王剛　吳鐘鳴

摘要：本文介紹了一種采用STC89C52RC單片機、L298N電機驅(qū)動模塊、ST178P紅外光電傳感器、SM0038一體化紅外接收頭、HC-SR04超聲波模塊和12864液晶顯示等模塊設(shè)計的多功能電動玩具小車。手動遙控時，玩具小車利用SM0038一體化紅外接收頭接收紅外線遙控器的指令控制，具有四向行駛、多檔調(diào)速、剎停防抱死、S型運動等功能；自動循跡時，玩具小車利用六路ST178P紅外光電傳感器和HC-SR04超聲波模塊檢測路況信息，傳遞給STC89CA2RC單片機自動處理，通過輸出PWM信號和命令指令控制L298N電機驅(qū)動模塊使玩具小車按預(yù)定軌道平穩(wěn)、快速行駛并具避障功能。同時使用12864液晶顯示模塊，使操作更加簡單和人性化。實驗表明，該玩具小車能夠克服市場上玩具小車的成本較高、剎車不安全等缺陷，且具有更多的功能。本設(shè)計已推廣至工業(yè)領(lǐng)域的智能無人車輛的運動系統(tǒng)研究。

關(guān)鍵詞：多功能小車；SM0038；多檔調(diào)速；剎停防抱死；ST178P

中圖分類號；TP368 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）07-0158-04

隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，高科技電子玩具越來越受歡迎，其中又以電動玩具小車廣為人們的喜愛。目前，市場上多數(shù)的玩具小車大多無法自動避障，且功能單一。遙控小車在室內(nèi)光滑地面高速行駛，緊急剎停的時候會出現(xiàn)車輪抱死，導(dǎo)致玩具小車撞上障礙物并損壞玩具小車的情況發(fā)生。因此，本文研究電動小車控制技術(shù)，創(chuàng)新性地設(shè)計出功能多樣，操控性能良好的電動玩具小車。此外，開展了防抱死制動在電動玩具小車上的應(yīng)用研究，以解決遙控電動玩具小車運行的不安全等問題。

1系統(tǒng)整體設(shè)計

本文基于單片機技術(shù)的應(yīng)用背景，采用模塊化的設(shè)計，方便電動玩具小車的組裝與調(diào)試，也便于日后電動玩具小車的硬件升級以及實際應(yīng)用。未來，可依據(jù)產(chǎn)品的定位選擇合適的模塊，以取得良好的經(jīng)濟效益。為實現(xiàn)小車的低成本、多功能特性，該系統(tǒng)由STC89C52RC單片機主控制器、紅外光電傳感器循跡模塊、紅外遙控模塊、光電開關(guān)測速模塊、超聲波避障模塊、電機驅(qū)動模塊、12864液晶顯示模塊和相應(yīng)電源模塊等組成。多功能電動玩具小車整體設(shè)計如圖1所示。

多功能電動玩具小車通過12864液晶顯示模塊提示用戶使用各種功能。用帶有自鎖功能的按鍵進行手動遙控模式和自動循跡模式切換。

當(dāng)玩具小車處于手動遙控模式時，用戶通過操縱紅外遙控器發(fā)出控制命令，一體化紅外接收頭模塊接收命令信號，并經(jīng)STC89C52RC單片機主控制器解碼出控制命令?？刂破鹘Y(jié)合超聲波傳感器和測速光電開關(guān)所提供的路況、車況信息，綜合分析運算，給電機驅(qū)動模塊和蜂鳴器報警模塊發(fā)出相應(yīng)控制命令，使得直流電機和蜂鳴器做出相應(yīng)的動作。

當(dāng)玩具小車處于自動循跡模式時，由六路紅外光電傳感器所采集的路面信息會更加準確。采用自動循跡算法運算采集的信息可以使得玩具小車循跡時更加平穩(wěn)、快速。同時，結(jié)合超聲波傳感器反饋的路況信息，能夠進行避障。

