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摘要：本文介紹一種以多種傳感器為敏感元件，以AT89C51 單片機(jī)為控制核心的電動(dòng)小車的智能控制系統(tǒng)。文中敘述了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及軟件流程圖，并給出了實(shí)測(cè)結(jié)果。該控制技術(shù)可用于智能機(jī)器人及自動(dòng)停車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；自動(dòng)；中斷；控制； 傳感器
0 前言
當(dāng)前的電動(dòng)小汽車基本上采取的是基于純硬件電路的一種開環(huán)控制方法，或者是直線行使，或者是在遙控下作出前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、停車等基本功能。但是它們不能實(shí)現(xiàn)在某些特殊的場(chǎng)合下，我們需要能夠自動(dòng)控制的小型設(shè)備先采集到一些有用的信息的功能。本文正是在這種需要之下開發(fā)設(shè)計(jì)的一種智能的電動(dòng)小車的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它以單片機(jī)AT89C51 為控制核心，附以外圍電路，采用金屬探測(cè)器、光電檢測(cè)器等傳感器材檢測(cè)信號(hào)和障礙物；充分利用單片機(jī)的串口、并口資源和運(yùn)算、處理能力，來實(shí)現(xiàn)小車的按軌跡直線行走、按軌跡轉(zhuǎn)彎、檢測(cè)軌道下的金屬片并顯示其數(shù)目同時(shí)發(fā)出聲光警示、躲避障礙物、尋燈光進(jìn)入車庫，最后停車等智能控制系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如1 所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
1.1 尋跡電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)需要檢測(cè)直線行駛區(qū)和沿弧線行駛區(qū)具有一定黑白對(duì)比度的黑線。圖2 為尋跡發(fā)射和接收電路，共有兩套，分別檢測(cè)左側(cè)車輪和右側(cè)車輪的偏轉(zhuǎn)情況。采取的是反射取樣式，高亮度的發(fā)光二極管與光敏二極管呈V 字型放置。光敏三極管接收到的信號(hào)用LM358 進(jìn)行電壓比較與放大。圖2 的電路在+5V 電壓下工作，根據(jù)發(fā)射管和接收管所需的工作壓降和工作電流，選取的負(fù)載電阻如圖中所示。此部分電路的設(shè)計(jì)具有靈敏度高、可調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。
圖2 尋跡發(fā)射和接收電路
1.2 金屬探測(cè)及報(bào)警電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)需要檢測(cè)在軌道下的未知位置處埋藏的金屬片，并且在檢測(cè)到金屬片時(shí)，發(fā)出聲光告警。如圖3 所示。圖中的探頭為J2D-5NB 常閉型接近開關(guān)。其輸出電壓可直接送給單片機(jī)進(jìn)行處理。當(dāng)檢測(cè)到金屬片后，單片機(jī)馬上輸出信號(hào)，控制由NE555 時(shí)基電路構(gòu)成的多諧振蕩器開始振蕩，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管D1 閃亮，蜂鳴器B1 斷斷續(xù)續(xù)的鳴叫。
圖3 金屬探測(cè)器檢測(cè)及報(bào)警電路
1.3 平行光管方向探測(cè)電路設(shè)計(jì)
此部分設(shè)計(jì)采用兩對(duì)光敏三極管，用于檢測(cè)車庫外的200W 的燈泡發(fā)出的光線，放在車前部的中間位置。當(dāng)兩個(gè)光敏三極管同時(shí)檢測(cè)到光時(shí)，直線前進(jìn)。當(dāng)光敏三極管檢測(cè)不到光時(shí)，處于截止?fàn)顟B(tài)，雙運(yùn)算放大器LM358 輸出低電平給單片機(jī)的P2.3、（P2.4）后，由程序處理；若左路未檢測(cè)到光，則向右拐彎；若右路未檢測(cè)到光，則向左拐彎。
當(dāng)光敏三極管接收到光后導(dǎo)通，相應(yīng)的LM358 輸出低電平給單片機(jī)，將繼續(xù)讓小車前進(jìn)。
圖4 駛向車庫時(shí)光檢測(cè)電路
1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
電源電路的設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。由于采用的是雙驅(qū)動(dòng)的小車，這部分電路必須能夠輸出兩個(gè)不同的電壓值，分別去控制小車的左、右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使小車的兩個(gè)履帶的轉(zhuǎn)速相同或不同，從而來控制它的前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎。主要應(yīng)用四雙向模擬開關(guān)CD4066、8 緩沖器及線驅(qū)動(dòng)器74LS244、三端可調(diào)整輸出穩(wěn)壓器LM317 及穩(wěn)壓塊7805 來完成單片機(jī)和小車之間的控制和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的連接。為了保證每個(gè)單元電路都能夠穩(wěn)定的供電，采取分別供電的方法，控制各個(gè)電路的啟動(dòng)。
