朱梅梅

摘要：本項目以增強型51芯片STC12C5A60S2為主控芯片，配合直流電機，灰度傳感器，紅外接近開關(guān)等器件構(gòu)成智能小車。該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)PWM波的輸出可實現(xiàn)小車的前進，后退，轉(zhuǎn)向，加速，減速等操作，可精準地完成小車沿邊界線行走，在標志線處轉(zhuǎn)彎和在超速區(qū)加速等功能。

關(guān)鍵詞：主控芯片；智能小車；邊界線行走；標志線處轉(zhuǎn)彎；超速區(qū)加速

中圖分類號：TP313文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)21-5192-04

Design and Implementation of the Smart Car

ZHU Mei-mei

(Jiangsu Vocational and Technical College of Finance & Economics,Huaian 223003,China)

Abstract: This project enhanced 51-chip STC12C5A60S2 constitute a Smart car for the main chip, with the DC motor, gray-scale sen sors, infrared proximity switches and other devices. The system adjusts the PWM wave output can be realized the car forward, backward, turning, acceleration, deceleration operation, the car along the border boundary can be accurately completed to walk in the flag line at the turn and accelerate in the speeding District functions.

Key words: master chip; smart car; boundary line to walk; flag line at the turn; speeding district acceleration

1系統(tǒng)方案與論證

本系統(tǒng)主要由微控制器模塊，電機模塊，電機驅(qū)動模塊，電源模塊，邊界檢測模塊和標志檢測模塊組成。為了更好地實現(xiàn)各模塊的功能，分別設(shè)計了幾種方案并進行了論證。

1.1微控制器的論證與選擇

方案一：采用可編程邏輯器件FPGA作為微控制器，F(xiàn)PGA可以實現(xiàn)各種復雜的功能，規(guī)模大，密度高，體積小，穩(wěn)定性高，IO資源豐富，易于進行功能擴展。FPGA處理速度很快，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心，但本系統(tǒng)不需要復雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高，考慮性價比因素，最終放棄了此因素。

方案二：采用STC公司STC12C5A60S2單片機作為主控制器，STC12C5A60S2是高速，低功耗，高性能的增強型51單片機，片內(nèi)含60K的flash，1280B的SRAM，帶有片內(nèi)AD，獨立的波特率發(fā)生器以及PCA定時器可方便地產(chǎn)生PWM波。

綜合考慮采用方案二。

1.2電機模塊的論證與選擇

方案一：采用步進電機，步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為不連續(xù)的機械運動的機電裝置，電機旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)，故步進電機具有快速啟停的能力，轉(zhuǎn)動精度高，正反轉(zhuǎn)控制靈活。

方案二：采用普通的直流電機，直流電機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，過載能力強，能承受頻繁的沖擊過載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動，制動和反轉(zhuǎn)。直流電機更易于購買，并且電路相對簡單。

綜合考慮采用方案二。

1.3電機驅(qū)動模塊的論證與選擇

方案一：用分立元件構(gòu)成驅(qū)動電路，分立元件夠成驅(qū)動電路，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，在實際中應(yīng)用廣泛，但這種電路性能不夠穩(wěn)定。

方案二：采用專用芯片L298N作為電機驅(qū)動芯片，L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端，用該芯片作為電機驅(qū)動，操作簡便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。

綜合考慮采用方案二。

1.4電源模塊的論證與選擇

方案一：采用蓄電池供電，蓄電池具有較強的電流驅(qū)動能力，以及穩(wěn)定的電壓輸出性能，但是蓄電池體積過于強大，在小型電動車上使用極為不方便。

方案二：采用可充電鎳氫電池，直接對電機供電，通過7805轉(zhuǎn)換成+5V后給單片機供電，此種電池工作后單片機和傳感器工作穩(wěn)定，直流電機不受影響，且電池體積小，能夠滿足系統(tǒng)的要求。

綜合考慮采用方案二。

1.5邊界檢測模塊的論證與選擇

方案一：根據(jù)題目要求，小車場地高出了地面，為了防止小車掉離場地，需要對場地邊界進行檢測。由于場地邊界由黑膠帶圍繞，可以用灰度傳感器檢測邊界?；叶葌鞲衅鞲鶕?jù)不同顏色對光的反射強度不一樣來判斷木板與黑膠帶的區(qū)別。

方案二：采用紅外接近開關(guān)來檢測邊界，紅外接近開關(guān)對目標物發(fā)出紅外光，當目標物在一定距離之內(nèi)時，接近開關(guān)才有感知，輸出信號，否則接近開關(guān)沒有信號輸出，從而達到開關(guān)的功能，用紅外接近開關(guān)可以有效地檢測處高出地面的邊界，使用方便。

綜合考慮采用方案二。

1.6標志檢測模塊的論證與選擇

方案一：根據(jù)題意，在起始點，終點，轉(zhuǎn)彎處都貼有黑膠帶提醒小車轉(zhuǎn)彎或加速，灰度傳感器根據(jù)不同顏色對光的反射強度不一樣來判斷木板與黑膠帶的區(qū)別，所以灰度傳感器對檢測黑膠帶最為合適，采用此方案。

綜上所述：本作品選用STC12C5A60S2作為主控制芯片，選用L298N來驅(qū)動直流電機，邊界檢測和標志檢測采用紅外接近開關(guān)和灰度傳感器來實現(xiàn)，兩車之間通過NRF24L01無線通信模塊進行通信，整個系統(tǒng)用可充電鎳氫電池來供電。

