張春林，趙麗

（1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033；2.長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長春 130033）

尋跡機(jī)器人在社會生活中有著廣泛的應(yīng)用，例如自動化生產(chǎn)線的物料陪送機(jī)器人，醫(yī)院的機(jī)器人護(hù)士，商場的導(dǎo)游機(jī)器人等［1］。自動尋跡車可以看作是一款尋跡機(jī)器人，它集機(jī)械、電子、檢測技術(shù)與智能控制于一體，采用紅外反射式光電傳感器檢測路面信息，利用紅外遮斷式傳感器檢測車輪轉(zhuǎn)速.STC12LE5410AD單片機(jī)根據(jù)上述傳感器信號進(jìn)行運(yùn)算分析，控制小車在路面上沿黑線行走。

STC12LE5410AD單片機(jī)是單時鐘的兼容8051內(nèi)核的單片機(jī)，是高速、低功耗的新一代8051單片機(jī)，速度比普通8051快8～12倍，全新的流水線、精簡指令集結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，自帶4路PWM輸出及硬件看門狗。能夠很好的滿足系統(tǒng)要求。

1 總體方案設(shè)計

自動尋跡車是一個具備自主判斷、決策能力的小型機(jī)電整合系統(tǒng)。自動尋跡車主要分為電源模塊、微控制器模塊、電機(jī)控制模塊、軌跡檢測模塊、碼盤采樣器模塊。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。電源模塊是智能小車的“動力源泉”，微控制器模塊是自動尋跡車的大腦，軌跡檢測模塊相當(dāng)于尋跡車的眼睛，電機(jī)控制模塊和碼盤采樣器模塊組成移動模塊，移動模塊相當(dāng)于尋跡車的腿腳。由軌跡檢測模塊檢測曲線的位置并輸出檢測信息，對檢測信息進(jìn)行處理后將其輸入到微控制器模塊，單片機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)輸入信息進(jìn)行判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果輸出指令給移動模塊，移動模塊根據(jù)指令驅(qū)動自動尋跡車左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前行等，從而實(shí)現(xiàn)尋跡功能。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 The block diagram of the system

2 硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計

2.1 電機(jī)控制模塊設(shè)計

系統(tǒng)選用了帶減速器的直流電機(jī)，它具有轉(zhuǎn)動力矩大、體積小、重量輕、裝配簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，由于其內(nèi)部由高速電動機(jī)提供原始動力，帶動變速齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。

電機(jī)控制模塊用單片機(jī)的 PWM（脈沖寬度調(diào)制）［2］信號來控制H橋，用H橋來驅(qū)動電機(jī)，能夠控制電機(jī)的停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，且能夠控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度。

如圖2所示，9012、9013三極管控制驅(qū)動管實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，D772和D882是雙極性功率放大管，用于驅(qū)動電機(jī)，IN5819型二極管壓降低提供續(xù)流保護(hù)作用，紅、綠發(fā)光二極管用于電機(jī)正常工作指示。

圖2 電機(jī)驅(qū)動電路Fig.2 The drive circuit of the motor

由于本設(shè)計采用了單極性可逆PWM變換方式，控制一個電機(jī)需要3個I/O口，其中2個用普通的I/O口即可，一個用于輸出PWM信號的，即占空比可控的脈沖信號。I/O口輸出信號通過邏輯控制電路與電機(jī)驅(qū)動電路對接，功能控制如下：

2.2 碼盤采樣器模塊設(shè)計

碼盤采樣器模塊即測速模塊，利用紅外遮斷式傳感器中三極管的開關(guān)特性產(chǎn)生高低電平，由單片機(jī)對其上升或下降沿進(jìn)行計數(shù)，且通過定時器設(shè)定采樣時間，在一定時間內(nèi)計數(shù)的數(shù)量決定了小車的行駛速度。本設(shè)計中因?yàn)榇a盤的分辨率較低，所以采用測周期的方式來得到轉(zhuǎn)速。如果按照正常的脈沖測量方式，采集一個跳變沿，那這個碼盤一圈只能得到 50個數(shù)據(jù)，為了提高性能，利用了STC12LE5410AD單片機(jī)PCA模塊的正、負(fù)跳變均能中斷的特性，一周可獲取100個數(shù)據(jù)。為了避免脈沖的占空比不等帶來的問題，測周期時采用正跳對正跳、負(fù)跳對負(fù)跳的原則。碼盤示意圖如圖3所示。

