【正文】 基于單片機(jī)的電動(dòng)智能小車(chē) 通過(guò)研發(fā)實(shí)現(xiàn)了一種以光電傳感器為敏感元件，以 AT89C51 單片機(jī)為控制核心的電動(dòng)循跡小車(chē)的智能控，該系統(tǒng)還包括直流電機(jī)、L9110 芯片和 LM324 比較器等。 本設(shè)計(jì)采用 AT89C51 單片機(jī)作為智能小車(chē)核心控制器。本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心 ,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)的前進(jìn)、退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)功能 .通過(guò)角度傳感器 [ 1 ]檢測(cè)蹺蹺板角度的變化 ,利用增量式 PI 算法 [ 2 ]控制電動(dòng)車(chē)尋找平衡點(diǎn) ,同時(shí)運(yùn)用光電傳感器檢測(cè)黑線 ,使電動(dòng)車(chē)在行駛過(guò)程中保持直線運(yùn)動(dòng)且不會(huì)脫離蹺蹺。 一． 方 案設(shè)計(jì) 電動(dòng)車(chē)的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測(cè)量 ，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車(chē)的智能控制。這種方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制，靈活可靠 ，精度高 ，可滿足對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。 直流調(diào)速系統(tǒng)采用脈寬調(diào)速系統(tǒng)，其主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱(chēng) PWM 變換器。由于 PWM 調(diào)速 系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動(dòng)很小的直流電流，電樞電流容易 連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá) 1： 10000 左右。 由于電流波形比 VM 系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小。同樣由于開(kāi)關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機(jī)相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。根據(jù)以上綜合 比較，以及本設(shè)計(jì)中受控電機(jī)的容量和直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向，本設(shè)計(jì)采用了 H型單極型可逆 PWM 變換器進(jìn)行調(diào)速。 光電檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) 該智能小車(chē)在貼有黑線的白紙“路面”上行駛，因此本模塊設(shè)計(jì)需要檢測(cè)鋪在行駛區(qū) 的 黑 膠 帶，包 括直線行駛區(qū)和沿弧線行駛區(qū)兩個(gè)區(qū)域。由于黑線和白紙對(duì)光線的反射系數(shù)不同可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷 “道路” 黑線。本文采用的是簡(jiǎn)單實(shí)用的檢測(cè)方法，即紅外探測(cè)法。 紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)。在小車(chē)行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車(chē)上的接收管接收； 如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車(chē)上的接收管接收不到信號(hào)。 信號(hào)比較模塊設(shè)計(jì) 輸送給單片機(jī)，用于檢測(cè)傳感器的敏感性，電路圖如圖 5 所示。當(dāng)兩個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)到光時(shí)，直線前進(jìn)。當(dāng)傳感器檢測(cè)不到光時(shí)，處于截止?fàn)顟B(tài)，雙運(yùn)算放大器 LM324 輸出低電平給單片機(jī)，由 程序處理； 若左路未檢測(cè)到光，則向左糾正方向； 若右路未檢測(cè)到光，則向右糾正方向。 電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 由于采用的是雙驅(qū)動(dòng)的小車(chē)，這部分電路必須能夠輸出兩個(gè)不同的電壓值，分別去控制小車(chē)的左、右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使小車(chē)的兩個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速和方向相同或不同，從而來(lái)控制它的前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，用兩個(gè) L9110 芯片來(lái)分別連接單片機(jī)和直流電機(jī)。L9110 是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專(zhuān)用集成電路器件，將分立電路集成在單片 IC 之中，使外圍器件成本降低，整機(jī)可靠性提高。該芯片有兩個(gè) TTL / CMOS 兼 容 電 平 的 輸 入，具有良好的抗干擾性； 兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，它具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，每通道能通過(guò) 800mA 的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá) ～ ； 同時(shí)它具有較低的輸出飽和壓降與靜態(tài)電流； 內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動(dòng)繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或開(kāi)關(guān)功率管的使用上安全可靠。 