【文章內(nèi)容簡介】 為核心控制器，采用光電傳感器對黑線進(jìn)行感知，路徑識別模塊將采集到的路面引線與車體位置的信息通過各自的接口送到單片機(jī)。通過對路面的檢測能實現(xiàn)自動的前進(jìn) ,左右轉(zhuǎn)彎 ,后退等基本功能 ,能夠方便的應(yīng)用于路面的安全巡檢 .小車的控制單元主要包括傳感器及調(diào)理電路 ,及驅(qū)動電路 ,控制器三個部分 . 小車的行動離不開傳感器 通過兩個紅外光電傳感器 ,根據(jù)路面的情況分別輸出高低信號 ,由于傳感器檢測到的信號比較微弱 ,通過比較運放將其信號擴(kuò)大 ,調(diào)理 ,使其輸出兼容 TTL 電平 ,以便與控制器接口 .控制系統(tǒng) ,這里采用 AT89C52,控制器按一定的時鐘周期對光電檢測器的輸入信號采樣檢測 ,根據(jù)光電檢測器的狀態(tài) ,判斷小車的動作 ,給步進(jìn)電機(jī)輸出正確的控制信號 ,實現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動 。 智能循跡小車確定了如下方案：在現(xiàn)有小車底板（三輪）的基礎(chǔ)上，加裝紅外對管，運算比較芯片實現(xiàn)對電動車的位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù) 6 據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù) 所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對小車的智能控制。 這種方案能實現(xiàn)對小車的運動狀態(tài)進(jìn)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。 在軟件設(shè)計方面 ,則分為三個模塊 ,即數(shù)據(jù)采集模塊 ,信號處理模塊 ,控制器控制電機(jī)模塊 .此設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單 。 7 第二章 智能循跡小車硬件系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計原理 這種方案能實現(xiàn)對電動小車的運動狀態(tài)進(jìn)行實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足系統(tǒng)的各項要求。 利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生 漫反射，反射光被裝在電動小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，電動小車上的接收管接收不到紅外光。 智能 循跡 小車采用 前 輪驅(qū)動， 前 輪左右兩邊各用一個電機(jī)驅(qū)動，調(diào)制 前 面兩個輪子的轉(zhuǎn)速 起停 從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的， 后輪是萬向 輪，起支撐的作用。將 循跡 光電 對管 分別裝在車體 下 的左右 。 當(dāng)車 身下 左邊的傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制左輪電機(jī) 停止或者后轉(zhuǎn) ，車向 左 修正，當(dāng)車 身下 右邊傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制右輪電機(jī) 停止或者后轉(zhuǎn) ，車向 右修正。 其系統(tǒng)框圖如圖 所示： 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 STC89C52RC 單片機(jī)主控芯片 顯示模塊 （跑馬燈） 檢測模塊（紅外對管） 電機(jī)驅(qū)動模塊 （ H 電橋） 8 小車模塊 小車底板（三輪）它后面的滑輪為萬向輪，它能夠進(jìn)行 360176。靈活轉(zhuǎn)彎，并且反應(yīng)速度快，又便于控制，所以我們最終選擇了三輪的小車底板 。 中央處理單元 89C52 是 INTEL 公司 MCS51 系列單片機(jī)中基本的產(chǎn)品，它采用 INTEL 公司可靠的 CHMOS 工藝技術(shù)制造的高性能 8 位單片機(jī)，屬于標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 的 HCMOS 產(chǎn)品。