鄒浩南，丁澤全，彭宜凱，楊森迪，許微

（東南大學(xué) 成賢學(xué)院，江蘇 南京 210088）

0 引言

隨著全球電子智能行業(yè)方面的發(fā)展，智能控制技術(shù)在全世界取得了不小的成就，幾十年來市場容量飽和產(chǎn)品的智能化和小型化成為了同行競爭的重中之重。所以，對于可遙控的智能車的研發(fā)是十分有意義的，并有著巨大的市場價值。智能小車是一定意義上的機(jī)器人，而機(jī)器人科學(xué)技術(shù)的先進(jìn)程度一定程度上衡量著一個國家科學(xué)技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)智能化程度。機(jī)器人也因為擁有著高度的靈活性、能夠協(xié)助人類提升社會生產(chǎn)力、提高日常生活服務(wù)質(zhì)量以及改善人類勞動條件等技術(shù)優(yōu)勢，在各地的制造生活領(lǐng)域中獲得了普遍的運用。智能車就是模仿機(jī)器人的一個例子。我們在設(shè)計中，設(shè)計了固定的循跡軌道，使小車可以在軌道上自由行駛。在循跡過程中，通過紅外的信號可以準(zhǔn)確判別一定范圍內(nèi)是否有人，從而實現(xiàn)避障。投放飼料時通過紅外遙控實現(xiàn)飼料投放體現(xiàn)出智能化和人性化的一面。

1 設(shè)計方案

在本系統(tǒng)中我們選用STC89C52 型號單片機(jī)作為主控芯片，主要功能模塊有：紅外循跡避障模塊，蜂鳴器模塊，L293D 電機(jī)驅(qū)動模塊，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊，按鍵模塊，紅外接發(fā)收模塊等。系統(tǒng)可以通過紅外循跡模塊在事先規(guī)劃好的黑線循跡軌道上行駛，當(dāng)前方有障礙物時系統(tǒng)通過紅外避障模塊識別到障礙物并停止運作，蜂鳴器長叫。當(dāng)前放無障礙物時，系統(tǒng)將繼續(xù)沿黑線進(jìn)行循跡。當(dāng)系統(tǒng)通過紅外避障模塊識別到事先設(shè)置的擋板時停止運作，并通過步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行飼料投放，飼料投放完畢后可通過紅外遙控器（紅外發(fā)射）控制擋板抬升，此時紅外避障模塊未檢測到前方有障礙物繼續(xù)循跡至原點后停止運作。圖1 為該系統(tǒng)設(shè)計的總結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖

2 硬件部分設(shè)計

2.1 核心處理器

本設(shè)計使用兩個STC89C52 單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的主控芯片，系統(tǒng)總原理圖設(shè)計如圖2所示。此芯片有性價比高，內(nèi)存大，運算速度快，使用范圍廣，易上手等優(yōu)點，符合我們的設(shè)計需求。其是一款低電量、高效率的8 位CMOS 微控制器，內(nèi)核為經(jīng)典的MCS-51 內(nèi)核，并以此作為基礎(chǔ)進(jìn)行了多次升級，使其芯片在實際應(yīng)用時能夠更為有效地實現(xiàn)所設(shè)想的功能。圖3 為單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖。

圖2 系統(tǒng)總原理圖

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖

本設(shè)計使用一個11.059 2 MHz 的晶振和兩個30 pF 的瓷片電容構(gòu)成單片機(jī)的時鐘振蕩電路，為其提供時鐘信號。因P0 口輸出為弱電平，驅(qū)動能力弱，故加一個10 kΩ 的排阻作為上拉電阻，用來提高P0 口的驅(qū)動能力。復(fù)位電路設(shè)計原理為：當(dāng)單片機(jī)通電時，電容短路，而后開路，形成一個低脈沖觸發(fā)信號使得單片機(jī)工作，KEY1 按鍵按下，RST 端口短路，端口變?yōu)榈碗娖剑砷_后恢復(fù)高電平，形成一個復(fù)位信號，使得單片機(jī)復(fù)位。