2硬件設(shè)計

2.1主控制器設(shè)計

主控制器負責(zé)各個模塊的管理，并根據(jù)設(shè)計的軟件算法對采集的信號進行處理，控制執(zhí)行機構(gòu)的動作。本文選用STC89C52RC單片機作為主控制器，該單片機兼容8051內(nèi)核的低電壓。STC89C52RC單片機是一種低成本、低功耗、高性能的微控制器，廣泛應(yīng)用于嵌入式控制系統(tǒng)，其內(nèi)部包括：8k字節(jié)的Flash、S12字節(jié)的RAM，32位I/O端口，看門狗定時器，內(nèi)置4KB的EEPROM，MAXS10復(fù)位電路，3個16位的定時器/計數(shù)器，全雙工串行口。該控制器還支持ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器。下圖2是單片機的最小系統(tǒng)。如表1所示為單片機部分I/O端口分配表。

2.2紅外光電傳感器循跡模塊設(shè)計

紅外光電傳感器循跡模塊利用黑線檢測原理，即紅外發(fā)射管發(fā)射紅外光到路面，紅外光遇到白底則發(fā)生反射，接收管接收到反射光并輸出信號，信號經(jīng)反相斯密特觸發(fā)器74HC14整形后輸出低電平；當(dāng)紅外光遇到黑線時，光線被吸收，則接收管不能接收到反射光，反相斯密特觸發(fā)器74HC14整形后輸出高電平，原理圖如圖3所示。

同時，紅外光電傳感器循跡模塊使用6個紅外反射式光電傳感器STl78P以“T”字型布局（如圖4所示）安裝在玩具小車前端底部，與地面的垂直距離8mm左右。在玩具小車循跡過程中，當(dāng)②號傳感器檢測到黑線時，小車向左拐。當(dāng)①號傳感器檢測到黑線時，小車以較大力量向左拐；當(dāng)④號傳感器檢測到黑線時，小車向右拐。當(dāng)⑤號傳感器檢測到黑線時小車以較大力量向右拐}當(dāng)③號傳感器檢測到黑線時，小車前進。而當(dāng)③⑥傳感器同時檢測到黑線時小車以較快速度前進，其中⑥傳感器可以根據(jù)不同的循跡路徑進行適當(dāng)調(diào)整，以達到更好的循跡效果。

2.3紅外遙控模塊設(shè)計

紅外遙控模塊主要由基于WD1622芯片的通用紅外遙控器和接收頻率為38KHz的SM0038一體化紅外接收頭兩部分組成。紅外遙控器產(chǎn)生遙控編碼脈沖，驅(qū)動紅外發(fā)射管輸出紅外遙控信號，SM0038一體化紅外接收頭接收遙控器發(fā)出的紅外信號，輸入到單片機，完成對遙控指令解碼，并執(zhí)行相應(yīng)的遙控功能。圖5是通用紅外遙控器的鍵位碼，在手動模式下，紅外遙控器可根據(jù)鍵位碼控制小車的動作，具體包括前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、多檔調(diào)速、S型運動、Z型運動、搖擺運動和剎停防抱死等功能。

2.4光電開關(guān)測速模塊設(shè)計

光電開關(guān)測速模塊用來檢測與車輪相連的碼盤的運動，將檢測出的信息送到STC89CS2RC單片機，可以計算出多功能玩具小車的車輪轉(zhuǎn)速，間接反映多功能玩具小車的車速。其電路原理如下圖所示。

2.S超聲波避障和蜂鳴器報警設(shè)計

本設(shè)計采用HC--SR04超聲波傳感器（其測量距離為2～300cm，測量精度為3ram），其電路原理如圖7所示。通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在傳播途中碰到障礙物則立即返回，超聲波接收器收到反射波立即停止計時。根據(jù)時間差可以計算出距離。利用超聲波的頻率高、波長短、定向性好、能量集中、不易受干擾等特性，既可以檢測障礙物的位置，又提高了系統(tǒng)的可靠性。

