李龍，鄧兆強，龔聰，金宇健，周建華（指導(dǎo)老師）

（邵陽學院信息工程學院，湖南邵陽，422000）

0 引言

智能小車集成了多種高新技術(shù)，因此在國內(nèi)外都深受重視。就目前高校來看，智能小車大多采用C51系列作為控制模塊，外加紅外避障模塊、尋跡傳感器模塊、電源模塊、直流電機及其驅(qū)動模塊構(gòu)成[1]，控制器將傳感器模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)給驅(qū)動模塊，從而控制整個小車的運動。但傳感器受環(huán)境影響大，工作不穩(wěn)定，本文將用STC89C52單片機外加各個模塊，提高精度及實時性，設(shè)計并實現(xiàn)智能小車循跡避障的優(yōu)化。

1 智能小車的總體設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

智能探測小車采用前輪驅(qū)動，有左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直行、停止四種狀態(tài)。利用紅外對管對路面信號進行檢測，將信號傳輸?shù)奖容^器處理之后送給STC89S52控制模塊進行實時控制，輸出相應(yīng)的信號驅(qū)動直流電機，通過調(diào)結(jié)兩個電機的轉(zhuǎn)速選擇不同的狀態(tài)[2]，從而達到循跡避障的目的，模塊設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 模塊設(shè)計圖

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1 控制模塊

STC89C52微處理器，工作電壓5V、DC電流50mA、晶振頻率11.0592MHz，輸出電壓為5VDC或3.3VDC，接上USB時無須外部供電或外部12VDC輸入低電壓，高性能，時鐘速度穩(wěn)定，外部接口豐富，可外接各類型的傳感器模塊[3]，非常適合用作本次小車的控制模塊。

1.2.2 驅(qū)動模塊

直流電機是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)電機[4]。在智能小車上我們主要的運用其直流電能轉(zhuǎn)換成機械能的作用，來帶動輪子的轉(zhuǎn)動。直流電機調(diào)速性能好、控制簡單、過載能力較強、受電磁干擾影響小。為了小車的平穩(wěn)行駛，本次設(shè)計選擇三個輪子，前面兩個輪子使用同類型額定電壓12V的直流電機接單片機的5V輸出驅(qū)動，后輪使用的是小滑輪起支撐作用來平穩(wěn)運行。

1.2.3 紅外循跡避障模塊

本次采用的紅外循跡避障模塊（如圖2所示）由紅外發(fā)射與接收管和比較器組成，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當前方有物體時，根據(jù)物體的顏色不同反射出不同強度的紅外線被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，根據(jù)事先調(diào)節(jié)的判斷范圍輸出接口輸出高電平或低電平?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)光敏感度改變檢測距離，有效距離范圍2~60cm，工作電壓為3.3~5V。該模塊可調(diào)范圍廣、工作穩(wěn)定、反應(yīng)迅速、模塊小巧便于安裝，適用于小車循跡避障、測量儀器等場所[5]。

1.2.4 電源模塊

因為AT89C52處理器的特性，我們只需要對其供電，保證其穩(wěn)定的工作電壓就能運行整輛小車。在初步調(diào)試過程中，將單片機的USB口接主機就能正常工作，還能方便檢查。在完成拼裝，接入程序調(diào)試校準時，可以使用充電寶。整個硬件系統(tǒng)的電路圖如圖3所示。

圖3 智能探測小車電路圖

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能小車的各個模塊在連接完成后，還需要軟件對單片機進行控制，在即將偏離軌道或前方有障礙物時，傳感器將信號發(fā)送給單片機，單片機通過循跡避障程序控制驅(qū)動模塊，從而真正的實現(xiàn)小車循跡避障的功能。本系統(tǒng)由主函數(shù)、循跡函數(shù)、避障函數(shù)及延遲函數(shù)構(gòu)成，以此達到模塊化控制[6]。在軟件開發(fā)環(huán)境上使用的是Keil 4，編程語言使用C語言，通過STC-ISP將hex文件下載到單片機來實現(xiàn)對各個模塊的控制，邏輯功能如表1所示。

表1 邏輯功能表

1.3.1 延時程序

單片機的延時程序通過執(zhí)行指令來達到延時效果，這個時間等于執(zhí)行的指令需要的時間，而一個指令需要的時間叫做指令周期，這個時間等于若干個機器周期。因為我們使用的為C語言，就需要將其轉(zhuǎn)化為等步驟的機器周期[7]，而本單片機的機器周期=12*(1/11.0592)。

1.3.2 循跡程序

因為直流電機與單片機接了兩個接口：正向供電01和反向供電10，分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。當一側(cè)的紅外對管感應(yīng)到黑色軌跡時，就會通過循跡避障模塊將信號1傳輸給單片機，此時單片機所對這一側(cè)直流電機的兩個接口由01變?yōu)?0，即對直流電機反向供電，另一側(cè)則保持不變，這樣可以讓小車在較高速度下能夠及時轉(zhuǎn)向，而不會在遇到幅度較大的彎道時因為轉(zhuǎn)向慢而偏離軌道，循跡流程如圖4所示。

圖4 循跡流程圖

1.3.3 避障程序

當中間的紅外對管前方檢測到障礙物時，就會通過循跡避障模塊將信號1傳給單片機，控制直流電機轉(zhuǎn)向，避障流程如圖5所示。考慮到障礙有不同的大小形狀，本次設(shè)計遇到障礙時一律右轉(zhuǎn)90°，并且障礙物的顏色也會對反應(yīng)產(chǎn)生影響。同時，為避免循跡與避障發(fā)生沖突導(dǎo)致行駛異常，循跡時軌道上出現(xiàn)障礙時我們將情況1避障程序的優(yōu)先級設(shè)置高于循跡程序，對于優(yōu)先級我們可以通過改變代碼判斷順序或發(fā)生條件來實現(xiàn)[9]。

圖5 避障流程圖

2 系統(tǒng)的調(diào)試

首先燒入電機控制小程序，控制電機正反轉(zhuǎn)、停止均無誤。接著檢測循跡避障模塊，檢查紅外燈是否能正常亮燈，測試靈敏度是否能達到要求，兩個用于循跡的紅外對管分別位于小車的車頭兩側(cè)，垂直朝下，便于及時對路面進行判斷，之間的間隔應(yīng)大于軌道寬度，具體位置以對軌跡的敏感度要使遇到黑線立即做出反應(yīng)，同時又不會使小車憑空行駛為佳；一個用于避障的紅外對管位于小車車頭并朝向正前方，敏感度根據(jù)需要與障礙物相隔距離多遠轉(zhuǎn)彎來調(diào)節(jié)，并且因為轉(zhuǎn)向為90°，就需要我們調(diào)用延時函數(shù)，不斷觀測延時在多少時轉(zhuǎn)向會在90°左右。軟件調(diào)節(jié)上，我們利用PWM調(diào)速原理[10]，兩側(cè)電機在相同時間里，短暫時間停止較快的一側(cè)電機,多次校準來達到兩邊轉(zhuǎn)速近乎一致來達到直行，這樣就避免因為速度不匹配而發(fā)生不必要的偏轉(zhuǎn)。調(diào)試中的小車如圖6所示。

圖6 循跡中的小車

3 結(jié)束語

本文實現(xiàn)了基于AT89S52的智能探測小車硬件和軟件的設(shè)計及優(yōu)化，相較于普通的智能小車更加靈活、可靠，功能穩(wěn)定，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項要求，同時使用硬件少，功耗、成本低，綠色環(huán)保，達到了預(yù)期效果。