圖3 碼盤Fig.3 The coded disc

2.3 軌跡檢測模塊設(shè)計

軌跡檢測模塊采用紅外反射式傳感器進(jìn)行信號采集。當(dāng)紅外線照射到白色地面時會有較大的反射，而照射到黑色標(biāo)志線，黑色標(biāo)志線會吸收大部分紅外光，紅外接收管接收到紅外線強(qiáng)度就很弱。即根據(jù)反射系數(shù)不同，通過以紅外反射式光電傳感器為核心的光電檢測電路將路面兩種顏色進(jìn)行區(qū)分，轉(zhuǎn)化為不同電平信號［3-4］，將此電平信號送給STC12LE5410AD單片機(jī)，繼而控制電機(jī)作相應(yīng)的轉(zhuǎn)向，保證小車沿軌跡行駛。

本設(shè)計采用了8個紅外傳感器尋跡，8個尋跡傳感器的安裝如圖4所示，呈一字型排列，中間的兩個紅外傳感器在黑線范圍內(nèi)，反射接收到的是高電平，其余的6個紅外傳感器在黑線范圍外，反射接收到的是低電平。當(dāng)左三傳感器檢測到黑線的邊界時，主控芯片控制電機(jī)使左輪減速，小車向左修正；當(dāng)右三傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制電機(jī)使右輪減速，小車向右修正；如果小車的行駛速度過快，中間的傳感器均脫離了黑色跑道，則檢測其他傳感器，例如當(dāng)左二和左三傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制電機(jī)使左輪以更快速度減速，小車向左修正；當(dāng)右一和右二傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制電機(jī)使右輪快速減速，小車向右修正；從而使小車沿著黑色軌道快速行走，也便于小車在彎道等路面也能夠快速調(diào)整。

圖4 八個尋跡傳感器安裝Fig.4 The eght tracing sensor installation

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序、轉(zhuǎn)速測試子程序、尋跡子程序、結(jié)束子程序等組成。尋跡子程序又包含微調(diào)函數(shù)子程序、直行函數(shù)子程序和調(diào)整子程序等。主程序流程圖如圖5所示。

轉(zhuǎn)速測試子程序能夠測定左右輪轉(zhuǎn)速，并能夠確定測試時微調(diào)函數(shù)子程序、直行函數(shù)子程序和調(diào)整子程序的調(diào)整參數(shù)。

圖5 主程序流程圖Fig.5 The main program flowchart

4 結(jié)論

本文詳細(xì)闡述了基于STC12LE5410AD單片機(jī)的自動尋跡車的軟硬件設(shè)計方法?；谠摲椒ㄔO(shè)計的自動尋跡車已用于機(jī)器人競賽。實(shí)踐證明該車具有硬件成本低、控制系統(tǒng)運(yùn)行快速，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。且在彎道行駛時也能保證運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

［1］黃大志，周慶貴，陳業(yè)強(qiáng).基于單片機(jī)輪式尋跡機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.機(jī)床與液壓，2009，37（8）：350-352.

［2］陳鴻.嵌入式系統(tǒng)在瑞薩智能尋跡模型車的應(yīng)用［J］.學(xué)術(shù)問題研究，2009（2）：75-80.

［3］寧慧慧，余紅.基于單片機(jī)控制的簡易自動尋跡小車設(shè)計［J］.電子測試，2009（9）：39-41.

［4］高月華.基于紅外光電傳感器的智能車自動尋跡系統(tǒng)設(shè)計［J］.半導(dǎo)體光電，2009，30（1）：134-137.