【正文】 智能化、共享化,智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē),汽車(chē)智能革命到來(lái)。2 智能循跡小車(chē)的方案設(shè)計(jì) 智能小車(chē)的運(yùn)行環(huán)境及行走路線根據(jù)題目的要求，可以確定如下方案：在玩具電動(dòng)車(chē)的基礎(chǔ)上，加裝光電、紅外線、超聲波傳感器，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)電動(dòng)車(chē)的智能控制。通常采取的方法是紅外探測(cè)法。單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)，來(lái)確定黑線的位置和小車(chē)的行走路線。小車(chē)在進(jìn)入循跡模式后，即開(kāi)始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī)I/O口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O口有信號(hào)，便進(jìn)入判斷處理程序（switch）,可以先確定4個(gè)探測(cè)器中的哪一個(gè)探測(cè)到了黑線，如果左面第一級(jí)傳感器或者左面第二級(jí)傳感器探測(cè)到黑線，即小車(chē)左半部分壓到黑線，車(chē)身向右偏出，此時(shí)應(yīng)使小車(chē)向左轉(zhuǎn)；如果是右面第一級(jí)傳感器或是右面第二級(jí)傳感器探測(cè)到了黑線，即車(chē)身右半部壓住黑線，小車(chē)向左偏出了軌跡，則應(yīng)使小車(chē)向右轉(zhuǎn)。 利用LED來(lái)顯示小車(chē)運(yùn)行的狀態(tài)，并且利用倒計(jì)時(shí)模塊來(lái)啟動(dòng)小車(chē)。具體路線如下圖所示。51系列單片機(jī)有不同封裝形式，外觀各不相同。 51單片機(jī)引腳與功能說(shuō)明如左圖22所示為40腳雙列直插式封裝8051單片機(jī)引腳圖。下面分別說(shuō)明這些引腳的名稱(chēng)和功能。Vss:接地引腳，連接時(shí)接公共地端2. 時(shí)鐘電路引腳X1：接外部石英晶體和補(bǔ)償電容一端；如果使用外部時(shí)鐘源，則該引腳應(yīng)該接地。X2：接外部石英晶體和補(bǔ)償電容的圖22 18051的引腳排列 另一端；在使用外部時(shí)鐘源時(shí)，該引腳作為外部時(shí)鐘源的輸入端。3. I/O端口引腳51系列單片機(jī)I/O端口的個(gè)數(shù)依據(jù)封裝、引腳不同也不相同，40腳封裝的芯片共有4個(gè)8位端口，分別是P0、PPP3，這些端口大都為復(fù)用功能，分別說(shuō)明如下。P0口是一個(gè)漏極開(kāi)路的8位準(zhǔn)雙向I/O端口，作為漏極開(kāi)路的輸出端口，每位可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。作總線使用時(shí)，P0口采用分時(shí)工作，用于低8位地址或8位數(shù)據(jù)復(fù)用總線。在P1口用作輸入口時(shí)，應(yīng)先向口鎖存器（地址90H寫(xiě)入全1），此時(shí)，端口引腳由內(nèi)部上拉電阻上拉成高電平。P2口也是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。P2口也有兩種使用方式：一種是作為普通并口使用，作為普通并口時(shí)的端口地址為A0H；二是單片機(jī)需要外接片外存儲(chǔ)器時(shí)，P2口要作為地址總線使用，做地址總線使用時(shí)，P2口用于高8位地址總線。P3口也是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口，P3口的每位能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載，端口地址為B0H。其一是作為普通并口使用，其二適用于特殊功能引腳（也稱(chēng)為第二功能），其特殊功能規(guī)定與說(shuō)明如表21所示。CPU在訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器時(shí)，該引腳輸出負(fù)脈沖作為存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。當(dāng)負(fù)載過(guò)大而超過(guò)該引腳驅(qū)動(dòng)能力時(shí)，可以在引腳后面先加上驅(qū)動(dòng)芯片，經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片再對(duì)負(fù)載實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)CPU訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM或程序存儲(chǔ)器ROM，由于地址信號(hào)低8位與數(shù)據(jù)總線都是P0提供，為分時(shí)復(fù)用總線，所以當(dāng)單片機(jī)先給出地址信號(hào)后，由于地址信號(hào)低8位與數(shù)據(jù)總線都是P0提供，為分時(shí)復(fù)用總線，所以當(dāng)單片機(jī)先給出地址信號(hào)后，由ALE信號(hào)作為輸出地址低8位的地址鎖存使能信號(hào)，把地址低8位鎖存到鎖存器中。EA/Vpp ：EA是訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器的控制信號(hào)。當(dāng)?shù)刂分党?FFFFH時(shí)，單片機(jī)將自動(dòng)尋址片外程序存儲(chǔ)器的程序。