張楚翹

（北京首都機(jī)場(chǎng)航空安保有限公司，中國(guó) 北京 100000）

1 總體方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)尋跡的智能小車的總體設(shè)計(jì)， 主要以STC89C52RC 為核心控制系統(tǒng)，RPR-220 光電探測(cè)器與LM393 電壓比較器組成紅外傳感模塊、L293D 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、穩(wěn)壓電源模塊、行駛器機(jī)械系統(tǒng)組成。根據(jù)智能小車的功能實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)方案應(yīng)該能夠在小車啟動(dòng)電源后，小車自動(dòng)行駛，車頭底部紅外光電二極管發(fā)出紅外線，照射路面并反射的光線被光電二極管接收，二極管在電磁作用下產(chǎn)生電勢(shì)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。智能小車在貼有1cm 寬度黑線的白色地面上行駛，由于黑色和白色對(duì)光線的反射系數(shù)不同，單片機(jī)內(nèi)部程序通過判斷接收到的反射光的強(qiáng)弱來確認(rèn)黑色路線的位置。車前紅外光電二極管發(fā)射和接收信號(hào)，信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，經(jīng)過單片機(jī)小系統(tǒng)處理再控制電機(jī)使智能小車后退或轉(zhuǎn)彎。

圖1 總方案設(shè)計(jì)流程圖

2 自動(dòng)尋跡避障小車的硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心控制系統(tǒng)

本次設(shè)計(jì)以STC89C52RC 為主要控制系統(tǒng)的核心， 采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、 隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、 只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O 口、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能集成到一塊硅片上，構(gòu)成一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

通過電源通斷電改變電路充放電狀態(tài)，形成回路使單片機(jī)上電復(fù)位，返回初始的工作狀態(tài)。 當(dāng)程序崩潰或程序長(zhǎng)時(shí)間失去響應(yīng)時(shí)，微控制器看門狗模塊將自動(dòng)復(fù)位并重啟微控制器。

晶體振蕩器和電容組成的時(shí)鐘電路，振蕩器產(chǎn)生的是正弦波，形成時(shí)鐘脈沖，在此條件下進(jìn)行編碼譯碼和指令的調(diào)取。

智能尋跡小車需要采用多開關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，通過各項(xiàng)硬件參數(shù)與所需達(dá)到的功能進(jìn)行分析，實(shí)際工作頻率可達(dá)48 MHz，用戶應(yīng)用空間為8K 字節(jié)，片內(nèi)集成512 字節(jié)RAM，32 個(gè)通用I/O 口，復(fù)位后：P1/P2/P3/P4 為準(zhǔn)雙向/弱上拉，P0 端口為開漏輸出當(dāng)用作總線擴(kuò)展時(shí)，無須添加上拉電阻。 當(dāng)用作I/O 端口時(shí)，需要一個(gè)上拉電阻。 代碼指令的兼容性非常強(qiáng)，速度快，耗能低，抗干擾并且價(jià)格低廉。

圖2 總體硬件電路圖

2.2 紅外傳感模塊

采用3 對(duì)RPR-220 反射式紅外二極管和接收管組合發(fā)射-接收器，固定于智能小車的底部前端。傳感器是把被測(cè)量的光電變化于發(fā)出的輻射源，測(cè)量被測(cè)信息上的光波并進(jìn)行調(diào)制，通過空間分布、相位、強(qiáng)度等發(fā)生的改變，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再由光電器件把電信號(hào)調(diào)制分離，得到可用信息。 考慮到本設(shè)計(jì)的場(chǎng)地和環(huán)境因素，探測(cè)紅外信號(hào)，在光電探測(cè)器上要選用光敏電阻， 且要對(duì)準(zhǔn)紅外光照的有效位置，利用全部感光面。 靈敏度的選取確保輸出強(qiáng)電信號(hào)，光信號(hào)的調(diào)制匹配動(dòng)態(tài)參數(shù)， 輸入電路保證轉(zhuǎn)換系數(shù)、信噪比和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在額定條件下能夠有效探測(cè)。

圖3 紅外傳感模塊電路圖

V5 與V2、V6 與V3 組成兩組紅外發(fā)射接收對(duì)管，小車尋跡時(shí)軌道為黑色。

當(dāng)小車沿著黑色道路行駛時(shí)，發(fā)射管發(fā)出的紅外線被黑色軌道吸收， 接收管無法接收紅外線照射，電路呈斷路狀態(tài)，單片機(jī)端15、16 輸入高電平，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，小車沿黑色道路向前移動(dòng)。

當(dāng)小車偏離黑色道路行駛時(shí)，發(fā)射管發(fā)出的紅外線被白色地板反射， 接收管接收到紅外線的反射光，電路呈通路狀態(tài)，單片機(jī)15、16 輸入低電平，控制一個(gè)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)或不轉(zhuǎn)， 使小車自動(dòng)進(jìn)入軌道前進(jìn)。左側(cè)偏離，向右拐。

