智能小車的設(shè)計理念

1設(shè)計任務(wù)概述

設(shè)計制作一個智能小車，該小車能按照要求自動運行，從建筑物中曲折的道路通過，并完成規(guī)定的動作。設(shè)矩形建筑物有2個門A、B，門寬24cm，建筑物是高10cm、厚2cm的矮墻，建筑物內(nèi)無引導(dǎo)軌跡，如圖1所示。

任務(wù)1：

(1)要求智能小車從A門進入并開始自動計時，從B門出來，在行進過程中，能自動選擇適當?shù)穆窂�，避開墻壁，找到通路，3min之內(nèi)到達B門;

(2)到達B門，停5s，小車自動計時并聲光報警。

任務(wù)2：

(1)自B門外，循弧形引導(dǎo)軌跡BC前進(引導(dǎo)軌跡為2cm寬);

(2)途中檢測到鐵片D(鐵片D放置在軌跡BC前1/2段上的任意位置)時停車3s，并聲光報警;

(3)要求小車拾起鐵片D，繼續(xù)沿引導(dǎo)軌跡前進;

(4)到達C點，在C點處，放下鐵片D并停止前進，聲光顯示控制結(jié)束，并停止計時，分別顯示BD、DC段所用的時間，鐵片為直徑2cm的圓形薄片。

2系統(tǒng)方案

根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)主要由微控制器模塊、電源模塊、避障模塊、循跡傳感器模塊、直流電機及其驅(qū)動模塊、金屬檢測模塊、角度測量模塊、語音提示模塊以及液晶顯示模塊等構(gòu)成。如圖2所示。

2.1車體方案

制作電動車，我們制定了左右兩輪分別驅(qū)動，即左右輪分別用兩個轉(zhuǎn)速和力矩完全相同的直流電機進行驅(qū)動，車體尾部裝一個萬向輪。這樣，當兩個直流電機轉(zhuǎn)向相反轉(zhuǎn)速相同時就可以實現(xiàn)電動車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松地使小車改變運行方向。

2.2控制模塊

采用STC89C52超低功耗單片機作為主控制器。STC89C52單片機運算速度快，抗干擾能力強，支持ISP在線編程，片內(nèi)含8k空間的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀存儲器，具有256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，32個I/O口，2個16位可編程定時計數(shù)器。

2.3電機模塊

采用直流減速電機。直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便，小車電機內(nèi)部裝有減速齒輪組，不需要考慮調(diào)速功能，就可以方便地實現(xiàn)單片機對直流減速電機前進、后退、停止等操作。

2.4電機驅(qū)動

因為小車的電機內(nèi)部裝有減速齒輪組，不需調(diào)速功能，因此采用電機驅(qū)動芯片L293D控制減速電機，該芯片是利用TTL電平進行控制，通過改變芯片控制端的輸入電平，即可對電機進行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止操作，亦能滿足直流減速電機的要求，用該芯片作為電機驅(qū)動具有操作方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

2.5避障模塊

用漫反射式光電開關(guān)即紅外光漫反射式光電傳感器進行避障。其原理是當前面有被檢測物體時，物體將發(fā)射器發(fā)出的紅外光線反射到接收器，于是光電傳感器就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當有光線反射回來時，輸出低電平。當沒有光線反射回來時，輸出高電平。

2.6循跡模塊

用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白色軌跡上方和黑色軌跡上方時，阻值會發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。單片機據(jù)此來判斷小車是否偏離軌道，并根據(jù)反饋來的不同的電平信號，發(fā)出相應(yīng)的控制操作命令來校驗小車的位置，以完成小車的循跡任務(wù)。

2.7金屬傳感器模塊

電感式接近開關(guān)屬于一種有開關(guān)量輸出的位置傳感器，它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成。金屬物體在接近電感式接近開關(guān)的震蕩感應(yīng)頭時，電感式開關(guān)產(chǎn)生電磁場，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進而控制開關(guān)的通或斷。

3硬件系統(tǒng)的設(shè)計與功能實現(xiàn)

