呂云芳, 陳帥帥, 郝興森, 張 浩

(承德醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系,河北 承德 067000)

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基于C51高級(jí)語言程序控制的智能循跡小車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂云芳, 陳帥帥, 郝興森, 張 浩

(承德醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系,河北 承德 067000)

針對(duì)智能小車自動(dòng)循跡的要求，提出由車體模塊、電源模塊、單片機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊、電機(jī)模塊、傳感器模塊等構(gòu)成智能小車硬件系統(tǒng)，利用Keil uVision2集成開發(fā)工具進(jìn)行C51高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)，開發(fā)出控制軟件。利用紅外傳感器檢測小車的循跡軌道，并以STC89C52RC單片機(jī)為控制芯片根據(jù)接收的軌跡信息發(fā)出相應(yīng)的控制指令，通過L298N驅(qū)動(dòng)控制模塊來驅(qū)動(dòng)小車以實(shí)現(xiàn)循跡的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，并采用了“反轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向模式”和“反轉(zhuǎn)式剎車模式”。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該智能小車硬件系統(tǒng)各模塊選擇合理，控制軟件高效可行，小車整體性能優(yōu)良，成功實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)循跡的功能，且采用“反轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向模式” 和“反轉(zhuǎn)式剎車模式”實(shí)現(xiàn)了極好的轉(zhuǎn)向及剎車效果。

C51高級(jí)語言； STC89C52RC單片機(jī)； 智能循跡小車

0 引 言

智能小車，可以通過計(jì)算機(jī)編程來控制其行駛，可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)特定的環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)行，無需人工干預(yù)，便可以完成預(yù)期所要達(dá)到的目標(biāo)，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)[1-4];它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體[5,6]。

國外很多高校和科研機(jī)構(gòu)較早進(jìn)行了智能車的研究，已有許多技術(shù)成熟的產(chǎn)品。國外智能小車的研究始于20世紀(jì)50年代初[7]，當(dāng)時(shí)美國Barret Electronics公司開發(fā)出了世界上第一臺(tái)自動(dòng)引導(dǎo)車輛系統(tǒng)(Automated Guided Vehicle System，AGVS )。瑞典、德國、英國、日本、韓國等許多國家也相繼開展了智能小車的研究并取得了很大的成果[8-9]。

我國開展智能車輛技術(shù)方面的研究起步較晚，開始于20世紀(jì)80年代。大多數(shù)研究處于針對(duì)某個(gè)單項(xiàng)技術(shù)研究的階段，研究總體上落后于發(fā)達(dá)國家，并且存在一定的技術(shù)差距，但是我們也取得了一系列的成果[10-11]，主要有：①中國第一汽車集團(tuán)公司和國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院與2003年研制成功我國第一輛自主駕駛轎車。②南京理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)、國防科技大學(xué)、清華大學(xué)等多所院校聯(lián)合研制了7B.8軍用室外自主車。我國飛速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)實(shí)力必將為智能車輛的研究提供一個(gè)更加廣闊的前景。關(guān)于智能小車的研究越來越受人關(guān)注。

該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)智能小車硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，用C51語言編程，研制出智能循跡小車系統(tǒng)。指導(dǎo)大學(xué)生從事此項(xiàng)科研，可以鍛煉并提高其理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際運(yùn)用的能力，為將來從事相關(guān)領(lǐng)域的科研工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由車體模塊、電源模塊、單片機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊、電機(jī)模塊、傳感器模塊等構(gòu)成智能循跡小車硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電源模塊向電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊向單片機(jī)控制模塊供電并接受來自單片機(jī)控制模塊的指令以驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊，單片機(jī)控制模塊向傳感器模塊供電并接受來自傳感器模塊的檢測信息。

1.1 車體模塊

選用亞克力板作為小車底盤。亞克力即特殊處理有機(jī)玻璃，具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性，抗沖擊力強(qiáng)，抗老化性能好；自重輕，可有效減少驅(qū)動(dòng)電源能耗；絕緣性能優(yōu)良，適合各種電器設(shè)備；加工性能良好，易于加工制作。

選用2個(gè)65 mm優(yōu)質(zhì)輪胎與直流減速電機(jī)軸相連作為后輪——驅(qū)動(dòng)輪；一個(gè)33 mm萬向輪固定于車體正前端作為前輪——從動(dòng)輪，既簡單又靈活。三個(gè)車輪構(gòu)成穩(wěn)定的等邊三角形結(jié)構(gòu)。

