趙新穎，羅 坤

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州450052）

近年來，隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)智能小車的研究也越來越廣泛。在現(xiàn)實(shí)生活中智能小車具有非常重要的意義，它可以代替人類完成一些工作。由此希望開發(fā)一種具有由單片機(jī)控制的智能功能的系統(tǒng)[1]。

1 設(shè)計(jì)要求及方案設(shè)計(jì)

智能電動(dòng)小車的主要技術(shù)要求有：顯示時(shí)間、速度、里程；具有自動(dòng)尋跡、尋光、避障功能；可程控行駛速度、準(zhǔn)確定位停車。

基于以上要求，在設(shè)計(jì)思路上考慮以80C51單片機(jī)為核心，以現(xiàn)有玩具電動(dòng)車為基礎(chǔ)，加裝光電、紅外線、超聲波傳感器及金屬探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)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(cè)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的智能控制，從而實(shí)現(xiàn)智能化控制的目的。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)及其外圍電路

80C51單片機(jī)由微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、并行 I/O口、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器等部分組成[2]。將它們通過片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式相同，不同之處在于對(duì)各種功能部件采用特殊功能寄存器集中控制方式。由于80C51是片內(nèi)有 ROM/EPROM的單片機(jī)，因此，由它構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單﹑可靠。

2.2 檢測(cè)電路

2.2.1障礙檢測(cè)電路

識(shí)別障礙的首要問題是傳感器的選擇[3]，本設(shè)計(jì)采用T/R-40-12小型超聲波傳感器作為探測(cè)前方障礙物體的檢測(cè)元件，它通過向目標(biāo)發(fā)射超聲波脈沖，計(jì)算其往返時(shí)間來判定距離。檢測(cè)電路圖如圖1所示。

2.2.2行車狀態(tài)和距離檢測(cè)電路

本系統(tǒng)采用反射式紅外線光電傳感器用于檢測(cè)路面的起始、終點(diǎn)，玩具車底盤上沿起始終點(diǎn)線放置一套，以適應(yīng)起始的記數(shù)開始和終點(diǎn)的停車需要。采用光敏三極管接收燈泡發(fā)出的光線來實(shí)現(xiàn)光線跟蹤。當(dāng)光敏三極管感受到光線照射時(shí)，c-e間的阻值下降，檢測(cè)電路輸出高電平，經(jīng)LM393電壓比較器和施密特觸發(fā)器整形后送單片機(jī)控制[4]。電動(dòng)車的方向檢測(cè)電路和行車循跡檢測(cè)電路如圖2所示。

此套紅外光電傳感器固定在底盤前沿，貼近地面。正常行駛時(shí)，發(fā)射管發(fā)射紅外光照射地面，光線經(jīng)白紙反射后被接收管接收，輸出高電平信號(hào)；電動(dòng)車經(jīng)過起始點(diǎn)時(shí)，發(fā)射端發(fā)射的光線被吸收，接收端接收不到反射光線，傳感器輸出低電平信號(hào)后送80C51單片機(jī)處理，判斷執(zhí)行哪一種預(yù)先編制的程序來控制玩具車的行駛狀態(tài)。前進(jìn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，進(jìn)入減速區(qū)時(shí),由單片機(jī)控制進(jìn)行PWM變頻調(diào)速，通過軟件改變脈沖調(diào)寬波形的占空比,實(shí)現(xiàn)調(diào)速。最后經(jīng)反接制動(dòng)實(shí)現(xiàn)停車。前行與倒車控制電路的核心是橋式電路和繼電器。對(duì)繼電器開閉的控制即可控制電機(jī)的開斷和轉(zhuǎn)速方向進(jìn)而達(dá)到控制玩具車前行與倒車的目的，實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)控制系統(tǒng)的糾偏功能[5]。圖3所示為前行與倒車控制電路圖。

圖3 前行與倒車控制電路

由于紅外檢測(cè)具有反應(yīng)速度快、定位精度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，故本系統(tǒng)采用紅外光電碼盤測(cè)速方案。

2.3 調(diào)速電路

調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有三種方案，分別為串電阻調(diào)速系統(tǒng)、靜止可控整流V-M系統(tǒng)和脈寬調(diào)速系統(tǒng)PWM。經(jīng)綜合比較，本設(shè)計(jì)采用H型雙極型可逆PWM變換器進(jìn)行調(diào)速，同時(shí)實(shí)現(xiàn)前行和后退的控制。

2.4 顯示電路

本系統(tǒng)采用兩片4 bit八段數(shù)碼管gem4561ae作顯示器，其具有雙重功能。在小車不行駛時(shí)其中一片數(shù)碼管顯示年月，另一片顯示時(shí)和分；當(dāng)小車行駛時(shí)，分別顯示時(shí)間和行駛距離[6]。

3 軟件設(shè)計(jì)

在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，軟件設(shè)計(jì)也占非常重要的地位。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序﹑定時(shí)子程序、避障子程序﹑中斷子程序、顯示子程序﹑調(diào)速子程序﹑算法子程序構(gòu)成[7]。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試及其性能評(píng)估

電路設(shè)計(jì)制作完成后[8]，主要對(duì)計(jì)時(shí)精度、測(cè)距精度和定位精度進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試和結(jié)果分析。

（1）計(jì)時(shí)精度分析：計(jì)時(shí)系統(tǒng)采用了新型顯示芯片。理論上的誤差不到1 s/y。

（2）測(cè)距精度分析：測(cè)速系統(tǒng)采用了電機(jī)軸光電碼盤檢測(cè)技術(shù)。電機(jī)軸與車輪軸之間采用了齒輪箱二級(jí)減速，變比1/16。車輪周長(zhǎng) 135 mm，光電碼盤與電機(jī)軸安裝在一起，電機(jī)軸每轉(zhuǎn)產(chǎn)生2個(gè)脈沖，車輪每轉(zhuǎn)產(chǎn)生32個(gè)脈沖，理論測(cè)量精度可達(dá)135 mm/32=4.22 mm＜4.5 mm。

（3）定位精度分析：本設(shè)計(jì)采用實(shí)際測(cè)量與軟件補(bǔ)償技術(shù)，理論上可使定位精度提高到誤差＜10 mm。

本文提出了一個(gè)基于80C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)智能小車進(jìn)行控制的方案，并給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的具體設(shè)計(jì)思路。該系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際測(cè)試證明運(yùn)行狀況良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

[1]賀登天，甘重斗，夏春水.基于單片機(jī)控制的智能開關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].甘肅科技，2007，23(6)：41-44.

[2]林華兵.MCS-51單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2003.

[3]趙負(fù)圖.傳感器集成電路手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[4]何希才.新型實(shí)用電子電路400例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

[5]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[6]張毅剛，彭喜元.新編 MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[7]南建輝，熊鳴，王軍茹.MCS-51單片機(jī)原理及應(yīng)用實(shí)例[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[8]李東生，張勇，許四毛.Protel 99SE電路設(shè)計(jì)技術(shù)入門與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.