楊麗新, 馬 迎

(華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院,廣州 510640)

0 引 言

智能小車由于其成本優(yōu)勢，常作為教學(xué)機器人，受到眾多高校的重視[1-4]。機電控制系統(tǒng)是智能小車的核心，集成了機械與微電子等共性關(guān)鍵技術(shù)。對智能小車機電控制系統(tǒng)進行編程，實現(xiàn)一定程度的自動、智能操作，這也是國內(nèi)機械電子競賽的常見項目之一[5-7]。Proteus是目前最流行的電路設(shè)計仿真和程序調(diào)試軟件之一，提供了從分立元件到集成元件、從無源器件到有源器件的仿真調(diào)試[8-15]。本文通過Proteus編程設(shè)計仿真，設(shè)計了一款基于8051內(nèi)核(STC89C52)單片機的智能小車，實現(xiàn)尋跡、避障、測速等功能。

1 智能小車設(shè)計方案

如圖1所示,智能小車以通用的STC89C52單片機作為控制核心，以常見的模型車底板所搭建的智能小車底盤為平臺，通過裝配直流電機、光電檢測器、紅外傳感器、超聲波傳感器等，利用傳感器和機電一體化系統(tǒng)設(shè)計控制技術(shù)實現(xiàn)智能小車的位置、速度、運行等狀況的實時測量，再將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機，單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)對智能小車進行驅(qū)動、尋跡、避障、速度等控制。

圖1 智能小車系統(tǒng)框圖

對小車功能的不同要求采用模塊化設(shè)計方案，分別進行電路設(shè)計。設(shè)計側(cè)重于對單片機STC89C52的控制以實現(xiàn)小車自動根據(jù)地面黑色線路前進、轉(zhuǎn)向，對前方障礙能做出躲避反應(yīng)，同時能對實時的車行速度進行檢測、顯示等功能。另外，設(shè)計力求改善智能小車對方向判斷的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，盡量克服小車在十字型黑色路線上轉(zhuǎn)向出錯率偏高的不足。

2 硬件選用及電路設(shè)計

智能小車的控制核心選用STC89C52單片機，其具有8 KByte ROM，512 KByte RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個全雙工串行口。智能小車的系統(tǒng)電路可按不同的功能分為驅(qū)動模塊電路、尋跡模塊電路、避障模塊電路、速度顯示模塊電路等，這些模塊由不同的傳感器檢測各種信號，并將信號傳送到單片機，再由單片機輸出程序指令控制小車做出各種響應(yīng)動作。圖2所示為智能小車控制系統(tǒng)的電路。

圖2 系統(tǒng)電路原理圖

2.1 直流電機驅(qū)動模塊及其電路設(shè)計

為減小電動機的差異性，利于小車直線行走，選用4個130直流電動機驅(qū)動智能小車。利用左右兩邊輪子的速度差實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，利用時間或是碼盤來控制轉(zhuǎn)向角度。電機的工作電壓在3～9 V的范圍內(nèi)，一般控制在6 V左右。由于頻率過高電動機會發(fā)出較大的聲音，頻率過低電機會發(fā)生振動，故PWM調(diào)節(jié)電動機速度時一般用1 kHz左右的頻率。選用L293D驅(qū)動芯片，其有穩(wěn)定性高的特點，2片配合使用可以驅(qū)動4個直流電機。

直流電機驅(qū)動電路原理圖設(shè)計如圖3所示。其中L293D(U2)的IN1、IN2對應(yīng)直流電動機1的邏輯輸入，IN3、IN4對應(yīng)直流電機2的邏輯輸入，EN1為直流電動機1的PWM輸入，EN2為直流電動機2的PWM輸入。+5 V、GND為電源輸出，用于給控制系統(tǒng)供電。OUT1、OUT2對應(yīng)直流電動機1驅(qū)動輸出，OUT3、OUT4對應(yīng)直流電機2驅(qū)動輸出。

