基于單片機(jī)的自動循跡小車控制系統(tǒng)的設(shè)計分析

李穎 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)

與人力生產(chǎn)方式相比，利用智能化機(jī)械完成各種生產(chǎn)任務(wù)能夠呈現(xiàn)出更高的生產(chǎn)效率，同時降低失誤率，成為現(xiàn)代社會生產(chǎn)方式發(fā)展的一種必然趨勢。將單片機(jī)應(yīng)用于自動循跡小車的控制系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中，具有更好的控制效果，值得廣大科研人員對其設(shè)計方式做出更為深入的研究。

1 自動循跡小車概述

自動循跡小車屬于一種無人駕駛的智能化搬運(yùn)機(jī)器人，依據(jù)系統(tǒng)所下達(dá)的指令，結(jié)合預(yù)設(shè)程序使小車沿著設(shè)定路線自動行駛，繼而完成各種作業(yè)。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，自動循跡小車已然廣泛應(yīng)用于快遞分揀、煙草自動倉儲、機(jī)械加工以及汽車制造等多個領(lǐng)域，具有非常良好的適應(yīng)性和可靠性，成為現(xiàn)代物流系統(tǒng)中的一種重要設(shè)備。

2 單片機(jī)自動循跡小車控制系統(tǒng)設(shè)計思路

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

針對小車的控制系統(tǒng)，主要利用模塊化的設(shè)計方式，其主要構(gòu)成如圖一所示，實(shí)現(xiàn)對小車軌跡的檢測、路線跟隨等設(shè)計目標(biāo)。

圖一 控制系統(tǒng)框架

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在智能小車中配置紅外線傳感器，用于對信號的檢測，隨后由AT89C52 單片機(jī)針對信號進(jìn)行處理，利用單片機(jī)中的定時器T0 改變占空比實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。最后，利用驅(qū)動芯片L298N對電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，繼而實(shí)現(xiàn)自動循跡效果。

2.2.1 電源

這一模塊主要起到對小車整體供給穩(wěn)定電源的作用，我們主要應(yīng)用三端穩(wěn)壓器，供給5V 與9V 兩組電源，前者負(fù)責(zé)對數(shù)字電路部分的供電，而后者為電機(jī)供電。

2.2.2 電機(jī)驅(qū)動

小車設(shè)計為四輪結(jié)構(gòu)，左側(cè)和右側(cè)各兩個車輪，分別利用兩個9V 直流電機(jī)進(jìn)行控制，通過單片機(jī)I/O 口控制車輪電機(jī)轉(zhuǎn)速，繼而實(shí)現(xiàn)對小車左右輪的控制。驅(qū)動電路的選用，通常采取H 橋式驅(qū)動電路，本系統(tǒng)選擇L298N 作為電機(jī)的驅(qū)動芯片，利用單片機(jī)為其提供PWM 信號實(shí)現(xiàn)小車的控制。在L298N 芯片的內(nèi)部對H 橋式驅(qū)動電路進(jìn)行集成，不僅有效提升操作便利性，還能提供更大的驅(qū)動力，只利用一片L298N 便能實(shí)現(xiàn)對兩個直流電機(jī)的帶動。對于L298N中的使能端，可通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)軟件控制，或者外接高低電平。此系統(tǒng)中主要采取外接高電平Vcc 的方案。利用L298N 所配置的四個信號輸入端口實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)輸出信號的接收，在兩個電源的連接端口位置分別配置不同電壓，以輸出端口對車輪電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，其余端口均作接地處理。除此之外，由于電機(jī)屬于電感性負(fù)載，在停機(jī)或者換向的情況下會形成較高的反向感應(yīng)電動勢，倘若未形成有效釋放便會使控制芯片中的電路遭到擊穿。所以，在驅(qū)動芯片與電機(jī)間配置穩(wěn)壓二極管，出現(xiàn)感應(yīng)電動勢之后，通過二極管導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)對電能量的釋放，從而起到對電路整體的保護(hù)效果，還能起到一定電壓穩(wěn)定效果。

2.2.3 紅外檢測

循跡傳感器主要利用紅外光電傳感器TCRT5000，其循跡路徑呈現(xiàn)為黑色的軌跡線。其作用原理為：在各種顏色物體表面，紅外光所反射的實(shí)際情況不同，以此來判定小車能否行駛于預(yù)設(shè)軌跡之上。配置三個紅外光電傳感器，分別設(shè)置于小車左側(cè)、中間以及右側(cè)三個位置。而黑線檢測原理為：紅外發(fā)射管產(chǎn)生的光線照射在路面上，紅外光在遇到黑線的時候會被吸收，這時接收管便不會接收到反射光，繼而輸出高電平；倘若遇到白色路面，則會被反射回來，接收管便會接收反射光，繼而輸出低電平。如此一來，利用電路使信號變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩碗妷鹤兓诮?jīng)過電壓比較器的處理之后傳輸至單片機(jī)。如果小車出現(xiàn)路線偏移，則可利用對車輪電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制對路線進(jìn)行校正，繼而實(shí)現(xiàn)循跡。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

針對小車的軟件控制系統(tǒng)，主要利用C 語言實(shí)現(xiàn)編寫。系統(tǒng)主要通過PWM 信號實(shí)現(xiàn)對小車速度與轉(zhuǎn)向的控制，先要對系統(tǒng)做出必要的初始化處理，包括對CPU 與外圍芯片、內(nèi)部中斷、定時器以及所應(yīng)用變量等內(nèi)容的初始化。隨后，開展循跡任務(wù)的檢測，單片機(jī)通過所接收到的信號，以內(nèi)部程序?yàn)橐劳腥诤蠁纹瑱C(jī)所輸出PWM信號形成對路徑情況的判斷和處理，并將其結(jié)果利用單片機(jī)I/O 口傳送至電機(jī)的驅(qū)動模塊，從而實(shí)現(xiàn)對車輪電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，以完成對小車實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的糾正，形成自動循跡效果。

結(jié)束語

總而言之，以單片機(jī)為基礎(chǔ)的自動循跡小車控制系統(tǒng)設(shè)計，能夠呈現(xiàn)出非常優(yōu)質(zhì)的控制效果，在很大程度上提高小車的應(yīng)用性能，促進(jìn)其應(yīng)用范圍的進(jìn)一步推廣。作為一名科研人員，應(yīng)該在日常工作實(shí)踐中積極探索，對國外一些先進(jìn)的設(shè)計理念與技術(shù)加以借鑒，繼而與我國智能機(jī)械生產(chǎn)與應(yīng)用的實(shí)際情況相結(jié)合，創(chuàng)建出一套更加符合我國國情的自動循跡小車系統(tǒng)研發(fā)體系，在實(shí)現(xiàn)自我價值的同時，為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入源源不斷的活力。