高云華

（江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210007）

隨著計(jì)算機(jī)、微電子、信息技術(shù)的快速發(fā)展，智能化技術(shù)的開(kāi)發(fā)速度越來(lái)越快，智能度越來(lái)越高，應(yīng)用范圍也得到了極大的擴(kuò)展。智能小車(chē)作為移動(dòng)式機(jī)器人中的一個(gè)重要分支，具有環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等功能，是智能化技術(shù)中一個(gè)典型的例子［1］。設(shè)計(jì)者可以通過(guò)軟件編程，讓小車(chē)在預(yù)先設(shè)定的模式中實(shí)現(xiàn)行進(jìn)、尋跡、避障等精確控制，無(wú)需人工干預(yù)，當(dāng)有特殊需要或在出現(xiàn)故障的情況下還可以對(duì)小車(chē)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，可以應(yīng)用于科學(xué)勘探等用途，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)中，智能小車(chē)是由主控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、循跡模塊、避障模塊、遙控模塊、聲控模塊、光控模塊、電源模塊和其他外圍電路組成，其總體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制及電源模塊

智能小車(chē)采用現(xiàn)在較為流行的8位單片機(jī)作為系統(tǒng)大腦。以8051系列家族中的AT89S52為主芯片。40腳的DIP封裝使它擁有32個(gè)完全I(xiàn)O（GPIO—通用輸入輸出）端口，通過(guò)對(duì)這些端口加以信號(hào)輸入電路，控制電路，執(zhí)行電路共同完成智能小車(chē)的功能。電源模塊用4節(jié)1.5 V的電池供電，經(jīng)L7805穩(wěn)壓模塊后，輸出電壓穩(wěn)定在+5 V，從而向各個(gè)模塊供電。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

智能小車(chē)采用前輪驅(qū)動(dòng)，左右前輪各用一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用LG9110，該芯片兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力。單片機(jī)的P0.0，P0.1，P0.2，P0.3分別連接到 LG9110的兩個(gè)輸入端，用以驅(qū)動(dòng)電機(jī)M1和電機(jī)M2，如圖2所示。不同的輸入信號(hào)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，以完成機(jī)器人的前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，遇障礙物繞行等基本動(dòng)作。兩個(gè)電機(jī)同時(shí)正轉(zhuǎn)時(shí)，小車(chē)前進(jìn);兩個(gè)電機(jī)同時(shí)反轉(zhuǎn)時(shí)，小車(chē)后退;左側(cè)電機(jī)不轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，小車(chē)左轉(zhuǎn);左側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)不轉(zhuǎn)，小車(chē)右轉(zhuǎn)。這些基本動(dòng)作正確，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.3 尋跡模塊

尋跡在這里是指沿黑線行走，它靠小車(chē)前端底部的兩對(duì)紅外發(fā)射和接收探頭來(lái)完成［2］。如圖3所示，V6、V5為小車(chē)左側(cè)的紅外發(fā)射與接收管，V3、V4為小車(chē)右側(cè)的紅外發(fā)射與接收管。發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)碰到黑色或不反光的物體時(shí)，紅外反射量大量減少，若碰到白色或反光的物體時(shí)，紅外反射量則較多，紅外接收管將接收的反射光轉(zhuǎn)化成電壓值，由P3.5，P3.6送回到單片機(jī)，經(jīng)過(guò)處理后控制信號(hào)由P0.0，P0.1，P0.2，P0.3口輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的LG9110芯片，從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)小車(chē)行走和循跡的目的。循跡時(shí)，由于紅外線在白色地板和黑線上的反射系數(shù)不同，所以可以根據(jù)三極管接收紅外線的強(qiáng)弱來(lái)決定小車(chē)的走向。當(dāng)左右接收管都能接收到反射回來(lái)的紅外線，則小車(chē)直線前進(jìn);當(dāng)左邊接收管接收不到反射回來(lái)的紅外線，右邊接收管能接收到時(shí)，說(shuō)明小車(chē)向右偏離黑色軌道，則小車(chē)向左轉(zhuǎn)動(dòng);同理右邊接收管接收不到反射回來(lái)的紅外線，左邊接收管能接收到時(shí)，說(shuō)明小車(chē)向左偏離黑色軌道，則小車(chē)向右轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡［3］。本設(shè)計(jì)中紅外傳感器離地面垂直距離為1～1.5 cm，能在沒(méi)有強(qiáng)烈日光干擾或在有日光燈的房間里，完全能滿足探測(cè)要求，具有很好的可靠性與抗干擾能力。

