計(jì)算機(jī)控制智能小車的軟件設(shè)計(jì)

摘要：本設(shè)計(jì)是采用單片機(jī)作為從機(jī)(也稱下位機(jī))，而PC機(jī)作為中央控制機(jī)的主從式系統(tǒng)。主機(jī)同時根據(jù)從從機(jī)接收的過程參數(shù)進(jìn)行判斷處理并給從機(jī)發(fā)送各種控制命令。利用單片機(jī)的串行口與PC機(jī)的串行口進(jìn)行串行通信，PC機(jī)可對遠(yuǎn)程前端單片機(jī)進(jìn)行控制，將單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)傳送到PC中去，由PC機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，同時把反饋信號發(fā)到單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制和管理。本設(shè)計(jì)在VC++6.0的環(huán)境下，編寫使用C++語言，SQL數(shù)據(jù)庫的串口通信程序，控制由單片機(jī)控制的智能小車。

0 引言

隨著多微機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用和微機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，通信功能越來越顯得重要。在工業(yè)控制系統(tǒng)(尤其是多點(diǎn)現(xiàn)場工業(yè)控制系統(tǒng))設(shè)計(jì)實(shí)踐中，單片機(jī)與PC機(jī)組合構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)便是一個重要的應(yīng)用;主控計(jì)算機(jī)通過485網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督管理下位分機(jī)的運(yùn)行狀況。在以單片機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時控制系統(tǒng)中，通過計(jì)算機(jī)中的RS-232接口進(jìn)行計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的命令和數(shù)據(jù)傳送，就可以利用計(jì)算機(jī)對生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測和控制。本文設(shè)計(jì)是以單片機(jī)AT89C51為控制核心，附以外圍電路，采用反射光耦(1550-01)檢測黑白線，霍爾傳感器(A04E)+磁鋼來實(shí)現(xiàn)智能車行駛的計(jì)程，采用四位共陰LED實(shí)現(xiàn)行駛計(jì)程和時間的交替計(jì)數(shù)顯示。同時還充分利用單片機(jī)的串口、并口資源和運(yùn)算、處理能力，來實(shí)現(xiàn)小車的按軌跡直線行走、按軌跡轉(zhuǎn)彎、計(jì)數(shù)小車行駛的距離，最后停車等智能控制系統(tǒng)。避免了當(dāng)前的電動小汽車基本上只能采取的是基于純硬件電路的一種開環(huán)控制方法，或者是直線行駛，或者是在遙控下做出前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、停車等基本功能。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)是采用PC機(jī)做上位機(jī)和單片機(jī)(作為智能小車的外圍電路的設(shè)計(jì))做下位機(jī)的主從式系統(tǒng)。PC機(jī)控制小車的模擬框圖如圖1所示。利用單片機(jī)的串行口與PC機(jī)的串行口進(jìn)行串行通信，通過設(shè)置PC機(jī)的控制界面(智能小車運(yùn)行的各種控制功能)來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集，并由上位機(jī)不斷發(fā)送握手協(xié)議(通信協(xié)議)信號，直到下位機(jī)回應(yīng)“發(fā)送下一幀”為止。之后上位機(jī)開始發(fā)送正常數(shù)據(jù)。若下位機(jī)反饋“發(fā)送下一幀”信息，則繼續(xù)發(fā)送下一幀;若下位機(jī)反饋“重發(fā)上一幀”，則重發(fā)剛剛發(fā)送過的那一幀數(shù)據(jù);若下位機(jī)反饋“無效地址”，則繼續(xù)發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對遠(yuǎn)程前端單片機(jī)的控制。同時將單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)通過判斷握手協(xié)議(通信協(xié)議)傳送到PC中去，由PC(主)機(jī)同時根據(jù)從從機(jī)接收的過程參數(shù)進(jìn)行判斷處理并給從機(jī)(單片機(jī))發(fā)送各種控制命令。從而實(shí)現(xiàn)PC機(jī)(上位機(jī))對智能小車外圍電路(下位機(jī))的控制。

下位機(jī)設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)芯片來實(shí)現(xiàn)智能車模型的自動尋跡、自動控制等功能，利用反射光耦(1550-01)檢測黑白線來實(shí)現(xiàn);采用霍爾傳感器(A04E)+磁鋼來實(shí)現(xiàn)智能車行駛的計(jì)程;同時采用四位共陰LED實(shí)現(xiàn)行駛計(jì)程和時間的交替計(jì)數(shù)顯示。本文上位機(jī)設(shè)計(jì)采用在Visu al C++環(huán)境中，直接使用Windows提供的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)一個串行通信動態(tài)鏈接庫(DLL)，通過編程工具(VC)設(shè)計(jì)一個與智能小車通信的上位機(jī)控制界面，在上位機(jī)和下位機(jī)之間通過MAX485接口芯片與控制軟件結(jié)合來監(jiān)測。MAX485是半雙工的，可以先檢測/RE和DE的電平，判斷芯片是處于接收信號還是發(fā)送信號，然后再檢測AB的電平，當(dāng)A引腳的電平高于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1;當(dāng)A的電平低于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)(由AT89C51單片機(jī)控制的智能小車)的半雙工串行通信。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)的通信軟件采用AT89C51的匯編語言編寫，單片機(jī)的發(fā)送和接收采用中斷程序。準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)存放在以內(nèi)存50H為首地址的連續(xù)10個單元中。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)芯片AT89C51為核心控制器，通過編寫控制程序(匯編語言)來控制小車的正常行駛、左右轉(zhuǎn)彎、后退行駛、停止行駛、檢測金屬、計(jì)程、行駛時間、告警和上位機(jī)與下位機(jī)的通信等。

