基于AT89S52的智能簡(jiǎn)易車(chē)輛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 介紹了以單片機(jī)AT89S52為控制核心的智能簡(jiǎn)易車(chē)輛系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)根據(jù)角度傳感器檢測(cè)的信號(hào)，控制小車(chē)在蹺蹺板上做相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，其中采用角度傳感器感應(yīng)板面水平角是否為零，確保小車(chē)達(dá)到平衡。同時(shí)采用反射式光電傳感器感應(yīng)板面引導(dǎo)線，保證小車(chē)不脫離軌道，并指引小車(chē)在規(guī)定區(qū)域內(nèi)順利爬上板面。系統(tǒng)顯示裝置采用RT1602液晶顯示器，能夠?qū)崟r(shí)顯示行距、時(shí)間;小車(chē)動(dòng)力源采用步進(jìn)電機(jī)，并用SFA475集成晶體管芯片構(gòu)成的橋式電路對(duì)其驅(qū)動(dòng)，電源直接由12 V蓄電池供電，單片機(jī)根據(jù)各模塊檢測(cè)的信號(hào)作出判斷，保證小車(chē)正常行動(dòng)。

智能車(chē)輛是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)其集中應(yīng)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通訊、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)是典型的高新技術(shù)綜合體。本文設(shè)計(jì)的智能簡(jiǎn)易車(chē)輛系統(tǒng)就是此綜合體的一種嘗試。該系統(tǒng)使智能簡(jiǎn)易車(chē)輛在多種傳感器的配合下實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)尋跡、平衡探測(cè)等功能，已基本實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛的智能化。

1 智能簡(jiǎn)易車(chē)輛電路總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文中簡(jiǎn)易智能車(chē)輛系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)車(chē)蹺蹺板這一實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。采用AT89S52作為電動(dòng)車(chē)蹺蹺板的控制核心，用紅外傳感器檢測(cè)小車(chē)是否在制定軌道上運(yùn)動(dòng)，小車(chē)若偏離軌道，傳感器便會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)送至單片機(jī)，使單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)通過(guò)角度傳感器來(lái)識(shí)別小車(chē)是否到達(dá)平衡位置。

總體電路系統(tǒng)包括主機(jī)控制模塊、平衡檢測(cè)模塊、尋軌檢測(cè)模塊、顯示模塊、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊及語(yǔ)音提示模塊6個(gè)部分。主機(jī)控制模塊是該電路系統(tǒng)的核心，將平衡檢測(cè)模塊和尋跡模塊檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制左右電機(jī)，從而控制小車(chē)的前進(jìn)及后退。同時(shí)，主控模塊還會(huì)輸出控制信號(hào)至顯示模塊以顯示行距及時(shí)間，并控制語(yǔ)音提示模塊適機(jī)發(fā)出提示音。電路系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 電硬件設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)控制模塊

主機(jī)控制模塊采用ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能8位單片機(jī)AT89S52，該單片機(jī)內(nèi)含8 kB可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀存儲(chǔ)器和256 Byte的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其特點(diǎn)是高密度、非易失性存儲(chǔ)、微功耗，系統(tǒng)穩(wěn)定及可靠性高。此外，AT89S52技術(shù)成熟，價(jià)格低廉，參考資源豐富，且應(yīng)用也較為廣泛，再加之本系統(tǒng)能使該單片機(jī)資源得到充分的使用，故選擇其作為智能小車(chē)電路的核心控制。

2.2 顯示模塊

顯示模塊使用16位字符型液晶(LED)顯示。液晶顯示屏具有低功耗、平面直角顯示、可視面積大、畫(huà)面效果好、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。并可直接使用單片機(jī)上I/O口，無(wú)需過(guò)多的外圍器件便可實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)功能。

2.3 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊中的電機(jī)部分采用步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)力矩大，精度高，只接收一個(gè)脈沖。就可轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，因此利用晶體管組成的橋式驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)可較好地控制步進(jìn)電機(jī)的速率、路程、轉(zhuǎn)向等，可達(dá)到精密控制，且系統(tǒng)也較為穩(wěn)定。此外由于系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的精度及其靈敏度要求較高，而步進(jìn)電機(jī)和該驅(qū)動(dòng)電路的組合完全可達(dá)到這一要求，故采用步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路。

驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。驅(qū)動(dòng)模塊是本設(shè)計(jì)的動(dòng)力源，為此在信號(hào)線與主控板接口相連前，采用光耦器件PC817進(jìn)行隔離，防止電路中大電流燒毀主控板器件;考慮到步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨工作頻率下降較快，而低頻時(shí)所需的電壓又過(guò)低，若采用較高的電壓有可能燒毀步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，為此要實(shí)現(xiàn)小車(chē)的精確控制對(duì)驅(qū)動(dòng)則有一定的要求，需基本滿足衡力矩輸出。STA475A是一款電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，廣泛應(yīng)用于打印機(jī)及各種驅(qū)動(dòng)控制板上，其N(xiāo)PN型的達(dá)林頓管。在此采用頻率電壓轉(zhuǎn)換電路來(lái)補(bǔ)償步進(jìn)電機(jī)高頻工作時(shí)所需的電壓。V/F轉(zhuǎn)換器件LM331的作用是將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，用此信號(hào)來(lái)控制大功率限流場(chǎng)效應(yīng)管，保證驅(qū)動(dòng)電流不會(huì)因頻率過(guò)高而減小，以恒力矩輸出，從而保證電動(dòng)機(jī)的力矩能帶動(dòng)電動(dòng)車(chē)順利運(yùn)行。