2.2 驅(qū)動設(shè)計

本設(shè)計所使用的直流馬達(dá)型號為QX-A51，其規(guī)格參數(shù)如表1所示。直流電機(jī)驅(qū)動芯片為L293D 為雙H 橋驅(qū)動芯片，可同時驅(qū)動兩路直流電機(jī)，內(nèi)部自帶ESD 保護(hù)?？赏ㄟ^輸入信號控制直流電機(jī)執(zhí)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止。輸入控制如表2所示。

表1 QX-A51 直流馬達(dá)規(guī)格參數(shù)

表2 馬達(dá)狀態(tài)控制表

L293D 芯片內(nèi)部使用經(jīng)典H 橋電路設(shè)計，輸入端口按照圖4 接入單片機(jī)的P12 至P17 口，輸出端分別接入直流電機(jī)的兩極。EN 為其使能端口，當(dāng)EN 為高電平時，芯片工作，反之芯片停止工作，輸出Y 為低電平。1 A ～4 A 端口為其輸出控制端口，1 A ～2 A 控制左電機(jī)工作模式，2 A ～3 A控制右電機(jī)工作模式。1 A ～2 A 輸入分別為高、低電平時，1Y輸出低電平，2Y輸出高電平，由于電機(jī)正極接PIN腳2口，負(fù)極接PIN 腳1 口，故而電機(jī)反轉(zhuǎn)，反之電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)1 A ～2 A 輸入都為低電平時，輸出為低電平電機(jī)停轉(zhuǎn)；2 A ～3 A 端口控制同1 A ～2 A。

圖4 L293D 電機(jī)驅(qū)動模塊電路設(shè)計示意圖

電機(jī)的驅(qū)動速度由單片機(jī)控制，其使用PWM 占空比調(diào)節(jié)電機(jī)速度，使用單片機(jī)內(nèi)部的定時器1 進(jìn)行編譯，該設(shè)計占空比設(shè)置為255 為一個周期，電機(jī)正常行駛時占空比設(shè)置為110，后退時設(shè)置為80，左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)時設(shè)置為255，當(dāng)占空比為0 時電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。

2.3 紅外循跡與避障模塊設(shè)計

本系統(tǒng)的循跡電路主要由2 個反射型光電探測器RPR220，電壓比較芯片LM358，狀態(tài)指 示燈以及電位器組成，其電路設(shè)計如圖5所示。PRP220 由紅外發(fā)射管和光電三極管構(gòu)成，紅外發(fā)射管射出的紅外光被物體反射后，光電三極管通過判斷反射的光強(qiáng)度使得其內(nèi)部的阻抗大小發(fā)生相應(yīng)的變換，當(dāng)反射的紅外光強(qiáng)度高時阻抗降低，指示燈點亮，反之指示燈熄滅。

圖5 循跡避障模塊電路示意圖

電路原理：在圖7 中LM358A 為右循跡電路，LM358B為左循跡電路。以右循跡為例，當(dāng)U5 探測器處于黑線上方時，因黑線吸收紅外光，故探測器接受到紅外光強(qiáng)度變小，內(nèi)部光電三極管電阻變大，電阻R9 電壓變小，電壓比較器LM358 的2 輸入電壓降低，電位低于3 腳輸入電壓，2 腳輸出為高電平，發(fā)光二極管LED2 截止；反之，當(dāng)探測器位于黑線外時，探測器接受到紅外光強(qiáng)度變大，內(nèi)部光電三極管電阻降低，電壓比較器LM358 的2 腳輸入電壓降低，電位高于3 腳輸入電壓時，2 腳輸出為低電平，發(fā)光二極管LED2 導(dǎo)通?？赏ㄟ^改變電位器R13 的阻值改變3 腳的比較電壓大小，實現(xiàn)對紅外循跡靈敏度的調(diào)節(jié)。單片機(jī)的P32 和P33 口根據(jù)輸出端口的電平高與低判斷小車的姿態(tài)，進(jìn)而控制小車在黑線上行駛。

