基于AT89C51的智能型小車設(shè)計(jì)

摘要 設(shè)計(jì)采用AT89C51作為智能型小車的控制中心，通過尋跡電路檢測(cè)路面標(biāo)識(shí)，使小車按預(yù)定軌道行駛，通過角度控制單元檢測(cè)小車平衡情況，控制小車驅(qū)動(dòng)電路的工作狀態(tài)，使其達(dá)到平衡，再通過相關(guān)硬件的軟件設(shè)計(jì)控制，實(shí)現(xiàn)智能化。
關(guān)鍵詞 AT89C51；傳感器；檢測(cè)控制；智能小車

1 智能型小車設(shè)計(jì)方案
    根據(jù)設(shè)計(jì)的基本要求，主要實(shí)現(xiàn)小車在規(guī)定時(shí)間內(nèi)按規(guī)定路徑穩(wěn)定行駛，并具有保持平衡功能，同時(shí)對(duì)行程中的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示。為完成相應(yīng)功能，可劃分以下幾個(gè)基本系統(tǒng)：AT89C51控制系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、平衡狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)、尋跡線探測(cè)系統(tǒng)以及信息顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1．1 AT89C51控制系統(tǒng)
    控制系統(tǒng)采用Atmel公司的AT89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心，如圖2所示。

    脈沖信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生，一般脈沖信號(hào)的占空比為0．3～0．4，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。信號(hào)分配實(shí)際上是按照某一種控制方式所規(guī)定的順序發(fā)送脈沖序列，達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)方向的目的。
    AT89C51是一種帶4 kB閃存、可編程、可擦除、只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器。它由一個(gè)8位中央處理器(CPU)、一個(gè)256 B片內(nèi)RAM及4 kB Flash ROM、21個(gè)特殊功能寄存器、4個(gè)8位并行I／O口、兩個(gè)16位定日寸／計(jì)數(shù)器、一個(gè)串行I／O口以及中斷系統(tǒng)等部分組成，各功能部件通過片內(nèi)單一總線聯(lián)成一個(gè)整體，集成在單一芯片之上，如圖3所示。