2.4 尋跡模塊

自動(dòng)尋跡是基于自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)(Auto-Guided Vehicle，AGV)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小車(chē)自動(dòng)識(shí)別路線，判斷并自動(dòng)規(guī)避障礙，以選擇正確的行進(jìn)路線。其采用與地面顏色有較大差別的線條作為引導(dǎo)，并使用傳感器感知導(dǎo)引線和障礙判斷。

實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的視覺(jué)和接近覺(jué)功能有多種方式：(1)可使用CCD攝像頭進(jìn)行圖像采集和識(shí)別方法，但不適用于小體積系統(tǒng)，且還涉及圖像采集、圖像識(shí)別等領(lǐng)域。(2)電容式接近傳感器，基于檢測(cè)對(duì)象表面靠近傳感元件時(shí)的電容變化。(3)超聲波傳感器，根據(jù)波從發(fā)射到接收的傳播過(guò)程中所受到的影響來(lái)檢測(cè)物體的接近程度。(4)紅外反射式光電傳感器，其包括一個(gè)可發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè)用作接收器的固態(tài)光敏二極管。

系統(tǒng)的尋跡檢測(cè)模塊采用反射式紅外傳感器來(lái)檢測(cè)蹺蹺板上的黑線，由于黑線可用黑筆直接在蹺蹺板軌道上畫(huà)出，故可不考慮其質(zhì)量對(duì)蹺蹺板的影響。紅外傳感器發(fā)射和接收均是不可見(jiàn)光，抗干擾能力強(qiáng)，靈敏度高，同時(shí)尺寸小、質(zhì)量輕、外圍電路簡(jiǎn)單，安裝方便，因此用其作為近距離檢測(cè)是較理想的。尋跡模塊電路如圖3所示，集成反射式光電傳感器ST198的電壓驅(qū)動(dòng)為4.5～5 V。當(dāng)發(fā)射二極管導(dǎo)通時(shí)，發(fā)出紅外光線，使接收管的集電極和發(fā)射極間電阻變小，而比較器正向輸入端電位被拉高，當(dāng)紅外光線照射到黑色線上時(shí)，反射光較少，接收管集電極和發(fā)射極間的電阻增大，則比較器正向輸入端電位被拉低，單片機(jī)根據(jù)此信號(hào)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.5 平衡檢測(cè)模塊

平衡檢測(cè)模塊電路如圖4所示。采用ADI公司出品的雙軸加速度傳感器ADXL202，該產(chǎn)品成本低、功耗小，且內(nèi)部敏感元件和后續(xù)電路相集成。ADXL202傳感器外圍電路簡(jiǎn)單，同時(shí)輸出為數(shù)字信號(hào)，抗干擾強(qiáng)、靈敏度高、易于用單片機(jī)控制，故選擇該傳感器作為本系統(tǒng)的平衡檢測(cè)模塊。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)各系統(tǒng)模塊的選擇，充分利用單片機(jī)AT89S52的資源，對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)資源作如下分配：P1口控制步進(jìn)電機(jī)，P0口和P2.5、P2.6、P2.7控制液晶顯示，P2.1～P2.4連接紅外檢測(cè)模塊，P3.2連接角度檢測(cè)模快，P2.0、P3.7接轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，如圖5所示。

當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，單片機(jī)首先讀取電動(dòng)機(jī)的初始角度，然后從P2.1～P2.4口讀取當(dāng)前紅外傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，判斷小車(chē)是否在軌道上，然后校正小車(chē)方向，單片機(jī)從P1.0～P1.7口發(fā)脈沖控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使小車(chē)前進(jìn)。在小車(chē)運(yùn)動(dòng)中，角度傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)判斷小車(chē)是否到達(dá)平衡位置。當(dāng)?shù)竭_(dá)平衡位置后，角度傳感器水平較正，小車(chē)停止5 s后繼續(xù)向前進(jìn)。而當(dāng)?shù)竭_(dá)軌道終點(diǎn)后，倒車(chē)返回原點(diǎn)，軟件流程如圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)多次測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行除機(jī)械部分不易控制外，電路與運(yùn)行部分均較為穩(wěn)定，簡(jiǎn)易車(chē)輛能自動(dòng)完成在蹺蹺板上的前進(jìn)和后退動(dòng)作。設(shè)計(jì)還增加了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)功能，如利用V/F技術(shù)輔助電機(jī)的控制，確保電機(jī)能為小車(chē)負(fù)載提供足夠的力矩。此外系統(tǒng)中還加入了語(yǔ)音提示、人性化顯示等功能，使系統(tǒng)更加智能化、人性化。同時(shí)各電路模塊也均有過(guò)流保護(hù)，消抖等輔助電路，使整個(gè)系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定。