本系統(tǒng)的避障電路工作原理與上述相似。我們將紅外避障探頭置于系統(tǒng)的前端兩側(cè)，在圖7 中LM358NA 為右避障電路，LM358B 為左避障電路。以右避障電路為例，LED5為紅外發(fā)射管，R12 用于設(shè)置紅外光強(qiáng)度，IR1 用于接受紅外光。當(dāng)前方有障礙物時，有紅外光返回，IR1 接受到的紅外光強(qiáng)度變大，其阻抗降低，R9 分得電壓變大，電壓比較器2 腳電壓升高，2 腳電壓大于3 腳電壓時，比較器輸出低電平，LED4 導(dǎo)通；反之1 腳輸出高電平，LED4 截止。單片機(jī)的P34 和P35 口根據(jù)輸出端口的電平高與低判斷小車前方是否有障礙物。

2.4 飼料投放與擋板部分設(shè)計

本系統(tǒng)的飼料投放設(shè)計其主要由五線四相步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動板組成。使用步進(jìn)電機(jī)型號為28BYJ-48，其工作電壓為5 V，繞組內(nèi)阻為20.4 Ω，步進(jìn)角度為15 度。其中驅(qū)動板主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片ULN2003 構(gòu)成。該電路可廣泛應(yīng)用于LED 驅(qū)動，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，邏輯緩沖器等。

電路原理：IN1 ～I(xiàn)N7 為輸入管腳，其IN1 ～I(xiàn)N4 依次接入單片機(jī)的P00 ～P03 引腳，OU1 ～OUT7 為輸出管腳，其OUT1 ～OUT4 依次接入步進(jìn)電機(jī)的A，B，C，D 四相，GND 為公共地，COM 為續(xù)流二極管共陰極。當(dāng)控制P00 至P03 輸入為低電平時，輸出為低電平，依次輸入邏輯電平為“1000，0100，0010，0001”時可控制步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，調(diào)轉(zhuǎn)輸出邏輯電平的順序可控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，控制頻率可間接控制電機(jī)轉(zhuǎn)動角度。本設(shè)計使用步進(jìn)電機(jī)每2 048步轉(zhuǎn)動一周，由于使用為四相步進(jìn)電機(jī)，故其周期為T=2 048/4=512，所以要將電機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)半周時，只需要依次輸入邏輯電平256 次即可，而后在反向輸出邏輯電平256 次，使得步進(jìn)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)半周歸位。

圖6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊電路示意圖

2.5 紅外遙控設(shè)計

本系統(tǒng)的紅外接受模塊，使用HS0038 紅外接受管為主要器件，以NEC 紅外通信協(xié)議的遙控器來控制擋板的啟動與閉合。本系統(tǒng)的紅外接收頭的輸出端接入單片機(jī)的外部中斷口P32 口，其余兩端分別接地和5 V 電源。圖7 為紅外接受模塊的電路設(shè)計。

圖7 紅外接受模塊電路設(shè)計

本系統(tǒng)使用的紅外遙控器為車載MP3 遙控器，型號為HS-021，使用3 V 扣式鋰錳電池供電，發(fā)射紅外載波頻率為38 kHz，發(fā)射管紅外波長為940 nm，采用NEC 編碼格式。圖8 為系統(tǒng)使用紅外遙控器實物圖。

圖8 紅外遙控器實物圖

電路原理：HS0038 處于空閑狀態(tài)時，三極管導(dǎo)通，接收頭輸出高電平；當(dāng)發(fā)射端紅外LED 以38 kHz 的頻率閃爍時，接受頭接收到紅外信號，三極管截止，輸出低電平。單片機(jī)的P32 口對接收頭的輸出進(jìn)行判斷解碼，實現(xiàn)紅外遙控。

3 軟件部分設(shè)計

本項目采用C 語言程序設(shè)計，使用Keil5 編寫，STCISP 燒錄。其提供了涵蓋C 翻譯器、宏匯編、連接器、庫管理系統(tǒng)，以及一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器。采用集成開發(fā)環(huán)境將其結(jié)合到一起，且使用界面比較簡潔，對具有程序設(shè)計基礎(chǔ)的人來說便于學(xué)習(xí)與掌握。

