【文章內(nèi)容簡介】 ontrol of useing easily and having multifunction ,it suffers large users. The motor driver uses the mon wayPWM for the motor controlling speed. the speed of car is displayed by the LCD screen .The circuit structure of the whole system is relatively simple, high reliability, and it can meet the requirements of the various the continuous improvement of high technology and the stead process in industrial automation in our country,the Intelligencecar which gradually access to people39。s attention has been widely applied to design a variety of toys and other products,which greatly enriched people39。s lives. Key words: SCM。 Sensor。 PWM speed adjusting。 Track finding and obstacle avoidance。 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)、計算機技術(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。各種智能小車在智能化玩具中占了很大的比例。近年來，傳統(tǒng)玩具的市場逐步縮水，高科技智能化的電子類玩具則逐步成為市場的主流。因此，可遙控的智能化小車的研究是非常有意義的，具有很大潛在市場價值的。 智能小車，也被稱之為輪式機器人。我們知道，機器人技術(shù)的發(fā)展是一個國家高科技水平和工業(yè)自動化程度的重要標志和體現(xiàn)。機器人由于具有高度的靈活性、可以幫助人們提高生產(chǎn)率、改進產(chǎn)品質(zhì)量和改善勞動條件 等優(yōu)點，在世界各地的生產(chǎn)生活領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 [5]。智能小車正是模仿機器人的一種嘗試。它是一種以汽車電子為背景，涵蓋控制，模式識別，電子、電氣、單片機、機械等多學(xué)科的科技創(chuàng)新性設(shè)計，一般主要由路徑識別、速度采集、角度控制以及車速控制等模塊組成。這種智能小車能夠自動搜尋前進路線，還能爬坡；感知前方的障礙物，并自動尋找前進方向，避開障礙物；加入相關(guān)聲光訊號后，更能體現(xiàn)出智能化和人性化的一面。 研究目的和意義 隨著人們物質(zhì)文化生活水平的不斷提高，智能化的電子玩具深受人們的喜愛，尤其是各種智能小車，由于 這類玩具具有較好的交互性，可控性，能夠給人們帶來很好的娛樂以及參與其中的體驗，高科技智能化的電子類玩具逐漸 5 成為市場的主流。與此同時，智能小車可以應(yīng)用于考古、機器人、醫(yī)療器械等許多方面，尤其在足球機器人研究方面具有很好的發(fā)展前景。因此，智能化小車的研究不僅具有很大的現(xiàn)實意義，還具有極為廣闊的應(yīng)用前景和市場價值 研究內(nèi)容 本設(shè)計的智能電動小車具有自動尋跡、尋光、避障、速度檢測功能，可程控行駛速度、準確定位停車。 整體設(shè)計可以分為如下幾個模塊，控制核心采用 MCS51 系列中的 AT89S52單片機，循跡避障 是通過傳感器實現(xiàn)的，利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙，控制小車的自動避障，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 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 ，精度高，可 6 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 檢測系統(tǒng)主要運用傳感器作為外部敏感組件，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它所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、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 7 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?；谶@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。 8 表 22 障礙檢測系統(tǒng)方案對比 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。 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。 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），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 霍爾傳感器 關(guān)電碼盤 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。當給步進電機輸 10 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。 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 11 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 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。可以很好的滿足小車所需的精度。 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 12 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 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)對其它模塊的控制。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。 13 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。其它 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 具有以下標準功 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。空閑模式下， C