1.2 電源模塊

考慮到小車運(yùn)行過程中，需要給單片機(jī)、電機(jī)、傳感器等各模塊供電，選用7.2 V/1 300 mAh大容量Ni-MH充電電池組,為整個(gè)系統(tǒng)提供強(qiáng)大的動(dòng)力支持。

1.3 單片機(jī)控制模塊

選用STC89C52RC單片機(jī)開發(fā)板，支持USB供電和外部供電兩種供電方式。STC89C52RC單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的增強(qiáng)型8051單片機(jī)，晶振：11.059 2 MHz，8KB用戶應(yīng)用程序空間，支持ISP/IAP編程，工作電壓：5.5～3.3 V，具有EEPROM功能及看門狗功能[12-13]。開發(fā)板的GND、P31、P30、VCC引腳分別與PL-2303 USB下載器的GND 、RXD、TXD、5 V口相連,可接受電腦USB供電并下載程序到單片機(jī)。開發(fā)板載有3.3 V電源芯片,實(shí)現(xiàn)3.3 V電壓輸出,可為紅外傳感器供電。開發(fā)板上有32個(gè)I/O接口,滿足各種連接需求。

1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊

采用L298N雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊[14]。該模塊采用SMT工藝及高質(zhì)量鋁電解電容，穩(wěn)定性高，當(dāng)電池電壓逐漸下降時(shí)，依然能提供穩(wěn)定的電壓輸出，自身熱消耗小，使用效率高。模塊輸入電壓為5～12 V,自帶穩(wěn)壓芯片，可以為直流電機(jī)、外部單片機(jī)或其它模塊提供穩(wěn)定5 V電源(穩(wěn)定的電源是智能小車系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提和必要條件)。L298N驅(qū)動(dòng)芯片接受單片機(jī)的控制信號(hào)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)、停止的操作。

L298N模塊可以直接驅(qū)動(dòng)兩路5～30 V直流電機(jī)，模塊L298N模塊的VDD、GND端口分別連接電池組的正、負(fù)極；模塊的輸出端口OUT1、OUT2連接左電機(jī)的正、負(fù)極，OUT3、OUT4連接右電機(jī)的正、負(fù)極；模塊的IN1、 IN2、 IN3 、IN4端口分別與單片機(jī)控制端IO口P10、P11、P12、P13相連。

1.5 電機(jī)模塊

采用性能優(yōu)越的2個(gè)130直流減速電機(jī)作為后輪驅(qū)動(dòng)。直流減速電機(jī)的控制方法比較簡單[15]，只需給電機(jī)的兩根控制線加上適當(dāng)?shù)碾妷杭纯墒闺姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，電壓越高則電機(jī)轉(zhuǎn)速越高。對(duì)于直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，可以采用改變電壓的方法，也可采用PWM調(diào)速方法。直流減速電機(jī)具有可靠性高、轉(zhuǎn)矩大、能耗低、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。

1.6 傳感器模塊

選擇載有LM393比較器的紅外線傳感器模塊[16]。車體前部裝有左、中、右三個(gè)紅外傳感器。該傳感器對(duì)環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)且可方便地調(diào)節(jié)檢測距離。傳感器的OUT、GND、VCC口分別與單片機(jī)開發(fā)板上相應(yīng)的IO、 GND、VCC口相連。該傳感器有對(duì)紅外發(fā)射和接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，紅外線反射回來被接收管接收，接收管的電阻會(huì)發(fā)生變化(電阻的變化取決于接收管所接收的紅外線強(qiáng)度，常表現(xiàn)在反射面的顏色和反射面離接收管的距離兩個(gè)方面)，導(dǎo)致電路上的電壓也相應(yīng)變化，經(jīng)過LM393比較器電路處理之后，經(jīng)OUT接口輸出數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，發(fā)出相應(yīng)的控制指令來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以調(diào)整行進(jìn)方向，完成循跡任務(wù)。

2 軟件系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)

2.1 軟件系統(tǒng)開發(fā)工具的選擇

選擇Keil uVision2集成開發(fā)工具。uVision2 IDE是一個(gè)基于Window的開發(fā)平臺(tái)，非常適合嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。