2硬件設(shè)計

2.1系統(tǒng)總體框圖

圖1系統(tǒng)總體框圖

2.2主控制器電路的設(shè)計

2.2.1主控制器最小系統(tǒng)圖

2.2.2 STC12C5A60S2單片機簡介

STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S，即25萬次/秒)，針對電機控制，抗干擾場合。

2.2.3 STC12C5A60S2單片機的主要性能

1）增強型8051CPU，1T，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；

2）用戶應(yīng)用程序空間為60K，片上集成1280字節(jié)的RAM；

3）看門狗；

4）共4個16位定時器，兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數(shù)器,16位定時器T0和T1，沒有定時器2，但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器,再加上2路PCA模塊可再實現(xiàn)2個16位定時器；

5）PWM(2路)/PCA（可編程計數(shù)器陣列,2路），可用來當2路D/A使用，也可用來再實現(xiàn)2個定時器，也可用來再實現(xiàn)2個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時支持)；

6）A/D轉(zhuǎn)換,10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達250K/S(每秒鐘25萬次)；

2.3電機驅(qū)動電路的設(shè)計

2.3.1電機驅(qū)動電路原理圖

圖3電機驅(qū)動原理圖

2.3.2 L298N介紹及電路工作原理

L298N是專門用來驅(qū)動電機的芯片，內(nèi)部集成了一個H橋電路和保護電路，連接時第1、29、30腳必須通過10K電阻接地。第8腳必須接地。11、12或27、18任意接一組電源就可以。在連接、測試時千萬不要用手去接觸MMC的任何引腳，否則輸出不了信號。一旦過流保護被啟動，芯片必須重新上電后才可恢復正常工作，如果用手去碰MMC的第1、29、30腳則過流保護立即啟動。

3軟件設(shè)計

3.1主程序設(shè)計

單片機復位后，首先開始初始化工作，初始化定時器1以產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘，初始化PCA定時器，以產(chǎn)生PWM波，初始化片內(nèi)ADC，以便傳感器采集數(shù)據(jù)。小車的行駛區(qū)域分為兩種：非超車區(qū)和超車區(qū)，小車的身份又分為：超車和被超車。系統(tǒng)主程序框圖如圖4所示：

主程序代碼如下：

void SystemInit()

{jiffies=0;delay_time=0;

oflag=0;lcount=0;

time1_init();//定時器1初始化

ADC_init(ADC0|ADC1|ADC2|

ADC5|ADC6|ADC7); //片內(nèi)ADC初始化

pwm_init();//PCA定時器初始化}

void APP_fun()

{Fcar=0;Scar=!Fcar;

Dir=RIGHT;

while(1)

{ triside(200);//非超速區(qū)處理函數(shù)

Overtake(200);//超速區(qū)處理函數(shù)

Scar=!Fcar;//切換小車身份

Dir=RIGHT;oflag=0;}}

void main()

{SystemInit();APP_fun(); }

3.2非超車區(qū)程序設(shè)計

由于小車初始位于非超車區(qū)，我們需要小車在非超車區(qū)內(nèi)實現(xiàn)正常行駛和轉(zhuǎn)速的功能，并且通過計算遇到的黑線數(shù)目實時監(jiān)測小車是否已經(jīng)進入超車區(qū)。

非超車區(qū)代碼如下：

void triside(uchar speed)

{lcount=0;

while(!isOvertake()//檢測是否到達超車區(qū)

{while(!isLine())//檢測是否有黑線

{RelySw(Dir,speed);}

while(isLine());lcount=lcount<<1 | 0x01; }/遇到的總黑線條數(shù)加1

lcount=0;}

3.3超車區(qū)程序設(shè)計

在超車區(qū)每個小車輪流扮演兩種角色：超車和被超車。超車在檢測到超車區(qū)標記后左轉(zhuǎn)進入超車區(qū)，然后向前走一條反射線后出超車區(qū)。被超車檢測到超車區(qū)標記后先左轉(zhuǎn)，然后減速沿邊界向前走，直至離開超車區(qū)。

超車區(qū)代碼如下：

void Overtake(uchar speed)

{

if(Fcar) //被超車

{curr=jiffies;

while(curr+550>jiffies)

{RelySw(RIGHT,speed); }//沿右邊轉(zhuǎn)

while(!isLine())

RelySw(RIGHT,speed/3);//沿右邊減速行駛

Fcar=0;

return ;}

else //超車

{ InOvertake(speed);//轉(zhuǎn)彎

GoForward(speed); //直走

while(!isEdge_L())

是否到達左邊邊界

GoForward(speed);

while(!isEdge_R())

//檢測到黑虛線

RelySw(LEFT,speed);

GoForward(speed);

while(isEdge_R());

//越過虛線

while(!isEdge_R())

GoForward(speed);

RelySw(RIGHT,speed);

//沿右邊緣到達終點

Fcar=1;

return ;}}

4結(jié)論

經(jīng)測試，甲乙兩車完成一次超車的時間約為57s。

本智能小車以STC12CSA60S2為主控芯片，配合灰度傳感器和紅外接近開關(guān)，可以沿車到平滑地繞走一圈，并靈活地實現(xiàn)超車。

參考文獻：

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