余熾業(yè)， 宋 躍， 雷瑞庭

(東莞理工學院 電子工程學院，廣東 東莞 523808)

0 引 言

自動循跡小車控制系統(tǒng)，也就是最簡單的輪式機器人，適合在一些特殊環(huán)境中工作，因其成本低廉，目前已在許多工業(yè)場合獲得廣泛應用[1-2]。例如在高溫高壓環(huán)境、有毒有害氣體環(huán)境以及外星探測等都有機器人的應用，所有這些應用正逐步滲入到工業(yè)生產(chǎn)和我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€層面。智能小車是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運用了計算機、傳感、信息、通訊及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體[3-4]。本文采用紅外傳感器TCRT5000，單片機STC12C5A60S2為控制核心，設(shè)計了一種具有自動循跡功能的小車系統(tǒng)，該智能循跡小車能沿黑色引導軌跡前進。通過構(gòu)建由單片機最小系統(tǒng)、電源電路、電機驅(qū)動電路、循跡電路等組成的智能小車系統(tǒng)，實現(xiàn)小車智能循跡的功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 智能循跡小車系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

智能循跡小車系統(tǒng)以模塊化的設(shè)計思想為主導，主要包括供電電池、穩(wěn)壓電源模塊、電機驅(qū)動模塊、STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)模塊、循跡傳感器模塊等。智能循跡小車的工作過程是：8個光電傳感器探測路徑信息，并將這些信息輸入到單片機控制系統(tǒng)，單片機進行分析處理，通過控制算法對驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出控制命令[5]，驅(qū)動小車左、右輪的電機使小車沿著指定的黑線軌跡前進[6]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 智能循跡小車系統(tǒng)原理

本設(shè)計中，智能小車采用后輪驅(qū)動，后輪左右兩邊各用一個電機驅(qū)動，由單片機輸出PWM調(diào)制信號控制后面兩個輪子的轉(zhuǎn)速從而達到控制轉(zhuǎn)向的目的，前輪是萬向輪，起支撐的作用。循跡的路徑是用黑色膠帶在白色地板上黏出一條首尾相連的跑道，黑色膠帶的寬度為2 cm左右。循跡傳感器采用TRCT5000紅外對管反射式光電傳感器，呈“一字型”安裝在車的前端。循跡是指小車在白色的地板上循黑線行走，由于黑線和白色地板對光線的反射系數(shù)不一樣，控制芯片根據(jù)循跡傳感器模塊返回的信號來判斷“道路”的情況[7]。小車在行駛過程中，紅外對管傳感器地發(fā)射管不斷的發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色地板產(chǎn)生漫反射，反射光被紅外對管的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，紅外對管的接收管接收不到紅外光，該信號的變化通過電路轉(zhuǎn)化為高低電平的變化,單片機檢測傳感器信號的變化，進行分析再做出相對應的響應[8]。本設(shè)計中采用了8對紅外對管傳感器，采用“一字型”分布，當中間的傳感器檢測到黑線時，小車直線前進；當靠左邊的傳感器檢測到黑線時，小車向左拐；當靠右邊的傳感器檢測到黑線的時候，小車向右拐。采用多個紅外對管傳感器可以使小車的行駛更加靈活，拐彎時更加順暢。另外，紅外對管傳感器離地面垂直距離為4 cm左右，能在沒有強光的干擾下，完全滿足自動循跡的要求，具有很好的可靠性與抗干擾能力。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)模塊

單片機是整個智能循跡小車的核心, 控制系統(tǒng)的所有模塊工作。本系統(tǒng)中，考慮到小車的控制系統(tǒng)需要用到兩路的PWM脈沖調(diào)制、較大的Flash存儲空間和較快的數(shù)據(jù)處理能力，所以采用的是STC12C5A60S2單片機。STC12C5A60S2使用宏晶科技高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，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。片上具有8 kbyte在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，F(xiàn)lash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash ，使得STC12C5A60S2為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活超有效的解決方案[9]。

STC12C5A60S2具有以下標準功能：8 kbyte Flash，256 byte RAM，32個I/O口線，看門狗定時器，8路10位精度的AD轉(zhuǎn)換，2路PWM，2個數(shù)據(jù)指針，4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，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，STC12C5A60S2可降至0 Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。所以本設(shè)計采用該芯片作為控制處理器。

2.2 穩(wěn)壓電源模塊

在本設(shè)計中，因為考慮到小車電機的靈活工作需要較大的驅(qū)動能力，系統(tǒng)供電需要較高的電壓和較大的驅(qū)動電流，所以系統(tǒng)的供電采用的是7.2 V的鎳鎘充電電池。

