基于STC89C52單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì)

 0 引言

自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以來，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國防、探索等領(lǐng)域。近年來機(jī)器人的智能水平不斷提高，并迅速改變著人們的生活方式。人們在不斷探索、改造、認(rèn)識自然的過程中，制造能代替人勞動(dòng)的機(jī)器人，一直是人類的夢想。智能小車，也就是輪式機(jī)器人，最適合在那些人類無法工作的環(huán)境中工作，該技術(shù)可應(yīng)用于無人駕駛機(jī)動(dòng)車、無人生產(chǎn)線、倉庫等領(lǐng)域。小車也可以作為玩具的發(fā)展對象，為中國玩具市場技術(shù)含量的缺乏進(jìn)行一定的彌補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益，形成商業(yè)價(jià)值。

本設(shè)計(jì)完成以由單片機(jī)最小系統(tǒng)、紅外遙控、智能尋跡、自動(dòng)避障以及液晶顯示組成的硬件模塊，結(jié)合軟件設(shè)計(jì)組成多功能智能小車，共同實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、倒退、轉(zhuǎn)向行駛，根據(jù)地面黑線智能尋跡，檢測障礙物后轉(zhuǎn)向等功能，實(shí)現(xiàn)智能控制。

1 智能小車硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小車的硬件系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、尋跡系統(tǒng)、避障系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成。

1.1 控制系統(tǒng)

選用具有內(nèi)部看門狗的宏晶系列STC89C52RC單片機(jī)作為核心控制器件，最小系統(tǒng)包括單片機(jī)、MAX232串口通信電路、復(fù)位電路、上拉電阻和晶振電路(晶振為12MHz)。

1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

本小車采用四輪驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制由L298N來實(shí)現(xiàn)。L298N內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的2個(gè)電機(jī)。由L298N構(gòu)成的PWM功率放大器的工作形式為單極可逆模式，2個(gè)H橋的下側(cè)橋晶體管發(fā)射極連在一起。根據(jù)L298N的輸入輸出關(guān)系，使控制端ENA接高電平時(shí)，通過PWM信號輸入端IN1和IN2可以控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)(輸入端IN1為PWM信號，輸入端IN2為低電平，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn);輸入端IN2為PWM信號，輸入端IN1為低電平，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn));當(dāng)控制端ENA為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋路上的4個(gè)晶體管全部截止，使正在運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)電樞電流反向，電動(dòng)機(jī)停止。

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由單片機(jī)調(diào)節(jié)PWM信號的占空比來實(shí)現(xiàn)。PWM即脈沖寬度調(diào)制，它是指將輸出信號的基本周期固定，通過調(diào)整基本周期內(nèi)工作周期的大小來控制輸出功率的方法。占空比是指高電平持續(xù)時(shí)間在一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)的百分比。控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，占空比越大，速度越快，如果全為高電平，占空比為100%，速度達(dá)到最快。

1.3 遙控系統(tǒng)

紅外遙控系統(tǒng)主要由遙控發(fā)射器、紅外接收器兩部分組成。紅外遙控器產(chǎn)生遙控編碼脈沖，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管輸出紅外遙控信號，遙控接收器接收發(fā)射器發(fā)出的紅外信號，并完成對信號的放大、檢波、整形、解調(diào)出遙控編碼脈沖，輸入到單片機(jī)，完成對遙控指令解碼，并執(zhí)行相應(yīng)的遙控功能。如圖3，接收器選用VS1838B，out是解調(diào)信號輸出端，直接與單片機(jī)相連。利用紅外遙控可代替手動(dòng)開關(guān)控制小車的啟動(dòng)、停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、后退等功能。

1.4 尋跡系統(tǒng)

