【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(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(lái)越成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。各種智能小車(chē)在智能化玩具中占了很大的比例。近年來(lái)，傳統(tǒng)玩具的市場(chǎng)逐步縮水，高科技智能化的電子類(lèi)玩具則逐步成為市場(chǎng)的主流。因此，可遙控的智能化小車(chē)的研究是非常有意義的，具有很大潛在市場(chǎng)價(jià)值的。 智能小車(chē)，也被稱之為輪式機(jī)器人。我們知道，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)國(guó)家高科技水平和工業(yè)自動(dòng)化程度的重要標(biāo)志和體現(xiàn)。機(jī)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(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量和改善勞動(dòng)條件 等優(yōu)點(diǎn)，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(chē)正是模仿機(jī)器人的一種嘗試。它是一種以汽車(chē)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(chē)速控制等模塊組成。這種智能小車(chē)能夠自動(dòng)搜尋前進(jìn)路線，還能爬坡；感知前方的障礙物，并自動(dòng)尋找前進(jìn)方向，避開(kāi)障礙物；加入相關(guān)聲光訊號(hào)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(ài)，尤其是各種智能小車(chē)，由于 這類(lèi)玩具具有較好的交互性，可控性，能夠給人們帶來(lái)很好的娛樂(lè)以及參與其中的體驗(yàn)，高科技智能化的電子類(lèi)玩具逐漸 5 成為市場(chǎng)的主流。與此同時(shí)，智能小車(chē)可以應(yīng)用于考古、機(jī)器人、醫(yī)療器械等許多方面，尤其在足球機(jī)器人研究方面具有很好的發(fā)展前景。因此，智能化小車(chē)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(chǎng)價(jià)值 研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)的智能電動(dòng)小車(chē)具有自動(dòng)尋跡、尋光、避障、速度檢測(cè)功能，可程控行駛速度、準(zhǔn)確定位停車(chē)。 整體設(shè)計(jì)可以分為如下幾個(gè)模塊，控制核心采用 MCS51 系列中的 AT89S52單片機(jī)，循跡避障 是通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)的，利用超聲波傳感器檢測(cè)道路上的障礙，控制小車(chē)的自動(dòng)避障，從而發(fā)出避障信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)具有自動(dòng)尋跡、尋光和速度測(cè)試功能。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用常用的 PWM 方式進(jìn)行電機(jī)的降壓調(diào)速控制，小車(chē)的速度通過(guò)液晶屏來(lái)顯示。軟件中主要用到工業(yè)中常用的 PID 控制算法。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，可靠性能高。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果滿足要 求。 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)與論證 總體方案設(shè)計(jì) 根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動(dòng)車(chē)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(cè)傳感器以及光敏二極管陣列 ，實(shí)現(xiàn)對(duì)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)電車(chē)的智能控制。 本方案能實(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 ，精度高，可 6 滿足對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)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(jì)框圖 方案選擇 檢測(cè)系統(tǒng)主要運(yùn)用傳感器作為外部敏感組件，進(jìn)行外部信號(hào)的檢測(cè) 。 傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感 受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其它所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求 [7]。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。選擇合適的傳感器可以使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，還可以簡(jiǎn)化硬件電路。 循跡檢測(cè)系統(tǒng) 循跡檢測(cè)常用到傳感器。根據(jù)小車(chē)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(dá)到小車(chē)循跡要求，目前使用最為普遍的循跡檢測(cè)方法是紅外探測(cè)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(jiàn)表 21。 