智能小車控制

高永勝

【摘要】 智能作為現(xiàn)代的新發(fā)明，是以后的發(fā)展方向，它可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，不需要人為的管理，可應(yīng)用于科學(xué)勘探等用途。我們通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)它的行進(jìn)、停止的精確控制，并再次尋找到原來(lái)的軌道。

【關(guān)鍵詞】 智能小車 自動(dòng)運(yùn)作 尋找軌道

【中圖分類號(hào)】 G712 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 1992-7711（2015）01-076-02

0

一、功能說(shuō)明

基本功能：小車能夠在設(shè)計(jì)的線路上完成尋跡功能

二、方案論證

以AT89S51單片機(jī)為核心的控制電路，采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用傳感器檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)小車在行駛中自動(dòng)尋跡。并將循跡過(guò)程中等數(shù)據(jù)傳至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)小車的智能化控制。

三、各模塊設(shè)計(jì)

電路分為電源模塊、單片機(jī)系統(tǒng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、尋跡模塊。

智能小車運(yùn)行基本原理框圖見(jiàn)圖1。

圖1

1. 電源模塊

采用6節(jié)1.2V干電池供電，電壓達(dá)到7V左右給直流電機(jī)供電，然后用7805降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)供電。

2. 單片機(jī)系統(tǒng)模塊

本系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī)作為中央處理器。其主要任務(wù)是在小車行走過(guò)程中不斷讀取傳感器采集到的數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，來(lái)控制小車行走，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)送顯示單元?jiǎng)討B(tài)顯示。

單片機(jī)是把中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、I/O接口電路、定時(shí)/計(jì)數(shù)器以及輸入輸出適配器都集成在一塊芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。它的優(yōu)點(diǎn)是體積小，可放在儀表內(nèi)部，且單片機(jī)內(nèi)部有可以多次重復(fù)編程的閃爍ROM，并且閃爍ROM可以直接用編程器來(lái)擦寫(xiě)，使用起來(lái)比較方便。

在本系統(tǒng)中，AT89S51單片機(jī)的P0口用于數(shù)碼顯示，P2.4 P2.5 P2.6 P2.7口用于電動(dòng)機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)控制，P1.0 P1.1 P1.2口用于探測(cè)軌跡，P2.1 P2.2 P2.3用于LED提示，P2.0用于倒車顯示和蜂鳴器報(bào)警。

3. 探測(cè)軌跡模塊

為了保證小車沿黑線行駛，采用了兩個(gè)檢測(cè)器并行排列，左右方向都可以進(jìn)行控制，控制精度得以提高。在小車行走過(guò)程中，結(jié)合查詢方式，通過(guò)程序控制小車行走軌跡。如果左方向偏離黑線，則右側(cè)的探頭就會(huì)檢測(cè)到黑線，把信號(hào)傳送到單片機(jī)，進(jìn)行處理校正?？刂破湎蛴肄D(zhuǎn)；如果右方向偏離黑線，則左側(cè)的探頭就會(huì)檢測(cè)到黑線，把信號(hào)傳送到單片機(jī)，進(jìn)行處理校正。控制其向左轉(zhuǎn)。從而保證小車沿黑線行駛。采用TK-20黑白線檢測(cè)傳感器在本設(shè)計(jì)中，要求電動(dòng)小車沿著路面的黑色軌道行駛。其探測(cè)路面黑線的基本原理：光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙對(duì)光的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱來(lái)判斷是否是黑線。利用這個(gè)原理，可以控制電動(dòng)小車行走的路跡。

根據(jù)黑色和白色路面對(duì)光的反射程度不同，白色反射程度強(qiáng)，而黑色反射程度弱。我們采用TK-20黑白線檢測(cè)傳感器，其有效探測(cè)距離達(dá)5cm。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器，最遠(yuǎn)可以達(dá)到10cm，受可見(jiàn)光干擾小，輸出信號(hào)為開(kāi)關(guān)量，信號(hào)處理簡(jiǎn)單，使用非常方便。