1.5 顯示電路
顯示電路的設(shè)計(jì)采用串行口方式0 輸出，靜態(tài)顯示。顯示電路中使用4 位數(shù)碼管，由四塊移位寄存器74LS164 實(shí)現(xiàn)串行傳送。其中，第一位顯示檢測(cè)到的金屬塊數(shù)，為了便于區(qū)分，它與其他三個(gè)隔開一定的距離，后三位用于分時(shí)顯示時(shí)間或距離。硬件接口電路如下圖所示。
圖6 單片機(jī)接口及顯示電路
1.6 停車部分
此部分的電路利用了前邊的尋跡部分的電路，這里只使用了P2.1 檢測(cè)位，讓它檢測(cè)車庫的黑邊。在駛向車庫時(shí)的程序中，若P2.1 輸出高電平，則意味著小車已經(jīng)完全進(jìn)入車庫內(nèi)部；若輸出低電平，則繼續(xù)尋光前進(jìn)。電路圖參照?qǐng)D1 尋跡發(fā)射和接收電路圖。
2、軟件設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)
（1） 時(shí)序管理：采用時(shí)間控制的方法，在程序中設(shè)定各種時(shí)間參數(shù)值（這些參數(shù)值由反復(fù)實(shí)際測(cè)量得到），通過比較是否已達(dá)到或超過預(yù)定時(shí)間，來控制各段運(yùn)行。
（2） 中斷管理：采用多中斷方式，因?yàn)閮?yōu)先級(jí)的設(shè)置，避免了多級(jí)中斷的相互干擾。其中，T0 中斷的優(yōu)先級(jí)最高。
（3） 多種控制方式復(fù)合：用時(shí)間信號(hào)與各種檢測(cè)信號(hào)共同控制車的運(yùn)行。程序整體流程圖：
3 可靠性設(shè)計(jì)
在前向通道中的尋跡電路和平行光管光強(qiáng)度傳感器電路中所使用的，是高亮度的發(fā)光二極管和靈敏度適當(dāng)?shù)墓饷舳䴓O管，這樣可使光敏三極管接收到的光強(qiáng)度足夠大，而且為了進(jìn)一步提高其可靠性，采用了LM358 電壓比較器進(jìn)行噪聲切割。在程序設(shè)計(jì)中，當(dāng)外部中斷1和外部中斷0 中斷不用后，將其關(guān)斷，這樣就避免了干擾信號(hào)的產(chǎn)生。
4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果
小車進(jìn)入車庫停車時(shí)間為60 秒左右。在探測(cè)到金屬塊時(shí)，能準(zhǔn)確顯示距起點(diǎn)的時(shí)間，同時(shí)有聲光顯示。小車基本上能按照預(yù)定路線行進(jìn)，進(jìn)入車庫，且時(shí)間未超過90 秒。在聲光報(bào)警電路中，采用的是蜂鳴器和高亮度的發(fā)光二極管。在每次檢測(cè)到有金屬塊時(shí)，都能發(fā)出聲光指示信息，顯示清晰。
5 結(jié)論
整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，利用了多種傳感器，在中斷管理、時(shí)序管理的復(fù)合控制方式下，將軟件和硬件相結(jié)合。本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)如下功能：
（1） 自動(dòng)沿預(yù)設(shè)軌道行駛小車在行駛過程中，能夠自動(dòng)檢測(cè)預(yù)先設(shè)好的軌道，實(shí)現(xiàn)直道和弧形軌道的前進(jìn)。若有偏離，能夠自動(dòng)糾正，返回到預(yù)設(shè)軌道上來。
（2） 自動(dòng)檢測(cè)軌道下的金屬片小車在按照軌道行進(jìn)過程中，可以檢測(cè)埋在軌道下的金屬片，并且可以顯示檢測(cè)到的金屬片的數(shù)目。
（3） 檢測(cè)到指定點(diǎn)后自動(dòng)停車小車可以自動(dòng)檢測(cè)到指定點(diǎn)的標(biāo)志，并且自動(dòng)停車。
（4） 自動(dòng)躲避障礙物小車可以自動(dòng)躲避障礙物，當(dāng)小車探測(cè)到前進(jìn)前方的障礙物時(shí)，可以自動(dòng)調(diào)整，躲避障礙物，從無障礙區(qū)通過。
（5） 自動(dòng)尋引導(dǎo)源進(jìn)入車庫
小車通過障礙區(qū)后，能夠在光源的引導(dǎo)下，自動(dòng)進(jìn)入車庫，當(dāng)車體完全進(jìn)入車庫后可以自動(dòng)停車。
（6） 自動(dòng)報(bào)警和顯示時(shí)間
小車在每次探測(cè)到金屬片后能夠自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警信息，顯示金屬片距起點(diǎn)的時(shí)間。
（7） 在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)運(yùn)行過程
通過參數(shù)設(shè)定可以使小車在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成運(yùn)行任務(wù)。
本文作者創(chuàng)新觀點(diǎn)：利用高性能的單片機(jī)，輔以各種傳感器來檢測(cè)路面、障礙物等周圍環(huán)境，通過高可靠性的軟件設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)小型電動(dòng)車的智能控制。此控制方法有很大的應(yīng)用價(jià)值，例如可以應(yīng)用于智能機(jī)器人及自動(dòng)倒車、停車的設(shè)計(jì)。
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