它結(jié)合了 HMOS 的高速和高密度技術(shù)及 CHMOS 的低功耗特征，它基于標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，屬于 80C51 增強(qiáng)型單片機(jī)版本，集成 了時鐘輸出和向上或向下計數(shù)器等更多的功能，適合于類似馬達(dá)控制等應(yīng)用場合。 80C52 內(nèi)置 8 位中央處理單元、 256 字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器 RAM、 8k 片內(nèi)程序存儲器（ ROM） 32 個雙向輸入 /輸出 (I/O)口、 3 個 16 位定時 /計數(shù)器和 5 個兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)時鐘振蕩電路。此外， 89C52 還可工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié) CPU 而 RAM 定時器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存 RAM 數(shù)據(jù)，時鐘振蕩停止，同時停止芯片內(nèi)其它功能。 89C52 有 PDIP(40pin)和 PLCC(44pin)兩種封裝形式。 我們使用了 P0 端口作為電機(jī)驅(qū)動模塊與檢測輸入模塊， P2 端口 8bit 用作跑馬燈顯示模塊， P0^0 與 P0^1 接檢測電路以及轉(zhuǎn)向燈 。 9 。 圖 22 單片機(jī)處理模塊 LED 顯示模塊 發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個 PN 結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從 P 區(qū)注入到 N 區(qū)的空穴和由 N 區(qū)注入到 P 區(qū)的電子，在 PN 結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與 N 區(qū)的電子和 P 區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光 。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。 LED 發(fā)光二極管采用串并結(jié)合的方法既可以減少功耗又可以降低驅(qū)動電壓的要求，通過單片送低電平點亮 LED。 10 圖 23 LED 顯示模塊電路圖 路面黑帶檢測單元 紅外光電傳感器循跡原理 光電傳感器按檢測方式通常分為反射式和對射式。常見的反射式光電傳感器的光源有多種，普通發(fā)光二極管、紅外發(fā)光二極管和激光二極管。激光二極管發(fā)出光的頻率 較集中，不容易被干擾，傳感器只接收很窄的頻率范圍信號，價格較貴。而前兩種光源容易受到外界光源的干擾。紅外反射光強(qiáng)法德測量原理是將發(fā)射信號經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā)射，光敏管接收調(diào)制的紅外信號，原理如圖 24所示： 24紅外發(fā)射接收原理 紅外反射式光電傳感器會受到很多種不確定因素的影響，如光潔度、顏色、發(fā)射 接收 11 反射表面的形狀以及日光等。采用對反射光強(qiáng)進(jìn)行測量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，如果直接用發(fā)射和接收管進(jìn)行測量將因為干擾產(chǎn)生錯誤信號。 設(shè)定輸出電壓達(dá)到一閥值時作為目標(biāo)，不同的目標(biāo)距離閥 值電壓時不同的。接收的反射光強(qiáng)度經(jīng)檢測電路轉(zhuǎn)換得到輸出電壓 Vout是反射面與傳感器之間距離x 的函數(shù)，當(dāng) x 一定時，接收的反射光強(qiáng)度還與反射面的特性有關(guān)。當(dāng)反射面物質(zhì)為同種物質(zhì)時， x 與 Vout 的響應(yīng)曲線的非線性的 。 在智能車系統(tǒng)中，紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線有一定的方向性，如果紅外線照到黑色標(biāo)志線，黑色標(biāo)志線會吸收大部分紅外光，紅外接收管接收到紅外線強(qiáng)度就很弱；當(dāng)紅外線照射到白色地面時會有較大的反射，紅外接收管收到反射回的紅外線強(qiáng)度就較大，如果 x 取值合適。這樣，利用紅外光電傳感器檢測智能車行駛道路上的黑色標(biāo)志線，就 可以實現(xiàn)智能車的自動循跡。紅外光電傳感器的輸出可分為模擬式和數(shù)字式兩種。 