同理L293D(U3)的IN1、IN2對應(yīng)直流電機3的邏輯輸入，IN3、IN4對應(yīng)直流電動機4的邏輯輸入，OUT1、OUT2對應(yīng)直流電動機3驅(qū)動輸出，OUT3、OUT4對應(yīng)直流電動機4驅(qū)動輸出。穩(wěn)壓器AMS1117-5(U1)可以將輸入電源轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的5 V輸出。對直流電動機1的邏輯控制如表1。

表1 直流電動機1邏輯控制表

同理可得其他直流電動機的邏輯控制方式。

2.2 尋跡檢測模塊及其電路設(shè)計

尋跡模塊使用紅外線發(fā)射和接收傳感器，并使用LM339電壓比較器以防止輸出抖動，檢測地面黑色帶路線，如圖4所示。該電路包括一個紅外發(fā)光二極管、一個紅外光敏三極管及其上拉電阻。發(fā)光二極管發(fā)射一定強度的紅外線照射物體，光敏三極管在接收到反射回來的紅外線后導(dǎo)通，產(chǎn)生一個電平跳變信號。光電傳感器固定在小車底盤前沿，貼近地面。正常行駛時，發(fā)射管發(fā)射紅外光照射地面，光線經(jīng)白紙反射后被接收管接收，輸出高電平信號；電動車經(jīng)過黑線時，發(fā)射端發(fā)射的光線被黑線吸收，接收端接收不到反射光線，傳感器輸出低電平信號后送89C52單片機處理，執(zhí)行相應(yīng)程序來控制小車的行進。

圖3 直流電機驅(qū)動電路原理圖

圖4 智能小車檢測電路

尋跡傳感器的工作電壓在4～6 V，工作電流30～40 mA之間。當(dāng)紅外光電傳感器檢測到黑色線時，傳感器輸出端的電壓為1 V左右，當(dāng)?shù)孛?白色)有光反射時，傳感器輸出端的電壓約等于電源電壓。

2.3 避障檢測模塊及其電路設(shè)計

避障模塊選用US-100超聲波傳感器(見圖5)配合舵機使用，可實現(xiàn)檢測小車前方障礙。超聲波發(fā)射器向小車前方發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時[10]。該傳感器可以實現(xiàn)0～4 m的非接觸測距功能，輸入電壓為2.5～5.5 V，工作方式有串口、電平觸發(fā)兩種(選用電平觸發(fā)模式)，工作穩(wěn)定性良好。另外，該傳感器模塊中自帶溫度傳感器，可對測距結(jié)果進行校正。超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，可算出發(fā)射點距障礙物的距離L，即：L=340t/2,在程序中設(shè)定小車與障礙物距離(或記錄時間)小于一定值則做出躲避反應(yīng)。

圖5 US-100超聲波傳感器(正面、側(cè)面)

定義US-100超聲波傳感器正面圖中5pin排針從左到右依次為1～5號，則其連接方式如下：

1號連接VCC電源(2.5～5.5 V)；

2號當(dāng)為電平觸發(fā)模式時，接外部電路的Trig端；

3號當(dāng)為電平觸發(fā)模式時，接外部電路的Echo端；

4、5號接地。

圖6所示為超聲波傳感器測距(電平觸發(fā))時序圖。在Trig管腳輸入一個10US以上的高電平，系統(tǒng)便可發(fā)出8個40 kHZ的超聲波脈沖，然后檢測回波信號。當(dāng)檢測到回波信號后，模塊還要進行溫度值的測量，根據(jù)當(dāng)前溫度對測距結(jié)果進行校正，將校正后的結(jié)果通過Echo管腳輸出。在此模式下，模塊將距離值轉(zhuǎn)化為聲速的時間值的2倍，通過Echo端輸出一高電平，可根據(jù)此高電平的持續(xù)時間t′來計算距離值L′。即距離值為：L′=t′×340/2。