在智能車系統(tǒng)中，紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線，當(dāng)紅外線照射到白色地面時(shí)會(huì)有較大的反射，紅外接收管接收到反射回的紅外線強(qiáng)度就較大;如果紅外線照射到黑色標(biāo)志線，黑色標(biāo)志線會(huì)吸收大部分紅外光，紅外接收管接收到的紅外線強(qiáng)度就很弱。這樣，利用紅外光電傳感器檢測智能車行駛道路上的黑色標(biāo)志線，就可以實(shí)現(xiàn)智能車的智能尋跡。本智能小車探測的傳感器選用TCRT5000反射紅外傳感器，該傳感器封裝形狀規(guī)則，便于安裝。如圖4，在使用約40mA的發(fā)射電流，沒有強(qiáng)烈日光干擾(在有日光燈的房間里)探測距離能達(dá)8cm，完全能滿足探測距離要求。這是一種自帶發(fā)光二極管和光敏三極管的器件，當(dāng)檢測到黑線時(shí)，由于反射率不高，三極管截止而輸出高電平。當(dāng)檢測到白色地面時(shí)，由于反射率較高，三極管飽和而輸出低電平，從而實(shí)現(xiàn)了黑線的檢測。

1.5 避障系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用超聲波測距。超聲波頻率高、波長短、定向性好、能量集中，適合于距離測量，且不易受光線干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性，另外，還可以對障礙物的位置進(jìn)行定位。通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在傳播途中碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波立即停止計(jì)時(shí)，根據(jù)時(shí)間差就可以知道距離了，這就是時(shí)間測距法(超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s，即：s=340t/2)。超聲波傳感器為非接觸式傳感器，HC-SR04傳感器測量距離為2～400cm，測量精度為3mm。避障系統(tǒng)包括：超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。

1.6 顯示系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用1602液晶顯示，也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊，它有若干個(gè)5×7或者5×11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。它具有功耗低、壽命長、顯示內(nèi)容多的特點(diǎn)，可以直接接單片機(jī)數(shù)據(jù)端使用。

1.7 小車供電系統(tǒng)

小車供電系統(tǒng)有兩路：一路是VSS直流減速電機(jī)供電電源，由兩塊3.7V電壓1200mAh容量的手機(jī)鋰電池串聯(lián)而成，電壓在7.4V左右;另一路是VCC電路板供電電源，由VSS電源經(jīng)穩(wěn)壓芯片7805輸出5V的電壓，為傳感器和控制板供電。

2 智能小車軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中的應(yīng)用軟件包括：硬件電路設(shè)計(jì)軟件、程序設(shè)計(jì)軟件和服務(wù)軟件。

本設(shè)計(jì)使用Protel 99SE軟件，繪制原理圖，并生成PCB電路板，完成硬件電路軟件設(shè)計(jì);采用混合編程的方法，即高級語言C編寫主程序，用匯編編寫硬件有關(guān)的程序，編寫源程序，并生成hex格式文件，完成程序軟件設(shè)計(jì)，程序流程圖如圖6所示;還使用了STC-ISP-V4.83程序燒錄軟件和USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)軟件等服務(wù)軟件。

3 結(jié)論

智能小車，行駛的不是凝固的軌跡，而是踐行著流動(dòng)的思想。所謂智能就是將思想賦予機(jī)器，使之完成既定的任務(wù)。本次設(shè)計(jì)智能小車實(shí)現(xiàn)了如下功能：智能小車按下電源開關(guān)，1602液晶顯示“zhineng che”并停在原地，然后可以在遙控的控制下進(jìn)行前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、剎停等運(yùn)轉(zhuǎn)，并且可以進(jìn)行尋跡模式和避障模式的切換。尋跡模式下小車可以在做好的跑道上，沿紅外線傳感器感應(yīng)到1.5cm寬的黑色引導(dǎo)線，沿線前進(jìn)并轉(zhuǎn)彎，并在終點(diǎn)線停止前進(jìn)。在避障模式下小車可以經(jīng)過超聲波傳感器測量出障礙物距離，并在10cm處做出反應(yīng)，左轉(zhuǎn)躲避障礙物。