王 敏，王 輝※，陳金陽(yáng)，張朝晶

（1.盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧盤錦 124000；2.盤錦市教育裝備工程技術(shù)研究中心，遼寧盤錦 124000）

0 引言

隨著中國(guó)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)向智能化和自動(dòng)化的方向發(fā)展，單片機(jī)作為一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，由于體積小、能耗低、可靠性高、集成度高的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用在通訊、儀表儀器、工業(yè)控制、醫(yī)療等領(lǐng)域，單片機(jī)已成為人們生產(chǎn)、生活的必需品，社會(huì)對(duì)單片機(jī)技術(shù)高技能復(fù)合型人才的需求日益增長(zhǎng)，迫切需要高職院校對(duì)單片機(jī)技術(shù)深入研究[1]。為此，本文研制一種適合高職學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)的智能避障實(shí)訓(xùn)車教學(xué)設(shè)備非常重要，通過(guò)自主研制智能避障實(shí)訓(xùn)車教學(xué)設(shè)備，使學(xué)生熟悉單片機(jī)在機(jī)電一體化技術(shù)的綜合應(yīng)用，熟練掌握開發(fā)復(fù)雜單片機(jī)系統(tǒng)的一般方法，將教學(xué)緊密與企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生一線工程實(shí)踐能力、科技創(chuàng)新能力[2]。

1 教學(xué)設(shè)備總體設(shè)計(jì)

智能避障實(shí)訓(xùn)車設(shè)備的研制過(guò)程可以看成一個(gè)完整的實(shí)際工程項(xiàng)目實(shí)施流程。以“雙元制”教學(xué)模式中的培訓(xùn)模塊的設(shè)定就是通過(guò)一個(gè)實(shí)際的工程項(xiàng)目為實(shí)訓(xùn)載體，將工作中所涉及的各專業(yè)課程理論和所需的專業(yè)技能有機(jī)融合并充分體現(xiàn)在實(shí)踐行動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在“做中學(xué)，學(xué)中做”有利于學(xué)生盡早適應(yīng)崗位環(huán)境[3]。智能避障實(shí)訓(xùn)車教學(xué)裝置主要由電源模塊、紅外檢測(cè)模塊、聲光報(bào)警模塊、主控模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)訓(xùn)車車身選用鋁材作為車體材料，采用AT89C51單片機(jī)作為控制器，以直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，傳感器作為檢測(cè)并搭配避障、聲光報(bào)警、運(yùn)行指示、短路過(guò)載保護(hù)的功能，從車身設(shè)計(jì)制作到電路控制功能的實(shí)現(xiàn)涉及到機(jī)械制圖、機(jī)械加工、單片機(jī)技術(shù)、電氣控制、C語(yǔ)言程序編程、電子焊接等多個(gè)學(xué)習(xí)領(lǐng)域知識(shí)和技能，從制定工作計(jì)劃、完善工作頁(yè)到整理數(shù)據(jù)、交付技術(shù)資料旨在培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械單元設(shè)計(jì)

制作智能避障實(shí)訓(xùn)車車體結(jié)構(gòu)的材料選用鋁材合金，鋁型材具有很高的塑性，易于加工，可制成各種型材、板材，抗腐蝕性能好，利用車床、銑床等機(jī)床設(shè)計(jì)并制作智能避障機(jī)器人的車身。車體的外觀仿照實(shí)際汽車結(jié)構(gòu)，機(jī)械部分制作的部件主要有：底座、擋板、側(cè)板、車窗、頂蓋、保險(xiǎn)杠、減震塊、橫梁、4個(gè)輪胎位等，嚴(yán)格按照工件的機(jī)械加工常規(guī)技術(shù)要求進(jìn)行硬件原理圖的設(shè)計(jì)與零部件加工，同時(shí)考慮絕緣、美觀、適應(yīng)等性能，設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)車外觀如圖2所示，頂蓋機(jī)械加工圖紙如圖3所示，實(shí)訓(xùn)車實(shí)物如圖4所示。

圖2 智能避障實(shí)訓(xùn)車車體外觀圖

圖3 頂蓋機(jī)械加工圖紙

圖4 實(shí)訓(xùn)車實(shí)物圖

2.2 電子單元設(shè)計(jì)

2.2.1 電源模塊

系統(tǒng)采用的DC-DC的供電方式，考慮到5 V空心杯直流電機(jī)對(duì)電源的要求，選用12 V，3 000 mA的鋰電池供電，系統(tǒng)其他模塊供電的5 V電源由降壓模塊LM2 596轉(zhuǎn)換供給。

