【正文】 礙， 控制小車1 緒論 2 的自動避障，從而發(fā)出避障信號。整個系統(tǒng)具有自動尋跡、尋光和速度測試功能。電機驅(qū)動采用常用的 PWM 方式進行電機的降壓調(diào)速控制，小車的速度通過液晶屏來顯示。軟件中主要用到工業(yè)中常用的 PID 控制算法。整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)較簡單，可靠性能高。實驗測試結(jié)果滿足要求。2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計與論證 3 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計與論證 總體方案設(shè)計 根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的基礎(chǔ)上，加裝反射式紅外光電傳感器、超聲波傳感器、速度檢測傳感器以及光敏二極管陣列，實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片 機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。 本方案能實現(xiàn)對電動車的運動狀態(tài)進行實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項要求。系統(tǒng)整體方框圖如圖 21 所示。 圖 21 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖 方案選擇論證 檢測系統(tǒng)主要運用傳感器作為外部敏感元件，進行外部信號的檢測。 傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計與論證 4 儲、顯示、記錄和控制等要求 [7]。它是實現(xiàn)自動檢測 和自動控制的首要環(huán)節(jié)。 選擇合適的傳感器可以使設(shè)計簡便，還可以簡化硬件電路。 循跡檢測系統(tǒng) 循跡檢測常用到傳感器。根據(jù)小車功能的要求有兩種方案，一種是使用紅外光電傳感器，另一種是使用 CCD 傳感器。這兩種方案都可以達到小車循跡要求，目前使用最為普遍的循跡檢測方法是紅外探測法。兩種方案的主要區(qū)別是使用的傳感器不同。具體區(qū)別見表 21。 表 21 循跡檢測方案對比 紅外光電傳感器 CCD傳感器 受外界干擾程度 小 較小 實時性 好 差 對主控芯片要求 較低 較高 成本 較低 高 從上表中 可以很明顯的看出，紅外傳感器相對于 DDC 傳感器來說，在實時性和對主控芯片的要求方面都比 CCD 傳感器要好。基于這些優(yōu)勢以及處于成本的考慮，本設(shè)計采用小車底部，距地面高度合適，可以達到很好的檢測效果。 障礙物檢測系統(tǒng) 根據(jù)題目功能的要求，小車在循跡行駛過程中要能準(zhǔn)確的避開途中遇到的障礙物，因此對檢測距離有一定要求。又考慮到在測障過程中小車車速及避障反應(yīng)堆小車速度的限制，小車應(yīng)在距障礙物 10CM 的范圍內(nèi)做出反應(yīng)，這樣才能在順利繞過障礙物的同時還為下一步駛?cè)胲噹鞂ふ业阶罴训奈恢煤头较?。否則，如果范圍太大 ，則可能產(chǎn)生障礙物的判斷失誤；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)理想定向方案。 障礙物檢測可以有多種方法：紅外光檢測、超聲波檢測、甚至機械接觸。這些方法都有各自的優(yōu)缺點。常用的有紅外檢測和超聲波檢測，兩種方案的區(qū)別見表 22。 表 22 障礙檢測系統(tǒng)方案對比 紅外檢測 超聲波檢測 檢測距離 4~10cm ~ 精確度 1cm 1cm 受外界環(huán)境干擾程度 易受外界環(huán)境干擾 不易受外界環(huán)境干擾 硬件電路 所需元器件少，尺寸小，安裝簡便 稍復(fù)雜，安裝簡便 成本 8元左右 6元左右 從上表可以看出，相對紅外檢測，超聲波檢測距離遠，不易受外界環(huán)境干擾，由于小車需要在行駛過程中檢測障礙物，顛簸，光照方面可能會對檢測產(chǎn)生影響。所以需要選擇穩(wěn)定性較好的，故本設(shè)計選擇超聲波檢測。 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計與論證 5 光源檢測系統(tǒng) 光源檢測使用常見的光敏器件，光敏二極管。 光敏電阻器（ photovaristor）又叫光感電阻，是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的 變化）。 這里我們就可以利用光敏二極管對光源變換的敏感反映，檢測外部光源。當(dāng)有光照射時，光敏二極管呈強電阻，經(jīng)比較器輸出一個高電平，反之則輸出低電平。