1設(shè)計(jì)任務(wù)概述

設(shè)計(jì)制作一個(gè)智能小車(chē)，該小車(chē)能按照要求自動(dòng)運(yùn)行，從建筑物中曲折的道路通過(guò)，并完成規(guī)定的動(dòng)作。設(shè)矩形建筑物有2個(gè)門(mén)A、B，門(mén)寬24cm，建筑物是高10cm、厚2cm的矮墻，建筑物內(nèi)無(wú)引導(dǎo)軌跡，如圖1所示。

任務(wù)1：

(1)要求智能小車(chē)從A門(mén)進(jìn)入并開(kāi)始自動(dòng)計(jì)時(shí)，從B門(mén)出來(lái)，在行進(jìn)過(guò)程中，能自動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)穆窂�，避開(kāi)墻壁，找到通路，3min之內(nèi)到達(dá)B門(mén);

(2)到達(dá)B門(mén)，停5s，小車(chē)自動(dòng)計(jì)時(shí)并聲光報(bào)警。

任務(wù)2：

(1)自B門(mén)外，循弧形引導(dǎo)軌跡BC前進(jìn)(引導(dǎo)軌跡為2cm寬);

(2)途中檢測(cè)到鐵片D(鐵片D放置在軌跡BC前1/2段上的任意位置)時(shí)停車(chē)3s，并聲光報(bào)警;

(3)要求小車(chē)拾起鐵片D，繼續(xù)沿引導(dǎo)軌跡前進(jìn);

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

2系統(tǒng)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)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(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、金屬檢測(cè)模塊、角度測(cè)量模塊、語(yǔ)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(chē)體方案

制作電動(dòng)車(chē)，我們制定了左右兩輪分別驅(qū)動(dòng)，即左右輪分別用兩個(gè)轉(zhuǎn)速和力矩完全相同的直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，車(chē)體尾部裝一個(gè)萬(wàn)向輪。這樣，當(dāng)兩個(gè)直流電機(jī)轉(zhuǎn)向相反轉(zhuǎn)速相同時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松地使小車(chē)改變運(yùn)行方向。

2.2控制模塊

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

2.3電機(jī)模塊

采用直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便，小車(chē)電機(jī)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(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)直流減速電機(jī)前進(jìn)、后退、停止等操作。

2.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)

因?yàn)樾≤?chē)的電機(jī)內(nèi)部裝有減速齒輪組，不需調(diào)速功能，因此采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D控制減速電機(jī)，該芯片是利用TTL電平進(jìn)行控制，通過(guò)改變芯片控制端的輸入電平，即可對(duì)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止操作，亦能滿(mǎn)足直流減速電機(jī)的要求，用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有操作方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

2.5避障模塊

用漫反射式光電開(kāi)關(guān)即紅外光漫反射式光電傳感器進(jìn)行避障。其原理是當(dāng)前面有被檢測(cè)物體時(shí)，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(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒(méi)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出高電平。

2.6循跡模塊

用光敏電阻組成光敏探測(cè)器。光敏電阻的阻值可以跟隨周?chē)�環(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，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(shí)，阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過(guò)比較器就可以輸出高低電平。單片機(jī)據(jù)此來(lái)判斷小車(chē)是否偏離軌道，并根據(jù)反饋來(lái)的不同的電平信號(hào)，發(fā)出相應(yīng)的控制操作命令來(lái)校驗(yàn)小車(chē)的位置，以完成小車(chē)的循跡任務(wù)。

2.7金屬傳感器模塊

電感式接近開(kāi)關(guān)屬于一種有開(kāi)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(kāi)關(guān)的震蕩感應(yīng)頭時(shí)，電感式開(kāi)關(guān)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用于接近開(kāi)關(guān)，使接近開(kāi)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(shí)別出有無(wú)金屬物體接近，進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)的通或斷。

3硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

3.1控制小車(chē)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(jī)。LPKF線路板雕刻機(jī)ProtoMatRS62的精確度較高，分辨率高達(dá)0.25μm。可快速制作各種復(fù)雜的對(duì)精度要求較高的線路板。

3.2微控制器電路的設(shè)計(jì)與原理

微控制器電路是整個(gè)智能控制小車(chē)系統(tǒng)的核心控制部分，它負(fù)責(zé)對(duì)各路傳感信號(hào)的采集、處理、分析及對(duì)各部分硬件電路進(jìn)行調(diào)整。本設(shè)計(jì)制作的智能控制小車(chē)系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路為整個(gè)系統(tǒng)的控制電路，通過(guò)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(hào)命令，來(lái)完成相應(yīng)的操作，單片機(jī)控制電路原理圖如圖3所示。

3.3電源電路原理與設(shè)計(jì)

電源電路為系統(tǒng)提供基準(zhǔn)電源，是整個(gè)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(dòng)力電池組，可反復(fù)利用，動(dòng)力電池組具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路的原理與設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用電機(jī)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片L293D，為單塊集成電路、高電壓、高電流、四通道驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)用來(lái)接收DTL或者TTL邏輯電平，驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載(比如繼電器、直流電機(jī))和開(kāi)關(guān)電源晶體管。內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。其額定工作電流為1A，最大可達(dá)1.5A，Vss電壓最小4.5V，最大可達(dá)36V。

L293d可直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，無(wú)須隔離電路。通過(guò)單片機(jī)的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)、停止的操作，操作非常方便，亦能滿(mǎn)足直流減速電機(jī)的大電流要求。調(diào)試時(shí)用程序輸入對(duì)應(yīng)的碼值，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的操作。其驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖5所示。

