基于AT89C51坡道行駛智能小車設計

葛鑫，李中望，李煒，丁美玲，陳慧蓉，陳蕊，蔣玲

(1.蕪湖職業技術學院 電氣與自動化學院，安徽 蕪湖 241000；2. 安徽工程大學，安徽 蕪湖 241000)

1 方案設計及選擇

本系統以AT89C51 單片機和ARTHYLY XD-201紅板4路紅外循跡模塊為核心制作坡道行駛電動小車系統。系統使用ARTHYLY XD-201 紅板4 路紅外循跡模塊進行小車的自動循跡，用串口通信將信息傳遞給STM32F103ZET6 主控芯片，主控芯片根據反饋數據調整行駛路線。裝置整體結構簡潔、調試方便、系統穩定，能夠直觀地看出實驗結果，實現預期要求。

1.1 技術方案分析與比較

坡道行駛電動小車的自動循跡系統包括機械結構和自動循跡控制系統兩個部分。如果要實現小車在不同角度的坡道上平穩行駛并通過循跡達到自動拐彎和停止的功能，必須保證機械結構的穩定性和可靠性，同時對自動循跡控制系統具有高精度的要求，兩個部分的設計都很重要。

1.1.1 機械結構設計

小車裝置系統是一個較為完整的檢測系統，其機械結構是這個測控系統的控制對象，該結構設計的優劣會在一定程度上影響后期測量的準確性。機械結構越穩定可靠，系統的測量精度越高。

本系統的機械結構大致分為底板、坡道、定位架幾個部分，其機械結構簡化模型示意圖如圖1所示。

圖1 系統的機械結構圖

系統的機械結構圖主要由底板、坡道、定位架三部分組成。

1) 底板。作為整個平板系統的支撐體，用于方便坡道的角度調整。設計選用木板作為底座，具有較好的機械強度和穩定性。

2) 坡道。用于小車行駛和循跡、拐彎等要求。為了保證小車自動循跡時的光線影響以及小車在坡道行駛不打滑，系統采用平面有足夠粗糙的木工板，其可活動，方便坡道角度的更換。

3) 定位架。用于坡道調整角度時的固定，使實驗結果更準確。

1.1.2 主控芯片的論證與選擇

由于主控芯片用于數據和信息的采集和處理，所以對主控芯片的選擇有以下幾種方案。

方案一:采用AT89C51 作為核心控制。AT89C51單片機成本低、使用簡單，但是IO端口較少，運算速度較慢，精度不高，需要外接拓展電路[1]。

方案二:采用MSP430F169 作為核心控制。MSP430F169單片機成本適中，具備大量外圍電路，功耗低、精度較高，但須占用較大空間[2]。

方案三:采用STM32F103ZET6 作為核心控制。STM32F103ZET6價格高，性能好，具備低功耗的內核，內存較大，精度高，運行速度快[3]。

綜上所述，根據本系統小車的功能需要，不需要太多的I/O 口和通信接口，故系統采用價格較低并且結構簡單便于操作的AT89C51單片機。

1.1.3 傳感器模塊的論證與選擇

因為傳感器用于光線的發出與接收，關乎小車循跡的準確性，所以提出如下兩種傳感器的選擇方案。

方案一：采用ARTHYLY XD-201紅板4路紅外循跡模塊，通過紅外線的發出和接收循跡，但紅外線發出與接收燈的距離間距較窄[4]。

方案二：采用TCR75000 模塊，功能與ARTHYLY XD-201 紅板4 路紅外循跡模塊相似，但是紅外發出與接收燈的距離間距較寬[5]。

綜合以上方案，為使得小車循跡更為精確，系統采用收發間距更窄的ARTHYLY XD-201 紅板4 路紅外循跡模塊，所以選擇方案一。

1.1.4 電機的論證與選擇

方案一：4 個舵機加4 個直流電機方案。使用該方案組裝小車后，小車能夠向任意角度運動。但4個舵機加4個直流電機同時工作時，所需要的電流很大，很容易引起電源保護。此外，機構復雜，難以保證系統的穩定可靠。

方案二：4 個直流電機方案。根據方案一中存在的問題，簡單驅動方式，得到方案二。直接使用4個直流電機后，小車機動性下降。小車需要使用兩側電機轉速不同的方式完成轉彎。但是，使用該方案能夠顯著降低電源的供電壓力，降低機構復雜度，從而使得機構有更好的可靠性和穩定性。