我們可以再外接一個 LED 作為檢測指示燈，則可以明顯觀察到這個變化。即有光照時 LED 亮，無時則滅。 速度檢測系統(tǒng) 在電機測 速中，考慮了兩種方案：一種是使用光電碼盤，即透射式光電傳感器（凹槽型，類似老式鼠標(biāo)），另一種是霍爾傳感器（適合較高速度）。兩種方案的主要區(qū)別如表 23。 表 23 速度檢測系統(tǒng)方案對比 霍爾傳感器 關(guān)電碼盤 抗干擾性 較強 強 實時性 較好 好 易用性 需和磁鋼配對使用，較麻煩 較簡單 由上表可以看出光電碼盤在各方面都具有一定的優(yōu)勢，因此本設(shè)計采用關(guān)電碼盤測速。 電機驅(qū)動系統(tǒng) 直流電機和步進電機都可以用于小車驅(qū)動。故有兩種方案。 方案一：使用直流電機，加上適當(dāng)減速比的減速器。直流電機具有良好的調(diào)速性能，控制起來也比較簡單。直流電機只要通上直流電源就可連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)電壓的大小就可以改變電機的速度。直流電機的驅(qū)動電路實際上就是一個功率放大器。常用的驅(qū)動方式是 PWM 方式，即脈沖寬度調(diào)制方式。此方法性能較好，電路和 控制都比較簡單。 方案二：使用步進電機。步進電機具有良好的控制性能。當(dāng)給步進電機輸入一個電脈沖信號時，步進電機的輸出軸就轉(zhuǎn)動一個角度，因此可以實現(xiàn)精確的位置控制。與直流電機不同，要使步進電機連續(xù)的轉(zhuǎn)動，需要連續(xù)不斷的輸入點脈沖信號，轉(zhuǎn)速的大小由外加的脈沖頻率決定。去而且其轉(zhuǎn)動不受電壓波動和負載變化的影響，也不受溫度、氣壓等環(huán)境因素的影響，僅與控制脈沖有關(guān) [8]。但步進電機的驅(qū)動相對較復(fù)雜，要由控制器和功率放大器組成。具體差別見下表 24。 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計與論證 6 表 24 電機控制方式對比 直流電機 步進電機 調(diào)速性能 較好 較差 位置控制精度 較差 好 驅(qū)動 簡單 復(fù)雜 穩(wěn)定性 較好 好，僅與控制脈沖有關(guān) 由上表可以看出步進電機和直流電機都有各自的優(yōu)點。步進電機能進行精確的位置控制，但驅(qū)動電路麻煩，鑒于本設(shè)計中小車的位置控制不要求十分精確，直流電機即可滿足小車要求的精度。且直流電機易于控制，驅(qū)動電路十分簡單。 單片機控制電路系統(tǒng) 此部分是整個小車運行的核心部分，起著控制小車所有運行狀態(tài)的作用?？刂频姆椒ㄓ泻芏?，大部分都采用單片機控制。單片機要完成電機控制、循線控制、避障控制金屬檢測控制和光源檢測控制等工作。本 設(shè)計中小車的主控采用我們最為熟悉的AT89S52 單片機。雖然這款單片機本身沒有 PWM 模塊，但若采用本身有 PWM 模塊的單片機就會產(chǎn)生資源浪費。我們可以通過軟件編程產(chǎn)生 PWM，既能充分利用可用資源，又不浪費。且能很好的滿足題目要求 。 顯示模塊 由于小車要顯示速度和行駛距離，內(nèi)容較多。數(shù)碼管使用簡單，價格低廉，但一個數(shù)碼管只能顯示一個數(shù)字，要顯示多位數(shù)據(jù)時要使用多個數(shù)碼管，這就增加了硬件電路的復(fù)雜度和額外功耗。故不予考慮。液晶顯示電路簡單，使用方便，一個液晶顯示器就可以同時滿足此處同時顯示速度和距離的要求 ，且更加直觀明了。3 硬件設(shè)計 7 3 硬件設(shè)計 總體設(shè)計方案 智能小車采用后輪驅(qū)動，后輪左右兩邊各用一個電機驅(qū)動，調(diào)制兩個后面兩個輪子的轉(zhuǎn)速從而達到控制轉(zhuǎn)向的目的，前輪是萬象輪，起支撐的作用。將四個紅外線光電傳感器裝在車體的底盤前端，小車根據(jù)傳感器檢測到的情況執(zhí)行。 避障的原理和循跡一樣，在車頭裝了一個傳感器，傳感器檢測到障礙物時，小車減速，車體做出相應(yīng)的反應(yīng)。 小車速度的檢測也是靠的紅外線，只不過是器件的型號不同，速度檢測的傳感器用的是對射式，避障用的是直射式。把碼盤裝在電機的軸上，碼盤隨電機一起轉(zhuǎn)動，這里使用的是改進過的的碼盤，把圓形硬紙片切制成直徑為 25mm 的圓，再把圓周用鋸條均勻切 12 條縫，縫的寬度約為 1mm?？梢院芎玫臐M足小車所需的精度。 考慮到電機控制要使用 PWM 波形，而 AT89S52 單片機本身不能產(chǎn)生 PWM，需要外加電路或使用軟件的方式實現(xiàn)，為減少硬件電路，這里選用軟件產(chǎn)生 PWM 方式。 整體原理電路圖如圖 31 所示。 圖 31 整體原理電路圖 3 硬件設(shè)計 8 單片機控制電路 單片機是控制單元的核心。起著控制小車所有運行 狀態(tài)的作用。