基于紅外反射式智能循跡遙控小車系統(tǒng)設(shè)計

摘要：介紹了一種采用STC89C52、L298N和TCRT5000設(shè)計的智能循跡和紅外遙控的小車。智能循跡采用紅外傳感器檢測路面信息，傳遞給單片機(jī)自動分析處理，最后控制電機(jī)調(diào)節(jié)小車按預(yù)定軌道平穩(wěn)行駛。紅外遙控部分是手動模式，單片機(jī)解碼遙控器發(fā)出的指令，控制電機(jī)操縱小車。液晶顯示模塊使操作更加簡單、智能、人性化。實踐表明，小車能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)沿黑線軌道平穩(wěn)行駛和接收遙控器指令。

隨著城鎮(zhèn)化，軌道交通及智慧城市的深入推進(jìn)，關(guān)于智能汽車的研究也就越來越受到各國政府的關(guān)注。全國電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目。全國各高校也都很重視該領(lǐng)域的研究。智能小車是指可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一定的環(huán)境里自動行駛。它集中地運用了微控制器、傳感器信息處理及自動控制等技術(shù)?？蓮V泛應(yīng)用于科學(xué)勘探，工業(yè)控制和家用電器等領(lǐng)域。

1 硬件電路設(shè)計

1.1 整體設(shè)計

智能小車的整體結(jié)構(gòu)由光敏傳感器模塊TCRT5000、微處理器模塊STC89C52、紅外遙控HX1838、輸出驅(qū)動模塊L298N、液晶1602顯示模塊及串口下載模塊構(gòu)成如圖1所示。

智能循跡部分是基于紅外反射式光電傳感器的尋跡原理，采用STC89C52單片機(jī)為核心控制單元，控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)小車按預(yù)定軌道平穩(wěn)行駛。紅外遙控部分是手動模式，單片機(jī)解碼遙控器發(fā)出的指令，通過步進(jìn)電機(jī)控制小車行進(jìn)路線。

1.2 傳感器模塊設(shè)計

TCRT5000傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來或反射回來但強(qiáng)度不夠大時，光敏三極管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，比較器負(fù)端相當(dāng)于接地，比較器輸出端為高電平，指示二極管被點亮;被檢測物體出現(xiàn)在檢測范圍內(nèi)時，紅外線反射回來且強(qiáng)度足夠大，光敏三極管飽和，比較器負(fù)端為高電平，比較器輸出端為低電平，指示二極管一直處于熄滅狀態(tài)。傳感器模塊電路如圖2所示。

圖2中，采用了4個CTRT5000傳感器，運放LM423做比較器處理傳感器采集到的路面信息，并傳遞給單片機(jī)?？烧{(diào)電阻RV2可以調(diào)節(jié)比較器的門限電壓，使輸出波形可以直接夠單片機(jī)查詢使用。

智能小車傳感器的布局方式有多種，這里采用一字型非均勻?qū)ΨQ布局。均勻排布型不利于對彎道信息采集的準(zhǔn)確性?？紤]到弧度信息采集的連貫性，非均勻排布采用等角原則，即在直線垂直上方處某點等角的引射線與直線的交點即傳感器的分布點，此種方法檢測連貫簡單，程序控制算法簡單，使小車控制穩(wěn)定。

1.3 處理器模塊設(shè)計

微處理器完成對各個模塊的管理，實現(xiàn)對外圍模塊的信號發(fā)送，以及對傳感器模塊的信號采集，并根據(jù)軟件算法對所采集的信號進(jìn)行處理，發(fā)送信號給步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行模塊進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行，還對各種突發(fā)事件進(jìn)行監(jiān)控和處理，保證整個系統(tǒng)的正常運作。這里采用STC89C52。該單片機(jī)是兼容8051內(nèi)核的低電壓。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器。具有8k在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash 512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應(yīng)用可編程)，無需專用編程器，如圖3所示。

