【正文】 tp suit P1_0=P1^0。實(shí)際測試效果較好。具有自動(dòng)尋跡和尋光功能。6 結(jié)論與展望 23 6 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。并避開障礙物。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。本設(shè)計(jì)采用的算法只適用于一般情況，特殊一些的情況就可能出現(xiàn)避障失敗 。但避障結(jié)果并不是很理想。 根據(jù)測試結(jié)果，可以看出小車循跡避障功能基本實(shí)現(xiàn)。每組分別測試了三次。兩次都是在鋪有黑色硬紙條的軌道上進(jìn)行。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 。 在電源開啟后，小車循跡過程中會(huì)出現(xiàn)原地打轉(zhuǎn)的情況。 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。由于小車相當(dāng)耗電，９Ｖ的干電池用不了多久，就會(huì)出現(xiàn)開關(guān)器件很難穩(wěn)定地給單片機(jī)送正確值的情況。所以考慮采用電池供電。 TS—— 采樣周期5 調(diào)試 21 5 調(diào)試 調(diào)試方法 由于本次實(shí)驗(yàn)需要捍接的電路模塊較多，特別是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，對于電源電流的需要極大， 我們先以直插式１２Ｖ電源開始調(diào)試，小車運(yùn)轉(zhuǎn)正常。數(shù)字 PID控制算法如圖 44所示 . 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)； 。 PID控制器各控制環(huán)節(jié)的作用是這樣的，比例控制 (P控制 )即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)，積分控制 (I控制 )主要用于消除靜差，微分控制 (D控制 )反應(yīng)偏差信號的變化趨勢 (變化速率 )。 4 軟件設(shè)計(jì) 20 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。與開環(huán)控制相比，速度控制閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性與開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性相比，其性能大大 提高；理想空載轉(zhuǎn)速相同時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率（額定負(fù)載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比）要小得多；當(dāng)要求的靜差率相同時(shí)，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。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?？紤]到小車的速度和能檢測到障礙物的距離，為避免小車轉(zhuǎn)彎時(shí)撞上障礙物，設(shè)計(jì)小車檢測到障礙物后先后退，然后左轉(zhuǎn)，再次檢測障礙物，繼續(xù)調(diào)整，直至繞過障礙物。實(shí)踐證明這種算法可以實(shí)現(xiàn)小車靈敏的轉(zhuǎn)彎 。 還有最后一種狀態(tài)就是四個(gè)傳感器都檢測不到黑線，此時(shí)說明小車已行駛到中點(diǎn)，或者可能完全脫離了軌到，說明此次循跡失敗，停車。 當(dāng)小車往右偏離時(shí)，對應(yīng)的狀態(tài)有 000 001 011 1011。 當(dāng)小車從中間逐漸往左偏離軌道黑線時(shí)，即黑線在小車右邊，對應(yīng)的狀態(tài)有 1000、1100、 11 1101。為不漏掉狀態(tài)，我們先考慮了四個(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。 15腳背光正極， 16腳背光負(fù)極 4 軟件設(shè)計(jì) 18 4 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)控制流程 圖 41 控制系統(tǒng)的流程圖 算法設(shè)計(jì) 循跡算法設(shè)計(jì) 循跡控制算法的流程如 42所示。 圖 314 碼盤 液晶顯示電路 這里使用 1602液晶顯示器。 小車一周內(nèi)可計(jì)數(shù) 12次，小車的行駛一周的行程范圍約為 ,因此可計(jì)算出行程的測量精度可以達(dá)到 1cm，可以達(dá)到小車的精度要求。其優(yōu)點(diǎn)是工作穩(wěn)定，測量結(jié)果精度高。車輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，可以檢測到十二個(gè)信號。只要對這個(gè)脈沖信號計(jì)數(shù)，就可以得到小車的行程。而我們使用的是經(jīng)改進(jìn)的光電碼盤，如圖 314碼盤中的透射式光電開關(guān)的發(fā)射管和接收管經(jīng)過了對準(zhǔn)，當(dāng)光槽中無障礙時(shí)光路是通的，當(dāng)有障礙物時(shí)光路斷開。其計(jì)數(shù)原理如圖 313 所示 。這里采用增量式。光電碼盤是一種光電器件。考慮到提高小車的光源搜索效率，將光敏陣列安裝在小車的頂部，靠車頭的位置。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。按照一定的方式排列。這里采用多個(gè)光敏陣列管。 3 硬件設(shè)計(jì) 15 光源檢測電路 光敏電路如圖 311 所示。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]。另有一種密封式超聲波傳感器（ MA40EI 型）。這類傳感器適用于測距、遙控、防盜等用途。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（ PZT）等。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測量儀器及裝置，并在通迅，醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應(yīng)用。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。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。 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）。 圖 39 超聲波發(fā)射電路 圖 310 超聲波接收電路 設(shè)計(jì)中還加了一個(gè)聲光報(bào)警功能，當(dāng)小車檢測到障礙物時(shí)，小車的報(bào)警系統(tǒng)中的蜂鳴器鳴叫，同時(shí)指示 LED 發(fā)光。小車則可以根據(jù)接收到的信號做出相應(yīng)的避障反應(yīng)。超聲波檢測的原理是：超聲波發(fā)生器 T 發(fā)出超聲波信號，當(dāng)這個(gè)信號遇到障礙物時(shí)反射回來，被接收器 R 收到。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；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) 。具體位置分布如圖 38 所示。方便。 圖 37 ST168 檢測電路 正確選擇檢測方法和傳感器是決定循跡效果的重要因素，而正確的器件安裝方法也是影響循跡電路好壞的一個(gè)重要因素。且安裝電路簡單。