多功能玩具小車使用超聲波傳感器檢測行駛過程中的障礙物。如果處于遙控模式下，當(dāng)檢測出玩具小車距離障礙物小于等于5cm時，多功能玩具小車能夠自動停車并由蜂鳴器報警。如果處于自動循跡模式下，當(dāng)檢測出玩具小車矩障礙物小于等于10cm時，多功能玩具小車能夠進行避障。

2.6電機驅(qū)動模塊

多功能玩具小車由STC89C52RC單片機控制直流減速電機驅(qū)動模塊來實現(xiàn)運動狀態(tài)的改變。STC89CA2RC單片機通過軟件模擬出PWM波，結(jié)合相應(yīng)控制命令來控制電機驅(qū)動模塊驅(qū)動直流減速電機，完成直流減速電機的速度和轉(zhuǎn)向控制，從而使多功能玩具小車平穩(wěn)、快速地完成各項功能。

L298N驅(qū)動模塊電路如圖8所示，為保證驅(qū)動芯片正常工作，在直流電機與其之間串聯(lián)四對續(xù)流二極管，以免反向電動勢對L298N產(chǎn)生損害。電容C6和0是濾波電容，可減少外界干擾，使電機穩(wěn)定工作。C4和C5是電源去耦電容。

L298N輸入和輸出引腳的邏輯關(guān)系如表2所示，在實際硬件電路中，控制器通過改變L298N的INI～IN4上的高低電平以控制小車的運動，通過改變ENA和ENB的高低電平占空比以控制電機的轉(zhuǎn)速。

2.712864液晶顯示模塊和電源模塊

本設(shè)計選用具有中文字庫的12864液晶顯示器提示用戶使用各種功能，并顯示多功能玩具小車的車速、剎車防抱死功能是否開啟、功能模式等車況信息。

多功能玩具小車供電系統(tǒng)由兩部分組成：一部分是由12V容量3000mAh的鋰電池，直接為直流減速電機提供電源；另一部分是由12V容量3000mAh的鋰電池，經(jīng)穩(wěn)壓芯片LM2575輸出5V的電壓，為控制板和各個模塊供電。

3軟件設(shè)計

3.1系統(tǒng)程序

系統(tǒng)程序流程圖如圖9所示，軟件系統(tǒng)主要包括主程序、紅外遙控控制子程序和自動循跡避障子程序，紅外遙控控制子程序由防撞報警、S型運動、檔位選擇、測速、剎停防抱死和顯示等部分構(gòu)成。自動循跡避障子程序僅包括避障部分和循跡部分，可使多功能玩具小車快速、平穩(wěn)地進行自動控制。主程序循環(huán)進行標志判斷，并決定是否調(diào)用紅外遙控控制程序和自動循跡避障程序，可提高系統(tǒng)的實時性。

3.2剎停防抱死于程序

防抱死制動系統(tǒng)是一種主動安全裝置，它在制動過程中根據(jù)“車輛—路面”狀況，采用自動調(diào)節(jié)車輪的制動力矩來達到防止車輪抱死的目的。依據(jù)防抱死制動系統(tǒng)原理，設(shè)計了剎停防抱死系統(tǒng)。

經(jīng)大量實驗表明，玩具小車在室內(nèi)光滑地面高速行駛，緊急剎停容易出現(xiàn)車輪抱死。因此，當(dāng)小車在較高速度行駛，速度突然降為零時，自動調(diào)用剎停防抱死子程序，可實現(xiàn)玩具小車的安全停車。剎停防抱死程序如下所示：

4結(jié)語

本文設(shè)計的電動玩具小車支持四向行駛、多檔調(diào)速、S型運動、Z型運動、搖擺運動、超聲波防撞報警和行駛速度顯示等功能，且操控性能優(yōu)良。小車可根據(jù)路況自動控制，具有剎停防抱死功能，可平穩(wěn)、快速并避障移動。本設(shè)計采用12864液晶顯示功能，使該玩具小車具有良好的人機交互性。此外，本設(shè)計已推廣至工業(yè)生產(chǎn)中的無人智能小車控制，應(yīng)用于智能倉儲、自動化制造等領(lǐng)域。