探索電子電路實驗項目化
——智能尋跡小車的設(shè)計＊

黃靜月，常博學(xué)，王日霞

（1.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

隨著人工智能時代的到來，機(jī)器人、云計算等新一代科技將取代大部分機(jī)械勞動，智能尋跡小車又稱輪式移動機(jī)器人，是模擬無人搬運(yùn)車的工作過程[1]，能夠按照預(yù)設(shè)軌跡自動移動，應(yīng)用于無人駕駛動車、無人工廠及科學(xué)勘測等方面，已成為智能控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。重點(diǎn)研究智能尋跡小車對軌跡的自主識別與實時校正，使小車沿著軌道穩(wěn)定地運(yùn)動，這就要求整個小車具有較好的穩(wěn)定性能和較強(qiáng)的抗干擾能力，并在此基礎(chǔ)進(jìn)行升級，其研究結(jié)果在多個領(lǐng)域被加以推廣和應(yīng)用[2]。

本文所設(shè)計的智能尋跡小車是由單片機(jī)主控模塊、二次電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊及尋跡模塊等組成的。本文詳細(xì)介紹了基于單片機(jī)控制的智能尋跡小車的總體方案設(shè)計、控制過程、尋跡原理以及軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。系統(tǒng)硬件模塊包括單片機(jī)主控系統(tǒng)、直流電機(jī)驅(qū)動電路、二次電源電路和尋跡電路。單片機(jī)主控系統(tǒng)作為小車的核心部件完成信息交換及智能控制，直流電機(jī)驅(qū)動電路控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，二次電源電路提供各模塊所需電壓，光電傳感器作為路徑識別傳感器用來完成對白色底板上的黑色軌道的路面檢測及尋跡。光電傳感器檢測道路信息傳送至單片機(jī)微處理器，單片機(jī)微處理器根據(jù)道路信息驅(qū)動直流電機(jī)，控制小車穩(wěn)定地尋線行駛[3]。系統(tǒng)軟件采用C 語言進(jìn)行編程。智能尋跡小車的整體架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 智能尋跡小車的整體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電源模塊設(shè)計

電源電路提供各個模塊需要的穩(wěn)定電壓，本系統(tǒng)采用5 節(jié)電池組作為主電源，經(jīng)過L7805CⅤ穩(wěn)壓塊處理后輸出5 Ⅴ電壓，為單片機(jī)、驅(qū)動電路及尋跡電路等電路提供電壓。L7805 三端穩(wěn)壓器的1 腳為輸入端，2 腳為公共端（接地負(fù)極端），3 腳為輸出端（輸出ⅤDD+5 Ⅴ直流電壓）。當(dāng)輸入電壓大于8 Ⅴ時，輸入到L7805 三端穩(wěn)壓器的1 腳和2 腳后，經(jīng)穩(wěn)壓后，由2 腳和3 腳輸出穩(wěn)定不變的+5 Ⅴ直流電壓。電源模塊電路圖如圖2 所示。

圖2 電源模塊電路圖

2.2 尋跡模塊設(shè)計

尋跡電路由TCRT5000 光電傳感器和LM393 電壓比較器2 部分組成，如圖3 所示。紅外光電傳感器為檢測信號工具，用黑色膠帶貼在白色的地板上作為軌 以根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱來判斷道路。遇到黑線時光電接收管截止，輸出高電平，將會大于比較器反向輸入端電位，比較器輸出高電平，單片機(jī)根據(jù)傳送過來的信息會對小車實際狀態(tài)作出相應(yīng)調(diào)整；反之，當(dāng)小車在白色跑道正常行駛時，裝在車頭底部的紅外接收管接收白色跑道反射回來的信號，與比較器反向輸入端電位進(jìn)行比較，輸出低電平，致使小車?yán)^續(xù)前行。

圖3 尋跡電路圖

2.3 主控模塊設(shè)計

智能尋跡小車以單片機(jī)為控制核心，尋跡電路模塊的輸出信號送至單片機(jī)，通過單片機(jī)進(jìn)行輸入/輸出口檢測信號，輸出驅(qū)動信號（高低電平信號）至驅(qū)動電路驅(qū)動2 個電機(jī)控制其前進(jìn)、停止、左右轉(zhuǎn)向等行為，使其在彎、直道路上沿軌道穩(wěn)定地自由行駛。單片機(jī)采用PWM 脈寬調(diào)速，實現(xiàn)小車在彎道上減速轉(zhuǎn)彎。

本文采用的單片機(jī)型號是STC89C52RC，p0.6、p0.7 用于接收尋跡電路傳送的信號，p0.0、p0.1 為驅(qū)動左輪電機(jī)PWM 控制信號接口，p0.2、p0.3 為驅(qū)動右輪電機(jī)PWM 控制信號接口。

