【正文】 紹了一種利用 AT89S52 單片機(jī)為控制核心，結(jié)合多種傳感器以及PID 算法實(shí)現(xiàn)循跡避障功能的智能小車。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)較簡單，可 靠 性能高，能滿足各種設(shè)計(jì)的要求。s lives. Key words: SCM。 PID control algorithm 4 1 引言 研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀 隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品的智能化和小型化越來越成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。 智能小車，也被稱之為輪式機(jī)器人。它是一種以汽車電子為背景，涵蓋控制，模式識(shí)別，電子、電氣、單片機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科的科技創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，一般主要由路徑識(shí)別、速度采集、角度控制以及車速控制等模塊組成。因此，智能化小車的研究不僅具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，還具有極為廣闊的應(yīng)用前景和市場價(jià)值 研究內(nèi)容 本設(shè)計(jì)的智能電動(dòng)小車具有自動(dòng)尋跡、尋光、避障、速度檢測功能，可程控行駛速度、準(zhǔn)確定位停車。軟件中主要用到工業(yè)中常用的 PID 控制算法。 本方案能實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制靈活 ，精度高，可 6 滿足對系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。這兩種方案都可以達(dá)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?；谶@些優(yōu)勢以及處于成本的考慮，本設(shè)計(jì)采用小車底部，距地面高度合適，可以達(dá)到很好的檢測效果。 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(jī)械接觸。所以需要選擇穩(wěn)定性較好的，故本設(shè)計(jì)選擇超聲波檢測。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。 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 9 速度檢測系統(tǒng) 在電機(jī)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）。故有兩種方案。直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上就是一個(gè)功率放大器。步進(jìn)電機(jī)具有良好的控制性能。但步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)相對較復(fù)雜，要由控制器和功率放大器組成。且直流電機(jī)易于控制，驅(qū)動(dòng)電路十分簡單。本設(shè)計(jì)中小車的主控采用我們最為熟悉的 AT89S52 單片機(jī)。 顯示模塊 由于小車要顯示速度和行駛距離，內(nèi)容較多。 3 硬件設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)方案 智能小車采用后輪驅(qū)動(dòng)，后輪左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)制兩個(gè)后面兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的，前輪是萬象輪，起支撐的作用。把碼盤裝在電機(jī)的軸上，碼盤隨電機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，這里使用的是改進(jìn)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。 圖 31 整體原理電路圖 單片機(jī)控制電路 單片機(jī)是控制單元的核心。 13 圖 32 單片機(jī)最小系統(tǒng) AT89S52 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括了一路復(fù)位開關(guān)，用于小車復(fù)位。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。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。其引腳排列如圖 33 所示。且 P1 口部分引腳和 P3 口具有第二功能。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路 小車使用的是直流電機(jī)。L298 中有兩套 H 橋電路，剛好可以控制兩個(gè)電機(jī)。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(fù)載能力不夠這個(gè)問題。 18 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。電機(jī)是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，它的電樞電流餓轉(zhuǎn)速均不能突變，很高的頻率的 PWM 加在電機(jī)上，效果相當(dāng)于施加一個(gè)恒定電壓的直流電。 PWM 信號(hào)由單片機(jī)軟件產(chǎn)生，使用非常方便。進(jìn)入減速區(qū)時(shí) ,由單片機(jī)控制進(jìn)行 PWM 變頻調(diào)速 ,通過軟件改變脈沖調(diào)寬波形的占空比 ,實(shí)現(xiàn)調(diào)速。