使用注意事項(xiàng)：

（1）該傳感器為開(kāi)關(guān)量傳感器，輸出為TTL電平，可以直接和單片機(jī)連接，但需要在輸出端加上拉電阻（如不加上拉電阻會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則電平輸出）。

（2）一定不要把線接錯(cuò)，否則容易燒掉傳感器。

4.電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

為了電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采用電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L298，其驅(qū)動(dòng)電流大，瞬時(shí)電流最高可達(dá)2A，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)專門設(shè)計(jì)，工作穩(wěn)定可靠。

L298是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見(jiàn)的是15腳Multiwatt封裝的L298，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路?？梢苑奖愕尿?qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。

本實(shí)驗(yàn)裝置我們選用驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。

根據(jù)直流電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方程式：

U=CeФN+RaIa

其中：Ф為電機(jī)每極磁通量；Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；

N為電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)；Ia為電樞電流；Ra電樞回路電阻。

電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)N為0，電機(jī)的電流急劇增加，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將會(huì)使電機(jī)燒壞。但電機(jī)起動(dòng)時(shí)，電機(jī)中線圈中的電流也急劇變大，因此我們必須把這兩種狀態(tài)分開(kāi)。長(zhǎng)延時(shí)電路可把這兩種狀態(tài)區(qū)分出來(lái)。長(zhǎng)延時(shí)電路工作原理：當(dāng)Rs1過(guò)流U5A產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖經(jīng)過(guò)微分后，脈沖觸發(fā)555的2腳，電路置位，3腳輸出高電平，由于放電端7腳開(kāi)路，C1，R5及U6A組成積分器開(kāi)始積分，電容C1上的充電電壓線性上升，延時(shí)運(yùn)放積分常數(shù)為100R5C1。當(dāng)C1上充電電壓，即6腳電壓超過(guò)2/3VCC，555電路復(fù)位，輸出低電平。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間一般小于0.8s，C1充電時(shí)間一般為0.8～1s。U5A輸出電平與555的3腳輸出電平經(jīng)U7相或，如果U5A輸出低電平大于C1充電時(shí)間，U7在C1充電后輸出低電平由與門U8輸入到L298的6腳ENA端使電機(jī)停止。如果U5A的輸出電平小于C1充電時(shí)間，6腳不動(dòng)作電機(jī)的正常啟動(dòng)。長(zhǎng)延時(shí)電路吸收電機(jī)啟動(dòng)過(guò)流電壓波形，從而使電機(jī)正常啟動(dòng)。

單片機(jī)系統(tǒng)需要接收路徑識(shí)別電路的信號(hào)，采用某種路徑搜索算法進(jìn)行尋線判斷，進(jìn)而控制舵機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作。小車系統(tǒng)的硬件部分讀者可以自行利用Proteus仿真。也可自行購(gòu)買實(shí)物焊接制作。軟件部分讀者可以參考類似單片機(jī)案例自行采用C語(yǔ)言并利用Keil編程軟件實(shí)現(xiàn)。

總結(jié)

在硬件設(shè)計(jì)中，開(kāi)始一個(gè)模塊設(shè)計(jì)之前和完成一個(gè)模塊設(shè)計(jì)之后都要進(jìn)行測(cè)試。在動(dòng)手之前務(wù)必查清楚所用元件資料，在稍微復(fù)雜一點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)之前可以先搭建其中的一部分電路，測(cè)試一下是否正常，然后再進(jìn)行總的電路設(shè)計(jì)。這樣循序漸進(jìn)的進(jìn)行設(shè)計(jì)可以節(jié)省時(shí)間保證電路的正確性。因此硬件設(shè)計(jì)完成之后首先需要測(cè)試硬件能夠正常工作，這樣在遇到問(wèn)題時(shí)才能夠排除硬件的干擾找出問(wèn)題的所在。不足之處在于本例還是停留在仿真階段，具體實(shí)物制作與軟件編程沒(méi)有編入其中。讀者可以據(jù)提供的思路自行改進(jìn)！

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1]郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程.[M]電子工業(yè)出版社.2009.

[2]周志德.單片機(jī)原理與應(yīng)用.[M]高等教育出版社.2001.