蘭羽

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

自動(dòng)循跡小車控制系統(tǒng)，也就是最簡(jiǎn)單的輪式機(jī)器人，適合在一些特殊環(huán)境中工作，因其成本低廉，目前已在許多工業(yè)場(chǎng)合已獲得廣泛應(yīng)用。例如高溫高壓環(huán)境、有毒有害氣體環(huán)境以及外星探測(cè)等都有機(jī)器人的應(yīng)用[1]，所有這些應(yīng)用正逐步滲入到工業(yè)生產(chǎn)和我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)層面。本文采用紅外傳感器ST188，單片機(jī)AT89S51為控制核心，設(shè)計(jì)了一種具有自動(dòng)尋跡功能的小車系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案

自動(dòng)循跡小車控制系統(tǒng)由紅外傳感器檢測(cè)模塊、主控電路模塊、電源模塊、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊等部分組成，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。循跡是指小車在白色地板上循黑線行走，由于黑線和白色地板對(duì)光線的反射系數(shù)不同，控制芯片根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”情況。小車在行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)產(chǎn)生漫反射，反射光被小車上的紅外傳感器ST188接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的傳感器接收不到紅外光，單片機(jī)以是否接收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。

圖1 循跡小車系統(tǒng)框圖Fig.1 Car tracking system block diagram

2 硬件電路

2.1 光電檢測(cè)模塊

1）ST188 紅外傳感器

紅外傳感器ST188屬于ST系列反射式光電傳感器，其在紅外檢測(cè)方面應(yīng)用非常廣泛。這個(gè)系列的傳感器種類齊全、價(jià)格便宜、體積小、使用方便、質(zhì)量可靠[2]。圖2是其實(shí)物及結(jié)構(gòu)圖，其含一個(gè)反射模塊（發(fā)光二極管）和一個(gè)接收模塊（光敏三極管）。通過發(fā)射紅外信號(hào)，由接收到的信號(hào)變化情況判斷檢測(cè)物體狀態(tài)的變化。A、K之間是發(fā)光二極管，C、E之間是光敏三極管（二者在電路中均正接，但要串聯(lián)一定阻值的電阻）。

2）光電檢測(cè)電路

圖2 ST188管腳圖及實(shí)物圖Fig.2 ST188 pin diagram and physical map

圖3為光電檢測(cè)電路，其主要有光電模塊和比較器構(gòu)成。紅外傳感器ST188檢測(cè)黑線，把接收到的信號(hào)送給運(yùn)放μA741，該信號(hào)經(jīng)電壓比較器后，產(chǎn)生電平信號(hào)，再輸入到單片機(jī)中，用以判定是否檢測(cè)到黑線。測(cè)試中，若檢測(cè)到白色區(qū)域，接收管的電壓為4.8 V；若檢測(cè)到黑色區(qū)域，接收管的電壓為0.5 V；二者均滿足測(cè)試要求。由μA741構(gòu)成比較器，其基準(zhǔn)電壓由30 K的電位器調(diào)節(jié)，每個(gè)傳感器的基準(zhǔn)電壓都有差別，為此我們?yōu)槊總€(gè)傳感器配備了一個(gè)電位器[3]。

3）ST188紅外傳感器的安裝

圖4為4個(gè)ST188紅外探頭的具體位置，小車在循跡運(yùn)行過程中，為了能精確定位黑線位置并確定小車行走的方向，需要同時(shí)在底盤裝設(shè)4個(gè)紅外ST188探測(cè)頭，進(jìn)行兩級(jí)方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。

圖3 光電檢測(cè)電路Fig.3 Photoelectric detection circuit

圖4 傳感器安裝圖Fig.4 Sensor installation diagram

2.2 控制器模塊

控制器模塊采用AT89C51單片機(jī)作為主控制器。它是一個(gè)低功耗，高性能的8位單片機(jī)，具有2個(gè)8位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，4 k的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 （RAM），32個(gè)I/O口，且可在線編程、調(diào)試，方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試[4-5]。其最小控制系統(tǒng)如圖5所示，采用按鍵復(fù)位和外部時(shí)鐘，晶振頻率為12 MHz。

2.3 驅(qū)動(dòng)及電機(jī)模塊

1）驅(qū)動(dòng)電路

圖5 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路Fig.5 Clocking circuit and reset circuit

驅(qū)動(dòng)模塊采用專用芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，其響應(yīng)頻率高，一片L298N可以控制2個(gè)直流電機(jī)。表1為L(zhǎng)298N功能表。L298N 的5、7、10、12 4個(gè)引腳接到單片機(jī)上，通過對(duì)單片機(jī)編程就可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)的PWM調(diào)速控制[6]，其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖6所示。

表1 L298N輸入輸出關(guān)系Tab.1 L298N input output relationship

圖6 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.6 L298N motor drive circuit

