基于單片機(jī)技術(shù)的智能循跡小車設(shè)計(jì)分析

郭宗輝　欒秋平

摘要：智能循跡小車是現(xiàn)代大學(xué)生電子競(jìng)賽項(xiàng)目中比較熱門的項(xiàng)目。文章介紹的小車主要是以AT89S52單片機(jī)為核心，然后采用QTI紅外傳感器來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。文章介紹了小車的硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)，可以為智能循環(huán)小車的設(shè)計(jì)提供一些參考。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；智能循跡小車；小車設(shè)計(jì)；AT89S52單片機(jī)；QTI紅外傳感器 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP39 文章編號(hào)：1009-2374（2015）32-0014-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.32.008

智能循跡小車是現(xiàn)代大學(xué)生電子競(jìng)賽項(xiàng)目中比較熱門的項(xiàng)目。在比賽中智能循跡小車通過地面上黑線或者白線的引導(dǎo)前進(jìn)，并且在比賽中要通過感應(yīng)器的感應(yīng)來躲避障礙物，在偏離軌道的時(shí)候能夠自動(dòng)返回，小車在比賽中所用的時(shí)間以及小車的循跡效果決定了小車的比賽成績(jī)。智能循跡小車是智能機(jī)器人的另一種模式，本設(shè)計(jì)中采用的是以AT89S52單片機(jī)作為智能循跡小車的控制器以及四組QTI紅外傳感器對(duì)路面進(jìn)行檢測(cè)，單片機(jī)通過傳感器的檢測(cè)來進(jìn)行小車循跡的控制。

1 智能循跡小車的結(jié)構(gòu)組成及設(shè)計(jì)

智能循跡小車的車體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。智能循跡小車的主要結(jié)構(gòu)有控制電路板、傳感器、電機(jī)、底盤部件等。

圖1 智能循跡小車車體結(jié)構(gòu) 圖2 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示。智能循跡小車的總體設(shè)計(jì)方案如下：（1）智能循跡小車以AT89S52單片機(jī)作為整個(gè)控制電路板的核心，外接控制電機(jī)信號(hào)以及紅外傳感器；（2）智能循跡小車的電機(jī)是使用伺服舵機(jī)來驅(qū)動(dòng)小車進(jìn)行基本的動(dòng)作（前行、后退、左右轉(zhuǎn)、掉頭、停止）；（3）傳感器方面智能循跡小車選擇的是QTI紅外傳感器來探測(cè)地面上的黑白線，小車車體的下面分別從左到右安裝了四個(gè)QTI紅外傳感器，傳感器的信號(hào)連接著單片機(jī)的四個(gè)引腳，單片機(jī)根據(jù)傳感器所檢測(cè)到的信號(hào)來控制小車沿著軌跡進(jìn)行行駛；（4）小車的底盤部件分別包括了電池盒、底盤木體、尾輪和左右輪等一些部件。三輪結(jié)構(gòu)的小車前方的兩側(cè)分別為驅(qū)動(dòng)輪，在校車的后方有一個(gè)尾輪，可以起到支撐的作用，這樣小車在隱性的過程中可以靈活地循跡。

2 智能循跡小車硬件設(shè)計(jì)

2.1 伺服電機(jī)

伺服舵機(jī)在選擇的時(shí)候要能夠按照指令來控制小車的位置和速度。它的外觀如圖3所示，伺服舵機(jī)上有三條輸入線，分別是紅色、黑色、白色，紅色的是電源線，黑色是地線，白色的是信號(hào)控制線。伺服舵機(jī)的信號(hào)控制周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)。在伺服舵機(jī)的內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，能夠產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號(hào)寬度為1.5m、周期為20ms；另外還有一個(gè)比較器，可以將基準(zhǔn)信號(hào)與外加信號(hào)進(jìn)行比較，以此來判斷方向以及大小，進(jìn)而產(chǎn)生出電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)。

圖4上的脈沖序列以高電平1.5ms、低電平20ms進(jìn)行不斷重復(fù)。這個(gè)脈沖序列經(jīng)過零點(diǎn)標(biāo)定后的不會(huì)旋轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)，如果發(fā)現(xiàn)此時(shí)的伺服電機(jī)在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，就表明該電機(jī)需要進(jìn)行標(biāo)定。通過圖4、圖5、圖6可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由高電平持續(xù)時(shí)間來控制的；在高電平的持續(xù)時(shí)間是1.3ms的時(shí)候，電機(jī)進(jìn)行順時(shí)針的高速旋轉(zhuǎn)；當(dāng)高電平的持續(xù)時(shí)間為1.7ms的時(shí)候，電機(jī)進(jìn)行逆時(shí)針的高速旋轉(zhuǎn)。

