基于51單片機智能小車的設(shè)計與實現(xiàn)

劉志嫻 江敏 阮玲玉

摘要：本文提出一種基于51單片機的智能小車設(shè)計，可實現(xiàn)循跡、追光、避障、記錄磁片個數(shù)（記錄路程）等功能。本設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)主要由單片機小系統(tǒng)板、電機驅(qū)動板、追光板等構(gòu)成，軟件部分主要完成循跡、追光、記錄磁片個數(shù)等程序設(shè)計。通過對本設(shè)計的軟硬件實時測試，其功能能穩(wěn)定運行，達(dá)到設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)。通過對本設(shè)計可提高電子設(shè)計和單片機編程的興趣和能力，具有一定的現(xiàn)實和實用價值。

關(guān)鍵詞：單片機；智能小車；循跡；追光

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）21-0273-02

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)設(shè)計主要包括七大部分：尋跡模塊、追光模塊、避障模塊、記錄磁片模塊、驅(qū)動模塊、電源模塊和顯示模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

本設(shè)計是基于51單片機的智能小車系統(tǒng)，通過對小系統(tǒng)控制板，驅(qū)動板，追光電路板等的硬件制作構(gòu)建實物平臺，并采用Keil軟件編程實現(xiàn)循跡，追光，記錄路程等功能。

本設(shè)計主要完成的功能：

1）小車從起跑線出發(fā)，沿黑色引導(dǎo)線直走。在引導(dǎo)線區(qū)域檢測到磁片時，小車停下并且數(shù)碼管顯示遇到的磁片個數(shù)。

2）小車進(jìn)入無引導(dǎo)線區(qū)域，按其設(shè)定的路線行走，實現(xiàn)避障功能。

3）小車在光源區(qū)域中，在光源的引導(dǎo)下進(jìn)入停車區(qū)。停車后，能準(zhǔn)確顯示磁片個數(shù)。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 單片機小系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計并制作單片機的最小系統(tǒng)，硬件電路包括：51單片機及其外圍電路、四個發(fā)光二極管電路、四位七段LED數(shù)碼管顯示電路、供電電路、蜂鳴器電路、ISP程序下載口等。系統(tǒng)的I/O資源分配：P0連接數(shù)碼管的段碼引腳；P1.0—P1.3連接4個發(fā)光二極管；P2.0—P2.3連接四位數(shù)碼管的位選引腳；P2.4—P2.7連接電機驅(qū)動控制；P3.0控制蜂鳴器；P3.1—P3.7連接各類傳感器。

在設(shè)計中需要考慮到上拉電阻與下拉電阻的應(yīng)用。上拉電阻和下拉電阻的共同作用是避免電壓的懸浮，造成電路的不穩(wěn)定，同時起到限流的作用。上拉是對元器件注入電流，即灌電流，當(dāng)一個接有上拉電阻的I/O口作輸入時，它的常態(tài)為高電平。上拉電阻的接法是：電阻一端接VCC，一端接邏輯電平接入引腳（如單片機引腳）。下拉是對元器件輸出電流，即拉電流，當(dāng)一個接有下拉電阻的I/O口作輸入時，它的常態(tài)為低電平。下拉電阻的接法是：電阻一端接GND，一端接邏輯電平接入引腳（如單片機引腳）。單片機的每個引腳向引腳灌入的最大電流為10mA；拉電流不到1mA。圖2、圖3分別為灌電流和拉電流的接法。

圖2發(fā)光二極管的正極接上一個上拉電阻，實現(xiàn)分壓，保護二極管且限流；負(fù)極接單片機I/O口，當(dāng)I/O口為低電平時，5V的電源接入電路，產(chǎn)生正向壓降，二極管發(fā)光。圖3的源輸出是單片機I/O口的輸出電流低于5V電源的驅(qū)動電流，所以圖3的二極管發(fā)光亮度較圖2暗淡，并且使用I/O口直接驅(qū)動時，容易燒毀單片機的I/O口。類似的還有蜂鳴器電路和數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計。