在該智能小車系統(tǒng)中，除了電機的工作電源使用7.2 V鎳鎘電池直接供電外，系統(tǒng)各模塊的工作電壓都是5 V。穩(wěn)壓模塊的原理圖如圖3所示,采用的是LM2940低壓差三端穩(wěn)壓器，LM2940具有大電流、低功耗、電路簡單可靠等優(yōu)點。該穩(wěn)壓芯片輸出電壓5 V，最大電流可達1 A,最小輸入輸出電壓差小于0.8 V,最大輸入電壓26 V,內(nèi)含有電流限制、過熱保護、電池反接保護電路[10]。

2.3 電機驅(qū)動模塊

本設(shè)計小車使用的是兩個直流電機，直流電機采用PWM信號加上電機驅(qū)動電路的方式驅(qū)動[11]。在驅(qū)動電路的選擇上，可以使用MOS管搭建驅(qū)動電路，但電路比較復雜，可靠性不高；另外，也可以使用集成的半橋驅(qū)動芯片搭建驅(qū)動電路，不過考慮到小車要實現(xiàn)雙電機的速度控制和前后轉(zhuǎn)，如果使用半橋驅(qū)動芯片搭建，則驅(qū)動電路使用的驅(qū)動芯片較多，電路過于復雜龐大。綜合考慮，本設(shè)計采用ST公司的專用驅(qū)動芯片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，它響應頻率高，一片L298N可以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，驅(qū)動能力大，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。采用電機專用驅(qū)動芯片L298N 進行電機驅(qū)動控制，它的使能端可以外接高低電平，也可以利用單片機進行軟件控制，極大地滿足各種復雜電路需要。

另外，L298N的驅(qū)動功率較大，能夠根據(jù)輸入電壓的大小輸出不同的電壓和功率，解決了負載能力不夠的問題[12]。電機驅(qū)動模塊的原理圖見圖4。L298N的邏輯控制見表1，其中：L為低電平；H為高電平；※為電平。

ENA(ENB)IN1(IN3)IN2(IN4)電機運轉(zhuǎn)情況HHL正轉(zhuǎn)HLH反轉(zhuǎn)HHH制動HLL制動L※※電機不工作

2.4 循跡傳感器模塊

循跡檢測采用了TCRT5000 紅外反射式光電傳感器,該傳感器采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管。在小車的前部呈“一字型”安裝8對TCRT5000紅外對管,與路面的垂直距離控制在4 cm左右。TCRT5000 測試電路如圖5所示。黑線檢測原理是紅外發(fā)射管發(fā)射光線到路面, 紅外光遇到白底則被反射, 接收管接收到反射光, 經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后輸出低電平；當紅外光遇到黑線時則被吸收, 接收管沒有接收到反射光, 經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后輸出高電平[13]。單片機就是否收到反射回來的紅外光信號為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。循跡傳感器模塊的部分電路原理圖如圖6所示。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件主要采用C語言編寫，其流程圖如圖7所示，本系統(tǒng)采用PWM信號來控制直流電機的速度及正反轉(zhuǎn)，主程序先進行系統(tǒng)初始化，配置好相關(guān)的寄存器，然后進入循跡模式運行，不斷地掃描與紅外探測器連接的單片機IO口，將路徑信息進行判斷處理，單片機再將相應的信號發(fā)給電機驅(qū)動模塊糾正小車的運行狀態(tài)，從而達到自動循跡的功能[14-15]。

3.2 系統(tǒng)初始化函數(shù)程序

系統(tǒng)初始化函數(shù)于程序如下：

void init()

{

CCON=0X00;

CH=0;

CL=0;

CMOD=0X02;

CCAP0H=0X80; //初始化PWM0的占空比為50%

CCAP0L=0X80;

CCAPM0=0X42; //允許比較器功能、PWM脈寬輸出

CCAP1H=0X80; //初始化PWM1的占空比為50%

CCAP1L=0X80;

CCAPM1=0X42;

CR=1; //啟動PCA計數(shù)器陣列

}

4 結(jié) 語

本設(shè)計中的智能循跡小車，采用TRCT5000紅外傳感器為循跡模塊，單片機STC12C5A60S2為控制模塊，L298N為電機驅(qū)動模塊，LM2940為電源模塊。小車使用單元化的電路設(shè)計，使得系統(tǒng)簡潔，響應快，性能穩(wěn)定。經(jīng)測試表明，小車順暢的實現(xiàn)了預期設(shè)定的循跡功能。為了使小車更加智能化，還可以為小車擴展壁障、自動識別、自動報警、自動保持安全距離、車速檢測和遠程控制等功能。

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