基于单片机控制的智能小车的设计

[原文]
1  导言
1.1  课题背景
智能小车是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的一种智能移动机器人。移动机器人作为现代高科技的集成体，是21世纪的科技制高点之一。移动机器人技术的发展，应该说它是科学技术发展的一个综合性的结果。同时，它为社会经济发展产生了一门有着重大影响的科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战后各国加强了经济的投入，而移动对机器人的研究成果又提高了本国的经济的发展水平。比如说日本，战后以后开始进行汽车工业，这时候由于它人力的缺乏，它迫切需要一种机器人来进行大批量的制造，提高生产效率降低人的劳动强度，这是社会发展需求本身的一个需求。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，人们在不断探讨自然、认识自然、改造自然过程中，需求一种能够解放人的自动化装置。那么这种自动化装置就是代替人们能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达到的世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。但另一方面，尽管人们有各种各样的好的想法，但是它也归功于电子技术，计算机技术及制造技术等相关技术的发展而产生提供了强大的技术保证。
1.2  智能小车机器人技术在国内外的研究现状
机器人技术是一个国家高技术实力的一个重要标准，它涉及到多个学科，机械、电工、自动控制、计算机测量、人工智能、传感技术等等，是众多领域的高科技。而移动机器人比赛就是机器人技术的一个重要研究方向，目前许多国家己经把移动机器人比赛作为创新教育的战略性手段。
移动机器人比赛是一种高科技对抗活动，各国专家学者通过移动机器人竞赛，不断推进了在竞赛型移动机器人方面的研究，不断改进机器人寻址速度和算法研究，试图让机器人更接近智能化，它集高科技、娱乐和比赛于一体，引起了各国的广泛关注和极大兴趣，从而推动了移动机器人研究的热潮......

 

摘要：本文介绍一种以多种传感器为敏感元件，以AT89C51单片机为控制核心的电动小车的智能控制系统。文中叙述了该系统的硬件设计及软件流程图，并给出了实测结果。该控制技术可用于智能机器人及自动停车控制系统的设计。
关键词：单片机；自动；中断；控制； 传感器

 

Abstract: This paper introduces an intelligent controlling system of an electric tank .This system takes the AT89C51 single chip micyoco as the core of control and multiple sensors as sensing component .This paper also describes the hardware design and the software flow chart and the on-the-spot survey result is given. Its control technology can be used in the design of intellectual robot and auto-stop control system.
Key words: Single Chip Micyoco，automation，interruption，control，sensor
0 前言
当前的电动小汽车基本上采取的是基于纯硬件电路的一种开环控制方法，或者是直线行使，或者是在遥控下作出前进、后退、转弯、停车等基本功能。但是它们不能实现在某些特殊的场合下，我们需要能够自动控制的小型设备先采集到一些有用的信息的功能。本文正是在这种需要之下开发设计的一种智能的电动小车的自动控制系统。它以单片机AT89C51为控制核心，附以外围电路，采用金属探测器、光电检测器等传感器材检测信号和障碍物；充分利用单片机的串口、并口资源和运算、处理能力，来实现小车的按轨迹直线行走、按轨迹转弯、检测轨道下的金属片并显示其数目同时发出声光警示、躲避障碍物、寻灯光进入车库，最后停车等智能控制系统。
1 系统硬件电路设计
整个系统结构框图如1所示。
 
图1 系统框图
1.1寻迹电路设计
本设计需要检测直线行驶区和沿弧线行驶区具有一定黑白对比度的黑线。图2为寻迹发射和接收电路，共有两套，分别检测左侧车轮和右侧车轮的偏转情况。采取的是反射取样式，高亮度的发光二极管与光敏二极管呈V字型放置。光敏三极管接收到的信号用LM358进行电压比较与放大。图2的电路在+5V电压下工作，根据发射管和接收管所需的工作压降和工作电流，选取的负载电阻如图中所示。此部分电路的设计具有灵敏度高、可调节等特点。
            

 

图2 寻迹发射和接收电路
1.2 金属探测及报警电路设计
本设计需要检测在轨道下的未知位置处埋藏的金属片，并且在检测到金属片时，发出声光告警。如图3所示。图中的探头为J2D-5NB常闭型接近开关。其输出电压可直接送给单片机进行处理。当检测到金属片后，单片机马上输出信号，控制由NE555时基电路构成的多谐振荡器开始振荡，驱动发光二极管D1闪亮，蜂鸣器B1断断续续的鸣叫。
 