表 21 循跡檢測(cè)方案對(duì)比 紅外 光電傳感器 CCD 傳感器 受外界干擾程度 小 較小 實(shí)時(shí)性 好 差 對(duì)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(duì)于 DDC 傳感器來(lái)說(shuō)，在實(shí)時(shí)性和對(duì)主控芯片的要求方面都比 CCD 傳感器要好。基于這些優(yōu)勢(shì)以及處于成本的考慮，本設(shè)計(jì)采用小車(chē)底部，距地面高度合適，可以達(dá)到很好的檢測(cè)效果。 障礙物檢測(cè)系統(tǒng) 根據(jù)題目功能的要求，小車(chē)在循跡行駛過(guò)程中要能準(zhǔn)確的避開(kāi)途中遇到的障礙物，因此對(duì)檢測(cè)距離有一定要求。又考慮到在測(cè)障過(guò)程中小車(chē)車(chē)速及避障反應(yīng)堆小車(chē)速度的限 制，小車(chē)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(guò)障礙物的同時(shí)還為下一步駛?cè)胲?chē)庫(kù)尋找到最佳的位置和方向。否則，如果范圍太大，則可能產(chǎn)生障礙物的判斷失誤；范圍過(guò)小又很容易造成車(chē)身撞上障礙物或雖繞過(guò)障礙物卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)理想定向方案。 障礙物檢測(cè)可以有多種方法：紅外光檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、甚至機(jī)械接觸。這些方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。常用的有紅外檢測(cè)和超聲波檢測(cè)，兩種方案的區(qū)別見(jiàn)表 22。 8 表 22 障礙檢測(cè)系統(tǒng)方案對(duì)比 從上表可以看出，相對(duì)紅外檢測(cè)，超聲波檢測(cè)距離遠(yuǎn)，不易受外界環(huán)境干擾，由于小車(chē)需要在行駛過(guò)程中檢測(cè)障礙物，顛簸，光照方面可能會(huì)對(duì)檢測(cè)產(chǎn)生影響。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(cè)。 光源檢測(cè)系統(tǒng) 光源檢測(cè)使用常見(jiàn)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(qiáng)弱而改變的電阻器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測(cè)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(duì)光源變換的敏感反映，檢測(cè)外部光源。當(dāng)有光照射時(shí)，光敏二極管呈強(qiáng)電阻，經(jīng)比較器輸出一個(gè)高電平，反之則輸出低電平。我們可以再外接一個(gè) LED 作為檢測(cè)指示燈，則可以明顯觀察到這個(gè)變化。即有光照時(shí) LED 亮，無(wú)時(shí)則滅。 紅外檢測(cè) 超聲波檢測(cè) 檢測(cè)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(jiǎn)便 稍復(fù)雜，安裝簡(jiǎn)便 成本 8 元左右 6 元左右 9 速度檢測(cè)系統(tǒng) 在電機(jī)測(cè)速中，考慮了兩種方案：一種是使用光電碼盤(pán)，即透射式光電傳感器（凹槽型，類(lèi)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(cè)系統(tǒng)方案對(duì)比 霍爾傳感器 關(guān)電碼盤(pán) 抗干擾性 較強(qiáng) 強(qiáng) 霍爾傳感器 關(guān)電碼盤(pán) 實(shí)時(shí)性 較好 好 易用性 需和磁鋼配對(duì)使用，較麻煩 較簡(jiǎn)單 由上表可以看出光電碼盤(pán)在各方面都具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此本設(shè)計(jì)采用關(guān)電碼盤(pán)測(cè)速。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)都可以用于小車(chē)驅(qū)動(dòng)。故有兩種方案。 方案一：使用直流電機(jī)，加上適當(dāng)減速比的減速器。直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，控制起來(lái)也比較簡(jiǎn)單。直流電機(jī)只要通上直流電源就可連續(xù) 不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)電壓的大小就可以改變電機(jī)的速度。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。常用的驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單。 方案二：使用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)具有良好的控制性能。當(dāng)給步進(jìn)電機(jī)輸 10 入一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此可以實(shí)現(xiàn)精確的位置控制。與直流電機(jī)不同，要使步進(jìn)電機(jī)連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，需要連續(xù)不斷的輸入點(diǎn)脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速的大小由外加的脈沖頻率決定。