另外Vpp為編程電源功能，當(dāng)對(duì)51單片機(jī)內(nèi)部EPROM編程時(shí)，Vpp引腳接編程電源（）。當(dāng)此輸入端保持2個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)時(shí)鐘振蕩周期的高電平）時(shí)就可以完成對(duì)單片機(jī)的復(fù)位操作。控制線除以上4根線以外，主要用作對(duì)片外存儲(chǔ)器讀寫(xiě)控制。該信號(hào)接在片外存儲(chǔ)器的寫(xiě)信號(hào)端上，當(dāng)WR信號(hào)到來(lái)時(shí)，完成對(duì)外部存儲(chǔ)器寫(xiě)入操作。該信號(hào)接在片外存儲(chǔ)器的讀信號(hào)端上，當(dāng)RD信號(hào)到來(lái)時(shí)，完成對(duì)外部存儲(chǔ)器讀取操作。PWM控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對(duì)逆變電路的影響也最為深刻，現(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分都是PWM型逆變電路。 調(diào)制法 把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。由于電流波形比VM系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小。3 硬件電路的選擇與搭建本設(shè)計(jì)中的硬件部分包括傳感器的選擇、單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、循跡模塊的設(shè)計(jì)以及小車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析等。 單片機(jī)的輔助電路單片機(jī)最小系統(tǒng),或者稱(chēng)為最小應(yīng)用系統(tǒng),最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機(jī)、晶振電路、. 時(shí)鐘電路單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)放大倍數(shù)很高的反向放大器，其輸入端為引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2，單片機(jī)的時(shí)鐘電路有兩種構(gòu)成方式。晶振和補(bǔ)償電容均外接電路，反向放大器電路在單片機(jī)內(nèi)部，由外部晶振與內(nèi)部反向放大器共同構(gòu)成振蕩電路。 復(fù)位電路所謂的系統(tǒng)復(fù)位，就是使CPU和單片機(jī)系統(tǒng)中各相關(guān)部件都處于一個(gè)確定初始狀態(tài)的過(guò)程。 單片機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì)智能循跡小車(chē)主要由STC89C52單片機(jī)電路、TCRT5000循跡模塊、L298N驅(qū)動(dòng)模塊、直流電機(jī)、小車(chē)底板、電源模塊等組成。在本設(shè)計(jì)中采用單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖32 循跡小車(chē)控制框圖引導(dǎo)線是小車(chē)跟蹤的目標(biāo)，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)車(chē)的相對(duì)路徑，然后將此信息輸入到單片機(jī)，單片機(jī)處理此信息后，將控制命令輸出到驅(qū)動(dòng)模塊，以控制小車(chē)的直流電機(jī)，保證小車(chē)快速平穩(wěn)地沿預(yù)先設(shè)定好的路線行駛。采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D控制直流電機(jī)，而不使用步進(jìn)電機(jī)。用光敏電阻組成光敏探測(cè)器。當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。單片機(jī)控制模塊實(shí)物圖如下圖33所示。由于專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、可靠性高等特點(diǎn)，因而被廣泛的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)?？梢灾苯域?qū)動(dòng)兩路 335V 直流電機(jī)，并提供了 5V 輸出接口（輸入最低只要6V），可以給 5V 單片機(jī)電路系統(tǒng)供電（低紋波系數(shù)）,支持 MCU和ARM 控制，可以方便的控制直流電機(jī)速度和方向，也可以控制 2相步進(jìn)電機(jī)，5 線 4 相步進(jìn)電機(jī)，是智能小車(chē)必備利器。圖34 驅(qū)動(dòng)電路板 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N 為雙 H 橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其驅(qū)動(dòng)部分端子供電范圍 Vs：＋5V～＋16V ；如果需要在板內(nèi)取電，則供電范圍為Vs：+6V～+16V。邏輯部分端子供電范圍 Vss：＋5V～＋7V（可板內(nèi)取電＋5V）；邏輯部分工作電流范圍為0～36mA；控制信號(hào)輸入電壓范圍（IN1 IN2 IN3 IN4）為低電平時(shí)是－≤Vin≤，≤Vin≤Vss。最大功耗為20W（溫度 T＝75℃時(shí)），存儲(chǔ)溫度為－25℃～＋130℃。