盧 貺 宋 霞

（1.武漢軟件工程職業(yè)學院，湖北武漢 430205；2.武漢職業(yè)技術(shù)學院，湖北武漢 430074）

高職院校的電氣控制、自動原理、單片機原理、嵌入式系統(tǒng)等課程的實訓教學中，經(jīng)常用到智能小車作為教學的案例和平臺。智能小車以其生動、典型、學習形式喜聞樂見、涉及知識面廣等特點，受到教師和學生的歡迎。本文介紹基于STC單片機的智能小車，該小車主要由主控制器、車體、驅(qū)動電機、避障電路、尋跡電路和輔助電路等組成，各部分均采用節(jié)能設(shè)計，整機功耗低［1］。

1 硬件設(shè)計

1.1 主控制器介紹

本設(shè)計采用STC12C5A60S2單片機作為主控制器，該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，但指令運行速度快。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），適合電機控制和強干擾場合。其片內(nèi)程序存儲器為FLASH工藝，容量為60K，片上還集成有1280字節(jié)的RAM。單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)還包括SPI接口、定時／計數(shù)器、PCA、UART接口、I／O口、看門狗及片內(nèi)R／C振蕩器和外部晶振電路等模塊。

本設(shè)計的主要外圍電路模塊有：避障檢測電路、尋跡檢測電路、電機控制電路等，具體的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

1.2 尋跡檢測電路

智能小車的運行軌跡是沿著白底上黑線運動，因此設(shè)計的尋跡檢測電路即是黑白色識別器，采用的是紅外發(fā)射、接收對管組成的光電傳感器模塊。采用紅外發(fā)射管代替可見光管，可以降低背景光干擾。光電管接收反射的紅外信號，紅外發(fā)射接收原理如圖2所示。

圖2 紅外發(fā)射接收原理

尋跡檢測電路工作原理是，發(fā)射管激勵電信號，發(fā)射管發(fā)出的光強基本恒定，而白底和黑線對光的發(fā)射效果不同，接收管表現(xiàn)的吸收效果就不同，使接收管反向電流有較大變化，導致與其串聯(lián)的電阻兩端電壓出現(xiàn)明顯變化。將該電壓接于單片機的A／D轉(zhuǎn)換輸入端，經(jīng)片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器后變成數(shù)字量，將黑白兩狀態(tài)變?yōu)榛叶茸R別，優(yōu)點是電路簡單，識別分辨率高［3］。一路的尋跡檢測電路如圖3所示。

圖3 尋跡檢測電路

實際使用中將三個一路尋跡檢測電路安裝在一起，之間的間隔約為黑線的寬度，輸出的信號為尋跡傳感器OUT1、OUT2、OUT3，從而達到最佳的尋跡效果。

1.3 電機控制電路

電機控制電路一般采用H橋式驅(qū)動電路，由于兩個電機是獨立控制，所以需要兩路H橋式驅(qū)動電路，如圖4所示。

控制電機的 MOTOR1A、MOTOR1B、MOTOR2A、MOTOR2B四路信號，以及為電機調(diào)速的控制端口SPEED1、SPEED2兩路信號，都與單片機的I／O端口相連，受單片機程序控制。

MOTOR1A和MOTOR1B控制一個H橋，該H橋輸出J3接左輪電機，所以MOTOR1A、MOTOR1B控制左側(cè)小車電機的前進和后退；MOTOR2A和MOTOR2B控制另一個H橋，該H橋輸出J5接右輪電機，所以MOTOR2A、MOTOR2B控制右側(cè)小車電機的前進和后退。改變這四路控制信號就可以讓小車完成左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進、后退、原地轉(zhuǎn)圈等。

為了方便控制小車的運行速度和車輪的差動，設(shè)計了電機調(diào)速電路，實現(xiàn)了DAC模擬電壓控制調(diào)速和PWM調(diào)速兩種方式［4］。

DAC模擬電壓控制調(diào)速。以MOTOR1電路為例說明，當J4斷開時，改變?nèi)龢O管Q7基極的電壓，即改變SPEED1輸入電壓，就能改變?nèi)龢O管Q7的發(fā)射極電流，達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。通過DAC控制SPEED1的電壓變化，來實現(xiàn)電機的無極調(diào)速。

PWM調(diào)速控制。如果SPEED1是高電平，Q7就出現(xiàn)導通狀態(tài)，電機工作；如果是低電平，Q7截止，電機也停止工作，通過改變PWM占空比就可以起到電機調(diào)速的效果。以上兩種調(diào)速方法控制效果基本一致，如果不需要調(diào)速，可以用短路帽將J4和J5端口短接。

