高職實(shí)訓(xùn)教學(xué)用智能小車(chē)設(shè)計(jì)

盧 貺 宋 霞

（1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北武漢 430205；2.武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430074）

高職院校的電氣控制、自動(dòng)原理、單片機(jī)原理、嵌入式系統(tǒng)等課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，經(jīng)常用到智能小車(chē)作為教學(xué)的案例和平臺(tái)。智能小車(chē)以其生動(dòng)、典型、學(xué)習(xí)形式喜聞樂(lè)見(jiàn)、涉及知識(shí)面廣等特點(diǎn)，受到教師和學(xué)生的歡迎。本文介紹基于STC單片機(jī)的智能小車(chē)，該小車(chē)主要由主控制器、車(chē)體、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、避障電路、尋跡電路和輔助電路等組成，各部分均采用節(jié)能設(shè)計(jì)，整機(jī)功耗低［1］。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 主控制器介紹

本設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制器，該單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘／機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速／低功耗／超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但指令運(yùn)行速度快。內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A／D轉(zhuǎn)換（250K／S），適合電機(jī)控制和強(qiáng)干擾場(chǎng)合。其片內(nèi)程序存儲(chǔ)器為FLASH工藝，容量為60K，片上還集成有1280字節(jié)的RAM。單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)還包括SPI接口、定時(shí)／計(jì)數(shù)器、PCA、UART接口、I／O口、看門(mén)狗及片內(nèi)R／C振蕩器和外部晶振電路等模塊。

本設(shè)計(jì)的主要外圍電路模塊有：避障檢測(cè)電路、尋跡檢測(cè)電路、電機(jī)控制電路等，具體的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

1.2 尋跡檢測(cè)電路

智能小車(chē)的運(yùn)行軌跡是沿著白底上黑線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因此設(shè)計(jì)的尋跡檢測(cè)電路即是黑白色識(shí)別器，采用的是紅外發(fā)射、接收對(duì)管組成的光電傳感器模塊。采用紅外發(fā)射管代替可見(jiàn)光管，可以降低背景光干擾。光電管接收反射的紅外信號(hào)，紅外發(fā)射接收原理如圖2所示。

圖2 紅外發(fā)射接收原理

尋跡檢測(cè)電路工作原理是，發(fā)射管激勵(lì)電信號(hào)，發(fā)射管發(fā)出的光強(qiáng)基本恒定，而白底和黑線(xiàn)對(duì)光的發(fā)射效果不同，接收管表現(xiàn)的吸收效果就不同，使接收管反向電流有較大變化，導(dǎo)致與其串聯(lián)的電阻兩端電壓出現(xiàn)明顯變化。將該電壓接于單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換輸入端，經(jīng)片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器后變成數(shù)字量，將黑白兩狀態(tài)變?yōu)榛叶茸R(shí)別，優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，識(shí)別分辨率高［3］。一路的尋跡檢測(cè)電路如圖3所示。

圖3 尋跡檢測(cè)電路

實(shí)際使用中將三個(gè)一路尋跡檢測(cè)電路安裝在一起，之間的間隔約為黑線(xiàn)的寬度，輸出的信號(hào)為尋跡傳感器OUT1、OUT2、OUT3，從而達(dá)到最佳的尋跡效果。

1.3 電機(jī)控制電路

電機(jī)控制電路一般采用H橋式驅(qū)動(dòng)電路，由于兩個(gè)電機(jī)是獨(dú)立控制，所以需要兩路H橋式驅(qū)動(dòng)電路，如圖4所示。

控制電機(jī)的 MOTOR1A、MOTOR1B、MOTOR2A、MOTOR2B四路信號(hào)，以及為電機(jī)調(diào)速的控制端口SPEED1、SPEED2兩路信號(hào)，都與單片機(jī)的I／O端口相連，受單片機(jī)程序控制。

MOTOR1A和MOTOR1B控制一個(gè)H橋，該H橋輸出J3接左輪電機(jī)，所以MOTOR1A、MOTOR1B控制左側(cè)小車(chē)電機(jī)的前進(jìn)和后退；MOTOR2A和MOTOR2B控制另一個(gè)H橋，該H橋輸出J5接右輪電機(jī)，所以MOTOR2A、MOTOR2B控制右側(cè)小車(chē)電機(jī)的前進(jìn)和后退。改變這四路控制信號(hào)就可以讓小車(chē)完成左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、后退、原地轉(zhuǎn)圈等。

為了方便控制小車(chē)的運(yùn)行速度和車(chē)輪的差動(dòng)，設(shè)計(jì)了電機(jī)調(diào)速電路，實(shí)現(xiàn)了DAC模擬電壓控制調(diào)速和PWM調(diào)速兩種方式［4］。

DAC模擬電壓控制調(diào)速。以MOTOR1電路為例說(shuō)明，當(dāng)J4斷開(kāi)時(shí)，改變?nèi)龢O管Q7基極的電壓，即改變SPEED1輸入電壓，就能改變?nèi)龢O管Q7的發(fā)射極電流，達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。通過(guò)DAC控制SPEED1的電壓變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)極調(diào)速。

PWM調(diào)速控制。如果SPEED1是高電平，Q7就出現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)，電機(jī)工作；如果是低電平，Q7截止，電機(jī)也停止工作，通過(guò)改變PWM占空比就可以起到電機(jī)調(diào)速的效果。以上兩種調(diào)速方法控制效果基本一致，如果不需要調(diào)速，可以用短路帽將J4和J5端口短接。

1.4 避障模塊

智能小車(chē)通過(guò)紅外傳感器采集路況信息，通過(guò)對(duì)檢測(cè)信息的分析，自動(dòng)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)，改變行駛路徑，繞過(guò)障礙物，從而實(shí)現(xiàn)避障功能。

