【正文】 器。利用紅外線在不同顏色的物體表面上具有不同的反射特性，小車在行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到非黑色地面時發(fā)生漫反射，反射光被接收管接收，當(dāng)遇到黑色物質(zhì)是，紅外光被吸收，接收管接收不到紅外光[4]。單片機可以根據(jù)是否接收到反射回來的紅外光來確定黑線的位置，從而控制小車按黑線軌跡行走。反射性紅外光點傳感器的特點是尺寸小，使用方便，工作狀態(tài)穩(wěn)定，外圍電路簡單，因此本方案易于實現(xiàn)，可靠性高。本設(shè)計采用方案二。 避障單元方案比較與選擇考慮到在避障過程中小車車速及反應(yīng)速度的限制，小車應(yīng)在距障礙物15CM的范圍內(nèi)做出反應(yīng)，這樣在順利繞過障礙物后，可尋找到最佳的位置和方向。否則，如果范圍太大，則可能產(chǎn)生對障礙物的判斷失誤；范圍過小又很容易造成車身撞上障礙物或雖繞過障礙物卻無法實現(xiàn)理想定向。根據(jù)上述要求，提出以下方案：方案一：采用激光傳感器探測障礙物。該傳感器能非常準確地測出障礙物的存在，但價格高，處理復(fù)雜，不符合該設(shè)計的要求[5]。方案二：采用紅外線避障傳感器。利用單片機來產(chǎn)生38KHz信號對紅外線發(fā)射管進行調(diào)制發(fā)射，發(fā)射出去的紅外線遇到避障物的時候反射回來，紅外線接收管對反射回來信號進行解調(diào)，輸出比較電平。外界對紅外信號的干擾比較小，且易于實現(xiàn)，價格也比較便宜。方案三：采用超聲波傳感器探測障礙物。超聲波傳感器安裝于小車前端，在規(guī)定的檢測距離內(nèi)，當(dāng)探測到障礙物時，超聲波傳感器向單片機傳送信號，單片機檢測到該信號后，調(diào)整小車的方向，以控制小車準確地繞過障礙物。同時，超聲波傳感器具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、具有定向傳播等特點[6]。綜合以上三種方案，決定選擇方案二，主要原因是方案二易于實現(xiàn)，電路簡單，而方案三電路較為復(fù)雜，且控制難度較大。 遙控單元方案比較與選擇方案一：使用紅外遙控控制小車。紅外遙控的發(fā)射電路是采用紅外發(fā)光二極管來發(fā)出經(jīng)過調(diào)制的紅外光波；紅外接收電路由紅外接收二極管、三極管組成，它們將紅外發(fā)射器發(fā)射的紅外光轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，再送后置放大器后發(fā)送到單片機進行數(shù)據(jù)分析。方案二：使用無線遙控控制小車。無線遙控的發(fā)射機把控制的電信號先編碼，然后轉(zhuǎn)換成無線電波發(fā)送出去。接收機收到載有信息的無線電波接收，放大，解碼，得到原先的控制電信號，發(fā)送到單片機進行數(shù)據(jù)分析，從而實現(xiàn)遙控功能。由于紅外線遙控不具有像無線電遙控那樣穿過障礙物去控制被控對象的能力，加上小車不是出于靜止狀態(tài)，使用紅外遙控，接收器難以接收到發(fā)射器發(fā)射的信息，因而使用方案二。 電源方案本設(shè)計采用的是直流電機，直流電機輸出功率大，帶負載能力強，由于直流電機啟動瞬間電流很大，而且PWM驅(qū)動電流波動較大，會造成電壓不穩(wěn)，有毛刺等干擾，嚴重時可能造成單片機系統(tǒng)掉電。另外，考慮到電機耗電量比較大，因此采用雙電源供電，對電機驅(qū)動電路與單片機以及其周邊電路分別獨立供電，這樣可以消除電機驅(qū)動造成的干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。 總體設(shè)計框圖此系統(tǒng)是以單片機為控制核心，處理執(zhí)行各個外部傳感器檢測得到的電平信號，其中外部信號有三部分得到：紅外對管循跡模塊，紅外避障模塊，和無線遙控模塊。最后把處理結(jié)果傳遞給小車電機，使小車做出正確的反應(yīng)。系統(tǒng)組成框圖如圖21所示：紅外對管循跡模塊使用四個紅外對管檢測地面的黑線，單片機通過四個紅外對管的高低電平變化控制小車的移動方向；紅外避障模塊將紅外避障傳感器固定于舵機之上，當(dāng)檢查到前方固定距離（15CM）之內(nèi)出現(xiàn)障礙物是，單片機控制舵機左轉(zhuǎn)90度和右轉(zhuǎn)90度檢測小車左右兩邊的障礙物狀況，然后通過單片機運算得出最佳的運動方向；無線遙控模塊采用超再生簡易無線電遙控模塊將遙控器的遙控信息通過接收器傳送到單片機中，實現(xiàn)小車的功能模式轉(zhuǎn)換，小車的無線遙控，控制行走。