基于80C51控制的智能電動小車系統(tǒng)的設計與實現

趙新穎，羅 坤

（鄭州鐵路職業(yè)技術學院，河南 鄭州450052）

近年來，隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，對智能小車的研究也越來越廣泛。在現實生活中智能小車具有非常重要的意義，它可以代替人類完成一些工作。由此希望開發(fā)一種具有由單片機控制的智能功能的系統(tǒng)[1]。

1 設計要求及方案設計

智能電動小車的主要技術要求有：顯示時間、速度、里程；具有自動尋跡、尋光、避障功能；可程控行駛速度、準確定位停車。

基于以上要求，在設計思路上考慮以80C51單片機為核心，以現有玩具電動車為基礎，加裝光電、紅外線、超聲波傳感器及金屬探測器，實現對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數據傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據所檢測的各種數據實現對電動車的智能控制，從而實現智能化控制的目的。

2 硬件電路設計

2.1 單片機及其外圍電路

80C51單片機由微處理器、數據存儲器、程序存儲器、并行 I/O口、串行口、定時器/計數器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器等部分組成[2]。將它們通過片內單一總線連接，其基本結構與傳統(tǒng)結構模式相同，不同之處在于對各種功能部件采用特殊功能寄存器集中控制方式。由于80C51是片內有 ROM/EPROM的單片機，因此，由它構成的最小系統(tǒng)簡單﹑可靠。

2.2 檢測電路

2.2.1障礙檢測電路

識別障礙的首要問題是傳感器的選擇[3]，本設計采用T/R-40-12小型超聲波傳感器作為探測前方障礙物體的檢測元件，它通過向目標發(fā)射超聲波脈沖，計算其往返時間來判定距離。檢測電路圖如圖1所示。

2.2.2行車狀態(tài)和距離檢測電路

本系統(tǒng)采用反射式紅外線光電傳感器用于檢測路面的起始、終點，玩具車底盤上沿起始終點線放置一套，以適應起始的記數開始和終點的停車需要。采用光敏三極管接收燈泡發(fā)出的光線來實現光線跟蹤。當光敏三極管感受到光線照射時，c-e間的阻值下降，檢測電路輸出高電平，經LM393電壓比較器和施密特觸發(fā)器整形后送單片機控制[4]。電動車的方向檢測電路和行車循跡檢測電路如圖2所示。

此套紅外光電傳感器固定在底盤前沿，貼近地面。正常行駛時，發(fā)射管發(fā)射紅外光照射地面，光線經白紙反射后被接收管接收，輸出高電平信號；電動車經過起始點時，發(fā)射端發(fā)射的光線被吸收，接收端接收不到反射光線，傳感器輸出低電平信號后送80C51單片機處理，判斷執(zhí)行哪一種預先編制的程序來控制玩具車的行駛狀態(tài)。前進時，驅動輪直流電機正轉，進入減速區(qū)時,由單片機控制進行PWM變頻調速，通過軟件改變脈沖調寬波形的占空比,實現調速。最后經反接制動實現停車。前行與倒車控制電路的核心是橋式電路和繼電器。對繼電器開閉的控制即可控制電機的開斷和轉速方向進而達到控制玩具車前行與倒車的目的，實現隨動控制系統(tǒng)的糾偏功能[5]。圖3所示為前行與倒車控制電路圖。

圖3 前行與倒車控制電路

由于紅外檢測具有反應速度快、定位精度高、可靠性強等優(yōu)點，故本系統(tǒng)采用紅外光電碼盤測速方案。

2.3 調速電路

調速系統(tǒng)的設計有三種方案，分別為串電阻調速系統(tǒng)、靜止可控整流V-M系統(tǒng)和脈寬調速系統(tǒng)PWM。經綜合比較，本設計采用H型雙極型可逆PWM變換器進行調速，同時實現前行和后退的控制。

2.4 顯示電路

本系統(tǒng)采用兩片4 bit八段數碼管gem4561ae作顯示器，其具有雙重功能。在小車不行駛時其中一片數碼管顯示年月，另一片顯示時和分；當小車行駛時，分別顯示時間和行駛距離[6]。

3 軟件設計

在單片機控制系統(tǒng)中，軟件設計也占非常重要的地位。本系統(tǒng)軟件設計部分采用模塊化設計，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[7]。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)測試及其性能評估

電路設計制作完成后[8]，主要對計時精度、測距精度和定位精度進行數據測試和結果分析。

（1）計時精度分析：計時系統(tǒng)采用了新型顯示芯片。理論上的誤差不到1 s/y。

（2）測距精度分析：測速系統(tǒng)采用了電機軸光電碼盤檢測技術。電機軸與車輪軸之間采用了齒輪箱二級減速，變比1/16。車輪周長 135 mm，光電碼盤與電機軸安裝在一起，電機軸每轉產生2個脈沖，車輪每轉產生32個脈沖，理論測量精度可達135 mm/32=4.22 mm＜4.5 mm。

（3）定位精度分析：本設計采用實際測量與軟件補償技術，理論上可使定位精度提高到誤差＜10 mm。

本文提出了一個基于80C51單片機實現對電動智能小車進行控制的方案，并給出了系統(tǒng)硬件設計和軟件設計的具體設計思路。該系統(tǒng)經過實際測試證明運行狀況良好，達到了預期目標。

[1]賀登天，甘重斗，夏春水.基于單片機控制的智能開關的設計與實現[J].甘肅科技，2007，23(6)：41-44.

[2]林華兵.MCS-51單片機原理及應用[M].武漢：華中科技大學出版社，2003.

[3]趙負圖.傳感器集成電路手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004.

[4]何希才.新型實用電子電路400例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

[5]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[6]張毅剛，彭喜元.新編 MCS-51單片機應用設計[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2003.

[7]南建輝，熊鳴，王軍茹.MCS-51單片機原理及應用實例[M].北京：清華大學出版社，2004.

[8]李東生，張勇，許四毛.Protel 99SE電路設計技術入門與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.