單片機(jī)P3.3引腳負(fù)責(zé)接收紅外遙控HX1383指令，選擇工作模式(智能循跡模式或手動模式)，P1.0～P1.3引腳采集傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)處理后由P0口輸出到液晶屏1602顯示。由于P0口內(nèi)無上拉電阻，需在外面接上拉電阻。P3.4～P3.7引腳傳遞指令給電機(jī)驅(qū)動模塊，控制小車運行軌跡。

1.4 電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計

為提高系統(tǒng)效率、降低功耗，功放驅(qū)動電路采用基于雙極型H橋型脈寬調(diào)制方式(PWM)的集成電路L298N。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含二個H橋的高電壓大電流橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46伏、2安培以下的電機(jī)，工作溫度范圍從-25度到130度。EnA和EnB是控制使能端，EnA控制OUT1和OUT2之間電機(jī)的停轉(zhuǎn)，由EnB控制OUT3和OUT4之間電機(jī)的停轉(zhuǎn)，根據(jù)IN3、IN4腳的輸入電平情況控制OUT3和OUT4之間電機(jī)的轉(zhuǎn)向。表1是其使能引腳，輸入引腳和輸出引腳之間的邏輯關(guān)系。

電機(jī)驅(qū)動模塊電路如圖4所示。

在硬件電路的連接上，單片機(jī)的P3.7～P3.4引腳分別接到L298N的IN1～I(xiàn)N4上，通過改變P3.7～P3.4引腳上的高低電平以控制小車的行進(jìn)軌跡，通過改變P3.7～P3.4引腳上的高低電平占空比以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。EnA和EnB接電源，使使能端有效。為保證L298N驅(qū)動芯片正常工作，還要在其與直流電機(jī)之間加入四對續(xù)流二極管用以將電機(jī)中反向電動勢產(chǎn)生的電流分流到地或電源正極，以免反向電動勢對L298N產(chǎn)生損害。電容C0和C7是濾波電容，減少外界干擾，使電機(jī)穩(wěn)定工作。C4和C5是電源退耦電容。

1.5 顯示模塊和串口模塊設(shè)計

顯示模塊由液晶1602承擔(dān)，與單片機(jī)P0口相連。

串聯(lián)模塊采用芯片MAX232，把PC機(jī)程序數(shù)據(jù)下載到單片機(jī)中，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

2 軟件設(shè)計

2.1 功能及算法分析

根據(jù)液晶屏顯示信息，選擇智能循跡模式，還是手動操作模式。若選擇智能循跡模式，單片機(jī)自動處理傳感器傳送的路面識別信號，控制小車的行走狀態(tài)。手動模式由紅外遙控器控制。小車系統(tǒng)的軟件使用C51編程。

根據(jù)傳感器的電平信息進(jìn)行編碼，單片機(jī)根據(jù)編碼可將小車運行狀態(tài)分為3種情況，見表2。控制電機(jī)的電平信號由單片機(jī)P3口高四位輸出到L298N，進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動控制。

手動模式小車運行狀態(tài)見表3。

2.2 系統(tǒng)程序設(shè)計

系統(tǒng)的程序由延時程序、電機(jī)動作控制程序、傳感器掃描程序和主程序構(gòu)成，篇幅限制，需要程序可發(fā)郵件。程序流程圖如圖5所示。

3 結(jié)束語

論文采用STC89C52、L298N和TCRT5000實現(xiàn)了智能循跡和紅外遙控小車的設(shè)計。以紅外反射式光電傳感器的尋跡原理，采用STC89C52單片機(jī)為核心控制單元，控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)小車按預(yù)定軌道平穩(wěn)行駛。實踐表明，該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，電路結(jié)構(gòu)簡單，能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)小車沿給定的黑線快速平穩(wěn)行駛和手動遙控操作。顯示模塊的設(shè)計，操作更加簡單、智能、人性化。