一種具有記憶功能的智能小車設計——硬件部分

1.引言

隨著電子技術、計算機技術和制造技術的飛速發展，消費電子產品越來越呈現出光機電一體化、智能化、小型化等趨勢。各種智能小車在新興產業鏈中也占據著一席之地，此類具有自我判斷與應急能力的智能小車在搶險救災、智能汽車、智能家電以及考古等領域有著廣泛的應用。它能夠到達人類所不能涉及的區域，這樣應用的優勢在于拓展人類的活動范圍、控制領域，也避免了讓人類直接暴露在某些危險的區域中。因此智能小車的研究具有深遠的意義和發展空間。

無人駕駛的電動車可以應用于搶險、救災等人力不能達到的危險區域的探測。當發生如火災、有毒物質泄漏、輻射等災難時，人們往往要冒著生命危險或者根本就無法進入這些災難現場以了解災情，因此需要一種探測車來代替人們完成任務從而減少和避免人員的傷亡。探測車在失去無線遙控信號且又無法前進時，探測車能按原路徑返回，因此有簡單的路徑記憶功能。

2.系統總體硬件方案設計

系統硬件部分設計主要包括紅外對管模塊，霍爾模塊，電機驅動模塊，顯示模塊，單片機最小系統模塊等。其中紅外對管模塊和霍爾模塊為信號采集端，單片機接受信號進行處理，然后做出反應，利用電機模塊控制小車行駛，LED顯示模塊顯示小車的行駛狀態。系統硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統總體硬件框圖

3.系統總體軟件方案設計

系統軟件總設計[4]可由主函數來體現，主函數實現了對各個子函數的調用，依次為PWM控制函數pwmkz（uint a，uint b），小車前進函數qianjin（），霍爾函數lucheng（），LED顯示函數xianshi（），包括模式2中的記憶行駛函數jiyi（）。系統主函數主要流程如圖2所示。

圖2 系統總體軟件流程圖

4.硬件模塊具體設計

4.1 最小系統設計

4.1.1 單片機介紹

本設計中采用AT89S52單片機[2]為主控芯片，AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在線系統可編程Flash存儲器。AT89S52具有以下標準功能：8k字節Flash，256字節RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數據指針，三個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，把一些重要的程序保存下來。

AT89S52單片機的指令系統與8051系列單片機指令系統兼容，在熟練掌握C51編程環境后編程比較方便，簡練。AT89S52單片機存儲容量和速度方面均符合設計要求，在實際應用上也已經很成熟，并且電路設計簡單、經典、芯片價格低廉，適合使用。其引腳分配如表1所示。

表1 單片機管腳分配

4.1.2 單片機接口電路設計

單片機設計使用時需要將其引腳外接到插針上以便利用杜邦線將外圍硬件模塊與單片機引腳相連接。單片機接口原理圖[1]如圖3所示。

圖3 單片機接口原理圖

4.2 電機驅動電路設計[4]

L298驅動電路前面加上TLP521光耦隔離，電路簡單易懂。通過改變I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可對電機進行正反轉控制(如表3所示)，改變PWM的值，就可實現速度的調節。本設計采用的電機專用驅動芯片L298。L298可用來驅動繼電器、線圈、直流電機和步進電機等感性負載，設計中利用它來驅動小車的直流減速電機。L298的額定電壓為12V，最小4.5V，最大可達46V，試驗中給定電壓為6V；電流可達4A，持續電流為2A。L298芯片有四個通道，可控制小車前輪后輪，正轉反轉，其引腳輸入情況與小車運行的對應關系如表4所示。

表3 電機運行說明

表4 小車運行說明

4.3 LED顯示電路設計

用八個共陽數碼管顯示行駛的時間和路程，數碼管的數據端口通過P0口傳輸數據。74LS138譯碼器的輸入數據端口由P2.5，P2.6，P2.7控制，為000-111八個數據。位選段口通過74LS138譯碼出八個地址，選擇八個數碼管。若X0為低電平，則Q1導通，U1數碼管的0位被選中，顯示當前P0中的值。顯示時間在低四個數碼管，顯示路程在高四個數碼管。

4.4 紅外對管巡線設計

采用RG5000型紅外對管光電傳感器完成系統循跡。RG5000利用黑線對紅外線反射不強的原理，實現對黑線的檢測。此紅外對管調理電路簡單，工作性能穩定。RG5000的最佳測量范圍是1-9mm，將RG5000安裝在小車車頭的下面，貼近地面尋找黑線。RG5000用以實現小車沿著場地的黑色弧形引導軌跡行進，使小車不偏離軌道行駛。

小車采用五個RG5000巡線，如果RG5000測量到黑線，那么它返回高電平，這時候我們就需要調用程序，進行不同的調整，使小車沿著黑線行駛。它的原理圖可以分為巡線過程和處理巡線信號過程。紅外對管電路原理圖如圖3.4.2所示，紅外對管檢測路面情況，及時將信號輸出。

圖4 軟件功能框圖

4.5 霍爾模塊設計

所謂霍爾效應，是指磁場作用于載流金屬導體、半導體中的載流子時，產生橫向電位差的物理現象。當電流通過金屬箔片時，若在垂直于電流的方向施加磁場，則金屬箔片兩側面會出現橫向電位差，此電位差約為0.7V。所以霍爾電路的設計原理就是應用此原理，霍爾電位差信號輸入到LM393比較器3腳輸入端與比較器2腳的電壓值進行比較后1腳輸出，接至單片機P33口(外部中斷)。使用時霍爾檢測車輪磁鋼后產生電平變化，觸發單片機中斷計數，數值計算后即達到路程測量的功能。

小車采用霍爾元件，如果霍爾元件測量到磁鋼，那么它返回高電平，這時候就產生外部中斷，觸發中斷函數，在中斷函數中，記錄路程的變量加一，這樣在調用路程函數的時候，就能夠根據走過的圈數，計算得出行駛的路程。

5.功能軟件設計

軟件功能框圖如圖4所示。

軟件功能框圖，包含以下幾部分：主函數，記憶行駛函數，巡線行駛函數，PWM控制函數，路程測量函數，顯示函數，中斷函數等幾部分，其中主函數主要調用巡線行駛函數，記憶行駛函數，路程測量函數，顯示函數；記憶行駛函數和巡線行駛函數主要調用PWM控制函數；PWM控制函數中用到中斷處理函數；顯示函數中的時間也調用中斷中計算的時間。

6.結束語

通過此次研究，學到了很多知識。包括基本熟悉學校新購買的制板機的制板流程及原理，制作出電路板。在研究中，可以熟練地運用Protel工具設計原理圖和PCB圖，對Protel的了解更近了一步。更加熟悉了Keil軟件的應用，鍛煉了邏輯思維，能夠考慮到程序執行的各個可能情況。雖然這次研究的還是不夠理想，但是可以相信，在以后的學習工作中，能夠做的更好。通過此次研究，學會了處理問題的方法，相信以后會運用的更好。

[1]李東生,張勇,許四毛.Protel 99SE電路設計技術入門與應用[M].北京:電子工業出版社,2006.

[2]趙德安等.單片機原理及應用[M].北京:機械工業出版社,2004,9.

[3]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,2007.

[4]周重益,潘超.單片機應用開發系統EAT598實驗指導[M].常州:江蘇工業學院計算機系,2005,12.