    AT89C51的端口結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

1．2 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
    采用直流減速電機(jī)，直流減速電機(jī)是在一般的直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，加上配套的齒輪減速箱所組成的。其作用是提供較低的轉(zhuǎn)速，取得最大轉(zhuǎn)矩。另外，不同的齒輪箱減速比也可提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩，就因齒輪箱的增速增矩特點(diǎn)，較大的提高了直流電機(jī)在自動(dòng)化職業(yè)中的運(yùn)用率。
    減速電機(jī)是減速機(jī)和電機(jī)的集成體，該種集成體通?？煞Q為齒輪電機(jī)。而減速電機(jī)一般是由專業(yè)的減速電機(jī)生產(chǎn)廠進(jìn)行集成拼裝后成套供貨。減速電機(jī)的運(yùn)用，相比其他的驅(qū)動(dòng)件，最大的長處是簡(jiǎn)化描繪，節(jié)約空間。減速電機(jī)的特點(diǎn)主要有：(1)減速電機(jī)是傳動(dòng)行業(yè)的技術(shù)結(jié)晶，具有較高的科技含量；(2)新式齒輪減速電機(jī)節(jié)約空間，牢靠經(jīng)用，可承受一定的過載能力，功率可滿足客戶需求；(3)新式齒輪減速電機(jī)能耗低、性能優(yōu)越、電機(jī)振蕩小、噪音低、節(jié)能高且選用優(yōu)質(zhì)鍛鋼資料；(4)顛末精細(xì)加工，包管定位精度，便構(gòu)成了齒輪傳動(dòng)總成的齒輪減速電機(jī)裝備了各類電機(jī)，形成了機(jī)電一體化，徹底包管了產(chǎn)物的運(yùn)用質(zhì)量特征；(6)減速電機(jī)采用了系列化、模塊化的設(shè)計(jì)，具有廣泛的適應(yīng)性。同時(shí)可組合其他多種電機(jī)、裝置方位和布局計(jì)劃，并可按實(shí)際需求挑選任意轉(zhuǎn)速和各種布局方式。
1．3 平衡狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)
    采用角度傳感器，該集成芯片為專用的水平傾角測(cè)量芯片，其體積小、靈敏度高，并具有簡(jiǎn)單、可靠的工作性能等優(yōu)點(diǎn)，可高度滿足平衡度角的精確要求。
1．4 尋跡線探測(cè)系統(tǒng)
    基于是探測(cè)路面黑色尋跡線的原理：光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接受到反射光強(qiáng)弱由傳感器產(chǎn)生高低電平并最終通過單片機(jī)判斷是否到達(dá)黑線偏離跑道。文中采用集成斷續(xù)式光電開關(guān)探測(cè)器，其具有集成度高、工作性能可靠的優(yōu)點(diǎn)，只須調(diào)節(jié)探頭上的一個(gè)旋鈕即可控制探頭的靈敏度。此種探頭還能有效防止普通光源的干擾。
1．5 信息顯示系統(tǒng)
    顯示模塊采用6位LED7段共陰數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。由AT89C51單片機(jī)產(chǎn)生的段選信號(hào)從P0輸出，經(jīng)大約1 kΩ的上拉排阻驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，位選信號(hào)從P2口輸出直接送數(shù)碼管顯示。同時(shí)采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示方式，使硬件電路更為簡(jiǎn)單，顯示信息更加清晰。
1．6 電源選擇
    采用雙電源供電，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源采用5節(jié)干電池，單片機(jī)及其外圍電路電源采用5 V電池供電，兩路電源完全分開，這樣雖然不如單電源方便靈活，但可以將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)
2．1 尋跡線探測(cè)電路
    采用型號(hào)為E3F-DS30C4集成斷續(xù)式光電開關(guān)探測(cè)器，該探頭輸出端有3根線(電源線、地線、信號(hào)線)，只需將信號(hào)線接至單片機(jī)的I／O口，再不停地對(duì)該I／O口進(jìn)行掃描檢測(cè)，當(dāng)其為高電平時(shí)則檢測(cè)到白紙，當(dāng)為低電平時(shí)則檢測(cè)到黑線區(qū)域。小車前進(jìn)時(shí)，始終保持黑線在車頭兩個(gè)傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，探測(cè)器一旦探測(cè)到有黑線，單片機(jī)便會(huì)按照預(yù)先編定的程序發(fā)送指令給小車的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再對(duì)小車路徑予以糾正。當(dāng)小車回到了軌道時(shí)，車頭兩個(gè)探測(cè)器均會(huì)檢測(cè)到白紙，則小車?yán)^續(xù)直線行走，否則小車會(huì)持續(xù)進(jìn)行方向調(diào)整操作，直至恢復(fù)正常。
2．2 平衡狀態(tài)檢測(cè)電路
    在平衡檢測(cè)電路中，運(yùn)用了高精度角度傳感器，此傳感器通過對(duì)自身偏離水平角度的測(cè)量，對(duì)應(yīng)線性輸出一定范圍內(nèi)的電壓值。采用動(dòng)態(tài)尋找平衡的方式，用分壓電路和電壓比較器制作信號(hào)電路，根據(jù)信號(hào)端的變化控制小車，使角度傳感器的電壓輸出保持在2．45～2．55 V，經(jīng)測(cè)試，該電路滿足要求。
2．3 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
    驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直接采用ULN2003芯片。由單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖序列和方向控制信號(hào)從P3.0～P3.3口輸出，并直接送入U(xiǎn)LN2003芯片進(jìn)行功率放大，達(dá)到步進(jìn)電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)電流和電壓，以此驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。

3 軟件設(shè)計(jì)
    當(dāng)開機(jī)時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位，并判斷工作模式，當(dāng)選定工作模式1或2后，系統(tǒng)等待5 s，隨后進(jìn)入自動(dòng)計(jì)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。
    模式1 為電動(dòng)車運(yùn)行及方向調(diào)整程序，使電動(dòng)車按預(yù)定路線運(yùn)行，且在小車偏離軌道后自動(dòng)調(diào)整走向使小車自動(dòng)返回預(yù)定路線，并控制LCD實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行時(shí)間。模式2為平衡檢測(cè)及平衡保持程序，在此程序控制下小車自動(dòng)尋找平衡點(diǎn)，并在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行正向或反向運(yùn)行，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，具體流程如圖5所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試
    在平衡板自由的狀態(tài)下往返一次全程的時(shí)間，如表1所示。平衡板在自由狀態(tài)下小車載重物100 g保持平衡測(cè)試，如表2所示。平衡板在水平狀態(tài)時(shí)，往返一次全程的時(shí)間，如表3所示。壓線定位測(cè)試，如表4所示。

    由測(cè)試分析可看出：基于AT89C51最小系統(tǒng)的小車檢測(cè)和控制系統(tǒng)，通過紅外發(fā)射接收一體探頭檢測(cè)路面黑色尋跡線，使小車按預(yù)定軌道行駛，根據(jù)角度傳感器檢測(cè)平衡板的平衡狀態(tài)控制小車，使其在平衡板上達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)了智能控制。