LM393 電壓比較器由兩個(gè)獨(dú)立的高精度電壓比較器組成的集成電路系統(tǒng)， 其具有低至2.0 mV 的低失調(diào)電壓，用于實(shí)現(xiàn)寬電壓范圍。無論電源電壓如何，電源消耗的電流都非常低，輸出負(fù)載電阻可以連接到允許電源電壓范圍內(nèi)的任何電源電壓， 與VCC 端電壓無關(guān)。 該輸出可用作簡(jiǎn)單的接地SPS 開路（當(dāng)不使用負(fù)載電阻時(shí)）， 電流輸出可能受驅(qū)動(dòng)和器件的β 值限制。當(dāng)達(dá)到極限電流（16 mA）時(shí)，輸出晶體管將退出系統(tǒng)，輸出電壓將快速上升。 LM393 電壓比較器主要用于限幅器，簡(jiǎn)單的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，脈沖發(fā)生器，方波發(fā)生器， 延遲發(fā)生器， 寬帶壓控振蕩器，MOS 時(shí)鐘定時(shí)器，多頻振蕩器和數(shù)字邏輯門電路。 LM393 設(shè)計(jì)用于直接連接TTL 和CMOS；當(dāng)雙電源提供電能時(shí)，它與MOS 邏輯兼容，與標(biāo)準(zhǔn)比較器相比，消耗供電量少，轉(zhuǎn)換時(shí)間短。

圖4 LM393 功能框圖

圖5 LM393 管腳排列圖解

表1 管腳排列表

LM393 雙電壓比較器的IN+同相輸入端，IN-反相輸入端，OUT 輸出端。 電壓比較器是模擬電路與數(shù)字電路的接口電路。 當(dāng)輸入電壓IN+＞IN-時(shí)，輸出為高電平1。 當(dāng)輸入電壓IN+＜IN-時(shí)，輸出為低電平0。

當(dāng)智能小車行駛前方?jīng)]有被紅外探測(cè)到障礙物，紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線沒有被反射，紅外接收管接收不到紅外線， 發(fā)射極和集電極都是反偏的狀態(tài)，電壓比較器的IN+≈VCC， 而其反相輸入端輸入電壓為R15 與R23 分壓值，IN-≈2/3 VCC，OUTA 輸出為高電平，小車前進(jìn)。

當(dāng)智能小車行駛前方出現(xiàn)被紅外探測(cè)到障礙物，紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線被反射，紅外接收管接收到紅外光，發(fā)射極和集電極都是導(dǎo)通的狀態(tài)，電壓比較器的IN+≈0， 而其反相輸入端輸入電壓IN-≈2/3 VCC，OUTA 輸出為低電平，小車先后退，再右轉(zhuǎn)繼續(xù)前進(jìn)。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

在實(shí)驗(yàn)型的機(jī)器人中使用的電動(dòng)機(jī)通常工作在5-24 V。 根據(jù)型號(hào)、制造方法、價(jià)格等，它們的電流約為100 mA 至5 A?？梢酝ㄟ^多種方式使用電機(jī)。一種方法是將其直接連接到電池，然后以特定方向以最大速度旋轉(zhuǎn)，但實(shí)際上，本設(shè)計(jì)需要控制電機(jī)的通斷電以及速度、方向和位置。必須使用控制器（邏輯電路或微控制器或PC 或計(jì)算機(jī)）來控制電機(jī)。但是微控制器的輸出為5 V 和200 mA，無法旋轉(zhuǎn)電機(jī)。 因此，需要中間電路將控制器連接到電機(jī)，稱為驅(qū)動(dòng)器。

德州儀器生產(chǎn)的L293D 驅(qū)動(dòng)器， 電源電壓范圍：4.5～36 V， 獨(dú)立輸入邏輯電源內(nèi)部ESD 保護(hù)熱關(guān)斷，通過L293D 功能的高噪聲抗擾度輸入取代每通道600 mA 的輸出電流，每通道峰值輸出電流1.2 A ，輸出鉗位二極管的電感瞬態(tài)抑制。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

