基于直流電機(jī)控制的智能尋跡小車

北京信息科技大學(xué)，北京 100192

一、引言

目前，交通事故作為最危害人類的災(zāi)禍之一，已被聯(lián)合國列為需要重點(diǎn)解決的問題之一。根據(jù)世界衛(wèi)生組織2015年發(fā)布的報(bào)告，2010年至2013年，每年約有125萬人死于道路交通事故，平均25s便有1人死于車禍。[1]。有效減少交通事故、降低傷亡人數(shù)及財(cái)產(chǎn)損失已經(jīng)刻不容緩，而自動(dòng)駕駛技術(shù)的成熟也為這一問題的解決提供了有力支持。近幾年來自動(dòng)駕駛技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注，國內(nèi)外專家也將它視為技術(shù)熱點(diǎn)。

聚焦于實(shí)際道路中的自動(dòng)駕駛研究，本文設(shè)計(jì)了一種基于光電傳感器的自動(dòng)避障尋跡小車。根據(jù)光電傳感器的檢測，單片機(jī)判斷信號(hào)，并且把信號(hào)輸入到驅(qū)動(dòng)芯片，通過PWM實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的啟停、方向、加減速的控制。小車具有自動(dòng)尋跡、起始點(diǎn)檢測以及自動(dòng)聲光報(bào)警等功能[2-3]。

本方案的優(yōu)勢如下：首先是選擇功能強(qiáng)大的STC12C5A單片機(jī)，該單片機(jī)處理速度快，是普通51單片機(jī)的10倍，適合于智能車的研究，并且外設(shè)功能齊全，特別是集成2路PWM[4]，很好的解決研究內(nèi)容；其次，通過PWM控制直流電機(jī)的速度，控制方法控制性能好。

二、系統(tǒng)方案

本設(shè)計(jì)采用STC12C5A單片機(jī)作為整機(jī)的控制單元。以STC12C5A單片機(jī)為核心的控制電路，采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用光電傳感器組成檢測電路，實(shí)現(xiàn)小車在行駛中自動(dòng)尋黑線的功能，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)小車的智能化控制[5]。

在本系統(tǒng)中，反射式紅外光電傳感器檢測黑線，然后將信號(hào)傳送到單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，使小車沿軌道自主行走[6]，采用H型脈沖寬度調(diào)制（PWM）全橋式驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小車的正反向行駛、快慢速行駛及轉(zhuǎn)彎[7]。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來解決復(fù)雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡潔化，各類功能易于實(shí)現(xiàn)，具有高度的智能化、人性化，一定程度體現(xiàn)了智能，能滿足系統(tǒng)的要求[8]。

本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，用戶可以與之進(jìn)行交互工作，完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、計(jì)算、分析等功能；

2、系統(tǒng)具有低功耗、小型化、高性價(jià)比等特點(diǎn)；

3、軟件系統(tǒng)采用C語言編寫，便于用戶的開發(fā)以及擴(kuò)展功能。

三、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)具體如下：

1、循跡傳感模塊電路

循跡傳感模塊電路根據(jù)反射接收原理配置了一對(duì)紅外線發(fā)射、接收傳感器。該電路包括一個(gè)紅外發(fā)光二極管、一個(gè)紅外光敏三極管及其上拉電阻。如圖2所示。紅外發(fā)光二極管發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外線照射物體，紅外光敏三極管在接收到反射回來的紅外線后導(dǎo)通，發(fā)出一個(gè)電平跳變信號(hào)[9]。

當(dāng)小車在白色地面行駛時(shí)，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號(hào)，經(jīng)白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號(hào)，那么圖2中光敏三極管將導(dǎo)通，輸出低電平，當(dāng)小車行駛到黑色引導(dǎo)線時(shí)，紅外線信號(hào)被黑色吸收后，光敏三極管截止，輸出高電平，從而實(shí)現(xiàn)了通過紅外線檢測信號(hào)的功能。將檢測到的信號(hào)送到單片機(jī)I/O口，當(dāng)I/O口檢測到的信號(hào)為高電平時(shí)[10]，表明紅外光被地上的黑色引導(dǎo)線吸收了，表明小車處在黑色的引導(dǎo)線上；同理，當(dāng)I/O口檢測到的信號(hào)為低電平時(shí)，表明小車行駛在白色地面上。即當(dāng)小車底部的某邊紅外線收發(fā)對(duì)管遇到黑帶時(shí)輸入電平為高電平，反之為低電平。

2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N。L298N為單塊集成電路，高電壓，高電流，4通道驅(qū)動(dòng)，可直接的對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，無須隔離電路。通過單片機(jī)的I/O輸入改變芯片控制端的電平，既可以非常方便地對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)、停止的操作，亦能滿足直流減速電機(jī)的大電流要求[11]。圖3為L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路，表1是其使能、輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系。調(diào)試時(shí)依照表1，用程序輸入對(duì)應(yīng)的碼值，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