2.2 程序設(shè)計(jì)語言的選擇

選擇C51高級(jí)語言來進(jìn)行程序設(shè)計(jì)[17]。C51高級(jí)語言是由C語言繼承而來的，兼?zhèn)涓呒?jí)語言與低級(jí)語言的優(yōu)點(diǎn)。C51語言運(yùn)行于單片機(jī)平臺(tái)，支持的微處理器種類繁多，可移植性好。與匯編語言相比，用C51語言可大大縮短編寫、調(diào)試程序的時(shí)間。

2.3 軟件開發(fā)流程

使用Keil uVision2，開發(fā)流程如下：

(1) 創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，從器件庫中選擇目標(biāo)器件。

(2) 增加并配置目標(biāo)器件的啟動(dòng)代碼。

(3) 用C51語言創(chuàng)建源程序文件并把它加入到項(xiàng)目中。

(4) 針對(duì)目標(biāo)器件設(shè)置工具選項(xiàng)

(5) 用MAKE工具對(duì)源程序文件進(jìn)行編譯和連接，生成嵌入式應(yīng)用HEX文件。

(6) 用STC_ISP_V480下載軟件通過PL-2303 USB下載器將HEX文件下載到單片機(jī)中。

(7) 測試，修改源程序。

2.4 主程序設(shè)計(jì)

智能循跡小車采用后輪驅(qū)動(dòng)，通過調(diào)制后面兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速而達(dá)到控制小車轉(zhuǎn)向的目的。在車體前部分別裝有左、中、右三個(gè)紅外傳感器。小車行進(jìn)過程中，單片機(jī)不停地掃描傳感器接口，根據(jù)接收到的傳感器信息進(jìn)行判斷和處理。當(dāng)小車左邊的傳感器檢測到黑色軌跡時(shí)，說明小車車頭向右邊偏移，這時(shí)單片機(jī)調(diào)用左轉(zhuǎn)控制函數(shù)控制小車左轉(zhuǎn)，車體向左邊修正；當(dāng)小車右邊的傳感器檢測到黑色軌跡時(shí)，說明小車車頭向左邊偏移，單片機(jī)調(diào)用右轉(zhuǎn)控制函數(shù)控制小車右轉(zhuǎn)，車體向右邊修正；當(dāng)左、右兩邊的傳感器均未檢測到黑色軌跡，只有中間的傳感器檢測到黑色軌跡時(shí)，說明軌跡在車體的中間、不需修正車體，單片機(jī)調(diào)用直行前進(jìn)控制函數(shù)控制小車正常行駛,小車就會(huì)沿著黑色軌跡一直行走而達(dá)到循跡的目的。左右傳感器同時(shí)檢測到黑線而中間的傳感器未檢測到黑線時(shí)停止行駛。

主程序流程圖如圖2所示：

圖2 主程序流程圖

主程序部分代碼如下：

/********************************************/

/* 程序名：自動(dòng)循跡 */

/* MPU型號(hào)：STC89C52RC 晶振：11.0592 MHz */

/********************************************/

#include〈reg52.h〉

sbit Right1=P1^0;//定義單片機(jī)控制右電機(jī)的引腳

sbit Right2=P1^1;//定義單片機(jī)控制右電機(jī)的引腳

sbit Left1=P1^2;//定義單片機(jī)控制左電機(jī)的引腳

sbit Left2=P1^3;//定義單片機(jī)控制左電機(jī)的引腳

sbit L=P0^0;//定義單片機(jī)連接左傳感器的引腳

sbit R=P0^2;//定義單片機(jī)連接右傳感器的引腳

sbit M=P0^1;//定義單片機(jī)連接中傳感器的引腳

/********************************************/

void delay(int z)//延時(shí)函數(shù)

{

int i,j;

for(i=2;i>0;i--)

for(j=z;j>0;j--);

}

/*********************************************/

void main()//主函數(shù)

{

while(1)//無限循環(huán)

{

Go();//直行函數(shù)

while((L==1)&&(R==0)&&(M==0))/*僅左傳感器檢測到黑線時(shí)左轉(zhuǎn)*/

{

TurnLeft();//左轉(zhuǎn)函數(shù)

}

while((L==0)&&(R==1)&&(M==0))/*僅右傳感器檢測到黑線時(shí)右轉(zhuǎn)*/

{

TurnRight();//右轉(zhuǎn)函數(shù)

}

while((L==1)&&(R==1)&&(M==0))/*左右傳感器同

時(shí)檢測到黑線而中傳感器未檢測到黑線時(shí)停止*/

{

Stop();//停止函數(shù)

