基于STC89C52的智能超車(chē)系統(tǒng)

劉小亞

【摘要】本系統(tǒng)采用單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心，控制整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。左右兩個(gè)光電傳感器檢測(cè)道路黑色邊界線，控制小車(chē)按要求軌道運(yùn)行，中間一個(gè)光電傳感器檢測(cè)行駛過(guò)程的標(biāo)記線，控制小車(chē)轉(zhuǎn)彎、進(jìn)入超車(chē)區(qū)等功能。利用無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)兩車(chē)的通信，控制超車(chē)，利用超聲波模塊維持車(chē)距。加上電源、驅(qū)動(dòng)電路、擋板、小車(chē)模型以及控制軟件構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了兩車(chē)的正常行駛和交替超車(chē)功能。作者負(fù)責(zé)軟件設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】STC89C52;智能超車(chē);光電傳感器

1.研究智能小車(chē)的目的與作用

首先，智能車(chē)輛在運(yùn)輸系統(tǒng)中為我們提供了方便，且節(jié)約一定的人力物力資源。其次，在現(xiàn)在信息教育中，智能小車(chē)的制作已經(jīng)走進(jìn)我們的課堂。其次，現(xiàn)代信息教育中智能小車(chē)的制作已經(jīng)走進(jìn)課堂。讓科技的發(fā)展影響其創(chuàng)新性、實(shí)踐性的發(fā)展，這對(duì)學(xué)生技能教育、科技的社會(huì)普及化都有重要意義。再次，隨汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，近年來(lái)的交通事故也在不斷增加，這給我們帶來(lái)了巨大的損失，而此系統(tǒng)也可以為此提供參考與借鑒。

綜上所述，智能小車(chē)的研究對(duì)我們的工業(yè)、教育、生活等都有很重要的意義。所以，智能小車(chē)的研究是一項(xiàng)提升我國(guó)綜合國(guó)力的長(zhǎng)期項(xiàng)目，對(duì)我國(guó)科技發(fā)展有著十分重要的作用。

2.系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)任務(wù)

在規(guī)定的軌道上，甲乙兩車(chē)的同時(shí)起動(dòng)，先后通過(guò)起點(diǎn)標(biāo)志線，在行車(chē)道上，保持一定車(chē)距同向而行，并實(shí)現(xiàn)兩車(chē)交替超車(chē)領(lǐng)跑功能。

2.2 系統(tǒng)整體方案

為完成相應(yīng)功能，本設(shè)計(jì)提出的方案如圖2.1所示。系統(tǒng)包括以下幾個(gè)基本模塊：電源穩(wěn)壓模塊、主控模塊、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、黑線探測(cè)模塊、超聲波避障模塊、無(wú)線收發(fā)模塊。黑線模塊負(fù)責(zé)循跡和識(shí)別軌道中的黑色標(biāo)記線，測(cè)距模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)甲乙兩車(chē)的車(chē)距，無(wú)線模塊負(fù)責(zé)兩車(chē)之間的通信，主控模塊負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)，并控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖2.1 系統(tǒng)總體框架

2.3 各模塊方案

主控模塊采用宏晶公司的STC89C52RC單片機(jī)作為主控芯片。

黑線探測(cè)模塊采用3個(gè)E3F-DS30C4集成漫反射光電開(kāi)關(guān)探測(cè)器（電氣連接圖如圖2.2（a），實(shí)物圖如圖2.2（b））。左右兩邊的用于檢測(cè)軌道兩邊的黑線，中間的用于檢測(cè)軌道中間的黑色標(biāo)記線。當(dāng)檢測(cè)到白紙時(shí)，傳感器輸出低電平，當(dāng)檢測(cè)到黑線時(shí)，傳感器輸出高電平。當(dāng)左邊的光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到黑線，則小車(chē)右轉(zhuǎn);當(dāng)右邊的光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到黑線，則小車(chē)左轉(zhuǎn);當(dāng)中間的傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)彎標(biāo)志線，則小車(chē)轉(zhuǎn)彎并記錄黑線次數(shù)，若檢測(cè)到第四根黑線，先轉(zhuǎn)彎，然后根據(jù)圈數(shù)的奇偶確定小車(chē)是否進(jìn)入超車(chē)區(qū)。甲車(chē)為基數(shù)圈時(shí)，則進(jìn)入超車(chē)區(qū)，反之則不;乙車(chē)為偶數(shù)圈時(shí)，則進(jìn)入超車(chē)區(qū)，反之則不。