循跡小車(chē)系統(tǒng)以常見(jiàn)的 AT89C51 單片機(jī)為核心，輔以較簡(jiǎn)單的元器件和電路設(shè)計(jì)，在順利完成循跡功能的前提下，又充分考慮到了外觀、成本 等問(wèn)題，因此小車(chē)的大部分電路由手工焊接完成。在設(shè)計(jì)中，我們沒(méi)有在電路中增加冗余的功能，但是保留了各種硬件接口和軟件子程序接口，方便以后的擴(kuò)展和開(kāi)發(fā)。 二． 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2. 1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 在制作智能小車(chē)時(shí) , 后左、右輪分別用兩個(gè)轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的直流減速電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng) , 車(chē)頭前部裝一個(gè)方向輪 , 然后通過(guò) I/O 口控制兩個(gè)直流減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向就可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和直行。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用片集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L 298N。 L298N是 ST公司的產(chǎn)品 , 內(nèi)部包含 4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路 , 是一種二相和四相電機(jī)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器 , 即內(nèi)含二個(gè) H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器 , 接收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào) , 可驅(qū)動(dòng) 46V、 2A 以下的電機(jī)。 2. 2 尋跡模塊設(shè)計(jì) 尋跡模塊主要由光電反射式傳感器組成。光敏電阻的阻值隨周?chē)h(huán)境光線的變化而變化 , 當(dāng)光線照射到白線上面時(shí) , 光線發(fā)射強(qiáng)烈 。 光線照射到黑 線上面時(shí) , 光線發(fā)射較弱。因此當(dāng)光敏電阻在白線和黑線上方時(shí) , 阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化 , 將阻值的變化值經(jīng)過(guò)比較器就可以輸出高低電平。但是這種方式受環(huán)境影響大 , 工作不穩(wěn)定。本文實(shí)際采用的是 RPR220 型反射式傳感器制作的尋跡模塊。 RPR220 是一種一體 化反射型光電探測(cè)器 , 其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管 , 而接收器是一個(gè)高靈敏度硅平面光電三極管。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來(lái)時(shí) , 三極管導(dǎo)通并輸出低電平。 2. 3 避障模塊設(shè)計(jì) 避障模塊主要由紅外反射式傳感器組成。紅外反射式傳感器由 1 個(gè)紅外發(fā)射管 (發(fā)射器 )和 1 個(gè)光電二極管 (接收器 )構(gòu)成 , 紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光在遇到反光性較強(qiáng)的物體后被折回 , 被光電二極管接收 , 引起光電二極管光生電流的增大 , 將此變化轉(zhuǎn)為電壓信號(hào) , 就可以被處理器接收并處理。 2. 4 遙控模塊設(shè)計(jì) 本模塊發(fā)射端采用高靈敏的 H L 5000 型萬(wàn)能電視遙控器 , 接收端采用接收頻率為 38kH z 的萬(wàn)能接收頭 1838, 該模塊與單 片機(jī)接口非常方便。另外 , 對(duì)于經(jīng) 紅 外 接 收 后 的 編 碼 信 號(hào) , 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用 AT89C52單片微機(jī)的外部中斷來(lái)接收 , 信號(hào)的下降沿觸發(fā)外部中斷。為了識(shí)別一個(gè)完整的鍵信號(hào) , 必須對(duì)每一個(gè)編碼脈沖的寬度進(jìn)行測(cè)量 , 以判別接收到的脈是 ! 0?還是 ! 1?, 利用單片機(jī)中的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)量脈沖寬度。定 時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的除分比是可以設(shè)定的 , 從除 2 到除 2048, 可測(cè)量的脈沖寬度可達(dá) 500m s。本文設(shè)定的除分比為 12, 即 12 分頻 , 因?yàn)橥獠繒r(shí)鐘約為 12MH z, 時(shí)鐘周期為 1 s, 所以定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器每計(jì)時(shí)一次為 1 s。 2. 5 報(bào)警模塊設(shè)計(jì) 報(bào)警模塊的核心芯片選擇 110 報(bào)警 IC, 可應(yīng)用于汽車(chē)、摩托車(chē)、防盜器、個(gè)人防暴器、門(mén)磁報(bào)警 器等場(chǎng)所。 三．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu) , 由主程序﹑初始化子程序、中