簡便易用，性能可靠。 ST 系列集成紅外探測頭價(jià)格便宜。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外線遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑紙則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到信號。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。 循跡檢測電路 該智能小車在鋪有約兩厘米寬黑紙的路面行駛，路面可以近似看為白色。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。 前進(jìn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)都正轉(zhuǎn) ,后退時(shí)，則兩電機(jī)都反轉(zhuǎn)。 PWM 信號由單片機(jī)軟件產(chǎn)生，使用非常方便。這個(gè)電壓可以由脈沖的寬度調(diào)節(jié)。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 的理論基礎(chǔ)是：沖量相等而形狀不同的的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。 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。 3 硬件設(shè)計(jì) 11 圖 34 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 L298 集成 H 橋芯片。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。 另外， L298 的驅(qū)動(dòng)功率較大，在 6~46V的電壓下，可以提供 2A 的額定電流，并且具有過熱自動(dòng)關(guān)斷和電流反饋檢測功能，安全可靠；為了保證 L298 正常工作，我們另外安裝了續(xù)流二極管。 L298 中有兩套 H 橋電路，剛好可以控制兩個(gè)電機(jī)。直流電機(jī)常用的 PWM，及脈寬調(diào)制方式驅(qū)動(dòng)。 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)。 3 硬件設(shè)計(jì) 10 表 31 P1口引腳第二功能 引腳號 第二功能 T2 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T2的外部計(jì)數(shù)輸入，時(shí)鐘輸出 T2EX 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T2的捕捉 /重載觸發(fā)信號和方向控制 MOSI 在系統(tǒng)編程用 MISO 在系統(tǒng)編程用 SCK 在系統(tǒng)編程用 表 32 P3口引腳第二功能 引腳號 第二功能 RXD 串行輸入 TXD 串行輸出 INT0(外部中斷 0) INT0(外部中斷 0) T0（定時(shí)器 0 外部輸入） T1（定時(shí)器 1 外部輸入） WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 ) RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 ) 另外還有第九引腳 RST 為復(fù)位引腳。 且P1 口部分引腳和 P3 口具有第二功能。 4 個(gè) P 口 在一般情況下都是 是一個(gè) 8 位雙向 I/O 口。其引腳排列如圖 33 所示 。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。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。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。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。其他 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。 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。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)對其他模塊的控制。 圖 31 整體原理電路圖 3 硬件設(shè)計(jì) 8 單片機(jī)控制電路 單片機(jī)是控制單元的核心。 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 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。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。 避障的原理和循跡一樣，在車頭裝了一個(gè)傳感器，傳感器檢測到障礙物時(shí)，小車減速，車體做出相應(yīng)的反應(yīng)。3 硬件設(shè)計(jì) 7 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。故不予考慮。 顯示模塊 由于小車要顯示速度和行駛距離，內(nèi)容較多。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(fèi)。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)?？刂频姆椒ㄓ泻芏啵蟛糠侄疾捎脝纹瑱C(jī)控制。且直流電機(jī)易于控制，驅(qū)動(dòng)電路十分簡單。 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)與論證 6 表 24 電機(jī)控制方式對比 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)。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。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，轉(zhuǎn)速的大小由外加的脈沖頻率決定。步進(jìn)電機(jī)具有良好的控制性能。此方法性能較好，電路和 控制都比較簡單。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。直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，控制起來也比較簡單。故有兩種方案。 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(qiáng) 強(qiáng) 實(shí)時(shí)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(jì)采用關(guān)電碼盤測速。 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）。我們可以再外接一個(gè) LED 作為檢測指示燈，則可以明顯觀察到這個(gè)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。 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。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。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。 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