兩種基于單片機的自動小車設計

朱海星，方小坤，劉 錚

(揚州職業大學電子工程系，江蘇 揚州225012)

方案一設計的自動小車是受到參考文獻[1]的啟發，在原有基礎上進行了改進。

原方案[1-2]采用兩塊單片機(AT89C51和AT89C2051)作為智能小車的檢測和控制核心，實現小車識別路線、判斷并自動躲避障礙、選擇正確的行進路線。驅動電機采用直流電機，電機控制方式為單向PWM控制。電機控制核心采用AT89C2051單片機，控制系統與電路用光電耦合器完全隔離以避免干擾。

本設計采用一塊單片機（AT89S52）作為智能小車的檢測和控制核心，是一種分布式控制系統的設計方法，分為電機模塊、傳感器模塊和驅動模塊三部份。小車模型采用5 V電池驅動，通過改變PWM占空比調速。小車可以在不完全確定的道路環境下，通過自我判斷，對周圍環境進行探測，并做出相應的反應，如左拐彎、右拐彎和改變速度等，還可以自動后退。目前用在機器人上的多為價格較貴的超聲波傳感器和紅外傳感器等，本設計采用價格便宜的反射式光電傳感器來完成對周圍環境的感知。

1 方案一的設計功能概述

1.1 設計概述

設計并制作一個能自動往返于起跑線與終點線間的小汽車。允許用玩具汽車改裝，但不能用人工遙控（包括有線和無線遙控）,如圖1所示。

圖1 小車運行跑道

1.2 設計要求

(1)車輛從起跑線出發(出發前，車體不得超出起跑線)，到達終點線后停留 10 s，然后自動返回起跑線（允許倒車返回）。往返一次的時間應力求最短（從合上汽車電源開關開始計時）。

(2)到達終點線和返回起跑線時，停車位置離起跑線和終點線偏差應最小 （以車輛中心點與終點線或起跑線中心線之間距離作為偏差的測量值）。

(3)D～E間為限速區，車輛要求以低速通過，通過時間不得少于8 s，但不允許在限速區內停車。

(4)可以設計自動記錄、顯示定時時間（記錄顯示裝置要求安裝在車上）。

(5)不允許在跑道內外區域另外設置任何標志或檢測裝置。

(6)車輛（含在車體上附加的任何裝置）外圍尺寸的限制：長度≤35 cm，寬度≤15 cm。

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件總體邏輯設計

2.1.1 前輪H橋驅動電路模塊

為順利實現電動小汽車的左轉和右轉，采用可逆PWM變換器。可逆PWM變換器主電路的結構式有H型、T型等類型。前輪控制電路為H橋驅動電路。

(1)前輪控制電路的原理圖設計如圖2所示。

(2)用Multisim8.0對電路進行仿真，對電路的正確性進行驗證。。

對左邊橋路輸入 Vp-p為 5 V,周期為1 ms,占空比為60%的電壓信號,右邊橋路輸入低電平(接地)，所以Q1的B極是高電平，同時Q5對其C極提供反向電壓偏置，又因 E極為低電平，從而 Q1、Q2導通，左邊橋路工作；因Q4的B極是低電平，故其截止，右邊橋路不工作，經過電路仿真，使電機正(反)轉。

變換電橋信號輸入,右邊橋路輸入Vp-p為5 V,周期為1 ms,占空比為60%的電壓信號,左邊橋路輸入低電平(接地),其工作原理同上。在電機兩端產生電勢差,使電機反(正)轉。

2.1.2 后輪H橋驅動電路模塊

(1)后輪控制電路的原理圖設計如圖3所示。

(2)用Multisim8.0對電路進行仿真，對電路的正確性進行驗證測試。

2.1.3 光電傳感器電路模塊

對于自動尋跡傳感器，反射距離都在1 cm～2 cm左右，探測環境都在陰影之下，不易受到日光的干擾。因此，這兩種探測的傳感器都選用FS-359F反射紅外傳感器，048W型封裝。該封裝形狀規則，便于安裝。在使用約40 mA的發射電流、沒有強烈日光干擾(在有日光燈的房間里)探測距離能達8 cm，完全能滿足探測距離要求。

紅外反射光強法的測量原理是將發射信號經調制后送紅外管發射,光敏管接收調制的紅外信號。反射光強度的輸出信號電壓Vout是反射面與傳感器之間距離x的函數，設反射面物質為同種物質時，x與Vout的響應曲線是非線性的[4]。如果設定電壓達到某一閾值時作為目標，不同的目標距離閾值電壓是不同的。

3 軟件設計

3.1 軟件開發環境

uVision2 IDE是一個基于Window的開發平臺,包含一個高效的編輯器、一個項目管理器和一個 MAKE工具。uVision2支持所有的 KEIL8051工具,包括C編譯器宏匯編器連接/定位器目標代碼到HEX的轉換器。

單片機仿真器普遍支持C語言程序的調試，為單片機編程使用C語言提供了便利條件[6]。

3.2 程序流程圖

程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

4 方案二的設計

方案二設計的光電電動小車能夠實時顯示時間、速度、里程，具有自動尋跡、避障功能，可程控行駛速度、準確定位停車。

4.1 系統整體設計

方案二同樣采用80C51單片機進行智能控制。開始由手動啟動小車并復位，當經過規定的起始黑線，由超聲波傳感器和紅外光電傳感器檢測，通過單片機控制小車開始記數顯示并避障、調速；系統的自動避障功能通過超聲波傳感器正前方檢測和紅外光電傳感器左右側檢測，由單片機控制實現；在電動車行駛過程中，采用雙極式H型PWM脈寬調制技術，以提高系統的靜動態性能；采用動態共陰顯示行駛時間和里程。

4.2 主要分電路設計

4.2.1 調速電路

方案二也采用雙極式H型變換器，它是由4個三極電力晶體管和4個續流二極管組成的橋式電路。

4.2.2 檢測電路設計

檢測系統主要實現光電檢測，即利用各種傳感器對電動車的避障、位置、行車狀態進行測量。

由于紅外檢測具有反應速度快、定位精度高、可靠性強以及可見光傳感器所不能比擬的優點，故采用紅外光電碼盤測速方案。具體電路圖略。

4.3.顯示電路

本設計中用兩片4位八段數碼管gem4561ae作顯示器,并具有雙重功能,在小車不行駛時其中一片顯示年﹑月,另一片顯示時﹑分；當小車行駛時,分別顯示時間和行駛距離。

本設計中采用新型芯片EM78P458作為顯示驅動器,用單片機的并行口控制,一個數碼顯示電路用4個口線,用專用驅動芯片控制可以減少對CPU的利用時間,單片機將有更多的時間去完成其他功能。

4.4 系統軟件設計說明

本系統軟件采用模塊化結構，由主程序、定時子程序、避障子程序﹑中斷子程序、顯示子程序﹑調速子程序﹑算法子程序構成。

[1]黃智偉.全國大學生電子設計競賽訓練教程[M].北京：電子工業出版社，2009.

[2]黃智偉.全國大學生電子設計競賽系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[3]羅志增.機器人感覺與多信息融合[M].北京：機械工業出版社，2002.6

[4]羅志增.簡易紅外接近覺傳感器[M].北京：全國青年第三屆機器人學研討會論文集，1990

[5]張毅坤.單片微型計算機原理及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，1998

[6]劉光斌.單片機系統實用抗干擾技術[M].北京：人民郵電出版社，2003.10

[7]許寶發.實用電工計算手冊[M].上海：上海科學技術出版社，1992.9