2.1 系統(tǒng)的下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

2.1.1 控制主程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)主程序圖如圖2所示。控制主程序是通過中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)的，采用外部中斷0、外部中斷1和T0中斷來實(shí)現(xiàn)主程序的控制，使各中斷子程序交替運(yùn)行，顯示不會產(chǎn)生干擾，且能在顯示部分交替進(jìn)行顯示。

2.1.2 小車行駛程序設(shè)計(jì)

小車行駛流程圖如圖3所示。小車行駛控制程序啟動后程序進(jìn)入5S的倒計(jì)時狀態(tài)，并開啟四位數(shù)碼顯示工作;5S倒計(jì)時結(jié)束后程序開始運(yùn)行黑帶檢測程序，由通過光電傳感器(1550-01)檢測到通過LM324放大電路放大的信號輸入來判斷小車是否正常行駛，若否，則由相應(yīng)的程序來控制小車的左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)來達(dá)到正常行駛;當(dāng)傳感器檢測到停止線時小車立即停止。

2.1.3 時間計(jì)數(shù)程序設(shè)計(jì)

時間計(jì)數(shù)子程序圖如圖4所示。小車行駛的時間長短需要通過時間計(jì)數(shù)程序來控制。時間計(jì)數(shù)程序通過累加器每秒鐘計(jì)數(shù)一次來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能，并由十進(jìn)制調(diào)整指令(DA A)來進(jìn)行個位轉(zhuǎn)換為十位的功能，同時特定的檢測控制指令(CJNEA.#59H.JJX1)來判斷是否達(dá)59S，若否，則進(jìn)行高低位分別存儲并送顯示部分顯示;若是，則分位加1秒位清0并送顯示部分顯示。

2.1.4 行駛距離記錄程序設(shè)計(jì)

距離中斷子程序圖如圖5所示。小車行駛距離的記錄通過霍爾傳感器來檢測小車車輪行駛轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，并通過中斷服務(wù)子程序來進(jìn)行換算成相應(yīng)的十進(jìn)制的(距離)數(shù)據(jù)，再特殊的換算控制指令：

MOV B，#100 MOV A，B MOV A，#1

MOV B，#100 MOV B，#10 MUL AB

DIV AB DIV AB MOV 3CH，A

MOV 3EH，A MOV 3DH，A MOV A，3EH

來進(jìn)行換存儲，同時送到顯示部分進(jìn)行顯示。

2.1.5 下位機(jī)查詢、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)時一定要注意單片機(jī)與PC之間應(yīng)該遵守相同的協(xié)議，其主要包括波特率、傳輸幀格式、校驗(yàn)位等。除些之外，如果要實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)的通信，PC機(jī)還應(yīng)該向單片機(jī)發(fā)送欲尋單片機(jī)的編碼，而單片機(jī)中要編寫地址識別程序段。本文的通信協(xié)議約定如下：1)波特率：1200B/S;2)幀格式：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn);3)傳送方式：PC機(jī)采用查詢方式收發(fā)數(shù)據(jù)，51單片機(jī)用中斷方式接收數(shù)據(jù)，查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù);4)數(shù)據(jù)長度：1字節(jié);校驗(yàn)方式：累加和校驗(yàn);握手方式：軟件握手。

下位機(jī)通信程序流程圖如圖6所示。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個簡單的通信過程，它是由上位機(jī)控制下位機(jī)(智能小車)運(yùn)行，即由上位機(jī)發(fā)送不同的通信信號協(xié)議代碼(如表1所示)，下位機(jī)接收到相對應(yīng)運(yùn)行通信信號協(xié)議代碼后下位機(jī)程序執(zhí)行相對應(yīng)的運(yùn)行程。

2.2 系統(tǒng)的上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)通信部分控制的上位機(jī)軟件采用VisualC++(簡稱VC)編程，上位機(jī)設(shè)計(jì)需要提供一個控制界面，再通過簡稱VC編程，而使用VC具有強(qiáng)大功能的通信控件MSCOMM，該控件可對串口狀態(tài)及串口通信的信息格式和協(xié)議進(jìn)行設(shè)置，直接利用PC機(jī)的串口發(fā)送數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的可靠通信，須保證雙方具有相同的數(shù)據(jù)格式和波特率。而上位機(jī)與下位機(jī)通過協(xié)定的特定通信協(xié)議進(jìn)行通信。

3 結(jié)論

計(jì)算機(jī)控制智能小車，本文在軟件方面基本能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，能夠從起點(diǎn)沿引導(dǎo)線行駛到終點(diǎn)，并在到達(dá)終點(diǎn)時能夠自動停止行駛;在行駛的過程中能檢測到鐵片且發(fā)出聲光提示，然后繼續(xù)行駛;同時能實(shí)時交替顯示檢測到鐵片的個數(shù)、行駛的距離和行駛時間;且在停車時能交替顯示總程檢測到鐵片的個數(shù)、行駛的距離和行駛時間。本設(shè)計(jì)的擴(kuò)展部分有：下位機(jī)可設(shè)置相應(yīng)的控制開關(guān)來控制小車行駛的周期、時間長短、行駛距離和小車行駛轉(zhuǎn)彎的角度等;上位機(jī)部分可設(shè)置時間顯示、檢測到鐵片的個數(shù)、行駛的距離和行駛時間等的控制顯示界面窗口。