2）電 機(jī)

電機(jī)采用直流減速電機(jī)，其具有轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大、裝配簡(jiǎn)單、重量輕、體積小，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。在此選用減速比為1：74的直流電機(jī)，減速后電機(jī)的轉(zhuǎn)速為100 r/min。選擇車輪直徑為6 cm，則小車的最大速度可以達(dá)到Vmax=2πrv×3.14×0.03 ×100/60=0.314 m/s。

2.4 系統(tǒng)電源模塊

在圖7中，220 V市電經(jīng)220 V/17.5 V變壓器降壓后得到的±17.5 V交流電壓，經(jīng)過整流濾波后得到±18 V兩路電壓。其中+18 V經(jīng)三端穩(wěn)壓器LM7812得到+12 V，再經(jīng)過LM7805得到+5 V的電壓；-18 V經(jīng)三端穩(wěn)壓器LM7912得到-12 V電壓，以作為系統(tǒng)本身的工作電源。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖7 系統(tǒng)電源模塊Fig.7 System power supply module

本系統(tǒng)采用PWM來調(diào)節(jié)直流電機(jī)的速度，通過控制51單片機(jī)的定時(shí)器T0的初值，使單片機(jī)的P0.4和P0.5輸出口輸出不同占空比的方波脈沖，來調(diào)節(jié)加在電機(jī)兩端的電壓，從而控制電機(jī)速度。小車進(jìn)入尋跡模式后，即開始不停地掃描與紅外探測(cè)器連接的單片I/O口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O口有信號(hào)變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車的運(yùn)行狀態(tài)。小車循跡流程圖如圖8所示。

圖8 小車循跡流程圖Fig.8 Car tracking chart

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了測(cè)試智能小車系統(tǒng)的正常運(yùn)動(dòng)情況，設(shè)計(jì)場(chǎng)景對(duì)循跡小車系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試軌道距離如圖9所示，軌道采用環(huán)形的深色軌道。系統(tǒng)測(cè)試中，采取順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向運(yùn)行的測(cè)試方法，以此來檢測(cè)智能小車左右轉(zhuǎn)的效果。經(jīng)過在軌道A點(diǎn)、B點(diǎn)順時(shí)針、逆時(shí)針各2次，每次2圈的實(shí)際測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

圖9 測(cè)試場(chǎng)景參數(shù)Fig.9 Test scene parameters

5 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)的循跡小車，采用紅外傳感器ST188為循跡模塊、單片機(jī)AT89S51為控制模塊。小車使用單元模塊化的電路設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，響應(yīng)快、性能穩(wěn)定。經(jīng)測(cè)試表明：小車實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)定的循跡功能，并在規(guī)定的按時(shí)內(nèi)，沿設(shè)定路徑完成循跡功能。為了使小車更加智能化，還可為小車擴(kuò)展避障、自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)制動(dòng)、自動(dòng)保持安全距離、車速檢測(cè)和巡航控制等功能。

表2 循跡小車測(cè)試結(jié)果Tab.1 Tracking car test results

[1]宋健，姜軍生，趙文亮.基于單片機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006（1）：102-103.

SONG Jian，JIANG Sheng-jun，ZHAO Wen-liang.PWM speed regulator for DC motor based on single chip[J].Journal of Agricultural Mechanization Research，2006（1）：102-103.

[2]邊春元，李文濤，江杰.C51單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]蘭羽，盧慶林.儀表放大器在激光外差玻璃測(cè)厚系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2012，31（3）：79-82.

LAN Yu，LU Qing-lin.The use of instrumentation amplifier in glass-thickness measure system using laser heterodyne[J].Foreign Electronic Measurement Technology，2012，31（3）：79-82.

[4]蘭羽，周茜.超聲波測(cè)距系統(tǒng)接收電路研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（244）：81-83.

LAN Yu，ZHOU Qian.Study on the receiving circuit of ultrasonic distance measurement system[J].Electronic Design Engineering，2012，20（244）：81-83.

[5]董濤，劉進(jìn)英，蔣蘇.基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì)與制作[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009（2）：380-382.

DONG Tao，LIU Jin-ying，JIANG Su.Design and manufacture smart car based on single chip[J].Computer Measurement&Control，2009（2）：380-382.

[6]魯慶.基于柵格法的機(jī)器人路徑規(guī)劃[J].電腦與信息技術(shù)，2007，15（6）：24-27.

LU Qing.Research of pathplanning for car-like robot based on grid method[J].Computer and Information Technolog，2007，15（6）：24-27.

[7]楊兵，劉偉杰.一種基于可視圖的機(jī)器人避障路徑規(guī)劃[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2009（2）：434-435.

YANG Bin，LIU Wei-jie.A method based on of robot path planning[J].Computer Knowledge and Technology，2009（2）：434-435.