主系統(tǒng)流圖如圖9所示。

圖9 主系統(tǒng)流圖

擋板系統(tǒng)流圖如圖10所示。

圖10 擋板系統(tǒng)流圖

關(guān)鍵程序分析如圖11所示。

圖11 電機(jī)端口的定義

圖12 為電機(jī)端口的定義，根據(jù)表2 馬達(dá)狀態(tài)控制表，控制對個端口的高低電平，實現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。

圖12 PWM 調(diào)速程序

圖13 為PWM 調(diào)速程序關(guān)鍵部分設(shè)計，使用單片機(jī)內(nèi)部定時器1 資源進(jìn)行編譯，設(shè)置PWM 占空比周期為255，低于255 時電機(jī)停轉(zhuǎn)，反之電機(jī)使能，進(jìn)而控制電機(jī)的速度。

圖13 小車運行模式函數(shù)

圖14 為由電機(jī)驅(qū)動程序和PWM 調(diào)速程序組合成的控制小車運行模式的函數(shù)，通過左右電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的組合進(jìn)而實現(xiàn)小車前、后、左、右、停等操作。

圖14 小車循跡程序

圖15 為小車循跡部分關(guān)鍵程序，當(dāng)左循跡探頭未識別到黑線，控制左電機(jī)速度為255 最大，右電機(jī)速度為0 最小，實現(xiàn)右轉(zhuǎn)，反之實現(xiàn)左轉(zhuǎn)；當(dāng)倆循跡探頭均識別到黑線，左右電機(jī)速度均為110（此程序未給出，需在主函數(shù)自行設(shè)置），反之左右電機(jī)倒轉(zhuǎn)，速度為80。

圖15 小車紅外避障程序

圖16 為紅外避障部分關(guān)鍵程序，當(dāng)左右探頭有一個及以上識別到障礙物時，小車停止，打開蜂鳴器，反之小車正常循跡，蜂鳴器關(guān)閉。

圖16 步進(jìn)電機(jī)模塊程序

圖17 為步進(jìn)電機(jī)模塊關(guān)鍵部分程序設(shè)計，使用定時器2 時鐘資源進(jìn)行計時，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動速度與角度，定義兩個數(shù)組控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

圖17 紅外解碼過程

此為紅外解碼過程關(guān)鍵程序，定義紅外接受頭輸出端口為P3.2，使用定時器0 外加外部中斷0 接受紅外33 位數(shù)據(jù)，并利用for 循環(huán)語句和NEC 編碼特點解碼32 位數(shù)據(jù)（丟棄引導(dǎo)碼），最終確定紅外遙控鍵碼值。

4 設(shè)計實現(xiàn)

循跡PWM 參數(shù)設(shè)計，如表3所示。根據(jù)表3 的測試結(jié)果敲定前進(jìn)循跡PWM 值為110；左轉(zhuǎn)循跡PWM 值225；右轉(zhuǎn)循跡PWM 值225；后退循跡PWM 值80 為最佳循跡速度，圖18 為系統(tǒng)實物圖。

圖18 系統(tǒng)實物圖

表3 循跡PWM 參數(shù)設(shè)計表

5 結(jié)語

智能車投放飼料是一種智能化與人性化的飼喂流程的體現(xiàn)，它是一種非傳統(tǒng)的、創(chuàng)新形式的投喂飼料的方式，其將飼料投放的紅外循跡避障模塊與步進(jìn)電機(jī)相結(jié)合，控制小車進(jìn)行飼料的定點投放。該系統(tǒng)通過進(jìn)一步的改進(jìn)可實現(xiàn)節(jié)省人力的效果，例如將紅外模塊接發(fā)收模塊換成藍(lán)牙模塊或者其他無線接發(fā)收模塊進(jìn)而實現(xiàn)無人化或少人化控制，進(jìn)一步實現(xiàn)節(jié)省人力的效果，符合未來智能化發(fā)展的趨勢，具有一定的潛力價值。