單片機控制模塊使用的是 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89S52，使用該芯片很容易實現(xiàn)對其他模塊的控制。通過對單片機 AT89S52寫入程序，可以方便的用軟件來控制整個過程 .控制部分如圖 32所示 。 圖 32 單片機最小系統(tǒng) AT89S52 單片機最小系統(tǒng)包括了一路復(fù)位開關(guān)，用于小車復(fù)位。 輸出 PWM信號， ~ 分別控制電機驅(qū)動。其他 P 口用外接控制小車的各種控制開關(guān)， P0口外接 10K 的上拉電阻，可用于外接 LCD1602。 AT89S52 單片機介紹： AT89S52 是一種低功耗、 高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU和在系統(tǒng) 可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash，256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位 定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級 中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 [16]。其引腳排列如圖 33 所示 。 3 硬件設(shè)計 9 圖 33 AT89S52 引腳排列圖 ● 與 MCS51 單片機產(chǎn)品兼容； ● 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器； ● 1000 次擦寫周期； ●全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz； ●三級加密程序存儲器； ● 32 個可編程 I/O 口線； ●三個 16 位定時器 /計數(shù)器； ●八個中斷源； ●全雙工 UART 串行通道； ●低功耗空閑和掉電模式； ●掉電后中斷可喚醒； ●看門狗定時器； ●雙數(shù)據(jù)指針； ●掉電標(biāo)識符。 4 個 P 口 在一般情況下都是 是一個 8 位雙向 I/O 口。 不過 P0 口是 漏極開路的 8 位雙向 I/O 口 ，而其他 P 口都是 具有內(nèi)部上拉電阻的 8 作為輸出口要外部上拉電阻。 且P1 口部分引腳和 P3 口具有第二功能。具體見表 31 和表 32。 3 硬件設(shè)計 10 表 31 P1口引腳第二功能 引腳號 第二功能 T2 定時器 /計數(shù)器 T2的外部計數(shù)輸入，時鐘輸出 T2EX 定時器 /計數(shù)器 T2的捕捉 /重載觸發(fā)信號和方向控制 MOSI 在系統(tǒng)編程用 MISO 在系統(tǒng)編程用 SCK 在系統(tǒng)編程用 表 32 P3口引腳第二功能 引腳號 第二功能 RXD 串行輸入 TXD 串行輸出 INT0(外部中斷 0) INT0(外部中斷 0) T0（定時器 0 外部輸入） T1（定時器 1 外部輸入） WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ) RD(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ) 另外還有第九引腳 RST 為復(fù)位引腳。地十八引腳和第十九引腳分別為 振蕩器反相放大器的 輸入端和 輸出端 。 電機驅(qū)動電路 驅(qū)動電路 小車使用的是直流電機。從單片機輸出的信號功率很弱，即使在沒有其它外在負載時也無法帶動電機，所以在實際電路中我們加入了電機驅(qū)動芯片提高輸入電機信號的功率，從而能夠根據(jù)需要控制電機轉(zhuǎn)動。直流電機常用的 PWM，及脈寬調(diào)制方式驅(qū)動。本設(shè)計中電機驅(qū)動采用 L298 集 成 H 橋芯片。 L298 中有兩套 H 橋電路，剛好可以控制兩個電機。它的使能端可以外接高低電平，也可以利用單片機進行軟件控制，極大地滿足各種復(fù)雜電路需要。 另外， L298 的驅(qū)動功率較大，在 6~46V的電壓下，可以提供 2A 的額定電流，并且具有過熱自動關(guān)斷和電流反饋檢測功能，安全可靠；為了保證 L298 正常工作，我們另外安裝了續(xù)流二極管。電路如圖 34 所示。能根據(jù)輸入電壓的大小輸出不同的電壓和功率，解決了負載能力不夠這個問題。利用單片機調(diào)整出 PWM 脈沖和高低電平對直流電機進行驅(qū)動和控制。 3 硬件設(shè)計 11 圖 34 電機驅(qū)動電路 L298 集成 H 橋芯片。其外形、管腳分布如圖 35 所示 。 圖 35 L298 管腳分布圖 PWM 調(diào)速原理 脈沖寬度調(diào)制（ Pulse Width Modulation），簡稱 PWM。脈沖周期