圖3 紅外發(fā)送接收電路

2.4 避障模塊

小車(chē)在運(yùn)行中如果前方有障礙物，小車(chē)則開(kāi)始向后后退一段時(shí)間后，向左運(yùn)動(dòng)，在向左運(yùn)行一段時(shí)間后，再開(kāi)始向前運(yùn)行。在整個(gè)調(diào)向的過(guò)程中，蜂鳴器響動(dòng)。這個(gè)就是避障功能。該功能是由安裝在小車(chē)前方的一對(duì)紅外發(fā)射管實(shí)現(xiàn)，原理與尋跡模塊相同。

2.5 遙控模塊

遙控模塊由紅外發(fā)射與接收兩部分組成。紅外發(fā)射采用常用的TC9012集成芯片，將某個(gè)按鍵所對(duì)應(yīng)的控制指令和系統(tǒng)碼（由0和1組成的序列），調(diào)制在38 kHz載波上，然后經(jīng)放大、驅(qū)動(dòng)，紅外發(fā)射管將信號(hào)發(fā)射出去［4］。接收部分采用紅外一體化接收頭，當(dāng)接收到38 kHz紅外信號(hào)后就輸出低電平，沒(méi)有接收到就輸出高電平，電平信號(hào)由單片機(jī)的外部中斷來(lái)接收。信號(hào)的下降沿觸發(fā)外部中斷。為了識(shí)別一個(gè)完整的鍵信號(hào)，必須對(duì)每一個(gè)編碼脈沖的寬度進(jìn)行測(cè)量，利用單片機(jī)中的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)量脈沖寬度，以判別接收到的脈沖是0還是1。通過(guò)遙控模塊，可將按鍵值顯示在數(shù)碼管上，并控制小車(chē)的行進(jìn)方式。

2.6 聲光控模塊

該小車(chē)具有簡(jiǎn)單的聲控功能，P0.4為機(jī)器人的聲控檢測(cè)端口，在運(yùn)行為前進(jìn)狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)聲控來(lái)控制它的運(yùn)行與停止。聲音的輸入是通過(guò)話筒，由話筒對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，如圖4所示。由于電路能有效去除雜波，所以僅能對(duì)響度較大的聲音進(jìn)行識(shí)別（如拍手聲）。像正常的說(shuō)話聲對(duì)本電路濾除，不會(huì)產(chǎn)生信息的輸入。同時(shí)該小車(chē)還具有光控功能，如圖5所示。當(dāng)為白天或黑夜時(shí)可以通過(guò)P0.5端口中的光敏電阻來(lái)進(jìn)行判斷，以方便完成機(jī)器人夜間自動(dòng)照明等功能。當(dāng)光線較暗時(shí)，由P0.6端口輸出信號(hào)控制蜂鳴器發(fā)聲。

2.7 通信模塊

通信模塊是采用AT89S51自帶的全雙工串行通信口P3.0和P3.1來(lái)實(shí)現(xiàn)?？捎秒娔X通過(guò)串口向小車(chē)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上顯示，并且小車(chē)根據(jù)數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，如前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退等。通信波特率為9 600，數(shù)據(jù)為8位，無(wú)校驗(yàn)位。

圖4 聲控電路

圖5 光控電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該智能小車(chē)的軟件控制部分采用C語(yǔ)言編程，借助C語(yǔ)言的強(qiáng)大功能來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)AT89S52的控制功能。小車(chē)各個(gè)模塊都可以編寫(xiě)相應(yīng)的程序，也可以將這些分立的程序模塊（一般尋跡模塊除外）組合起來(lái)，完成強(qiáng)大的功能［5］。主流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

4 結(jié)論

本文提出了一種基于AT89S52單片機(jī)為控制核心的多功能智能小車(chē)的設(shè)計(jì)方案，該方案以紅外傳感器作為路徑信息采集手段，以LG9110芯片來(lái)控制并驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)小車(chē)在固定軌跡上自動(dòng)循跡、避障。同時(shí)還具有聲光控功能，能根據(jù)外界聲音、光線來(lái)控制小車(chē)的動(dòng)作。整個(gè)設(shè)計(jì)功能豐富，電路簡(jiǎn)單，成本低且易于實(shí)現(xiàn)，具有很強(qiáng)的操作性。

［1］譚勇宏，張輝.智能尋跡小車(chē)的研究與設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（3）:310-312.

［2］高月華.基于紅外光電傳感器的智能車(chē)自動(dòng)循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2009（11）:134-137.

［3］曹建樹(shù)，曾林春，王金濤，等.基于單片機(jī)控制的智能尋跡小車(chē)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008（35）:110-111，122.

［4］趙振德.多功能遙控智能小車(chē)的制作［J］.電子制作，2011（4）:12-16.

［5］寧慧英.基于光電傳感器的智能小車(chē)自動(dòng)尋跡控制系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2012（1）:108-110.