【正文】 環(huán)境中按照我們前面設(shè)定好的模式去自動的運(yùn)作，它并不需要我們?nèi)ト藶榈墓芾?，就可以達(dá)到我們前面設(shè)定的目標(biāo)，它的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，如可以應(yīng)用于工業(yè)控制、科學(xué)勘探、智能家居等領(lǐng)域。另外，智能小車還可以應(yīng)用于 危險搜索 、機(jī)器人等許多方面，尤其在機(jī)器人方面具有很好的發(fā)展前景。 智能小車的現(xiàn)狀 智能小車的研究、開發(fā)和應(yīng)用涉及傳感技術(shù)、電氣技術(shù)、電氣控制技術(shù)、智能控制等學(xué)科，智能控制技術(shù)是一門跨科學(xué)的綜合性技術(shù)，當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域 [1]。因此 目前世界各國都在開展對機(jī)器人技術(shù)的研究。智能小車正是模仿機(jī)器人的一種嘗試。這種智能小車能夠自動搜尋前進(jìn)路線，還能爬坡，感知前方的障礙物，并自動尋找前進(jìn)方向，避開障礙物。 2 第 2章 方案設(shè)計(jì)與論證 主控系統(tǒng) 由于單片機(jī)具有 價格低廉，資源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能，故本次設(shè)計(jì)采用 STC89C52 單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車以實(shí)現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。其指令系統(tǒng)和傳統(tǒng)的 8051 系列單片機(jī)指令系統(tǒng)完全兼容，降低 了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的難度， 電路設(shè)計(jì)簡單、價格低廉， 在后來的實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)， STC 89C52 精確度和運(yùn)算速度也都完全符合我們系統(tǒng)的要求。在電充滿時 4節(jié)電池電壓可以達(dá)到5v且可充電電池組具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動能力及穩(wěn)定的電壓輸出性能，但是直流電機(jī)工作時會對 LCD1602 顯示造成干擾，使其顯示不穩(wěn)定。 方案二：使用雙電源供電，將 9v 可充電方塊電池電壓降壓、穩(wěn)壓到 5V后給單片機(jī)系統(tǒng)和 LCD1602 及其它芯片供電。 綜上考慮，我們選擇了方案二來完成智能小車整個系統(tǒng)的供電。但是由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩偏低，并且會隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而下降，在達(dá)到較高的轉(zhuǎn)速時其輸出的力矩會急劇下降，因 此不適于小車等對速度有著一定要求的系統(tǒng)。 方案二：使用直流減速電機(jī)作為智能小車系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)。另外小車電機(jī)內(nèi)部還裝有減速齒輪組，所以并不需要去考慮調(diào)速的功能，可以很方便的通過單片機(jī)來控制直流減速電機(jī)的正傳、反轉(zhuǎn)、停止操作。 電機(jī)驅(qū)動模塊選擇與論證 方案一： 采用繼電器對電動機(jī)進(jìn)行控制 ,通過切換電動機(jī)的開關(guān)來調(diào)整小車的速度。 故決定放棄此方案。該芯片是利用 TTL 電平進(jìn)行控制的。另外為了保證 L298N 的正常工作，我還安裝了 8 個續(xù)流二極管 1N4007。 4 綜合以上分析與論證我們選擇方案二的驅(qū)動芯片 L298N 作為整個智能小車系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動電路。光敏電阻的阻值會隨著周圍環(huán)境光線的變化而變化 [6]。將阻值的變化值輸入到電壓比較器就可以輸出高低電平。 但實(shí)際效果并不理想，誤測幾率偏大、容易受外界的光線環(huán)境的影響 ，不能夠穩(wěn)定的工作。 方案二：采用 紅外反射式光電 管完成系統(tǒng)循跡 [3]。它是 利用 了 光的反射原理，當(dāng)光線照射在白紙上，反射量 會 比較大，反之， 當(dāng)光 照 射 在 黑色物體上，反射回去的量比較少， 因?yàn)?黑色會吸收 光，這樣就可以判斷黑 膠帶 帶軌道的走向。 此光電對管電路簡單，工作性能穩(wěn)定。因此我們選擇方案二?；魻栐哂畜w積小，動態(tài)特性好，頻率響應(yīng)寬度大，對外圍電路要求簡單，使用壽命長，安裝方便，價格低廉等特點(diǎn)。 