綜合以上方案，在電機方案上采用方案二。

1.1.5 電機驅動的論證與選擇

方案一：BTN7971b驅動模塊。性能較好，保護裝置較好，但價格昂貴。

方案二：L289N驅動模塊。性能相比方案一較差，驅動能力強，發熱量低，抗干擾能力強，且價格較低。

綜合以上方案，由于不需要性能較好的模塊且方案二的性能足夠使用，在電機驅動方案上，采用方案二。

1.2 系統結構工作原理

1.2.1 系統結構

本系統主要通過紅外檢測系統來實現小車的自動循跡，通過軟件PWM 的配合來調整小車的行駛速度，以達到可以設置小車行駛時間的目的。系統只要由單片機、電機及驅動模塊、穩壓模塊、紅外循跡模塊等部分組成，具體的系統整體框架如圖2所示。

圖2 系統框架圖

1.2.2 系統建模

對于被檢測對象行車軌跡的檢測，是利用模塊的紅外檢測方式來檢測行車軌跡中的光的反射來保持勻速向前行走，在實際操作中，ARTHYLY XD-201紅板4路紅外循跡模塊用于紅外檢測，通過光的反射數據來推測小車的位置和行走軌跡。其原理如圖3所示。

圖3 ARTHYLY XD-201紅板4路紅外循跡模塊原理示意圖

1.2.3 功能實現指標方法

本系統需要實現的功能可以大致分為兩種：一種是小車可以自動循跡且可以自動在停止線位置停止并發出提示音；二是完成第一種的情況下完成自動調整行程時間和行車速度并可以自動調整行程時間及行車速度。

1) 對于判斷小車是否能循跡并停止，設計思想是通過判斷紅外線接收系統是否能接收到反射信號。

2) 對于自動調整行程時間，設計思想是用程序中的PWM來調整及檢測，以達到其目的。

2 硬件結構設計

2.1 主核控制設計

單片機是整個系統的控制核心，系統采用AT89C51 單片機，其工作的電壓范圍是為3.3~5.5 V，具備32 個通用I/O 口及3 個16 位計數/定時器。單片機采集循跡模塊信號及控制驅動電機。單片機P2.0，P2.1，P2.2，P2.3 口則分別接4 路紅外循跡模塊的輸出端DO0、DO1、DO2、DO3，通過輸出引腳是否為1 判斷有沒有檢測到路徑。P2.4，P2.5，P2.6，P2.7 口分別接L298N 的IN1-IN4，P1.0，P1.1 接L298N 的ENA、ENB，P1.2口接起動按鈕，連接圖如圖4所示。

圖4 主核控制鏈接圖

2.2 電機驅動模塊電路設計

本系統小車的行駛及轉彎使用了4 個直流電機，小車機動性較好，小車需要使用兩側電機轉速不同的方式完成轉彎。直流電機通過控制脈沖個數來控制角位移量，達到定位。通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，達到調速。電機驅動模塊電路圖如圖5所示。

圖5 電機驅動模塊電路圖

2.3 紅外循跡模塊電路設計

本系統采用4 路紅外循跡模塊，每一路傳感器發射端發射紅外線，并且能夠接收反射回來的紅外信號，根據返回紅外信號的強弱判斷距離的遠近及是否能夠使得傳感器接通，模塊輸出端初始為高電平[6]。若在測量范圍內出現物體，傳感器接通并輸出低電平，激活相應的LED指示燈。具體電路原理圖如圖6所示。

圖6 ARTHYLY XD-201紅板4路紅外模塊原理圖

3 系統軟件設計

3.1 程序功能描述

功能描述：

1) 坡度角θ=0°，電動小車能夠沿標記線自動騎線行駛，在停車點停車:小車上標記點到停車標記中心線的垂直距離誤差≤2cm。停車時立即發出聲音提示。小車行駛過程中，其地面投影不得脫離標記線。

2) 電動小車具備行駛時間設置功能，小車自動勻速的行駛設定的1米路線，在終點處停車。行駛時間誤差絕對值≤1s。行駛過程中不得碾壓、脫離標記線。

3) 坡度角0=10°。

4) 可任意指定坡度角θ在11°-30°。

5) 在完成4)后，可增加坡度角。

3.2 程序流程圖

先進行初始化，再通過ARTHYLY XD-201紅板4路紅外循跡模塊的反饋對其進行處理，將處理過的數據進行比較，來判斷小車的前進，拐彎和停車。具體流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

主要程序如下：

4 實驗結果

將小車放置到測試板上，觀察小車是否按板上所指示的路線行走、拐彎和停車。

小車通過測速程序，來實現循跡、拐彎和停止的動作，調整程序過程中主要是調節PWM占空比，來調整小車四個車輪的旋轉方向和轉速，最后以達到目的。