo)致甲、乙兩車在多圈互相超車時(shí)，不能控制間距，直接導(dǎo)致發(fā)生碰撞。因此采用在快車前部、后部和慢車前部安裝光電傳感器，使得兩車間距能夠保持一致。這樣第一圈和第二圈的軟件設(shè)計(jì)可以得到循環(huán)使用，達(dá)到多圈互相超車的控制。

測(cè)試可得，系統(tǒng)倆只小車能完成各個(gè)模塊的功能，如檢測(cè)黑線不出賽道、光電傳感開關(guān)防止撞車、進(jìn)入超車區(qū)進(jìn)行超車并繼續(xù)行進(jìn)等，但由于賽道材質(zhì)等原因，超車動(dòng)作不能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)（第2版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.1

[2]童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2003

[3]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，1983

[4]韓毅，楊天.基于HCS12單片機(jī)的智能尋跡模型車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].學(xué)術(shù)期刊，2008，29（18）：1535-1955.

[5]張桂香.單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的幾個(gè)技術(shù)問題[B].湖北：華中科技大學(xué)出版，2007.6

[6]吳金戍.沈慶陽(yáng)，郭庭吉. 8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用[M].山東：山東大學(xué)出版社，2003.4

作者簡(jiǎn)介

薛鵬，男，1989年生，東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置碩士研究生，研究方向：生產(chǎn)過程參數(shù)測(cè)量與優(yōu)化控制系統(tǒng)

安哲，男，1989年生，東北大學(xué)模式識(shí)別與智能系統(tǒng)碩士研究生，研究方向：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及半實(shí)物仿真

宋鵬飛，男，1988年生，東北大學(xué)控制理論與控制工程碩士研究生 研究方向：圖像處理、目標(biāo)檢測(cè)跟蹤與識(shí)別技術(shù)。

注：本文設(shè)計(jì)曾獲2011年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽河北賽區(qū)一等獎(jiǎng)