單片機控制系統(tǒng)循跡模塊無線控制避障模塊電機轉(zhuǎn)動電機驅(qū)動模塊圖21 總體設(shè)計框圖3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 最小系統(tǒng)電路本系統(tǒng)采用AT89C51單片機作為中央處理器。其主要任務(wù)是在小車行走過程中不斷讀取傳感器采集到的數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)進行處理后，來控制小車行走。AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案[7]。其應(yīng)用范圍廣，性能良好，可用于解決復(fù)雜的控制問題。利用AT89S51的I/O端口對傳感器信號進行實時判斷監(jiān)控來控制步進電機做出相應(yīng)的反映[7]。如圖31是較為常見的帶燒錄接口的單片機最小系統(tǒng)圖。圖31 單片機最小系統(tǒng)圖 電機驅(qū)動電路直流電機驅(qū)動電路使用H型全橋式驅(qū)動電路。這種驅(qū)動電路可以很方便實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。在本設(shè)計中電機驅(qū)動電路由集成驅(qū)動芯片L298構(gòu)成，并結(jié)合PWM波進行調(diào)速。它的基本原理圖如圖32所示：圖32 電機驅(qū)動電路圖該驅(qū)動電路可以驅(qū)動兩路直流電機，使能端ENA、ENB為高電平時有效，： 電機驅(qū)動控制方式及直流電機狀態(tài)ENAIN1IN2直流電機狀態(tài)0XX停止100制動101正轉(zhuǎn)110反轉(zhuǎn)111制動若要對直流電機進行PWM調(diào)速，需設(shè)置IN1和IN2，確定電機的轉(zhuǎn)動方向，然后對使能端輸出PWM脈沖，即可實現(xiàn)調(diào)速。注意當(dāng)使能信號為0時，電機處于自由停止狀態(tài)；當(dāng)使能信號為1，且IN1和IN2為00或11時，電機處于制動狀態(tài)，阻止電機轉(zhuǎn)動。 PWM調(diào)速原理直流電機可以通過改變電機電樞電壓接通時間與通電周期的比值即占空比(/T)來控制電機的轉(zhuǎn)速。這種方法稱為脈沖寬度調(diào)制即PWM控制[8]。直流電機得到的電壓波形如圖33所示。Tt1t2圖33 PWM控制波形圖電壓平均值描述為： ， （）——通電時間；T——周期；——占空比；。當(dāng)電源電壓不變的情況下，電樞端電壓取決于占空比的大小，改變占空比就可以改變端電壓的平均值。從而達到調(diào)速的目的。 L298工作原理L298是雙H高電壓大電流功率集成電路。直接采用TTL邏輯電平控制?？梢则?qū)動繼電器、直流電動機、步迸電動機等電感性負載[9]。在此電路中（如圖32）L298連接保護電路根據(jù)單片機提供的邏輯電壓對電機進行驅(qū)動。具體驅(qū)動方式如下：當(dāng)使能端為高電平時，輸人端1N1（IN3）為高電平信號，IN2（IN4）為低電平信號時，電機正轉(zhuǎn)；輸人端IN1（IN3）為低電平信號，IN2（IN4）為高電平信號時，電機反轉(zhuǎn)；IN1（IN3）與IN2（IN4）相同時，電機快速停止。當(dāng)使能端為低電平時，電動機停止轉(zhuǎn)動。 循跡探測電路循跡探測電路根據(jù)反射接收原理配置了一對紅外線發(fā)射、接收傳感器。該電路包括一個紅外線發(fā)光二極管、一個紅外光敏三極管及其上拉電阻。如圖34所示。紅外發(fā)光二極管發(fā)射一定強度的紅外線照射物體，紅外光敏三極管在接收到反射回來的紅外線后導(dǎo)通，發(fā)出一個電平跳變信號。當(dāng)小車在非黑色地面行駛時，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號，經(jīng)反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號，那么圖34中光敏三極管將導(dǎo)通，輸出低電平，經(jīng)LM339電壓比較器送單片機控制。