紅外傳感器的工作原理是根據(jù)投光器（紅外發(fā)光二極管）發(fā)出的光束，被障礙物遮擋或部分反射，受光器（紅外光敏二極管）根據(jù)情況作出判斷反應(yīng)，利用被檢測(cè)物體對(duì)紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測(cè)物體的有無(wú)，其物體不限于金屬，對(duì)所有能反射光線(xiàn)的物體均能檢測(cè)。本設(shè)計(jì)中采用紅外傳感器為NPN常開(kāi)型反射式傳感器，工作電壓為5V，工作電流100mA。有效測(cè)量距離為80cm，易于裝配。該傳感器為開(kāi)關(guān)量傳感器，輸出的為1、0開(kāi)關(guān)量信號(hào)，和單片機(jī)的INT1端直接連接，當(dāng)無(wú)障礙物時(shí)，輸出高電平；當(dāng)有障礙物時(shí)，輸出低電平，觸發(fā)中斷，小車(chē)隨即做出避障動(dòng)作，避免碰到障礙物。

1.5 智能小車(chē)結(jié)構(gòu)

智能小車(chē)設(shè)計(jì)了兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)萬(wàn)向輪的三輪結(jié)構(gòu)。左、右輪獨(dú)立控制，可以使小車(chē)同時(shí)前轉(zhuǎn)、后轉(zhuǎn)，反向旋轉(zhuǎn)或一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)一側(cè)停止，可以完成原地轉(zhuǎn)彎，旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。同時(shí)選擇橡膠輪，摩擦力大，避免了小車(chē)打滑現(xiàn)象。由于小車(chē)可以靈活地進(jìn)行原地轉(zhuǎn)圈控制，適合沿曲折路線(xiàn)前進(jìn)，在走迷宮等應(yīng)用時(shí)有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。智能小車(chē)采用材質(zhì)為FR－4的電路板作為車(chē)體，該電路版上盡可能多地留出了可以焊接器件的焊孔，學(xué)生可以直接把顯示電路、通信電路、遙控電路等擴(kuò)展部分焊接到車(chē)體上，不需要再額外增加電路板，方面使用。

選用直流減速電機(jī)，該種電機(jī)體積小，裝配方便，使用簡(jiǎn)單，重量輕。由于其內(nèi)部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)減速齒輪組，可以產(chǎn)生很大的扭力。選用的直流電機(jī)減速比為48：1，減速后電機(jī)的轉(zhuǎn)速為120r／min，車(chē)輪直徑為7.2cm，因此小車(chē)的最大速度可達(dá)0.452m／s。

圖4 電機(jī)控制電路圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序框圖

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的編程思想，使用Keil4軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫(xiě)、調(diào)試軟件［5］，主程序框圖見(jiàn)圖5。

圖5 主程序框圖

2.2 尋跡程序設(shè)計(jì)

智能小車(chē)進(jìn)入尋跡狀態(tài)后，即開(kāi)始不停地掃描與尋跡檢測(cè)電路相連接的單片機(jī)I／O口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I／O口有信號(hào)，即進(jìn)入判斷處理程序，先確定尋跡檢測(cè)電路中的三路信號(hào)中哪一路檢測(cè)到黑線(xiàn)，如果左邊傳感器探測(cè)到黑線(xiàn)，即小車(chē)左半部分壓到黑線(xiàn)，車(chē)身向右偏出了軌跡，此時(shí)應(yīng)使小車(chē)向左轉(zhuǎn)；如果右邊傳感器探測(cè)到黑線(xiàn)，即車(chē)身右半部壓住黑線(xiàn)，小車(chē)向左偏出了軌跡，則應(yīng)使小車(chē)向右轉(zhuǎn)。在經(jīng)過(guò)方向調(diào)整后，小車(chē)再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測(cè)黑線(xiàn)，并重復(fù)上述檢測(cè)動(dòng)作。尋跡程序框圖如圖6所示。

圖6 尋跡程序框圖

2.3 避障程序設(shè)計(jì)

智能小車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，如果檢測(cè)到運(yùn)行前方出現(xiàn)了障礙物，需要能靈活躲避，避開(kāi)障礙物后，再回到尋跡檢測(cè)狀態(tài)。避障程序框圖如圖7所示。

圖7 避障程序框圖

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了基于STC單片機(jī)智能小車(chē)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，由于采用模塊化設(shè)計(jì)思想，可以擴(kuò)展許多功能。本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)安裝、調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了智能小車(chē)的避障、調(diào)速、前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、尋跡等功能。

（1）自動(dòng)沿白底黑線(xiàn)軌跡行駛小車(chē)，在行駛過(guò)程中，能夠自動(dòng)檢測(cè)預(yù)先設(shè)好的黑線(xiàn)軌道，實(shí)現(xiàn)直道和弧形軌道的前進(jìn)。若有偏離，能夠自動(dòng)糾正，返回到預(yù)設(shè)軌道上。

（2）當(dāng)小車(chē)探測(cè)到前進(jìn)方向的障礙物時(shí)，能自動(dòng)避開(kāi)障礙物，從無(wú)障礙區(qū)通過(guò)。小車(chē)通過(guò)障礙區(qū)后，能夠回到自動(dòng)尋跡狀態(tài)。

1 田拓.基于AT89C51單片機(jī)智能小車(chē)的設(shè)計(jì)［J］.寧夏工程技術(shù)，2005（4）：334－336

2 趙振德.多功能遙控智能小車(chē)的制作［J］.電子制作，2011（4）：12－16

3 王慶有.光電傳感器應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：58－71

4 曹衛(wèi)華.一種尋線(xiàn)行走機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2006（14）：4－6

5 黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009：91－112