西北民族大學(xué) 徐啟明

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和制造技術(shù)的飛速發(fā)展，智能化產(chǎn)品在現(xiàn)代社會(huì)顯得日趨重要，它是今后發(fā)展的方向，可以在事先預(yù)定的程序下執(zhí)行一系列的命令，無(wú)需人為進(jìn)行管理，便可以完成預(yù)期所要達(dá)到的目標(biāo)。金屬探測(cè)全方位智能小車(chē)的設(shè)想在此情況下便應(yīng)用而生。它以智能小車(chē)為載體代替人工，在某一區(qū)域自動(dòng)進(jìn)行循跡避障或遙控并智能的檢測(cè)出金屬物質(zhì)然后作出反應(yīng)。

1 引言

智能小車(chē)，也稱(chēng)輪式機(jī)器人。此項(xiàng)目是基于51單片機(jī)，采用STC89C52芯片制作的一輛集紅外遙控，藍(lán)牙遙控，自動(dòng)循跡，躲避障礙，全方位移動(dòng)，金屬探測(cè)等為一體的智能小車(chē)。

2 系統(tǒng)組成

此車(chē)由51單片機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，穩(wěn)壓，電源，紅外，藍(lán)牙，超聲波，電機(jī)，LCD1602，金屬探測(cè)器，遙控器等模塊組成。穩(wěn)壓模塊為單片機(jī)提供穩(wěn)定的5V電壓，驅(qū)動(dòng)模塊為使能驅(qū)動(dòng)電機(jī)，紅外循跡模塊可使小車(chē)智能循跡，紅外遙控、藍(lán)牙遙控為小車(chē)的兩種控制方式，超聲波可測(cè)距避免障礙，而金屬探測(cè)器可探測(cè)金屬讓1602顯示并報(bào)警。

本設(shè)計(jì)采用STC公司生產(chǎn)的STC89C52芯片，它是一種低功耗、高性能的8位微型控制器，它的存儲(chǔ)器有8K字節(jié)，對(duì)于處理一般不太復(fù)雜功能的能力足夠，從而使得STC89C52芯片為許多嵌入式控制系統(tǒng)提供靈活有效的解決辦法。（陳海宴.51單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2010）

圖1 系統(tǒng)組成

3 金屬探測(cè)器原理

如圖1，由線(xiàn)圈L1、L2，三極管Q1，電阻R1，電容C2、C3，電位器W組成了一個(gè)高頻振蕩電路，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻W，就可以改變振蕩級(jí)的放大倍數(shù)，使得振蕩器振蕩狀態(tài)處于臨界狀態(tài)，也就是說(shuō)在未檢測(cè)到金屬前剛好未使振蕩器起振。Q2、Q3兩個(gè)三極管組成一個(gè)檢測(cè)電路，未檢測(cè)到金屬時(shí)，此時(shí)振蕩電壓會(huì)大于0.5V，C4就會(huì)由于Q2三極管在負(fù)半周導(dǎo)通而短路，從而使Q3三極管截止；當(dāng)線(xiàn)圈L1有金屬物體靠近時(shí)，在金屬導(dǎo)體中就會(huì)有渦電流產(chǎn)生，此時(shí)振蕩回路中的能量損耗就會(huì)增大，使得正反饋減弱，振蕩器振蕩減弱，Q2三極管截止，電阻R2給C4電容充電，使得Q3三極管導(dǎo)通，蜂鳴器兩端電壓增大，從而使蜂鳴器發(fā)出聲音。我們根據(jù)蜂鳴器是否鳴叫，便可以判斷線(xiàn)圈周?chē)欠裼薪饘傥矬w了。（范麗珍,李樹(shù)華.基于單片機(jī)的智能型金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)(自然版),2006,37(2):185-189）