1.4 避障模塊

智能小車通過紅外傳感器采集路況信息，通過對檢測信息的分析，自動控制轉(zhuǎn)向電機，改變行駛路徑，繞過障礙物，從而實現(xiàn)避障功能。

紅外傳感器的工作原理是根據(jù)投光器（紅外發(fā)光二極管）發(fā)出的光束，被障礙物遮擋或部分反射，受光器（紅外光敏二極管）根據(jù)情況作出判斷反應(yīng)，利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均能檢測。本設(shè)計中采用紅外傳感器為NPN常開型反射式傳感器，工作電壓為5V，工作電流100mA。有效測量距離為80cm，易于裝配。該傳感器為開關(guān)量傳感器，輸出的為1、0開關(guān)量信號，和單片機的INT1端直接連接，當無障礙物時，輸出高電平；當有障礙物時，輸出低電平，觸發(fā)中斷，小車隨即做出避障動作，避免碰到障礙物。

1.5 智能小車結(jié)構(gòu)

智能小車設(shè)計了兩個驅(qū)動輪和一個萬向輪的三輪結(jié)構(gòu)。左、右輪獨立控制，可以使小車同時前轉(zhuǎn)、后轉(zhuǎn)，反向旋轉(zhuǎn)或一側(cè)轉(zhuǎn)動一側(cè)停止，可以完成原地轉(zhuǎn)彎，旋轉(zhuǎn)等動作。同時選擇橡膠輪，摩擦力大，避免了小車打滑現(xiàn)象。由于小車可以靈活地進行原地轉(zhuǎn)圈控制，適合沿曲折路線前進，在走迷宮等應(yīng)用時有很強的優(yōu)勢。智能小車采用材質(zhì)為FR－4的電路板作為車體，該電路版上盡可能多地留出了可以焊接器件的焊孔，學生可以直接把顯示電路、通信電路、遙控電路等擴展部分焊接到車體上，不需要再額外增加電路板，方面使用。

選用直流減速電機，該種電機體積小，裝配方便，使用簡單，重量輕。由于其內(nèi)部由高速電動機提供原始動力，帶動減速齒輪組，可以產(chǎn)生很大的扭力。選用的直流電機減速比為48：1，減速后電機的轉(zhuǎn)速為120r／min，車輪直徑為7.2cm，因此小車的最大速度可達0.452m／s。

圖4 電機控制電路圖

2 軟件設(shè)計

2.1 主程序框圖

軟件設(shè)計采用模塊化的編程思想，使用Keil4軟件開發(fā)平臺編寫、調(diào)試軟件［5］，主程序框圖見圖5。

圖5 主程序框圖

2.2 尋跡程序設(shè)計

智能小車進入尋跡狀態(tài)后，即開始不停地掃描與尋跡檢測電路相連接的單片機I／O口，一旦檢測到某個I／O口有信號，即進入判斷處理程序，先確定尋跡檢測電路中的三路信號中哪一路檢測到黑線，如果左邊傳感器探測到黑線，即小車左半部分壓到黑線，車身向右偏出了軌跡，此時應(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)；如果右邊傳感器探測到黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左偏出了軌跡，則應(yīng)使小車向右轉(zhuǎn)。在經(jīng)過方向調(diào)整后，小車再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測黑線，并重復上述檢測動作。尋跡程序框圖如圖6所示。

圖6 尋跡程序框圖

2.3 避障程序設(shè)計

智能小車在運行過程中，如果檢測到運行前方出現(xiàn)了障礙物，需要能靈活躲避，避開障礙物后，再回到尋跡檢測狀態(tài)。避障程序框圖如圖7所示。

圖7 避障程序框圖

3 結(jié) 語

本文介紹了基于STC單片機智能小車的硬件和軟件設(shè)計，由于采用模塊化設(shè)計思想，可以擴展許多功能。本設(shè)計經(jīng)過安裝、調(diào)試，實現(xiàn)了智能小車的避障、調(diào)速、前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、尋跡等功能。

（1）自動沿白底黑線軌跡行駛小車，在行駛過程中，能夠自動檢測預先設(shè)好的黑線軌道，實現(xiàn)直道和弧形軌道的前進。若有偏離，能夠自動糾正，返回到預設(shè)軌道上。

（2）當小車探測到前進方向的障礙物時，能自動避開障礙物，從無障礙區(qū)通過。小車通過障礙區(qū)后，能夠回到自動尋跡狀態(tài)。

1 田拓.基于AT89C51單片機智能小車的設(shè)計［J］.寧夏工程技術(shù)，2005（4）：334－336

2 趙振德.多功能遙控智能小車的制作［J］.電子制作，2011（4）：12－16

3 王慶有.光電傳感器應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008：58－71

4 曹衛(wèi)華.一種尋線行走機器人設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機測量與控制，2006（14）：4－6

5 黃智偉.全國大學生電子設(shè)計競賽系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009：91－112