去而且其轉(zhuǎn)動(dòng)不受電壓波動(dòng)和負(fù)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(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)相對(duì)較復(fù)雜，要由控制器和功率放大器組成。具體差別見(jiàn)下表 24。 表 24 電機(jī)控制方式對(duì)比 直流電機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 調(diào)速性能 較好 較差 位置控制精度 較差 好 驅(qū)動(dòng) 簡(jiǎn)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(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)都有各自的優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)能進(jìn)行精確的位置控制，但驅(qū)動(dòng)電路麻煩，鑒于本設(shè)計(jì)中小車(chē)的位置控制不要求十分精確，直流電機(jī)即可滿足小車(chē)要求的精度。且直流電機(jī)易于控制，驅(qū)動(dòng)電路十分簡(jiǎn)單。 單片機(jī)控制電路系統(tǒng) 此部分是整個(gè)小車(chē)運(yùn) 行的核心部分，起著控制小車(chē)所有運(yùn)行狀態(tài)的作用。控制的方法有很多，大部分都采用單片機(jī)控制。單片機(jī)要完成電機(jī)控制、循線控制、避障控制金屬檢測(cè)控制和光源檢測(cè)控制等工作。本設(shè)計(jì)中小車(chē)的主控采用我們最為熟悉的 AT89S52 單片機(jī)。雖然這款單片機(jī)本身沒(méi)有 PWM 模塊，但 11 若采用本身有 PWM 模塊的單片機(jī)就會(huì)產(chǎn)生資源浪費(fèi)。我們可以通過(guò)軟件編程產(chǎn)生 PWM，既能充分利用可用資源，又不浪費(fèi)。且能很好的滿足題目要求。 顯示模塊 由于小車(chē)要顯示速度和行駛距離，內(nèi)容較多。數(shù)碼管使用簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但一個(gè)數(shù)碼管只能顯示一個(gè)數(shù)字，要顯 示多位數(shù)據(jù)時(shí)要使用多個(gè)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(jiǎn)單，使用方便，一個(gè)液晶顯示器就可以同時(shí)滿足此處同時(shí)顯示速度和距離的要求，且更加直觀明了。 3 硬件設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)方案 智能小車(chē)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?gòu)亩_(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的，前輪是萬(wàn)象輪，起支撐的作用。將四個(gè)紅外線光電傳感器裝在車(chē)體的底盤(pán)前端，小車(chē)根據(jù)傳感器檢測(cè)到的情況執(zhí)行。 避障的原理和循跡一樣，在車(chē)頭裝了一個(gè)傳感器，傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，小車(chē)減速，車(chē) 體做出相應(yīng)的反應(yīng)。 小車(chē)速度的檢測(cè)也是靠的紅外線，只不過(guò)是器件的型號(hào)不同，速度檢測(cè)的傳感器用的是對(duì)射式，避障用的是直射式。把碼盤(pán)裝在電機(jī)的軸上，碼盤(pán)隨電機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，這里使用的是改進(jìn)過(guò)的的碼盤(pán)，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(chē)所需的精度。 考慮到電機(jī)控制要使用 PWM 波形，而 AT89S52 單片機(jī)本身不能產(chǎn)生 12 PWM，需要外加電路或使用軟件的方式實(shí)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(jī)控制電路 單片機(jī)是控制單元的核心。起著控制小車(chē)所有運(yùn)行狀態(tài)的作用。單片機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)其它模塊的控制。通過(guò)對(duì)單片機(jī) AT89S52 寫(xiě)入程序，可以方便的用軟件來(lái)控制整 個(gè)過(guò)程 .控制部分如圖 32 所示。 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(kāi)關(guān)，用于小車(chē)復(fù)位。 輸出PWM 信號(hào)， ~ 分別控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其它 P 口用外接控制 小車(chē)的各種控制開(kāi)關(guān)， P0 口外接 10K 的上拉電阻，可用于外接 LCD1602。 AT89S52 單片機(jī)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(chǔ)器。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。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)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(mén)狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)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， C