模擬式紅外傳感器輸出的模擬信號，通過將過個模擬式紅外傳感器進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合形成光電傳感器輸出的模擬信號，通過將多個模擬式紅外傳感器進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合形成光電傳感器陣列，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，可以再現(xiàn)道路的準(zhǔn)確信息。 數(shù)字式紅外傳感器硬件電路簡單，具有與微處理器相對應(yīng)的接口，但存在丟失路徑信息、采集路徑信息粗糙的缺點。 傳感器 的 選擇 整個檢測模塊通過 ST178 紅外對管與 LM358 比較芯片組成，通過調(diào)節(jié)電阻值改變檢測模塊的靈敏度， 使整個檢測模塊準(zhǔn)確快速。 圖 25 檢測模塊電路圖 當(dāng)紅外對管檢測到白線時輸出低電平，檢測到黑線時輸出高電平，其中 330 歐姆的電阻用來限流，而調(diào)節(jié)兩個可調(diào)電阻可以改變該檢測模塊的檢測靈敏度。 12 傳感器分布對循跡的影響 傳感器的安裝分布對循跡效果有非常大的影響，除了要求使用發(fā)射 /接收器件的波長 特性一致，發(fā)射 /接收 傳感器組對時，各方面的性能盡量接近外，使用光電傳感器實現(xiàn)智能車的路徑識別。 若要求傳感器間不出現(xiàn)同時感應(yīng)現(xiàn)象，對于采用中間黑色導(dǎo)引線的智能車道路，即每次采集只出現(xiàn)一個傳感器檢測到黑線，那么 傳感器間隔就必須大于黑線的寬度。如果將間隔設(shè)計成小于黑線寬度，則每次采集就會有多個傳感器檢測到黑線，這樣有利于車與賽道偏移距離的判斷。但如果間隔過大，就會在間隔之間出現(xiàn)空白。 此外為減少外界光源對傳感器的干擾，光電傳感器應(yīng)盡量靠近地面。 離地面過近，會導(dǎo)致反射角度太大，加劇光漫射干擾的影響；離地面過遠(yuǎn)，光反射信號差，信號不強(qiáng)。 系統(tǒng)循跡的實現(xiàn) 本體統(tǒng)中共有兩組紅外光電傳感器，分布在小車底部的最前方。傳感器之間用瓷片隔開，避免互相干擾。傳感器輸出的值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后與滑動變阻器的基準(zhǔn)值進(jìn)行比較。若小于 滑動變阻器的值則證明該組傳感器檢測的示黑帶，反之則證明檢測的示白板。由此可判斷小車的位置，確定小車應(yīng)該怎樣運動。 電源部分 采用 2 節(jié) 可充電式 手機(jī) 鋰電池串聯(lián)共 ，經(jīng)過降壓穩(wěn)壓后 給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。鋰電池的電量比較足， 價格便宜， 并且可以充電，重復(fù)利用，因此，這種方案比較可行。 考慮到價格便宜接法簡單，因此我們選擇了 7805。 如圖 24 為電源電路 13 圖 26 電源模塊電路圖 應(yīng)用此種方案使得輸出電壓能夠穩(wěn)定 在 5V，輸出電流最大值能夠達(dá)到 750mA,對與我們設(shè)計的電路，完全可以驅(qū)動的起了。 H 橋電機(jī)驅(qū)動模塊 H 橋驅(qū)動電路介紹 采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)，線性型驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，加速能力強(qiáng)，采用達(dá)林頓管組成的 H 橋電路，用單片機(jī)控制達(dá)林頓使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種電路由于工作在管子飽和和截止的模式下，效率非常高， H 橋電路保證了簡單的實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開關(guān)速度也很快穩(wěn)定性也極強(qiáng)。 H 橋驅(qū)動電路原理 圖 27 中 所示為一個典型的直流電機(jī)控制電路。電路得名于 “H橋驅(qū)動電路 ”是因為它的形狀酷似字母 H。 4 個三極管組成 H 的 4 條垂直腿，而電機(jī)就是 H 中的橫杠（注意：圖 27 及隨后的兩個圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動電路沒有畫出來）。 如圖所示， H 橋式電機(jī)驅(qū)動電路包括 4 個三極管和一個電機(jī)。要使電機(jī)運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 14 圖 27 H 橋驅(qū)動電路 要使電機(jī)運轉(zhuǎn)，必須使對角