圖6 超聲波傳感器測距(電平觸發(fā))時序圖

為使避障功能準(zhǔn)確、平穩(wěn)，智能小車加裝了一個舵機與超聲波傳感器配合使用。舵機是一種位置(角度)伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。其原理是控制信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。其內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20 ms、寬度為1.5 ms的基準(zhǔn)信號，將基準(zhǔn)電路電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機停止轉(zhuǎn)動。在避障時可以通過舵機控制超聲波傳感器左右掃描，檢測小車除正前方外偏左、偏右兩邊的障礙。

2.4 速度顯示模塊及其電路設(shè)計

速度顯示模塊中選用一體化對射紅外發(fā)射接收管WYC H206和帶施密特觸發(fā)器反向器74HC14，配合編碼盤使用，通過單片機計數(shù)可獲得小車行駛速度，再由4位8段共陽極LED數(shù)碼管構(gòu)成的顯示器顯示小車速度。圖7所示為其電路原理圖。

圖7 測速模塊電路原理圖

工作電壓為4～6 V，工作電流為25 mA，檢查頻率為1 kHz，可以檢查大于2 mm的非透明物體。通電后指示燈D發(fā)光，當(dāng)有遮擋物在檢查凹槽時，指示燈D熄滅。檢查智能小車速度時，碼盤配合測速模塊可以輸出電信號，提供單片機計數(shù)，獲得碼盤速度。

對于檢測到的速度，采用4位8段LED數(shù)碼管構(gòu)成智能小車的顯示器顯示速度值，共陽極，即公共端接電源，其他端接地。顯示電路設(shè)計如圖7所示。

其中數(shù)碼管的管腳a、b、c、d、e、f、g、dp各串聯(lián)一個電阻后再與89C52單片機的P0.0～P0.7連接(連接上拉電阻)，管腳1～4連接電阻和三極管后再接到89C52單片機的P2.0～P2.3端口。

3 軟件程序設(shè)計

智能小車的控制系統(tǒng)設(shè)計中，除了根據(jù)所要實現(xiàn)的功能選用硬件，大量的工作用于對連接起來的硬件進行應(yīng)用程序的設(shè)計開發(fā)，軟件程序設(shè)計在基于單片機的控制系統(tǒng)設(shè)計中有著必不可少的重要作用。本研究的軟件程序利用模塊化設(shè)計，由驅(qū)動程序、尋跡程序、避障程序、測速和顯示程序等模塊組成完整的智能小車系統(tǒng)，其流程圖如圖8所示。

圖8 智能小車系統(tǒng)流程圖

基于單片機的智能小車設(shè)計完成了硬件選用和軟件程序設(shè)計后，然后采用軟件對電路和程序進行仿真，測試該設(shè)計是否合理、可否實現(xiàn)。本研究利用Proteus 7 professional軟件對小車的設(shè)計進行仿真。

在Proteus中繪制各模塊電路原理圖并連接單片機89C52，如圖9所示。

以驅(qū)動模塊的仿真為例，仿真電路如圖10所示。P1.0～P1.7接入兩片L293D驅(qū)動芯片的輸入端，其輸出段接到4個直流電機。將設(shè)計好的程序?qū)雴纹瑱C后進行仿真。通過紅外傳感器檢測地面黑色路線實現(xiàn)尋跡功能，檢測到的結(jié)果通過信號0與1輸送到單片機進行處理。

圖9 仿真電路圖

圖10 驅(qū)動模塊仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

本文對智能小車的機械控制系統(tǒng)進行了設(shè)計，并通過Proteus仿真，驗證了各模塊的尋跡、避障、速度顯示等響應(yīng)動作。結(jié)果顯示，基于單片機的智能小車各模塊的電路設(shè)計合理，控制軟件程序精確穩(wěn)定，可實現(xiàn)智能小車的各種功能，可作為教學(xué)機器人的演示與研發(fā)案例。