3.5避障電路的原理與設(shè)計(jì)

用漫反射式光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行避障。光電開(kāi)關(guān)實(shí)際是發(fā)射端與接收端于一體的檢測(cè)開(kāi)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(dāng)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒(méi)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出高電平。單片機(jī)根據(jù)接收端電平的高低作出相應(yīng)控制，避免小車(chē)碰到障礙物。小車(chē)采用漫反射式傳感器進(jìn)行避障的電路原理圖如圖6所示。

3.6光電開(kāi)關(guān)的安裝

在避障傳感器的設(shè)計(jì)中，我們?cè)谲?chē)體底盤(pán)的前端裝有4個(gè)傳感器，以起避障的作用。4個(gè)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(jì)

采用RPR220型光電管完成系統(tǒng)循跡任務(wù)，循跡電路是小車(chē)沿著場(chǎng)地的黑色弧形引導(dǎo)軌跡BC進(jìn)行前進(jìn)和位置校正，且小車(chē)不能偏離該軌跡。傳感器的數(shù)據(jù)線輸出信號(hào)為開(kāi)關(guān)量，可直接與單片機(jī)的I/O引腳相連接，硬件電路實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單。

在循跡檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)中，我們?cè)谲?chē)體底盤(pán)的前端裝有2個(gè)傳感器，用來(lái)檢測(cè)黑色弧形軌跡，起到循跡前進(jìn)的作用。

3.8金屬檢測(cè)電路的原理與設(shè)計(jì)

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

3.9鐵片轉(zhuǎn)移電路原理與設(shè)計(jì)

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

3.10語(yǔ)音提示電路的原理與設(shè)計(jì)

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

3.11系統(tǒng)其他功能的擴(kuò)展

(1)通過(guò)無(wú)線遙控電路實(shí)現(xiàn)小車(chē)的無(wú)線控制和操作。(2)通過(guò)編碼盤(pán)測(cè)量小車(chē)速度和路程功能。(3)采用ADC0832組成的電壓測(cè)量電路，并通過(guò)液晶顯示控制小車(chē)系統(tǒng)電池組的電壓。以5.5V為參考電壓，低于5.5V報(bào)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(cè)試

(1)首先把小車(chē)放在場(chǎng)地的入口處，按照規(guī)定的要求，智能控制小車(chē)從A門(mén)進(jìn)入自動(dòng)選擇路徑從B門(mén)出來(lái)。在行駛過(guò)程中，控制小車(chē)可以自動(dòng)選擇路徑行走，其行走路線如圖1所示。智能控制小車(chē)從A門(mén)進(jìn)入后開(kāi)始計(jì)時(shí)，并通過(guò)液晶顯示器來(lái)顯示控制小車(chē)系統(tǒng)所消耗的時(shí)間，再?gòu)腂門(mén)出來(lái)。在行進(jìn)過(guò)程中，控制小車(chē)可以自動(dòng)避開(kāi)墻壁，找到通路，可以在3min之內(nèi)到達(dá)B門(mén)，在B門(mén)處，小車(chē)檢測(cè)到黑色標(biāo)志，停止運(yùn)行，同時(shí)發(fā)出聲光，提示任務(wù)1測(cè)試完畢。

(2)控制小車(chē)從B門(mén)外，通過(guò)循跡黑色弧形引導(dǎo)線BC前進(jìn)(引導(dǎo)軌跡為2cm寬)，在循跡黑色弧形引導(dǎo)線途中，通過(guò)接近開(kāi)關(guān)電路檢測(cè)到鐵片D時(shí)停車(chē)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(yǔ)音電路發(fā)出語(yǔ)音提示，由LED發(fā)光電路發(fā)光提示。單片機(jī)通過(guò)金屬傳感器電路采集到金屬信息時(shí)，相應(yīng)的磁感應(yīng)電路接通，并產(chǎn)生磁場(chǎng)，利用線圈通電時(shí)可產(chǎn)生磁場(chǎng)的原理?yè)炱痂F片，撿起鐵片之后金屬傳感器的檢測(cè)信號(hào)不再發(fā)生變化，控制小車(chē)?yán)^續(xù)沿黑色引導(dǎo)軌跡前進(jìn)。當(dāng)控制小車(chē)到達(dá)黑色弧形引導(dǎo)軌跡線的終點(diǎn)C之后，RPR220型光電管電路通知單片機(jī)控制小車(chē)已完成本次控制任務(wù)，單片機(jī)通過(guò)控制相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路停止電機(jī)的運(yùn)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(guò)BD、DC段軌跡所消耗的時(shí)間。同時(shí)在此過(guò)程中，單片機(jī)控制語(yǔ)音電路發(fā)出語(yǔ)音提示，指示控制小車(chē)的控制任務(wù)結(jié)束。

智能控制小車(chē)系統(tǒng)的功能參數(shù)如表1、表2所示。

6結(jié)語(yǔ)

測(cè)試表明，小車(chē)能夠較好地完成本文所要求的任務(wù)。同時(shí)本智能控制小車(chē)的特色是：用漫反射式傳感器進(jìn)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(chē)應(yīng)用了電感式接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)鐵片，經(jīng)測(cè)試我們發(fā)現(xiàn)，其檢測(cè)金屬準(zhǔn)確，靈敏度較高，液晶顯示效果良好，語(yǔ)音播報(bào)清晰，智能控制小車(chē)系統(tǒng)運(yùn)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)。