選擇P1.0的電機(jī)來控制小車右輪，P1.1的伺服電機(jī)來控制小車左輪。伺服電機(jī)和單片機(jī)之間的接口如圖7所示。

2.2 循跡傳感器

2.2.1 傳感器的選擇。傳感器的原理圖和接線圖如下面的圖8、圖9所示。在接線圖中的W表示的是VCC引腳，是白色的線；R表示的是SIG引腳接到單片機(jī)I/O引腳，是紅色的線；B表示的是GND引腳，是黑色的線。QTI是通過一個(gè)發(fā)光的二極管和一個(gè)光敏三極管的耦合得到一個(gè)類似光敏電阻的元件來對(duì)信號(hào)等的電平進(jìn)行控制。傳感器對(duì)于黑色的表面，反射率很低，光敏三極管沒有導(dǎo)通，此時(shí)由三極管和電容組成的RC電路的時(shí)間常數(shù)就比較大，電壓大部分都降在三極管的兩端，其中R端輸出高電平1。反之，當(dāng)傳感器經(jīng)過亮表面時(shí)，反射率就比較高，此時(shí)的光敏三極管導(dǎo)通，RC電路的時(shí)間常數(shù)比較小，電壓大部分降在電容的兩端，R端輸出低電平0。

2.2.2 小車循跡策略。將四個(gè)QTI傳感器的信號(hào)線連接到小車相應(yīng)的I/O口，我們選定的對(duì)象是P2中的P2.1、P2.2、P2.3、P2.4。在連接相應(yīng)的信號(hào)線時(shí)，使用不同顏色的線，這樣在進(jìn)行錯(cuò)誤的檢查時(shí)就非常簡(jiǎn)單清晰。傳感器的接口設(shè)計(jì)圖如下：

在圖11中，我們可以看到傳感器是集中在一條直線上的，P2.2和P2.3引腳信號(hào)是第一級(jí)方向上的傳感信號(hào)，P2.1和P2.4是第二級(jí)傳感信號(hào)。小車在前進(jìn)的過程中，黑線一直在第一級(jí)傳感器下面，當(dāng)小車偏離的時(shí)候，傳感器就可以及時(shí)地檢測(cè)出來并予以糾正。第二級(jí)的傳感器實(shí)際上是第一級(jí)的后備裝置，當(dāng)小車偏離的角度過大時(shí)，第二級(jí)可以進(jìn)行糾正，提高了小車的循跡可靠性。

3 智能循跡小車軟件設(shè)計(jì)

3.1 小車基本動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)

智能循跡小車在前進(jìn)的時(shí)候，從不同的方向看它的輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向是不一樣的，在左邊是逆時(shí)針，右邊則是順時(shí)針。同理，小車做其他動(dòng)作時(shí)，我們也可以分析出小車輪子的方向。在改變小車的速度時(shí)，我們可以通過控制參數(shù)的變化來改變速度的大小。小車兩個(gè)輪子的速度與方向控制著小車本身的方向和速度。在C語(yǔ)言中，我們直接用left、right來表示左右輪的參數(shù)，用for循環(huán)來控制脈沖的數(shù)量。

3.2 循跡功能的實(shí)現(xiàn)

圖12與表1中的循跡策略相同。在長(zhǎng)傳感器測(cè)試的基礎(chǔ)上，調(diào)用一個(gè)move函數(shù)來完成長(zhǎng)期的循跡過程。小車的循跡路線可以在程序中做進(jìn)一步的修改，例如小車走到白線時(shí)自動(dòng)停止、從一條黑線走到另一條黑線的一些功能。按照本文中所講的智能循跡小車的設(shè)計(jì)方法制作的小車，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)法方法下的小車能夠很平穩(wěn)地運(yùn)行，在運(yùn)行的過程中基本沒有發(fā)生偏離，在路線的轉(zhuǎn)彎處也能夠很好地運(yùn)行，并且可以自動(dòng)地調(diào)節(jié)小車的速度。

4 結(jié)語(yǔ)

智能循跡小車的設(shè)計(jì)需要涉及到許多方面，在小車的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)、傳感器的選擇都非常重要，不同單片機(jī)下的小車性能也不相同。本文中主要簡(jiǎn)單探討了以AT89S52單片機(jī)作為控制核心、QTI紅外傳感器為基礎(chǔ)的智能循跡小車的設(shè)計(jì)。在小車中單片機(jī)根據(jù)傳感器的輸出信號(hào)來對(duì)小車的智能進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退等一系列活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該種設(shè)計(jì)方法下的小車具有很強(qiáng)的運(yùn)行能力，能夠很好地控制小車的運(yùn)行

過程。

參考文獻(xiàn)

[1] 王琰，郭燕，等.基于C51單片機(jī)的智能循跡小車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電一體化，2013，（8）.

[2] 張巖，裴曉敏，付韶彬，等.基于單片機(jī)的智能循跡小車設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2014，（3）.

[3] 劉遠(yuǎn)明，李道霖，韓緒鵬，等.感應(yīng)式循跡小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，（10）.

（責(zé)任編輯：周 瓊）