3.1控制小車主線路板制作

在線路板制作設(shè)備的選擇上，我們使用LPKFProtoMatRS62電路板刻板機。LPKF線路板雕刻機ProtoMatRS62的精確度較高，分辨率高達0.25μm。可快速制作各種復(fù)雜的對精度要求較高的線路板。

3.2微控制器電路的設(shè)計與原理

微控制器電路是整個智能控制小車系統(tǒng)的核心控制部分，它負責(zé)對各路傳感信號的采集、處理、分析及對各部分硬件電路進行調(diào)整。本設(shè)計制作的智能控制小車系統(tǒng)以STC89C52單片機最小系統(tǒng)電路為整個系統(tǒng)的控制電路，通過各種傳感器電路，采集各種傳感器信息，以發(fā)出各種控制信號命令，來完成相應(yīng)的操作，單片機控制電路原理圖如圖3所示。

3.3電源電路原理與設(shè)計

電源電路為系統(tǒng)提供基準電源，是整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定性之關(guān)鍵所在，本系統(tǒng)采用7.2V可充電動力電池組，可反復(fù)利用，動力電池組具有較強的電流驅(qū)動能力及穩(wěn)定的電壓輸出性能。其充電電路原理圖如圖4所示。

3.4電機驅(qū)動電路的原理與設(shè)計

本設(shè)計中采用電機專用驅(qū)動芯片L293D，為單塊集成電路、高電壓、高電流、四通道驅(qū)動。設(shè)計用來接收DTL或者TTL邏輯電平，驅(qū)動感性負載(比如繼電器、直流電機)和開關(guān)電源晶體管。內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。其額定工作電流為1A，最大可達1.5A，Vss電壓最小4.5V，最大可達36V。

L293d可直接對電機進行控制，無須隔離電路。通過單片機的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機進行正反轉(zhuǎn)、停止的操作，操作非常方便，亦能滿足直流減速電機的大電流要求。調(diào)試時用程序輸入對應(yīng)的碼值，即可以實現(xiàn)對應(yīng)的操作。其驅(qū)動電路原理圖如圖5所示。

3.5避障電路的原理與設(shè)計

用漫反射式光電開關(guān)進行避障。光電開關(guān)實際是發(fā)射端與接收端于一體的檢測開關(guān)，其工作原理是根據(jù)發(fā)射端發(fā)出的光束，被物體反射，接收端據(jù)此作出判斷是否有障礙物。當有光線反射回來時，輸出低電平。當沒有光線反射回來時，輸出高電平。單片機根據(jù)接收端電平的高低作出相應(yīng)控制，避免小車碰到障礙物。小車采用漫反射式傳感器進行避障的電路原理圖如圖6所示。

3.6光電開關(guān)的安裝

在避障傳感器的設(shè)計中，我們在車體底盤的前端裝有4個傳感器，以起避障的作用。4個傳感器的安裝位置與安裝方法相一致。

3.7循跡電路的原理與設(shè)計

采用RPR220型光電管完成系統(tǒng)循跡任務(wù)，循跡電路是小車沿著場地的黑色弧形引導(dǎo)軌跡BC進行前進和位置校正，且小車不能偏離該軌跡。傳感器的數(shù)據(jù)線輸出信號為開關(guān)量，可直接與單片機的I/O引腳相連接，硬件電路實現(xiàn)比較簡單。

在循跡檢測傳感器設(shè)計中，我們在車體底盤的前端裝有2個傳感器，用來檢測黑色弧形軌跡，起到循跡前進的作用。

3.8金屬檢測電路的原理與設(shè)計

金屬傳感器性能的好壞對于該系統(tǒng)的功能是否能實現(xiàn)起著十分重要的作用。我們選用的是LJ12A3-4-Z/BX型號的電感式接近開關(guān)進行金屬檢測工作，其電路原理如圖7所示，由于其數(shù)據(jù)輸出端通過5.1K上拉電阻，輸出的是TTL電平，輸出信號為開關(guān)量，可直接與單片機的I/O引腳相連接，硬件電路簡單，容易操作。