方案二：采用 光電碼盤，即透射式光電傳感器（凹槽型 如圖 25） 進(jìn)行測速。當(dāng)紅外光線被檢測物遮斷時，光敏三極管截止，集電極輸出高電平。車輪轉(zhuǎn)動時帶動碼盤轉(zhuǎn)動，單片機(jī)內(nèi)部計(jì)時可測出給定的時間內(nèi)通過的脈沖數(shù)，從而測出小車的實(shí)時速度。 通過比較方案一和方案二的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合多方面因素決定選用方案二。 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 ，而且 LED 數(shù)碼管也無法顯示字符。 方案二：采用 LCD1602 液晶（如圖 26）顯示。并且外圍電路也比較簡單，因此我們選擇此方案。 圖 26 LCD1602 液晶顯示器 7 壁障模塊 方案一：用漫反射式光電開關(guān)進(jìn)行避障。當(dāng)有光線反射回來時，輸出低電平。操作簡單但是測量的距離不遠(yuǎn)。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來，然后再被超聲波傳感器接收 [8]。為了使用方便，便于操作和調(diào)試，采用集成超聲波測距模塊 HCSR04(如圖 27)。為了使用的方便，便于操作和調(diào)試，最終選擇了方案二。將 4 個紅外光電傳感器裝在車體底盤的前端，小車根據(jù)傳感器檢測的情況來循跡前進(jìn)。 小車的避障用超聲波避障模塊 HCSR04，將其置于車頭，檢測到障礙物時，小車做出相應(yīng)的反應(yīng)。 圖 31 總體設(shè)計(jì)框圖 驅(qū)動電路 電機(jī)驅(qū)動芯片采用 L298N，是一款承受高壓大電流的全橋型直流 /步進(jìn)電壓驅(qū)動器，如下圖 32。 表 31 L298N 引腳編號與功能 引腳編號 名稱 功能 1 電流傳感器 A 在該引腳和地之間接小阻值電阻可用來檢測電流 2 輸出引腳 1 內(nèi)置驅(qū)動器 A 的輸出端 1，接至電機(jī) A 3 輸出引腳 2 內(nèi)置驅(qū)動器 A 的輸出端 2，接至電機(jī) A 4 電機(jī)電源端 電機(jī)供電輸入端 ,電壓可達(dá) 46V 5 輸入引腳 1 內(nèi)置驅(qū)動器 A 的邏輯控制輸入端 1 6 使能端 A 內(nèi)置驅(qū)動器 A 的使能端 7 輸入引腳 2 內(nèi)置驅(qū)動器 A 的邏輯控制輸入端 2 8 邏輯地 邏輯地 9 邏輯電源端 邏輯控制電路的電源輸入端為 5V 10 輸入引腳 3 內(nèi)置驅(qū)動器 B 的邏輯控制輸入端 1 11 使能端 B 內(nèi)置驅(qū)動器 B 的使能端 12 輸入引腳 4 內(nèi)置驅(qū)動器 B 的邏輯控制輸入端 2 13 輸出引腳 3 內(nèi)置驅(qū)動器 B 的輸出端 1，接至電機(jī) B 14 輸出引腳 4 內(nèi)置驅(qū)動器 B 的輸出端 2，接至電機(jī) B 15 電流傳感器 B 在該引腳和地之間接小阻值電阻可用來檢測電流 10 圖 33 L298N 內(nèi)部原理圖 電機(jī)驅(qū)動 A/B 的控制邏輯如下表所示。通過單片機(jī)的 I/O 輸入改芯片控制端的電平，即可以對電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，停止的操作，操作非常 方便，亦能滿足直流減速電機(jī)的大電流要求 [4]。其驅(qū)動電路原理圖如下 圖 34所示 。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。在小車行駛過程中 傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射 紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強(qiáng)度不夠大時，光敏三極管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時模塊的輸出端為低電平， 當(dāng)紅外線遇到白色地面時發(fā)生漫反射， 紅外線被反射回來 反射光被裝在小車上的接收管接收 且強(qiáng)度足夠大，光敏三極管飽和，此時模塊的輸出端為高電平 ；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 ， 再通過 LM393 作比較器來采集高低電平，從而實(shí)現(xiàn)信號的檢測。 12 通過設(shè)計(jì)了如圖 35所示的電路來檢測，圖中 R18 為限流電阻，當(dāng)有光反射回來時，光電傳感器的三極管導(dǎo)通，在 LM393 的 2腳出 產(chǎn)生低電平電壓，通過 LM393處理后在 出產(chǎn)生高電平，返回給單片機(jī)，從而達(dá)到檢測的目的。 圖 35 循跡原理圖 測速電路 采用 透射式光電傳感器（凹槽型 ） 進(jìn)行測速。 工作時紅外發(fā)光管發(fā)出紅外光線透過光耦的槽投射到光敏三極管上，光敏三極管導(dǎo)通，集電極輸出低電平。