1.引言

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和制造技術(shù)的飛速發(fā)展，消費(fèi)電子產(chǎn)品越來越呈現(xiàn)出光機(jī)電一體化、智能化、小型化等趨勢(shì)。各種智能小車在新興產(chǎn)業(yè)鏈中也占據(jù)著一席之地，此類具有自我判斷與應(yīng)急能力的智能小車在搶險(xiǎn)救災(zāi)、智能汽車、智能家電以及考古等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。它能夠到達(dá)人類所不能涉及的區(qū)域，這樣應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)在于拓展人類的活動(dòng)范圍、控制領(lǐng)域，也避免了讓人類直接暴露在某些危險(xiǎn)的區(qū)域中。因此智能小車的研究具有深遠(yuǎn)的意義和發(fā)展空間。

無人駕駛的電動(dòng)車可以應(yīng)用于搶險(xiǎn)、救災(zāi)等人力不能達(dá)到的危險(xiǎn)區(qū)域的探測(cè)。當(dāng)發(fā)生如火災(zāi)、有毒物質(zhì)泄漏、輻射等災(zāi)難時(shí)，人們往往要冒著生命危險(xiǎn)或者根本就無法進(jìn)入這些災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)以了解災(zāi)情，因此需要一種探測(cè)車來代替人們完成任務(wù)從而減少和避免人員的傷亡。探測(cè)車在失去無線遙控信號(hào)且又無法前進(jìn)時(shí)，探測(cè)車能按原路徑返回，因此有簡(jiǎn)單的路徑記憶功能。

2.系統(tǒng)總體硬件方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)主要包括紅外對(duì)管模塊，霍爾模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，顯示模塊，單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊等。其中紅外對(duì)管模塊和霍爾模塊為信號(hào)采集端，單片機(jī)接受信號(hào)進(jìn)行處理，然后做出反應(yīng)，利用電機(jī)模塊控制小車行駛，LED顯示模塊顯示小車的行駛狀態(tài)。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體硬件框圖

3.系統(tǒng)總體軟件方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件總設(shè)計(jì)[4]可由主函數(shù)來體現(xiàn)，主函數(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)子函數(shù)的調(diào)用，依次為PWM控制函數(shù)pwmkz（uint a，uint b），小車前進(jìn)函數(shù)qianjin（），霍爾函數(shù)lucheng（），LED顯示函數(shù)xianshi（），包括模式2中的記憶行駛函數(shù)jiyi（）。系統(tǒng)主函數(shù)主要流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體軟件流程圖

4.硬件模塊具體設(shè)計(jì)

4.1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1.1 單片機(jī)介紹

本設(shè)計(jì)中采用AT89S52單片機(jī)[2]為主控芯片，AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在線系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，把一些重要的程序保存下來。

AT89S52單片機(jī)的指令系統(tǒng)與8051系列單片機(jī)指令系統(tǒng)兼容，在熟練掌握C51編程環(huán)境后編程比較方便，簡(jiǎn)練。AT89S52單片機(jī)存儲(chǔ)容量和速度方面均符合設(shè)計(jì)要求，在實(shí)際應(yīng)用上也已經(jīng)很成熟，并且電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、經(jīng)典、芯片價(jià)格低廉，適合使用。其引腳分配如表1所示。

表1 單片機(jī)管腳分配

4.1.2 單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)設(shè)計(jì)使用時(shí)需要將其引腳外接到插針上以便利用杜邦線將外圍硬件模塊與單片機(jī)引腳相連接。單片機(jī)接口原理圖[1]如圖3所示。

圖3 單片機(jī)接口原理圖

4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[4]

L298驅(qū)動(dòng)電路前面加上TLP521光耦隔離，電路簡(jiǎn)單易懂。通過改變I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制(如表3所示)，改變PWM的值，就可實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)采用的電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L298。L298可用來驅(qū)動(dòng)繼電器、線圈、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等感性負(fù)載，設(shè)計(jì)中利用它來驅(qū)動(dòng)小車的直流減速電機(jī)。L298的額定電壓為12V，最小4.5V，最大可達(dá)46V，試驗(yàn)中給定電壓為6V；電流可達(dá)4A，持續(xù)電流為2A。L298芯片有四個(gè)通道，可控制小車前輪后輪，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，其引腳輸入情況與小車運(yùn)行的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示。

