董胡，馬振中

0 引言

隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、人工智能與機(jī)械技術(shù)的快速發(fā)展與結(jié)合，玩具產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。傳統(tǒng)玩具的市場(chǎng)份額在逐步下降，而具有高科技含量的電子玩具則逐步上升，玩具智能化已成為現(xiàn)代玩具發(fā)展的趨勢(shì)。雖然我國(guó)作為玩具生產(chǎn)大國(guó)，但在高科技智能玩具的發(fā)展方面和國(guó)外還存在一定的差距[1]。因此，開展智能玩具技術(shù)方面的研究，一方面，對(duì)技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，另一方面，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，都具有一定的實(shí)際意義。本文利用STC89C52單片機(jī)作為智能玩具小車的控制核心，使玩具小車能夠按設(shè)定的軌跡前進(jìn)并能自動(dòng)避障，而且小車在行進(jìn)過(guò)程中能根據(jù)其運(yùn)行情況自動(dòng)播報(bào)行駛狀態(tài)信息，同時(shí)，配以發(fā)光二極管加以提醒，從而使小車具備了智能性和可娛樂(lè)性[2][3]。

1 智能小車工作原理

智能玩具小車采用STC89C52單片機(jī)作為核心控制芯片。在硬件設(shè)計(jì)電路方面，盡量使其具備更多的功能。智能玩具小車的硬件電路主要包括STC89C52單片機(jī)模塊、循跡模塊、傳感器避障模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、發(fā)光二極管模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、電源模塊等。本文設(shè)計(jì)的小車采用后輪驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪是由兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，前面一個(gè)輪是萬(wàn)向輪，起到支撐和平衡的作用，只要調(diào)整兩個(gè)動(dòng)力輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速就可以達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。在小車底盤的兩側(cè)各裝有兩個(gè)紅外對(duì)管，當(dāng)車身下左邊的傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，主控芯片控制左輪電機(jī)停止，車向左修正，當(dāng)車身下右邊傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，主控芯片控制右輪電機(jī)停止，車向右修正。在小車的前部有3個(gè)紅外線傳感器，通過(guò)紅外線傳感器來(lái)檢測(cè)障礙物，并將檢測(cè)到的信息通過(guò)單片機(jī)采集處理進(jìn)行判決實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)規(guī)避障礙物。小車的行駛狀態(tài)信息（如行駛方向、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等）以發(fā)光二極管、語(yǔ)音播報(bào)等模塊進(jìn)行提示。通過(guò)PWM脈寬調(diào)制技術(shù)改善小車的靜動(dòng)態(tài)性能。智能玩具小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：

圖1 智能玩具小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 單片機(jī)模塊

智能玩具小車以STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，它是一種高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的16位微控制器。工作電壓范圍較寬（2V-5.5V），實(shí)際工作頻率達(dá)48MHz，具有8K字節(jié)用戶存儲(chǔ)空間，片上集成512字節(jié)RAM，具有32個(gè)通用I/O口、一個(gè)看門狗、兩路UART通信端口、3個(gè)16位定時(shí)器和計(jì)數(shù)器、外部四路中斷、支持在線系統(tǒng)編程和在線應(yīng)用編程等功能。智能玩具小車相關(guān)的功能模塊在單片機(jī)的對(duì)應(yīng)I/O端口分配情況如表1所示：

表1 單片機(jī)I/O端口分配表

2.2 循跡模塊

將4個(gè)紅外傳感器置于智能小車的底部下方，當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到的物體為黑色或其它淺色物體時(shí)，輸出對(duì)應(yīng)電壓分別為 5V或0.2V。將輸出的電壓通過(guò)LM234作比較來(lái)采集高低電平，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)，單片機(jī)根據(jù)采集的高低電平，得到路面的相關(guān)信息，從而通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)作出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，實(shí)現(xiàn)循跡功能[4]。循跡電路圖如圖2所示：

圖2 循跡模塊連接圖

2.3 傳感器避障模塊

常見的傳感器避障有兩種方案：一是采用超聲波避障。但超聲波在一定的空間范圍內(nèi)會(huì)進(jìn)行多次反射，容易使傳感器之間互相干擾，使控制芯片不能準(zhǔn)確判斷出哪個(gè)方向遇到障礙物，可能發(fā)生誤判。二是采用紅外線避障，紅外線對(duì)近距離的障礙物反應(yīng)速度較靈敏，傳感器之間信號(hào)不易互相干擾，從而避免發(fā)生誤動(dòng)作。另外，紅外線避障電路相對(duì)簡(jiǎn)單且紅外探測(cè)距離相對(duì)容易調(diào)節(jié)，因此這里采用第二種方案。