遮擋一次槽型光耦輸出一個脈沖，因此脈沖的個數(shù)就是被 檢測物的數(shù)量。其電路原理圖與循跡原理圖類似。 13 圖 36 測速電路原理圖 顯示電路 用 LCD1602 來顯示數(shù)據(jù)， LCD 液晶具有功耗低、顯示內(nèi)容豐富、清晰，顯示信息量大，顯示速度較快等特點(diǎn)。 電路原理圖如下圖 37。起著控制小車所有運(yùn)行狀態(tài)的作用。通過對單片機(jī) STC89C52 寫入程序，可以方便的用軟件來控制 ， 整個過程 的 14 控制部分如圖 38 所示 。 ~ 分別控制電機(jī)驅(qū)動。 STC89C52 單片機(jī)介紹 [5]： STC89C52RC單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速 /低功耗 /超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機(jī)， 12 時鐘 /機(jī)器周期和 6 時鐘 /機(jī)器周期可以任意選擇。 2. 工作頻率范圍： 0～ 40MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá) 48MHz。 5. 用戶應(yīng)用程序空間為 8K 字節(jié)。 7. 通用 I/O口（ 32 個），復(fù)位后為： P1/P2/P3/P4 是準(zhǔn)雙向口 /弱上拉，P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻。 9. 具有 EEPROM 功能。即定時器 T0、 T T2。 12. 通用異步串行口（ UART）， 還可用定時器軟件實(shí)現(xiàn)多個 UART。 STC89C52 單片機(jī)的引腳圖如下圖 39。 17 第 4章 軟件設(shè)計(jì) 主程序模塊的設(shè)計(jì) 主程序的流程圖 圖 41 主程序流程圖 在圖 41 主程序流程圖中，開始時先是單片機(jī)的初始化，包括定時器初始化，外部中斷的初始化，液晶的初始化。 18 主程序的設(shè)計(jì) void main() { Timer_Init()。 //外部中斷初始 化 LCD_Init()。 //啟動定時器 lcd_write_cmd(0x80)。 LED2 = 1。 //pwm調(diào)速 track()。 lcd_write_dat(qian)。 lcd_write_dat(bai2)。 lcd_write_dat(shi2)。 lcd_write_dat(ge2)。 lcd_write_dat(bai1)。 lcd_write_dat(shi1)。 lcd_write_dat(ge1)。amp。 //調(diào)用超聲波子程序 flag1=0。 20 電機(jī)驅(qū)動程序的設(shè)計(jì) void goahead() //小車直走 { IN1 = 1。 IN3 = 1。 } void goback() //小車后退 { IN1 = 0。 IN3 = 0。 } void turnright() //小車向右轉(zhuǎn) { IN1 = 1。 IN3 = 0。 } void turnleft() //小車向左轉(zhuǎn) { IN1 = 0。 IN3 = 1。 } void zw_turnright() //用于轉(zhuǎn)彎 時 的左轉(zhuǎn) { IN1 = 1。 IN3 = 0。 } void zw_turnleft() //用于轉(zhuǎn)彎時 的右轉(zhuǎn) { 21 IN1 = 0。 IN3 = 1。 } void stop() //小車停止 { IN1 = 0。 IN3 = 0。 } void PWM(void) //小車調(diào)速 { PWM_ENA = 1。 delayXms(H)。 PWM_ENB = 1。 PWM_ENA = 0。 delayXms(N)。 循跡模塊子程序設(shè)計(jì) void track( void ) { uchar temp = 0。 0x0f。 //直走 break。//左轉(zhuǎn) break。//右轉(zhuǎn) break。// 后退 break。 //停止 break。//用于直角轉(zhuǎn)彎 時 的左轉(zhuǎn) delayXms(20)。 case 0x01: zw_turnright()。 break。 } } 24 測距避障模塊程序的設(shè)計(jì) 測距模塊流程圖 圖 44 測距模塊流程圖 測距模塊流程圖如圖 44，開始時單片機(jī)先給超聲波測 距模塊 Trig 端發(fā)送一個高電平且這個高電平要持續(xù) 20us，然后再給 Trig 端發(fā)送一個低電平，即啟動了超聲波測距模塊，超聲波測距模塊會自動發(fā)送 8 個 40KHZ 的方波，等待是否有信號返回，如果有信號返回會通過 IO 口超聲波測距模塊的 Echo 端輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，測試距離 =（高電平時間 25 *340） / 2，單位為 m。 測距模塊程序設(shè)計(jì) void csb() { TH0=0。 TX=1。 //延時 20us TX=