本設(shè)計(jì)采用簡單易用，應(yīng)用也較為普遍的紅外探測法。 ST 系列集成紅外探測頭價(jià)格便宜。且安裝電路簡單。方便。正常行駛時(shí)，發(fā)射管發(fā)射紅外光照射地面，光線經(jīng)白紙反射后被接收管接收，輸出高電平信號(hào)；電動(dòng)車經(jīng)過黑線時(shí)，發(fā)射端發(fā)射的光線被黑線吸收，接收端接收不到反射光線，傳感器輸出低電平信號(hào)后送 80C51 單片機(jī)處理，判斷執(zhí)行哪一種預(yù)先編制的程序來控制玩具車的行駛狀態(tài)。小車則可以根據(jù)接收到的信號(hào)做出相應(yīng)的避障反應(yīng)。 超聲波傳感器簡介： 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（ 橫波）及縱向振蕩（縱波）。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十 KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。電致伸縮 的材料有鋯鈦酸鉛（ PZT）等。這類傳感器適用于測距、遙控、防盜等用途。超聲波應(yīng)用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報(bào)警器、自動(dòng)門、接近開關(guān)等；分離式反射型用于測距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測厚等 [15]。這里采用多個(gè)光敏陣列管。本設(shè)計(jì)采用六個(gè)光敏管組成，為了使得一個(gè)光敏管只對一個(gè)小的角度內(nèi)的強(qiáng)光遠(yuǎn)敏感，考慮在光敏感外面加一個(gè)遮光罩。光電碼盤是一種光電器件。其計(jì)數(shù)原理如圖 313 所示。只要對這個(gè)脈沖信 號(hào)計(jì)數(shù)，就可以得到小車的行程。其優(yōu)點(diǎn)是工作穩(wěn)定，測量結(jié)果精度高。 圖 314 碼盤 液晶顯示電路 這里使用 1602液晶顯示器。為不漏掉狀態(tài)，我們先考 28 慮了四個(gè)傳感器的所有十六種狀態(tài)，剛好可以用四位二進(jìn)制數(shù)來表示。 當(dāng)小車往右偏離時(shí)，對應(yīng)的狀態(tài)有 000 001 011 1011。實(shí)踐證明這種算法可以實(shí)現(xiàn)小車靈敏的轉(zhuǎn)彎。障礙物的檢測距離和小車的轉(zhuǎn)彎半徑對避障的效果有較大的影響，根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整轉(zhuǎn)彎角度可以達(dá)到較好的避障效果。 圖 43 電機(jī)速度控制 PID 控制算法 PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛用于過程控制和運(yùn)動(dòng)控制中。數(shù)字 PID控制算法如圖 44所示 . 30 圖 44 PID控制算法的簡化示意圖 ， …… 式（ 41） 或者 …… 式（ 42） 式中 u0— 控制量的基值，即 k=0時(shí)的控制； u（ k） — 第 k個(gè)采樣時(shí)刻的控制； KP—— 比例放大系數(shù)； KI—— 積分放大系數(shù)； 。所以考慮采用電池供電。 在前輪 PWM驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向電路運(yùn)行中，我們發(fā)現(xiàn)，電機(jī)只給一個(gè)轉(zhuǎn)向力，但保持長期轉(zhuǎn)向時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)由于受到強(qiáng)行制動(dòng)而處于一種相對靜止的狀態(tài)，導(dǎo)致 PWM驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生大量的熱量，我們既利用軟件使其盡量減少長期單向轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，又在硬件上，在 PWM驅(qū)動(dòng)板上涂上了一層散熱膠，即使發(fā)熱，也不會(huì)燒壞 PWM驅(qū)動(dòng)電路。經(jīng)考慮后加了一個(gè)看門狗，可以很好的遏制程序跑飛的情況。每組分別測試了三次。但避障結(jié)果并不是很理想。在實(shí)際調(diào)試過程中小車發(fā)生過程序跑飛的情況，經(jīng)調(diào)整改進(jìn)程序后，小車運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。 34 結(jié)論與展望 本系統(tǒng)以設(shè)計(jì)采用 AT89S52單片機(jī)為控制核心，根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)結(jié)合 PID控制算法實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)車的智能控制。實(shí)際測試效果較好。 我要感謝我畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)老師 尚飛 老師對我的耐心指導(dǎo)。 我 要感謝我大學(xué)期間所有的老師，是你們教給我知識(shí)和本領(lǐng)，讓我在三年的大學(xué)中收獲了很多。 suit P1_1=P1^1。 suit P1_5=P1^5。time)。 } void port_init() //I/O口初始化 39 { P1=0x00。 IT0=0。 } void pulse() //脈沖驅(qū)動(dòng) { P1_0=1。 } 40 void int0_init() { TMOD=0x01。 TR0=0。P1_4=0。P1_4=1。P1_4=0。P1_4=0。 TL0=16000%256。 P1_5=1。} break。 case 0x8: case 0xc: case 0xe: case 0xd: {right()。 for(b=6。 P1_5=0。 pulse()。 pulse()。 pulse()