3、電機(jī)模塊

表1 L298N的引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系

選用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。直流電機(jī)的控制方法比較簡單，只需給電機(jī)的兩根控制線加上適當(dāng)?shù)碾妷杭纯墒闺姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，電壓越高則電機(jī)轉(zhuǎn)速越高。對(duì)于直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，可以采用改變電壓的方法，也可采用PWM調(diào)速方法。PWM調(diào)速就是使加在直流電機(jī)兩端的電壓為方波形式，通過改變方波的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

4、控制模塊電路

單片機(jī)是整個(gè)智能循跡小車的核心，控制系統(tǒng)的所有模塊工作。本系統(tǒng)中，考慮到小車的控制系統(tǒng)需要用到兩路的PWM脈沖調(diào)制、較大的Flash存儲(chǔ)空間和較快的數(shù)據(jù)處理能力，所以采用的是STC12C5A單片機(jī)。STC12C5A單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(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倍～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）、雙串口[12]，特別適用強(qiáng)干擾場合。片上具有可編程 Flash 存儲(chǔ)器，F(xiàn)lash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。外部中斷I/O口7路，傳統(tǒng)的下降沿中斷或電平觸發(fā)中斷，并新增支持上升沿中斷的PCA模塊，3個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時(shí)鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時(shí)鐘[13]，獨(dú)立波特率發(fā)生器可以在P1.0口輸出時(shí)鐘，使得STC12C5A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。圖4為STC12C5A主要連線圖。

5、電源模塊

在本系統(tǒng)中，需要用到的電源有單片機(jī)的5V，L298N芯片的電源5V和電機(jī)的電源7V～15V。所以需要電源的提供必須正確、穩(wěn)定、可靠。

采用雙電源。為了確保單片機(jī)控制部分和后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)的部分的電壓不會(huì)互相影響，要把單片機(jī)的供電和驅(qū)動(dòng)電路分開來，即用6節(jié)干電池7.2V來驅(qū)動(dòng)電機(jī)芯片，然后用7805穩(wěn)壓管來穩(wěn)成5V供給單片機(jī)，后輪電機(jī)的電源用LM1117-3V供電，這樣有助于消除電機(jī)干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

四、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

1、程序功能描述

根據(jù)題目要求軟件部分主要實(shí)現(xiàn)躲避軌道邊緣黑線和調(diào)速。

（1）躲避邊緣黑線：實(shí)現(xiàn)小車沿軌道行駛不會(huì)偏離跑道；

（2）調(diào)速：調(diào)節(jié)小車在轉(zhuǎn)彎區(qū)和超車去車速快慢的調(diào)節(jié)。

2、程序設(shè)計(jì)思路

通過判斷左邊和右邊傳感器送過來的信號(hào)進(jìn)行判斷是否進(jìn)行左右轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)，由前方傳感器判斷是否進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，通過單片機(jī)送來的指令使小車行駛。圖5為軟件流程圖。

軟件的編寫是在KEIL4編譯環(huán)境下，使用C語言開發(fā)，編程思想在于單片機(jī)對(duì)光電傳感器傳來數(shù)據(jù)的判斷以及對(duì)于電機(jī)控制時(shí)使用的PWM輸出。PWM信號(hào)是利用單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)的，使用定頻調(diào)寬法，即脈沖信號(hào)的頻率（周期）是固定的，通過調(diào)節(jié)脈沖的寬度即電壓為高電平狀態(tài)的時(shí)間來改變脈沖信號(hào)的占空比（在一個(gè)周期中，電壓值為高電平狀態(tài)的時(shí)間占一個(gè)周期的百分比），從而改變電機(jī)電樞兩端的平均電壓值，這樣就實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的調(diào)速目的。

五、測試方案與測試結(jié)果

測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。

測試儀器：自制跑道、秒表

自制跑道測試：測試數(shù)據(jù)如表2所示

測試結(jié)果：自制跑道上的成功率為60%，測試表明在電量偏小時(shí)成功率最高

表 2 測試數(shù)據(jù)

六、測試分析與結(jié)論

根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結(jié)論：自動(dòng)沿預(yù)設(shè)軌道行駛小車在行駛過程中，能夠自動(dòng)檢測預(yù)先設(shè)好的軌道，實(shí)現(xiàn)直道和弧形軌道的前進(jìn)。若有偏離，能夠自動(dòng)糾正，返回到預(yù)設(shè)軌道上來。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)輸出的PWM波經(jīng)L298N實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，從而實(shí)現(xiàn)小車的智能化。該小車具有自動(dòng)尋跡，起始點(diǎn)檢測以及自動(dòng)聲光報(bào)警等功能，基于穩(wěn)定的硬件電路設(shè)計(jì)以及精確可靠的軟件算法，小車能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能。