2.2 電機驅(qū)動電路設(shè)計

L298N是一種常用的電機驅(qū)動芯片，它具有高電壓，大電流的特點。該芯片內(nèi)的兩個全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電機和步進(jìn)電機。由于L298N的輸出電流較大，一般需要安裝散熱片。ISENA、ISENB是反饋端，一般接地，將這兩端與小系統(tǒng)板的接地端接在一起。IN1、IN2、IN3、IN4四個輸入端，接單片機端口，通過編程來控制小車的運動。OUT1、OUT2、OUT3、OUT4與IN對應(yīng)的輸出端接電機； EN A為使能端，高電平有效，控制OUT1、OUT2；EN B為使能端，高電平有效，控制OUT3、OUT4。L298電路設(shè)計如圖4所示。

2.3 循跡電路設(shè)計

設(shè)計中的循跡部分使用漫反射式光電開關(guān)來實現(xiàn)，它可用于識別黑白物體，用于循跡和避障白色障礙物。當(dāng)被檢測物體是白色時，由于白色將光線反射就回來光敏三極管導(dǎo)通，不穩(wěn)定的輸出經(jīng)過施密特整形電路變得穩(wěn)定，輸出低電平。當(dāng)被檢測物體是黑色時，光敏三極管截止，用于循跡。具體連接：棕色接正，藍(lán)色接電源負(fù)極，黑色為傳感器輸出，接單片機I/O口。單片機初始化為高電平，同時也可用光電開關(guān)來控制繼電器的通斷。

2.4 追光電路設(shè)計

設(shè)計中利用光敏二極管進(jìn)行光源檢測（追光）， 光敏二極管的基本工作原理是：當(dāng)光敏二極管加上反向電壓時，光照強度越大，二極管中的反向電流越大；光照強度越小，二極管中的反向電流小。追光電路設(shè)計如圖5所示：

3 軟件設(shè)計

本設(shè)計的總體程序設(shè)計框圖6如下，簡要介紹循跡功能程序設(shè)計、記錄磁片個數(shù)程序設(shè)計、追光程序設(shè)計的思路。

3.1 循跡功能

通過光電傳感器尋找小車運行路跡 ，該光電傳感器內(nèi)含光敏三極管。遇到白色物體反射光線，光敏三極管導(dǎo)通，光敏三極管工作，輸出低電平；遇到黑色物體吸收光線，光敏三極管截止，光敏三極管不工作，輸出高電平。用P3.1 、P3.2分別控制兩個傳感器，具體程序段如下：

當(dāng)P3.1 、P3.2同時高電平，小車停止；當(dāng)P3.1 、P3.2同時低電平，小車直走；當(dāng)P3.1低電平、P3.2高電平，小車左轉(zhuǎn)；當(dāng)P3.1 高電平、P3.2低電平，小車右轉(zhuǎn)。

3.2 記錄磁片個數(shù)功能

金屬傳感器檢測磁片有無，該傳感器采用三線制的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成LC高頻振蕩電路。常用的有兩個狀態(tài)：無金屬傳感器則輸出高電平，小車?yán)^續(xù)循跡；有金屬時傳感器則輸出則低電平，此時聲光報警，數(shù)碼管顯示金屬塊數(shù)量。引腳連接為棕色接電源正極，藍(lán)色接電源負(fù)極，黑色為信號線接單片機IO口。

3.3 追光功能

追光電路內(nèi)含光敏二極管，光敏二極管處于反向工作狀態(tài)，光照強度越大，反向電流越大，電壓降增大。小車追光時，硅光電池在有光線照射時，會產(chǎn)生電動勢，光照越強，電動勢越大。當(dāng)超過LM393比較器的參考電壓時，輸出高電平。通過判斷與輸出端連接的單片機引腳P3.5、P3.6的高低電平實現(xiàn)小車追光的功能。

4 結(jié)語

本設(shè)計通過測試實現(xiàn)了循跡、追光、記錄磁片個數(shù)的所有功能。綜合設(shè)計了單片機最小系統(tǒng)設(shè)計、L298驅(qū)動電路及系統(tǒng)調(diào)試、傳感器選擇、小車車體等軟硬件，運用了DXP電路設(shè)計，單片機C語言編程設(shè)計以及機械實踐設(shè)計等綜合知識，對提高電子專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性有一定的幫助，具有一定的現(xiàn)實和實用價值。

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【通聯(lián)編輯：梁書】