當(dāng)小車行駛到黑色引導(dǎo)線上時，紅外線信號被黑色吸收后，光敏三極管截止，輸出高電平，從而實現(xiàn)了通過紅外線檢測信號的功能。將檢測到的信號送到單片機I/O口，當(dāng)I/O口檢測到的信號為高電平時，表明紅外光被地上的黑色引導(dǎo)線吸收了，表明小車處在黑色的引導(dǎo)線上；同理，當(dāng)I/O口檢測到的信號為低電平時，表明小車行駛在白色地面上。即當(dāng)小車底部的某邊紅外線收發(fā)對管遇到黑帶時輸入電平為高電平，反之為低電平。圖34 循跡檢測電路電路中的可調(diào)電阻可調(diào)節(jié)靈敏度，以滿足小車在不同光度的環(huán)境中能夠?qū)ほE。由于接收對管裝在車底，發(fā)射距離的遠近較難控制，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，靈敏度不高，因此采用在對管上套塑料管，屏蔽外界光的影響，靈敏度將大幅提升。在該電路中，加比較器LM339的目的是使模擬量轉(zhuǎn)化為開關(guān)量，便于處理。圖35 循跡探測器紅外對管排放位置圖（正面圖）（）為了保證小車沿黑線行駛，采用了四個檢測器并行排列，檢測器排列位置如圖35。在小車行走過程中，結(jié)合查詢方式，通過程序控制小車行走軌跡。如果2號紅外對管和3號紅外對管檢測到黑線，則單片機控制小車向前直走；如果2號紅外對管偏離黑線，3號紅外對管檢測到黑線，則單片機控制小車輕微左移；如果3號紅外對管偏離黑線，2號紅外對管檢測到黑線，則單片機控制小車輕微右移；如果2號和3號紅外對管偏離黑線，1號紅外對管檢測到黑線，則單片機控制小車向左移動；如果2號和3號紅外對管偏離黑線，4號紅外對管檢測到黑線，則單片機控制小車向左移動。 避障模塊檢測電路本模塊主要有兩部分組成，38KHz的紅外發(fā)射模塊和接收比較模塊，采用38KHZ頻率段是能有效的排除可見光的干擾[10]，實現(xiàn)避障有效距離50CM左右，更好的完成對電機的控制。如圖311 紅外線避障電路原理圖。通過555芯片組成多諧振蕩器，根據(jù)F=(R1+2*R2)*C設(shè)計出38KHZ方波信號[11]。圖36 紅外避障原理圖接通電源后，電容C被充電，當(dāng)2腳VC上升到2VCC/3，使3腳V0為低電平，同時內(nèi)部三極管T導(dǎo)通，此時電容C通過R2和T放電，VC下降，當(dāng)VC下降到VCC/3時，V0翻轉(zhuǎn)為高電平。當(dāng)放電結(jié)束時，T截止，VCC通過RR2向電容C充電，上升到VCC/3時，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平，如此周而復(fù)始，于是，在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波，由3腳輸出，再通過三極管9013驅(qū)動后由發(fā)射管發(fā)出并由接收模塊接收實現(xiàn)單片機控制。 無線遙控控制電路 超再生接收電路和無線電發(fā)射器工作原理超再生無線電遙控電路由無線電發(fā)射器和超再生檢波式接收器兩部分組成。無線電發(fā)射器：它是由一個能夠產(chǎn)生等幅度振蕩的高頻載頻振蕩器（頻率范圍一般為30~450MHz）和一個產(chǎn)生低頻調(diào)制信號的低頻振蕩器組成的[9]。用來產(chǎn)生載頻振蕩和調(diào)制振蕩的電路一般有：多揩振蕩器、互補振蕩器和石英晶體振蕩器等。 低頻振蕩器產(chǎn)生的低頻調(diào)制波，一般為寬度一定的方波。如果是多路控制，則可以采用每一路寬度不同的方波，或是頻率不同的方波來調(diào)制高頻載波，組成一組組的己調(diào)制波，作為控制信號向空中發(fā)射。如圖37所示。圖37 低頻振蕩器原理圖超再生檢波接收器：超再生檢波電路（如圖38）實際上是一個受間歇振蕩控制的高頻振蕩器，這個高頻振蕩器采用電容三點式振蕩器，振蕩頻率和發(fā)射器的發(fā)射頻率相一致[12]。而間歇振蕩又是在高頻振蕩的振蕩過程中產(chǎn)生的，反過來又控制著高頻振蕩器的振蕩和間歇。間歇振蕩的頻率是由電路的參數(shù)決定的（一般為1百~幾百千赫）。如果頻率較低，則電路的抗干擾性能較好，但接收靈敏度較低。反之，如果頻率較高，接收靈敏度較好，但抗干擾性能變差。應(yīng)根據(jù)實際情況二者兼顧。圖38 超再生檢波接收器原理圖超再生檢波電路具有很高的增益，在未收到