圖2.2（a） 光電開(kāi)關(guān)電氣連接圖

圖2.2（b） 光電開(kāi)關(guān)

測(cè)距模塊采用中心頻率為40KHZ的HC-SR04超聲波模塊。發(fā)射器發(fā)射超聲波，當(dāng)遇到障礙物時(shí)則被反射回來(lái)，此時(shí)接收器接收反射回來(lái)的超聲波，設(shè)這個(gè)從發(fā)射到接收所用的時(shí)間為t，又超聲波在空氣中的傳播速度是340m/s，設(shè)超聲波模塊距障礙物的距離為s，則：

S=340*t/2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2.1）

為了測(cè)量前后兩車(chē)的距離，故將超聲波模塊安裝在兩車(chē)車(chē)頭，并在兩車(chē)車(chē)尾添加了擋板，且保證擋板的尺寸能夠?qū)l(fā)射出的超聲波返回。

圖2.3 NRF2401模塊引腳圖

兩車(chē)通信采用NRF2401無(wú)線發(fā)射接收模塊。NRF2401模塊的引腳圖如圖2.3所示，其中CE、CSN、SCK分別為使能、片選、時(shí)鐘輸入端。MOSI、MISO、SPI分別是串行輸入、三態(tài)輸出、串行輸出端。當(dāng)后車(chē)成功超車(chē)，并從超車(chē)區(qū)出來(lái)，檢測(cè)到轉(zhuǎn)彎標(biāo)志線后，則向停在超車(chē)區(qū)旁的小車(chē)發(fā)送行駛命令，當(dāng)后車(chē)接收到行駛命令后，則和前車(chē)一起繼續(xù)行駛。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，為了方便控制小車(chē)行駛，本系統(tǒng)選用60轉(zhuǎn)/秒的直流減速電機(jī)，帶動(dòng)小車(chē)車(chē)輪前進(jìn)，并采用1片L298N和8個(gè)1N4007構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，為電機(jī)運(yùn)行提供足夠大的電壓和電流。

電源模塊，采用大功率、大容量的蓄電池單獨(dú)供電。

3.硬件電路設(shè)計(jì)與制作

3.1 系統(tǒng)電路

3.1.1 電源部分

電源部份采用兩種輸入接口，如圖3.1所示。

第一種是外電源供電，采用2.1電源座，可外接電源DC5V，經(jīng)單向保護(hù)D1接入開(kāi)關(guān)S1。第二種是USB供電，USB供電口輸入電源也經(jīng)D1單向保護(hù)，送到開(kāi)關(guān)S1。由于兩電源輸入是并聯(lián)，故上電時(shí)，只選擇一路輸入電源。S1為板子工作電源開(kāi)關(guān)，按下后接通電源，提共VCC給板子各功能電路。電路采用兩個(gè)濾波電容，給板子一個(gè)更加穩(wěn)定的工作電源。LED為電源的指示燈，通電后LED燈亮。

3.1.2 復(fù)位電路

由于51單片機(jī)內(nèi)部無(wú)上電復(fù)位電路，故需由一個(gè)電容和電阻組成簡(jiǎn)單的上電復(fù)位電路。為方便調(diào)試，故增加了按鍵復(fù)位電路，如圖3.2示：