L293D 四路強(qiáng)電流H 橋驅(qū)動(dòng)器。L293D 導(dǎo)通高達(dá)600 mA 的雙向驅(qū)動(dòng)電流和4.5～36 V 的電壓。 該器件設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載繼電器，電磁閥，直流雙極步進(jìn)和電機(jī)， 以及為其他強(qiáng)電流電壓提供電源負(fù)載電壓。兼容所有TTL 輸入。每個(gè)輸出都是推拉驅(qū)動(dòng)電路，帶有達(dá)林頓三極管和偽達(dá)林源。 啟用1，2 個(gè)EN 驅(qū)動(dòng)器和3，4 個(gè)EN 驅(qū)動(dòng)器。 當(dāng)使能端為高電平時(shí)，相關(guān)的驅(qū)動(dòng)器被啟用，它們的輸出在其輸入端處于有效和同相狀態(tài)。 當(dāng)使能輸入為低電平時(shí)，這些驅(qū)動(dòng)器被禁用，其輸出在高阻抗?fàn)顟B(tài)下關(guān)閉。（1，2EN 是1 和2 的使能（高電平使能）；3，4EN 是相同的）通過合適的數(shù)據(jù)輸入，每對(duì)驅(qū)動(dòng)器采用電磁閥的完整H 橋可逆驅(qū)動(dòng)器的形式或電機(jī)應(yīng)用。

L293D 外部輸出必須對(duì)電感瞬態(tài)抑制，高速鉗位二極管合理將VCC1 和VCC2 分開， 提供邏輯輸入，以盡量減少設(shè)備功耗。 L293D 的工作溫度起伏在0～70°C。

在熱關(guān)斷模式下，無論輸入電平如何，輸出都是高阻抗。

表2 工作條件

代數(shù)約定，其中最小的正（負(fù)）指定最低，用于此數(shù)據(jù)表的邏輯級(jí)別。

圖7 L293D 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

L293D 內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)際由四個(gè)三態(tài)門組成，高電平觸發(fā)兩個(gè)三態(tài)門中間的使能端， 使它們打開通路，雙向傳輸信號(hào)，讓電機(jī)正反向轉(zhuǎn)動(dòng)控制小車前輪。

在EN 輸入高電平時(shí)，單片機(jī)的P0 口控制1A 與2A、3A 與4A 之間的高低電平，可以控制電機(jī)的正向轉(zhuǎn)動(dòng)與反向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過改變前輪運(yùn)行狀態(tài)，使小車自由行駛。

2.4 電源模塊

電源模塊主要提供的支持是給智能小車提供有效電能， 本次設(shè)計(jì)采用4 節(jié)1.5 V 電池給系統(tǒng)供電，然后使用穩(wěn)壓芯片對(duì)電池電壓進(jìn)行降壓到5 V 輸出給微控制系統(tǒng)。將電池槽放置在車身上，提高穩(wěn)定性，同時(shí)具有保護(hù)電池的目的，這樣選擇價(jià)格便宜，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易獲取。

2.5 機(jī)械系統(tǒng)

智能小車的機(jī)械系統(tǒng)大體上還是根據(jù)現(xiàn)代行駛工具為原型設(shè)計(jì)，要求該原型體型靈活輕巧、行駛穩(wěn)定、構(gòu)成簡(jiǎn)易，根據(jù)現(xiàn)代大多行駛器的設(shè)計(jì)且沒有更多的特殊要求，本設(shè)計(jì)選擇的是四輪式小車，前輪負(fù)責(zé)了轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)的任務(wù)， 一個(gè)電機(jī)控制一個(gè)前輪，后輪連帶使小車平穩(wěn)行駛，為了穩(wěn)定性和對(duì)稱，中間連接一根輕型鋼管， 并將焊接好的電路板放置于車身上，并進(jìn)行加固，這樣既穩(wěn)定，連接電路板和元件之間的線路又不用太長(zhǎng)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于本設(shè)計(jì)要通過軟件程序控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋跡，小車沿著黑線“軌道”進(jìn)行行駛，并且在前方有障礙物的時(shí)候，通過紅外光電傳感器傳輸信號(hào)，單片機(jī)控制電機(jī)進(jìn)行合理避障。

小車接入電源并開啟開關(guān)后，3 組光電紅外傳感器開始工作，開始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī)I/O 口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O 口有信號(hào)，進(jìn)入判斷程序過程，小車底下的兩組光電紅外傳感器負(fù)責(zé)探測(cè)地面上的黑線，并自動(dòng)尋跡。 小車前方的一組紅外光電傳感器負(fù)責(zé)判斷小車行駛前方是否有障礙物，并自動(dòng)避障。 提前定義好小車向前、后、左、右、停止，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向?qū)崿F(xiàn)對(duì)小車的控制。 邏輯示意圖如圖8 所示。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)智能小車的自動(dòng)尋跡和避障，是一個(gè)軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以硬件設(shè)計(jì)為主，核心的是硬件控制系統(tǒng)、自動(dòng)尋跡、避障原理、紅外光電傳感器的功能及使用。通過充分了解核心控制系統(tǒng)所使用的元件和原理，以及自動(dòng)尋跡和避障的原理， 平衡和解決小車設(shè)計(jì)使用時(shí)遇到的諸多困難，不僅深入了解自動(dòng)尋跡小車的使用方向和設(shè)計(jì)原理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)尋跡小車的功能，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖8 軟件邏輯示意圖