E18-D50NK是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，發(fā)射光經(jīng)過(guò)調(diào)制后發(fā)出，接收頭對(duì)反射光進(jìn)行解調(diào)輸出，有效避免了可見光的干擾。傳感器檢測(cè)障礙物的距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，最遠(yuǎn)可以檢測(cè)50厘米距離[5]，與實(shí)際應(yīng)用比較相符合。該傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、流水線計(jì)件等眾多自動(dòng)化產(chǎn)品。

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

L293D是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，可以方便的驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)36V、2A以下的電機(jī)。

L293D可直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，無(wú)須隔離電路。通過(guò)單片機(jī)的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)、停止的操作[6]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如下圖3所示：

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊連接圖

2.5 語(yǔ)音播報(bào)模塊

ISD2560是ISD系列單片語(yǔ)音錄放集成電路的一種。這是一種永久記憶型語(yǔ)音錄放電路，錄音時(shí)間為60s，可重復(fù)錄放10萬(wàn)次。ISD2560還省去了A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。其集成度較高，內(nèi)部包括前置放大器、內(nèi)部時(shí)鐘、定時(shí)器、采樣時(shí)鐘、濾波器、自動(dòng)增益控制、邏輯控制、模擬收發(fā)器、解碼器和480k字節(jié)的EEPROM。有10個(gè)地址輸入端，尋址能力可達(dá)1024位；設(shè)有OVF（溢出）端，便于多個(gè)器件級(jí)聯(lián)。將事先錄制好的語(yǔ)音存儲(chǔ)于ISD2560芯片中，當(dāng)小車在前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止等狀態(tài)時(shí)播報(bào)相應(yīng)的行駛信息。

2.6 電源模塊

電源管理是智能玩具小車設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，它給系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行供電，可靠的電源設(shè)計(jì)是整個(gè)硬件電路穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。采用多節(jié)Ni-Cd電池串聯(lián)供電，由于智能玩具小車系統(tǒng)各個(gè)模塊所需的電壓不同，因此需要進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。STC89C52單片機(jī)模塊、循跡模塊、傳感器避障模塊所用電壓為5V，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊所用電壓為12V，語(yǔ)音播報(bào)模塊所用電壓為3.3V。

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智能玩具小車控制系統(tǒng)主要通過(guò)紅外循跡傳感器來(lái)規(guī)范小車沿黑色軌跡行駛，同時(shí)通過(guò)紅外避障傳感器檢測(cè)障礙物以糾正小車的行駛方向, 使用C51進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。智能玩具小車的控制過(guò)程采用查詢方式實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的智能控制。

其中實(shí)現(xiàn)單片機(jī)（STC89C52）控制小車左、右運(yùn)行的部分偽代碼如下：

智能玩具小車循跡、避障軟件設(shè)計(jì)流程圖分別如下圖4、圖5所示：

圖4 小車循跡軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖5 小車避障軟件設(shè)計(jì)流程圖

同時(shí)語(yǔ)音播報(bào)模塊在小車不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)過(guò)程中輔以相應(yīng)的語(yǔ)音播報(bào)狀態(tài)信息。

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)采用模塊化的思想設(shè)計(jì)了以STC89C52單片機(jī)為核心控制器的硬件控制電路，以紅外傳感器進(jìn)行循跡和避障，各個(gè)模塊之間協(xié)調(diào)工作，很好地滿足了智能玩具小車的控制要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的智能玩具小車能有效循跡，快速轉(zhuǎn)彎，且系統(tǒng)具有較好的抗干擾能力，滿足設(shè)計(jì)要求。

樣品可以作為大學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)于智能玩具小車設(shè)計(jì)也具有一定的應(yīng)用參考價(jià)值。

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[2]陳華偉,熊慧.智能循跡小車硬件設(shè)計(jì)及路徑識(shí)別算法[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2010,12:26-28.

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[4]蘇維嘉,王旭輝.基于MSP430單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,(30):04-15.

[5]韓毅,楊天.基于HCS12 單片機(jī)的智能尋跡模型車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì).2008,29(18):4736-4738.

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