2.4 驅(qū)動模塊設(shè)計

驅(qū)動模塊由驅(qū)動電路和直流電機(jī)組成。驅(qū)動電路由4 個三極管構(gòu)成的H 橋驅(qū)動電路，單片機(jī)根據(jù)尋跡電路傳送過來的PWM 信息驅(qū)動電路控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。由于單片機(jī)輸出的PWM 信號功率太小，不能直接驅(qū)動H 橋電路工作，所以在H 橋電路兩邊加上一個三極管對PWM 信號放大，才能進(jìn)入H 橋驅(qū)動電路，控制道，黑色和白色對光線的反射系數(shù)不同，光電傳感器可電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。驅(qū)動電路圖如圖4 所示。

圖4 驅(qū)動電路圖

驅(qū)動電路工作過程：本系統(tǒng)使用2 個直流電機(jī)驅(qū)動小車的左右輪，p0.0、p0.1、p0.2、p0.3 分別控制小車的左右電機(jī)，完成小車的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)及停止等動作[4]。驅(qū)動電路由4 個三極管Q3、Q4、Q5、Q6組成的H 橋電路和1 個電機(jī)構(gòu)成，要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的1 對三極管，因此Q3 和Q4、Q5和Q6 是互補(bǔ)對稱三極管。主控電路單片機(jī)輸出PWM1、PWM2 脈寬調(diào)速信號，經(jīng)過Q1、Q2 三極管對信號進(jìn)行放大。然后輸入到H 橋電路進(jìn)行處理，其中PWM1 和PWM2 是互補(bǔ)的PWM 信號，PWM1 和PWM2 周期相同，占空比相同，極性相反，使得對角線上的2 個三極管同時導(dǎo)通，同時關(guān)斷。在PWM1 為高電平、PWM2 為低電平時，經(jīng)過Q1 三極管對PWM1進(jìn)行放大，使得Q3、Q5 都導(dǎo)通，Q4、Q6 都截止，電流從電源正極經(jīng)過Q3，從左到右流過電機(jī)，然后經(jīng)過Q5 流入電源負(fù)極，此時，直流電機(jī)正轉(zhuǎn)。在PWM1為低電平、PWM2 為高電平時，Q1 三極管對PWM2進(jìn)行放大，使得Q4、Q6 都導(dǎo)通，Q3、Q5 都截止，電流還是從左到右流過電機(jī)，經(jīng)過Q4 和Q6 形成電流回路，此時，直流電機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)動。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)通過C 語言編程實現(xiàn)系統(tǒng)功能，有利于單片機(jī)產(chǎn)品的重新選型和應(yīng)用程序的移植，便于系統(tǒng)的后期維護(hù)和功能升級[5]。

系統(tǒng)流程分析：主程序關(guān)鍵作用在于導(dǎo)向及決策，首先初始化單片機(jī)主控系統(tǒng)，然后根據(jù)智能小車的狀態(tài)確定系統(tǒng)所要執(zhí)行的任務(wù)，在行駛過程中，單片機(jī)對傳感器的信號實時判斷，左邊信號為低電平時控制左邊電機(jī)轉(zhuǎn)動，左指示燈亮；右邊信號為低電平時控制右邊電機(jī)轉(zhuǎn)動，右指示燈亮。當(dāng)小車在軌道上直線行駛時，左右電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動，左右指示燈亮；當(dāng)小車在左彎道上，根據(jù)PWM 脈寬調(diào)速原理，左電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度小于右電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度；當(dāng)小車在右彎道上，左電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度大于右電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度；到達(dá)終點(diǎn)時左右信號為高電平，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，指示燈滅。

4 系統(tǒng)測試

為驗證系統(tǒng)的可行性，將智能尋跡小車置于S 形軌道上進(jìn)行功能及性能測試。圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）分別是智能小車左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)及停止實物圖。實驗表明，通過左右兩輪可以實現(xiàn)智能尋跡小車的前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎及停止等尋跡功能，驗證了智能尋跡小車的穩(wěn)定性及可靠性。

圖5 智能小車運(yùn)動過程圖

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計原則，具有易擴(kuò)充、易修改及相互獨(dú)立等優(yōu)點(diǎn)。智能尋跡小車以單片機(jī)為核心部件，光電傳感器和電壓比較器共同完成智能小車的尋跡功能，單片機(jī)處理數(shù)據(jù)后，傳送給驅(qū)動電路，驅(qū)動直流電機(jī)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)小車的智能控制。