圖2 金屬探測(cè)器原理圖

在蜂鳴器的兩端引出兩根線(xiàn)，作為輸出電壓接入IN1(+)和IN1（-），在VCC和GND接一固定電壓。當(dāng)輸入電壓低于固定電壓時(shí)，OUTPUT1輸出高電平，當(dāng)輸入電壓高于固定電壓時(shí)，OUTPUT1輸出低電平。OUTPUT1中輸出的電平高低可作為信號(hào)傳回單片機(jī)的IO口，從而使單片機(jī)能判斷線(xiàn)圈中是否有金屬。

圖3 LM393電壓比較器

4 麥克納姆輪

麥克納姆輪是瑞典麥克納姆公司的專(zhuān)利。基于麥克納姆輪的全方位運(yùn)動(dòng)小車(chē)可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、斜行、橫移、原地旋轉(zhuǎn)及其組合等運(yùn)動(dòng)形式。（葉長(zhǎng)龍,馬書(shū)根,回麗.一種全方位移動(dòng)機(jī)器人[J].中國(guó)科學(xué):信息科學(xué),2011,41(2):181-189）

麥克納姆輪分為A、B輪，輪子的安裝方式從左到右、從上到下依次為BAAB。如果4個(gè)輪子均為正轉(zhuǎn)，則小車(chē)為前進(jìn)，如圖4所示，反之，則為后退；如果輪子依圖5方式轉(zhuǎn)則為右移，反之為左移；依圖6方式轉(zhuǎn)（只有B輪正轉(zhuǎn)）為斜向右前，反之斜向右后，若只有A輪正轉(zhuǎn)則為斜向左前，反之為斜向左后；依圖7為原地右轉(zhuǎn)，反之為原地左轉(zhuǎn)。（李磊,葉濤,譚民,陳細(xì)軍.移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀與未來(lái)[J].機(jī)器人,2002,24(05):475-477）

圖4 前進(jìn)

圖5 右移

圖6 斜向右前

圖7 原地右轉(zhuǎn)

5 遙控裝置

5.1 紅外遙控

紅外接收模塊傳感器采用HX1838，靈敏度高，工作電壓為5V，以數(shù)字量的形式輸出。

遙控器采用UPD6122控制芯片NEC編碼格式，它的控制范圍為7-9米左右（中間是否有障礙物，紅外接收頭本身的質(zhì)量等因素會(huì)影響到遙控的距離)，紅外載波頻率為38KHz，使用3V扣式鋰錳電池，有效壽命達(dá)20萬(wàn)次以上。

5.2 藍(lán)牙遙控

藍(lán)牙模塊使用HC-06從模塊，它的IO口共有4個(gè)，分別為VCC，GND，TXD，RXD。VCC端口接5V電壓。TXD為數(shù)據(jù)的發(fā)送端口，RXD為數(shù)據(jù)的接收端口。

LED燈顯示藍(lán)牙的連接狀態(tài)，如果是閃爍狀態(tài)表示沒(méi)有藍(lán)牙連接，隔秒連續(xù)閃爍兩次表示藍(lán)牙已連接?？諘绲赜行Ь嚯x10米。

該模塊為從機(jī)，從機(jī)可以和其他帶藍(lán)牙功能的藍(lán)牙主機(jī)、電腦、帶藍(lán)牙的手機(jī)等智能終端進(jìn)行配對(duì)，從機(jī)之間則不能進(jìn)行配對(duì)。（居聰,曹中忠,張勇,等.基于單片機(jī)的空調(diào)智能控制器的設(shè)計(jì)[J].軟件,2014(6):34-38）

6 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通過(guò)紅外、藍(lán)牙、金屬探測(cè)、超聲波等模塊的制作，然后將他們組合在一起，并在51單片機(jī)的協(xié)調(diào)控制下，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)遙控、自動(dòng)避障、探測(cè)金屬等功能。

此金屬探測(cè)小車(chē)還有很大的改進(jìn)完善空間。例如：改進(jìn)金屬探測(cè)模塊，使其能夠分辨金屬的種類(lèi)并且具有更大的探測(cè)范圍；改進(jìn)循跡避障功能，使其在無(wú)人干預(yù)的情況下更智能的進(jìn)行判斷行走。