表3 電機(jī)運(yùn)行說明

表4 小車運(yùn)行說明

4.3 LED顯示電路設(shè)計(jì)

用八個(gè)共陽數(shù)碼管顯示行駛的時(shí)間和路程，數(shù)碼管的數(shù)據(jù)端口通過P0口傳輸數(shù)據(jù)。74LS138譯碼器的輸入數(shù)據(jù)端口由P2.5，P2.6，P2.7控制，為000-111八個(gè)數(shù)據(jù)。位選段口通過74LS138譯碼出八個(gè)地址，選擇八個(gè)數(shù)碼管。若X0為低電平，則Q1導(dǎo)通，U1數(shù)碼管的0位被選中，顯示當(dāng)前P0中的值。顯示時(shí)間在低四個(gè)數(shù)碼管，顯示路程在高四個(gè)數(shù)碼管。

4.4 紅外對(duì)管巡線設(shè)計(jì)

采用RG5000型紅外對(duì)管光電傳感器完成系統(tǒng)循跡。RG5000利用黑線對(duì)紅外線反射不強(qiáng)的原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)黑線的檢測(cè)。此紅外對(duì)管調(diào)理電路簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定。RG5000的最佳測(cè)量范圍是1-9mm，將RG5000安裝在小車車頭的下面，貼近地面尋找黑線。RG5000用以實(shí)現(xiàn)小車沿著場(chǎng)地的黑色弧形引導(dǎo)軌跡行進(jìn)，使小車不偏離軌道行駛。

小車采用五個(gè)RG5000巡線，如果RG5000測(cè)量到黑線，那么它返回高電平，這時(shí)候我們就需要調(diào)用程序，進(jìn)行不同的調(diào)整，使小車沿著黑線行駛。它的原理圖可以分為巡線過程和處理巡線信號(hào)過程。紅外對(duì)管電路原理圖如圖3.4.2所示，紅外對(duì)管檢測(cè)路面情況，及時(shí)將信號(hào)輸出。

圖4 軟件功能框圖

4.5 霍爾模塊設(shè)計(jì)

所謂霍爾效應(yīng)，是指磁場(chǎng)作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時(shí)，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。當(dāng)電流通過金屬箔片時(shí)，若在垂直于電流的方向施加磁場(chǎng)，則金屬箔片兩側(cè)面會(huì)出現(xiàn)橫向電位差，此電位差約為0.7V。所以霍爾電路的設(shè)計(jì)原理就是應(yīng)用此原理，霍爾電位差信號(hào)輸入到LM393比較器3腳輸入端與比較器2腳的電壓值進(jìn)行比較后1腳輸出，接至單片機(jī)P33口(外部中斷)。使用時(shí)霍爾檢測(cè)車輪磁鋼后產(chǎn)生電平變化，觸發(fā)單片機(jī)中斷計(jì)數(shù)，數(shù)值計(jì)算后即達(dá)到路程測(cè)量的功能。

小車采用霍爾元件，如果霍爾元件測(cè)量到磁鋼，那么它返回高電平，這時(shí)候就產(chǎn)生外部中斷，觸發(fā)中斷函數(shù)，在中斷函數(shù)中，記錄路程的變量加一，這樣在調(diào)用路程函數(shù)的時(shí)候，就能夠根據(jù)走過的圈數(shù)，計(jì)算得出行駛的路程。

5.功能軟件設(shè)計(jì)

軟件功能框圖如圖4所示。

軟件功能框圖，包含以下幾部分：主函數(shù)，記憶行駛函數(shù)，巡線行駛函數(shù)，PWM控制函數(shù)，路程測(cè)量函數(shù)，顯示函數(shù)，中斷函數(shù)等幾部分，其中主函數(shù)主要調(diào)用巡線行駛函數(shù)，記憶行駛函數(shù)，路程測(cè)量函數(shù)，顯示函數(shù)；記憶行駛函數(shù)和巡線行駛函數(shù)主要調(diào)用PWM控制函數(shù)；PWM控制函數(shù)中用到中斷處理函數(shù)；顯示函數(shù)中的時(shí)間也調(diào)用中斷中計(jì)算的時(shí)間。

6.結(jié)束語

通過此次研究，學(xué)到了很多知識(shí)。包括基本熟悉學(xué)校新購買的制板機(jī)的制板流程及原理，制作出電路板。在研究中，可以熟練地運(yùn)用Protel工具設(shè)計(jì)原理圖和PCB圖，對(duì)Protel的了解更近了一步。更加熟悉了Keil軟件的應(yīng)用，鍛煉了邏輯思維，能夠考慮到程序執(zhí)行的各個(gè)可能情況。雖然這次研究的還是不夠理想，但是可以相信，在以后的學(xué)習(xí)工作中，能夠做的更好。通過此次研究，學(xué)會(huì)了處理問題的方法，相信以后會(huì)運(yùn)用的更好。

[1]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,2006.

[2]趙德安等.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004,9.

[3]黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[4]周重益,潘超.單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)EAT598實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].常州:江蘇工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)系,2005,12.