}

}

}

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)場地選擇室內(nèi)干凈平整淺粉紅色瓷磚地面，循跡軌道為寬1 cm的黑色膠帶。軌道分為圓形、矩形和S型。環(huán)境光線為一般強(qiáng)度的漫射自然光。

采用左、中、右三個(gè)紅外傳感器進(jìn)行軌道檢測。中傳感器置于車體前端中央(相對(duì)于軌道中間)，左、右傳感器分別置于兩側(cè)(相對(duì)于軌道外側(cè))，與中傳感器間隔大約3.5 cm。當(dāng)小車脫離軌道時(shí)，即當(dāng)中傳感器脫離軌道時(shí)，等待外側(cè)任一個(gè)傳感器檢測到黑線后，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中傳感器重新檢測到黑線(即回到軌道上來)，再恢復(fù)正向行駛。

經(jīng)反復(fù)調(diào)整紅外傳感器離地面的距離及紅外發(fā)射功率地大小，達(dá)到了精準(zhǔn)檢測的目的；通過延時(shí)函數(shù)——delay函數(shù)調(diào)整占空比來控制直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的速度，經(jīng)多次修改delay函數(shù)的參數(shù)并測試表明，占空比為75%時(shí)可得到理想的行駛速度與循跡效果。左、右轉(zhuǎn)向時(shí)分別采用“左輪反轉(zhuǎn)+右輪正轉(zhuǎn)”與“右輪反轉(zhuǎn)+左輪正轉(zhuǎn)”的“反轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向模式”，利用輪胎與跑道的摩擦力抵消慣性效應(yīng)。

通過對(duì)智能小車系統(tǒng)的多次整體調(diào)試，實(shí)驗(yàn)取得圓滿成功。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 智能循跡小車實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)表明，智能小車循跡成功的關(guān)鍵因素有兩個(gè)：一是紅外傳感器離地面的距離及紅外發(fā)射功率的高低，二是小車直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的速度。前者決定了紅外傳感器檢測軌跡的準(zhǔn)確性和靈敏度，后者與小車循跡的準(zhǔn)確性和成功率有關(guān)。“反轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向模式”縮短了轉(zhuǎn)向的時(shí)間，提高了轉(zhuǎn)向的靈敏度，同時(shí)控制好行駛速度，就可保證小車在循跡過程中左右搖擺幅度很小、緊貼軌道行駛。同理，采用“反轉(zhuǎn)式剎車模式”取得了瞬時(shí)剎車的效果。

4 結(jié) 語

設(shè)計(jì)的智能循跡小車系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)各模塊選擇合理，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，基于C51高級(jí)語言開發(fā)的控制軟件高效可行，小車整體性能優(yōu)良，成功實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)循跡的功能。該科研項(xiàng)目為大學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人競賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)建立了實(shí)物平臺(tái)，同時(shí)改變了學(xué)生學(xué)習(xí)模式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、思考問題能力以及科學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，也是驗(yàn)證學(xué)生學(xué)習(xí)效果的有力工具。

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Design and Implementation of Intelligent Tracking Car Based on C51 Advanced Language Program Control

LVYun-fang,CHENShuai-shuai,HAOXing-sen,ZHANGHao

(Biomedical Engineering Department, Chengde Medical University, Chengde 067000, China)

For the purpose of intelligent car automatic tracking, we put forward that an intelligent car’s hardware system which is composed of a vehicle body module, power supply module, MCU control module, motor drive control module, motor module and sensor module. The Keil uVision2 integrated development tool C51 programming to is used to develop control software. Infrared sensors is used to detect car tracking trajectory. STC89C52RC MCU sends the corresponding control command according to the track information received. L298N drive control module is used to drive the car in order to achieve the overall design of the system tracking, and the “reversal type steering mode” and “reverse brake mode” are also used. Experimental results show that the intelligent car hardware modules selection is reasonable, control software is feasible and efficient, overall performance of the car is excellent. It successfully implements the automatic tracking function, and the application of “reversal type steering mode” and “reverse brake mode” achieves excellent steering and braking effect.

C51 advanced language; STC89C52RC single chip microcomputer; intelligent tracking car

2014-06-23

承德醫(yī)學(xué)院大學(xué)生科研基金項(xiàng)目(201471)。

呂云芳(1970-),男,河北內(nèi)丘人,碩士,講師,主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄堋⒂?jì)算機(jī)應(yīng)用。

Tel.:13091336156;E-mail:health2002@163.com

TP 273.5/391

A

1006-7167(2015)03-0142-04