图3 金属探测器检测及报警电路
1.3 平行光管方向探测电路设计
此部分设计采用两对光敏三极管，用于检测车库外的200W的灯泡发出的光线，放在车前部的中间位置。当两个光敏三极管同时检测到光时，直线前进。当光敏三极管检测不到光时，处于截止状态，双运算放大器LM358输出低电平给单片机的P2.3、（P2.4）后，由程序处理；若左路未检测到光，则向右拐弯；若右路未检测到光，则向左拐弯。
当光敏三极管接收到光后导通，相应的LM358输出低电平给单片机，将继续让小车前进。
 
图4  驶向车库时光检测电路
1.4电机驱动电路设计
电源电路的设计在整个系统中起着至关重要的作用。由于采用的是双驱动的小车，这部分电路必须能够输出两个不同的电压值，分别去控制小车的左、右两个驱动电机，使小车的两个履带的转速相同或不同，从而来控制它的前进和转弯。主要应用四双向模拟开关CD4066、8缓冲器及线驱动器74LS244、三端可调整输出稳压器LM317及稳压块7805来完成单片机和小车之间的控制和驱动信号的连接。为了保证每个单元电路都能够稳定的供电，采取分别供电的方法，控制各个电路的启动。
 
图5 电源模块电路

 

 

1.5显示电路
显示电路的设计采用串行口方式0输出，静态显示。显示电路中使用4位数码管，由四块移位寄存器74LS164实现串行传送。其中，第一位显示检测到的金属块数，为了便于区分，它与其他三个隔开一定的距离，后三位用于分时显示时间或距离。硬件接口电路如下图所示。
 
图6 单片机接口及显示电路
1.6 停车部分
此部分的电路利用了前边的寻迹部分的电路，这里只使用了P2.1检测位，让它检测车库的黑边。在驶向车库时的程序中，若P2.1输出高电平，则意味着小车已经完全进入车库内部；若输出低电平，则继续寻光前进。电路图参照图1寻迹发射和接收电路图。
2、软件设计体系结构
（1） 时序管理：采用时间控制的方法，在程序中设定各种时间参数值（这些参数值由反复实际测量得到），通过比较是否已达到或超过预定时间，来控制各段运行。
（2） 中断管理：采用多中断方式，因为优先级的设置，避免了多级中断的相互干扰。其中，T0中断的优先级最高。
（3） 多种控制方式复合：用时间信号与各种检测信号共同控制车的运行。
程序整体流程图：
 
图7  程序流程图
3 可靠性设计
在前向通道中的寻迹电路和平行光管光强度传感器电路中所使用的，是高亮度的发光二极管和灵敏度适当的光敏二极管，这样可使光敏三极管接收到的光强度足够大，而且为了进一步提高其可靠性，采用了LM358电压比较器进行噪声切割。在程序设计中，当外部中断1和外部中断0中断不用后，将其关断，这样就避免了干扰信号的产生。
4 系统测试结果
小车进入车库停车时间为60秒左右。在探测到金属块时，能准确显示距起点的时间，同时有声光显示。小车基本上能按照预定路线行进，进入车库，且时间未超过90秒。在声光报警电路中，采用的是蜂鸣器和高亮度的发光二极管。在每次检测到有金属块时，都能发出声光指示信息，显示清晰。
5 结论
整个系统的设计以单片机为核心，利用了多种传感器，在中断管理、时序管理的复合控制方式下，将软件和硬件相结合。本系统能实现如下功能：
（1） 自动沿预设轨道行驶
小车在行驶过程中，能够自动检测预先设好的轨道，实现直道和弧形轨道的前进。若有偏离，能够自动纠正，返回到预设轨道上来。  
（2） 自动检测轨道下的金属片
小车在按照轨道行进过程中，可以检测埋在轨道下的金属片，并且可以显示检测到的金属片的数目。
（3） 检测到指定点后自动停车
小车可以自动检测到指定点的标志，并且自动停车。
（4） 自动躲避障碍物
小车可以自动躲避障碍物，当小车探测到前进前方的障碍物时，可以自动调整，躲避障碍物，从无障碍区通过。
（5） 自动寻引导源进入车库
小车通过障碍区后，能够在光源的引导下，自动进入车库，当车体完全进入车库后可以自动停车。
（6） 自动报警和显示时间
小车在每次探测到金属片后能够自动发出声光报警信息，显示金属片距起点的时间。
（7） 在规定时间内完成整个运行过程
通过参数设定可以使小车在规定的时间内完成运行任务。
本文作者创新观点：利用高性能的单片机，辅以各种传感器来检测路面、障碍物等周围环境，通过高可靠性的软件设计，可以实现小型电动车的智能控制。此控制方法有很大的应用价值，例如可以应用于智能机器人及自动倒车、停车的设计。