從圖中可以看出，假設(shè)開(kāi)關(guān)A、D接通，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，而開(kāi)關(guān)B、C接通時(shí)，直流電機(jī)將反向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的正向控制。當(dāng)剎車(chē)時(shí)，將A、C或B、D接通，則電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)將被短路，形成阻礙運(yùn)動(dòng)的感應(yīng)電流，開(kāi)成“剎車(chē)”作用。圖35 H橋電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊本設(shè)計(jì)中電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298N為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片驅(qū)動(dòng)方式比較簡(jiǎn)單，直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)。圖36 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖 循跡模塊的制作與設(shè)計(jì)循跡光電傳感器的原理，就是利用黑線對(duì)紅外線不同的反射能力通過(guò)光敏二極管或光敏三極管，接收反射回的不同光強(qiáng)信號(hào)，把不同光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，最后通過(guò)電阻，轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的高低電平。圖37 智能小車(chē)循跡模塊在裝配循跡傳感器時(shí)需注意：循跡傳感器上面的電位器默認(rèn)位置是“103”字樣的位置和板子是垂直的，此時(shí)的循跡靈敏度比較高，對(duì)黑色線的識(shí)別靈敏度不高，會(huì)誤認(rèn)為是白色的，會(huì)導(dǎo)致循跡效果不好，所以做循跡使用的時(shí)候務(wù)必將電位器位置調(diào)節(jié)到如上圖所示的地方。切記一點(diǎn)，不管是逆時(shí)針轉(zhuǎn)還是順時(shí)針轉(zhuǎn)都不能轉(zhuǎn)到底，要留出一點(diǎn)空間。Signal端為檢測(cè)信號(hào)輸出，當(dāng)遇到黑線，黑線吸收大量的紅外線，反射的紅外線很弱，光敏三極管不導(dǎo)通，Signal輸出高電平；當(dāng)遇到白線，與黑線相反，反射的紅外線很強(qiáng)，使光敏三極管導(dǎo)通，Signal輸出低電平。圖38 循跡傳感器原理圖這種探測(cè)方法，即利用紅外線在不同顏色的表面特征，具有不同的反射性能，汽車(chē)行駛過(guò)程中接收地面的紅外光?？刂破鲿?huì)根據(jù)是否收到反射的紅外光為判斷依據(jù)來(lái)確定的黑線的位置和小車(chē)的路線。紅外發(fā)射和接收紅外線感應(yīng)器，可以使自己或直接使用集成紅外探頭。該傳感器的靈敏度是可調(diào)的，傳感器有時(shí)遇到黑線卻不能送出相應(yīng)的信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)傳感器上的可調(diào)電阻，適當(dāng)?shù)脑龃蠡驕p小可改變靈敏度。本設(shè)計(jì)采用第二種方法。如果小車(chē)向前行駛時(shí)向左偏離了黑線，那么右邊傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高電平，單片機(jī)判斷這個(gè)信號(hào)，然后向右拐回到黑線。如果小車(chē)向右偏離黑線，左邊傳感器產(chǎn)生一個(gè)高電平，單片機(jī)判斷這個(gè)信號(hào)，然后向左拐。若兩個(gè)光電傳感器同時(shí)輸出的信號(hào)為高電平，即單片機(jī)判斷的都為高電平時(shí)，小車(chē)向前直走。當(dāng)無(wú)光照時(shí)R1變大，則V2變小。 假設(shè)V2=，V3電壓為 4V，則V2V3 反向端大于同向端，運(yùn)放作為比較器部分 ，則OUT5輸出低電平為低0給單片機(jī)識(shí)別，單片機(jī)通過(guò)if來(lái)掃描out5給的引腳。筆者在該模塊中利用了簡(jiǎn)單、 應(yīng)用也比較普遍的檢測(cè)方法——紅外探測(cè)法。在 小車(chē)行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)射，反射 光被裝在小車(chē)上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車(chē)上的接收管接收不到信號(hào)。接收反射光線后的接收管呈導(dǎo)通狀態(tài)，與一電阻串聯(lián)即可構(gòu)成一個(gè)由發(fā)射管控制的分壓電路，由此可實(shí)現(xiàn)對(duì)遮擋物反射光線強(qiáng)度的檢測(cè)。其原理圖如下圖310所示。如圖 310 軌跡識(shí)別電路所示，發(fā)射管（2 端）與阻值為 330 歐姆的電阻串聯(lián)發(fā)射紅外線。在沒(méi)有接收到反射光線時(shí)接收管截止呈高阻態(tài)，TX 輸出高電平。對(duì)于光電傳感器沒(méi)有檢測(cè)到黑線時(shí)，則H4發(fā)光到白紙光反射到H4接收端，H4接收端導(dǎo)通，導(dǎo)通則T1接地=0。 電壓比較器 LM324LM324電壓比較器工作原理：該芯片內(nèi)部有四組比較器，原理就是反向輸入端與同向輸入端的電壓進(jìn)行比較，若同向輸入端電壓大于反向輸入端電壓，則比較器的輸出端輸出高電平+5V；若同向輸入端的電壓小于反向輸入端的電壓，則比較器的輸出端輸出低電平0V。