3.1.3 蜂鳴器

單片機(jī)P15輸出高低電平經(jīng)R21連接三極管B極，控制三極管的導(dǎo)通與截止，從而控制蜂鳴器的工作。低電平時(shí)三極管導(dǎo)通，蜂鳴器得電蜂鳴，高電平時(shí)三極管截止，蜂鳴器失電關(guān)閉蜂鳴。電路圖如圖3.3所示：

圖3.1 系統(tǒng)電源電路

圖3.2 復(fù)位電路

圖3.3 蜂鳴器電路

3.1.4 獨(dú)立鍵盤(pán)

如圖3.4所示，由六個(gè)按鍵組成，每個(gè)按鍵的一端連接IO口，另一端直接連接GND。六個(gè)按鍵分別接入P37-P32，只要按下按鍵，相應(yīng)位的IO口位將被拉為低電平，程序可以判斷相應(yīng)位是否為0來(lái)確認(rèn)按鍵已按下。

3.2 電源穩(wěn)壓電路

本系統(tǒng)采用單電源供電方式供電，由于各模塊所需電壓不同，故需要不同的穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓。穩(wěn)壓電路如圖3.5所示：此穩(wěn)壓電路中，同一采用LM系列的穩(wěn)壓芯片。

LM317是一個(gè)輸出電壓從1.2V至37V可調(diào)的穩(wěn)壓芯片，可通過(guò)電路中的R2調(diào)節(jié)P2口的輸出電壓大小。此系統(tǒng)中，由于無(wú)線通信模塊需要的工作電壓是3.3V，故將輸出電壓調(diào)至3.3V。LM7805、LM7812分別是5V、12V穩(wěn)壓芯片。穩(wěn)壓后的電壓分別可通過(guò)P4口和P5口接出。

4.程序流程圖

此系統(tǒng)的程序流程圖如圖4.1所示：

圖4.1 程序流程圖

5.系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試結(jié)果與分析：

（1）甲乙兩車(chē)正常行駛一圈測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)如表5.1所示：

表5.1 甲乙兩車(chē)正常行駛一圈

次 數(shù) 甲車(chē)行駛時(shí)間（s） 乙車(chē)行駛時(shí)間（s） 是否正常行駛

1 58.85 59.5 正確

2 58.1 60 正確

3 59 60.5 正確

（2）乙車(chē)超甲車(chē)一圈的時(shí)間測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)如表5.2所示：

表5.2 乙車(chē)超甲車(chē)一圈

次數(shù) 甲車(chē)行駛時(shí)間（s） 乙車(chē)行駛時(shí)間（s） 是否正常行駛 是否在超車(chē)區(qū)超車(chē)

1 77 68 正確 正確

2 76.5 67 正確 正確

3 77.1 68.5 正確 正確

（3）甲乙兩車(chē)交替超車(chē)一次的時(shí)間測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表5.3所示：

表5.3 甲乙兩車(chē)交替超車(chē)一次

次數(shù) 甲車(chē)行駛時(shí)間（s） 乙車(chē)行駛時(shí)間（s） 是否正常行駛 是否在超車(chē)區(qū)超車(chē)

1 139 150 正確 正確

2 140 149 正確 正確

3 139.5 150.4 正確 正確

（4）甲乙兩車(chē)交替超車(chē)兩次的時(shí)間測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)如表5.4所示：

表5.4 甲乙兩車(chē)交替超車(chē)兩次

次數(shù) 甲車(chē)行駛時(shí)間（s） 乙車(chē)行駛時(shí)間（s） 是否正常行駛 是否在超車(chē)區(qū)超車(chē)

1 340 356 正確 正確

2 341 353 正確 正確

3 338 355 正確 正確

分析：絕大部分情況小車(chē)均正常行駛，但由于小車(chē)每次的位置不同以及外部一些因素的影響，導(dǎo)致每次行駛的軌跡不一樣，所以時(shí)間有一定的誤差。

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