2.2.2 紅外避障模塊

智能避障實(shí)訓(xùn)車安全避障的方法主要有超聲波避障、紅外傳感器避障、激光雷達(dá)避障等方法，對(duì)于本文研究的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，只需完成較近距離的正面阻擋物躲避任務(wù)即可，所以選擇漫反射式紅外光電傳感器。在車頭處按照“棕正藍(lán)負(fù)黑信號(hào)”的接線方式[4]，安裝4個(gè)傳感器，控制器接收傳感器發(fā)送來(lái)的信號(hào)，若前方路況良好，信號(hào)也為低電平，小車正常行駛；若前方由障礙物阻擋，電壓信號(hào)為高電平，小車減速或轉(zhuǎn)彎行進(jìn)。

2.2.3 聲光報(bào)警模塊

聲光報(bào)警電路在控制器的控制下，在前方遇到障礙物后發(fā)出3 s的聲光報(bào)警，單片機(jī)I/O口配合放大電路的驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作，燈光報(bào)警靠發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)，工作電流相對(duì)較小，直接靠單片機(jī)的端口驅(qū)動(dòng)，當(dāng)相應(yīng)輸出口為高電平時(shí)，LED點(diǎn)亮，發(fā)出光報(bào)警；當(dāng)輸出口為低電平時(shí)，LED熄滅，光報(bào)警解除。

2.2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

系統(tǒng)采用5 V空心杯直流電機(jī)控制小車，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用“H”橋大功率雙路驅(qū)動(dòng)模塊（3～53 V電壓可調(diào)）[5]，空心杯電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)器，配合空心杯電機(jī)十分理想?？招谋绷麟姍C(jī)一般需要60 kHz的PWM頻率，此款驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)設(shè)計(jì)到200 kHz的超高開關(guān)速度。驅(qū)動(dòng)器單電源輸入電壓范圍是3～53 V可調(diào)，此驅(qū)動(dòng)器還具有的剎車功能可迅速將電機(jī)剎住，剎車迅速，制動(dòng)明顯，實(shí)現(xiàn)此功能操作簡(jiǎn)單。以上電路模塊的實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 電路模塊實(shí)訓(xùn)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)以智能避障實(shí)訓(xùn)車為對(duì)象，要求其能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：按下單片機(jī)處理器啟動(dòng)按鈕后，如果前方?jīng)]有障礙物，智能避障小車開始運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)，傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)前方信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到前方有物體有信號(hào)返回時(shí)，傳感器將輸出信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)處理器，智能避障小車發(fā)出3 s音樂(lè)提示操作者，并且發(fā)出PWM信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使小車轉(zhuǎn)彎避開障礙物[6]；按下單片機(jī)處理器停止按鈕，單片機(jī)處理器PWM停止輸出，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸出0 V，智能避障小車停止運(yùn)行，實(shí)訓(xùn)車軟件系統(tǒng)靠C語(yǔ)言編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，主要思路是將每個(gè)功能的程序驅(qū)動(dòng)寫成相應(yīng)的子函數(shù)，上述具體動(dòng)作靠主函數(shù)調(diào)用相應(yīng)的子函數(shù)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種在“雙元制”教學(xué)模式下，遵從“咨詢—計(jì)劃—實(shí)施—運(yùn)行”模式[7]，基于單片機(jī)技術(shù)的智能避障實(shí)訓(xùn)車教學(xué)設(shè)備的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，智能避障實(shí)訓(xùn)車能夠完成控制要求的相應(yīng)動(dòng)作，能夠進(jìn)行正常行進(jìn)，并且實(shí)現(xiàn)智能躲避障礙物進(jìn)行聲光報(bào)警的功能，設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期效果。目前，該實(shí)訓(xùn)設(shè)備已經(jīng)運(yùn)用在機(jī)電一體化專業(yè)培訓(xùn)模塊的教學(xué)實(shí)施中，學(xué)生以小組討論、團(tuán)隊(duì)合作的方式，完成資料收集、任務(wù)計(jì)劃、任務(wù)實(shí)施、行動(dòng)記錄等任務(wù)，該實(shí)訓(xùn)車將機(jī)械加工技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、信息通信技術(shù)及傳感器技術(shù)有效地融合在一起，基本實(shí)現(xiàn)在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中能夠培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)、團(tuán)隊(duì)精神以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度。學(xué)生在本項(xiàng)目學(xué)習(xí)后掌握了理論知識(shí)練就了專業(yè)技能。同時(shí)，培養(yǎng)了大學(xué)生自主學(xué)習(xí)和解決工程問(wèn)題的能力，也提高了大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的質(zhì)量，為學(xué)生今后的就業(yè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。