郭立芝

(西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安710065)

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

小車在如圖1所示的跑道上自動往返行駛，跑道表面貼有白紙，在1、2、3、4處貼有黑膠帶，車子從起點出發(fā)到達終點停車10秒，然后返回到起點，停車。限速區(qū)要求速度控制在0.25m/s以下，終點停車要求車子中心與黑線的距離盡量小。

整個系統(tǒng)采用光電檢測不同的信號，并經(jīng)單片機對其進行處理，控制繼電器的斷開和吸合，從而切換555產(chǎn)生的不同的脈寬信號來控制電動機的正反轉(zhuǎn)和剎車。通過單片機內(nèi)部計數(shù)器/定時器進行定時、記數(shù)，再用單片機串行輸入/輸出口進行顯示控制。其工作框圖2如下:

圖1 跑道示意圖

圖2 系統(tǒng)工作框圖

2 系統(tǒng)各模塊的設(shè)計

2.1 89C2051單片機基本系統(tǒng)

此系統(tǒng)以89C2051為核心，通過單片機內(nèi)部計數(shù)器/定時器進行定時、記數(shù)，再用單片機串行輸入/輸出口RXD，TXD進行顯示控制。P0口作為外部中斷響應(yīng)口。P1口為電動機狀態(tài)控制口［1］。其原理如圖3所示。

圖3 89C2051單片機原理圖

2.2 光電檢測部分

采用反射式光電檢測電路對跑道上的黑線進行檢測，并用兩個遮光管套住發(fā)光管和接收管以一定的角度緊貼跑道，這樣可以消除外界光線的干擾。為了加強可靠性，采用槽型光耦檢測輪子轉(zhuǎn)動行程。用LM358電壓比較器輸出高低電平檢測信號。如圖4所示。

圖4 光電檢測電路

2.3 電源部分

由于電動機工作電流大，需要選用內(nèi)阻小，供電電流強，質(zhì)量輕，可反復(fù)使用的經(jīng)濟型電池，我們選用鎳鉻電池組。為使單片機工作穩(wěn)定，避免電動機開機關(guān)機和其轉(zhuǎn)動時對其電源電壓的影響，在此用2個電池組和穩(wěn)壓塊分別為89C2051和電動機驅(qū)動顯示部分供電［2］。并緊靠每個芯片的電源端加1uF的電容。這樣可以有效地消除各模塊之間的工作干擾。

2.4 PWM 部分

因為小車需要有加速和限速兩種不同的工作狀態(tài)，采用調(diào)壓電路工作不穩(wěn)定，并且對調(diào)壓塊的要求較高，通過實驗證明，調(diào)壓塊容易燒壞。而采用調(diào)脈寬的方式控制電動機的轉(zhuǎn)速，后級采用三極管D882推動工作很穩(wěn)定，并且用555產(chǎn)生的調(diào)脈寬電路，其占空比可在0% ～99%之間任意調(diào)整，精度高［3］。特別是在低速段調(diào)整，不易停車。如圖5所示。

圖5 PWM電路

2.5 小車的狀態(tài)控制

利用繼電器的動作切換電動機兩端的電壓占空比，在非限速區(qū)脈寬調(diào)到最大，小車全速向前，到限速區(qū)時調(diào)整脈寬使小車的速度控制在2÷8=0.25m/s以下。為了定位準確，小車的剎車控制很重要。由于小車上帶的負載較多，小車的慣性較大，讓小車自由停車會和終點位置相差太大。因此采用了電剎車，即利用直流電機的再生發(fā)電制動理論，即將電動機的轉(zhuǎn)子兩端短路，完成制動。經(jīng)過試驗，電剎車效果好，容易制作，控制簡單，技術(shù)成熟。其電路如圖6所示。

2.6 顯示電路部分

顯示電路要求顯示小車的行駛路程和行駛這一路程的時間。為了提高CPU的利用率，節(jié)省CPU資源，采用靜態(tài)顯示［4］，串行靜態(tài)顯示的優(yōu)點是:顯示穩(wěn)定，僅僅在需要更新顯示內(nèi)容時CPU才執(zhí)行一次顯示更新程序，這樣大大地節(jié)省了CPU的時間，提高了CPU的工作效率。其電路如圖7所示。

圖6 小車的狀態(tài)控制電路

圖7 顯示電路

2.7 安裝與調(diào)試

自動小車為玩具遙控小車的改裝品，在改裝的過程中最重要的是考慮設(shè)計兩個光電檢測管的位置，檢測黑線的光電管放在車體的中央，用遮光管將其以一定反射角度用彈簧壓到跑道上，貼地口打磨光滑防止刮紙。路程檢測用槽型光耦，放在小車的從動輪上。輪子的周長為20厘米，在輪子上用了兩個通光孔，即其行程精度為10厘米。并且為了小車碰到墻壁不至于停車，在小車的四角上都加上了導(dǎo)向輪，導(dǎo)向輪用隨身聽上的壓帶輪制作即可。其他電路板用銅支架層疊式固定。

3 程序設(shè)計

設(shè)計程序中，上電使用時必須對所有控制寄存器初始化，在跑到終點停10秒時，為防止外部干擾，我們采用關(guān)中斷的方式。跑完全程后讓CPU進入死循環(huán)，小車停止不再啟動。其軟件流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)程序設(shè)計流程圖

4 結(jié)束語

本文介紹了基于單片機89C2051的往返小車的硬件和軟件設(shè)計，由于采用模塊化設(shè)計，本系統(tǒng)具有良好的可升級性和擴展性，采用單片機進行控制處理，它具有編程靈活、自由、穩(wěn)定性能好、擴展容易等優(yōu)點。本控制系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試，實現(xiàn)了小車的調(diào)速、前進、后退、顯示速度和路程等功能，但由于時間和水平的限制，本系統(tǒng)的設(shè)計還有許多需要改進的地方。

［1］李朝青.單片機＆DSP外圍數(shù)字IC技術(shù)手冊［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［2］張友德，趙志英，涂時亮.單片微型機［M］.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2000.

［3］王建飛.基于單片機控制的自動往返小汽車的新設(shè)計［J］.現(xiàn)代與電子技術(shù)，2006，234(19):127－129.

［4］劉全盛.數(shù)字電子技術(shù)(第一版)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000.