3.9鐵片轉(zhuǎn)移電路原理與設(shè)計

鐵片轉(zhuǎn)移電路主要運用線圈通電產(chǎn)生磁場的原理，借助其所產(chǎn)生的磁場，把金屬傳感器檢測到的鐵片按相關(guān)要求轉(zhuǎn)移到指定位置，本設(shè)計電路中是將線圈的輸入端直接與單片機的I/O相連接，通過改變單片機引腳的高低電平即可以改變線圈磁場。

3.10語音提示電路的原理與設(shè)計

本設(shè)計中的智能救援小車的語音提示系統(tǒng)由IDS1420錄放音模塊和功率放大電路組成。語音提示電路主要用來提示救援小車的工作狀態(tài)。IDS1420語音電路的原理圖如圖8所示。

3.11系統(tǒng)其他功能的擴展

(1)通過無線遙控電路實現(xiàn)小車的無線控制和操作。(2)通過編碼盤測量小車速度和路程功能。(3)采用ADC0832組成的電壓測量電路，并通過液晶顯示控制小車系統(tǒng)電池組的電壓。以5.5V為參考電壓，低于5.5V報警提示充電。

4主程序流程圖

主程序流程圖如圖9所示。

5系統(tǒng)功能測試

(1)首先把小車放在場地的入口處，按照規(guī)定的要求，智能控制小車從A門進入自動選擇路徑從B門出來。在行駛過程中，控制小車可以自動選擇路徑行走，其行走路線如圖1所示。智能控制小車從A門進入后開始計時，并通過液晶顯示器來顯示控制小車系統(tǒng)所消耗的時間，再從B門出來。在行進過程中，控制小車可以自動避開墻壁，找到通路，可以在3min之內(nèi)到達B門，在B門處，小車檢測到黑色標志，停止運行，同時發(fā)出聲光，提示任務(wù)1測試完畢。

(2)控制小車從B門外，通過循跡黑色弧形引導(dǎo)線BC前進(引導(dǎo)軌跡為2cm寬)，在循跡黑色弧形引導(dǎo)線途中，通過接近開關(guān)電路檢測到鐵片D時停車3s(注意：鐵片D放置在軌跡BC前1/2段上的任意位置)，并由語音電路發(fā)出語音提示，由LED發(fā)光電路發(fā)光提示。單片機通過金屬傳感器電路采集到金屬信息時，相應(yīng)的磁感應(yīng)電路接通，并產(chǎn)生磁場，利用線圈通電時可產(chǎn)生磁場的原理撿起鐵片，撿起鐵片之后金屬傳感器的檢測信號不再發(fā)生變化，控制小車繼續(xù)沿黑色引導(dǎo)軌跡前進。當控制小車到達黑色弧形引導(dǎo)軌跡線的終點C之后，RPR220型光電管電路通知單片機控制小車已完成本次控制任務(wù)，單片機通過控制相應(yīng)的電機驅(qū)動電路停止電機的運行，改變相應(yīng)的磁感應(yīng)電路的電平狀態(tài)放下鐵片D，液晶顯示電路分別顯示走過BD、DC段軌跡所消耗的時間。同時在此過程中，單片機控制語音電路發(fā)出語音提示，指示控制小車的控制任務(wù)結(jié)束。

智能控制小車系統(tǒng)的功能參數(shù)如表1、表2所示。

6結(jié)語

測試表明，小車能夠較好地完成本文所要求的任務(wù)。同時本智能控制小車的特色是：用漫反射式傳感器進行避障，靈敏度高，RPR220型光電管能穩(wěn)定地完成循跡，控制小車應(yīng)用了電感式接近開關(guān)檢測鐵片，經(jīng)測試我們發(fā)現(xiàn)，其檢測金屬準確，靈敏度較高，液晶顯示效果良好，語音播報清晰，智能控制小車系統(tǒng)運行正常，各模塊電路參數(shù)穩(wěn)定，較好地完成了既定任務(wù)。