圖311 電壓比較器LM324電路圖即當(dāng)傳感器檢測(cè)到白紙有接收到反射光時(shí)，LM324的2腳比較器反向端T1=0V，3腳比較器同向端=3V；同向端大于反向端則OUT1輸出高電平。LM324的調(diào)試方法為：看黑色物體遮擋傳感器檢測(cè)T1腳電壓變化是否正常，調(diào)節(jié)電位器R13,使得3腳電壓介于（2腳）T1電壓的最大和最小值之間。如果把驅(qū)動(dòng)輸入端接到 P0 口仍不太受控，可以嘗試將上拉電阻改為 1K 或更小的。注意分別對(duì)應(yīng)右邊的光電管輸出端（從循跡板對(duì)應(yīng)的右邊光電管信號(hào)輸出端接至單片機(jī) ）、左邊的光電管輸出端（從循跡板對(duì)應(yīng)的左邊光電管信號(hào)輸出端接至單片機(jī) ）、前邊的光電管輸出端（從循跡板對(duì)應(yīng)的前邊光電管信號(hào)輸出端接至單片機(jī) ）。圖312 小車(chē)事物圖4 循跡小車(chē)的軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)本設(shè)計(jì)采用Keil C51單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，Keil μ Vision系列是德國(guó)Keil Software公司出品的51系列單片機(jī)C語(yǔ)言集成開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。它提供了豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，是目前使用最廣泛的C51集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。只需控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向即可。該結(jié)構(gòu)是由2個(gè)輪胎，減速箱+電機(jī)2套2個(gè)后輪，黃色底盤(pán) 以及PCB敷銅板和亞克力板等組成。 圖41小車(chē)結(jié)構(gòu)圖我們可用如下表41所示內(nèi)容來(lái)表明電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。表42小車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)小車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)0101前進(jìn)1010后退1101左轉(zhuǎn)彎0111右轉(zhuǎn)彎 三路循跡算法設(shè)計(jì) 如左圖42所示，則小車(chē)前進(jìn)。if(P0==0x05){P1=0X05}，則小車(chē)偏了，小車(chē)左轉(zhuǎn)彎。圖42小車(chē)結(jié)構(gòu)圖if(P0==0x03){P1=0X0D}，則小車(chē)偏了，小車(chē)右轉(zhuǎn)彎。0XFF。} 軟件設(shè)計(jì)流程圖 單片機(jī)初始化程序后，小車(chē)通過(guò)傳感器判定路況并設(shè)定狀態(tài)，通過(guò)光電傳感器檢測(cè)到的光電信號(hào)，來(lái)控制小車(chē)運(yùn)行狀態(tài)，具體程序如下所示。還可能有不容易發(fā)現(xiàn)的邏輯錯(cuò)誤、算法的不完善等問(wèn)題，這些問(wèn)題只能通過(guò)反復(fù)調(diào)試來(lái)解決。 設(shè)置和刪除斷點(diǎn)在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，設(shè)置斷點(diǎn)+單步運(yùn)行是最常用的程序調(diào)試方法。這種做法能夠有效地縮小出錯(cuò)范圍，幫助我們更快地找到出現(xiàn)問(wèn)題的程序塊。也可以通過(guò)View菜單下的Disassemblely Window選項(xiàng)查看源程序反匯編以后的匯編代碼窗口（這里的匯編代碼與項(xiàng)目中的C51源程序是對(duì)應(yīng)的，在這兩個(gè)窗口添加斷點(diǎn)是等效的），并在該窗口中雙擊待添加斷點(diǎn)。再次雙擊斷點(diǎn)可以取消該斷點(diǎn)。 觀察和修改變量通過(guò)View菜單下的Watch Windows/Watch1或Watch2子菜單可以打開(kāi)一個(gè)查看窗口，如圖43所示。圖43 調(diào)試界面窗口 查看存儲(chǔ)器區(qū)域Keil μ Vision允許區(qū)域性的觀察和修改所有的存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是由軟件模擬得到的。為了區(qū)分這些區(qū)域，Keil μ Vision將它們分別表示為D、I、X、C。通過(guò)這種表示方法，可以準(zhǔn)確描述我們想要觀察或修改的存儲(chǔ)區(qū)域。本設(shè)計(jì)中采用紅外探測(cè)法。單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)來(lái)確定黑線的位置和小車(chē)的行走路線。智能機(jī)器人正在代替人們完成這些任務(wù)，凡不宜有人直接承擔(dān)的任務(wù)，均可由智能機(jī)器人代替，可以適應(yīng)不同環(huán)境，不受溫度、濕度等條件的影響，完成危險(xiǎn)地段，人類(lèi)無(wú)法介入等特殊情況下的任務(wù)，智能小車(chē)就是其中的一個(gè)體現(xiàn)。如果將以上技術(shù)引用到現(xiàn)實(shí)生活中，可以使我們的未來(lái)生活變得更加智能。參考文獻(xiàn)[1] 鄧興成，［M］. 成都：電子科技大學(xué)