設(shè)計(jì)制作一個(gè)智能小車，該小車能按照要求自動(dòng)運(yùn)行，從建筑物中曲折的道路通過，并完成規(guī)定的動(dòng)作。設(shè)矩形建筑物有2個(gè)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(jìn)入并開始自動(dòng)計(jì)時(shí)，從B門出來，在行進(jìn)過程中，能自動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)穆窂剑荛_墻壁，找到通路，3min之內(nèi)到達(dá)B門;
(2)到達(dá)B門，停5s，小車自動(dòng)計(jì)時(shí)并聲光報(bào)警。
任務(wù)2：
(1)自B門外，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3s，并聲光報(bào)警;
(3)要求小車拾起鐵片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(dòng)車，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)，車體尾部裝一個(gè)萬向輪。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)車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松地使小車改變運(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≤嚨碾姍C(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)生了開關(guān)信號(hào)。當(dāng)有光線反射回來時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒有光線反射回來時(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圍環(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)過比較器就可以輸出高低電平。單片機(jī)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(hào)，發(fā)出相應(yīng)的控制操作命令來校驗(yàn)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(shí)，電感式開關(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(shí)別出有無金屬物體接近，進(jìn)而控制開關(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，無須隔離電路。通過單片機(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)
用漫反射式光電開關(guān)進(jìn)行避障。光電開關(guān)實(shí)際是發(fā)射端與接收端于一體的檢測(cè)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(dāng)有光線反射回來時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒有光線反射回來時(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，避免小車碰到障礙物。小車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光電開關(guān)的安裝
在避障傳感器的設(shè)計(jì)中，我們?cè)谲圀w底盤的前端裝有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，且小車不能偏離該軌跡。傳感器的數(shù)據(jù)線輸出信號(hào)為開關(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)谲圀w底盤的前端裝有2個(gè)傳感器，用來檢測(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5.1K上拉電阻，輸出的是TTL電平，輸出信號(hào)為開關(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(kuò)展
(1)通過無線遙控電路實(shí)現(xiàn)小車的無線控制和操作。(2)通過編碼盤測(cè)量小車速度和路程功能。(3)采用ADC0832組成的電壓測(cè)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(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)首先把小車放在場(chǎng)地的入口處，按照規(guī)定的要求，智能控制小車從A門進(jìn)入自動(dòng)選擇路徑從B門出來。在行駛過程中，控制小車可以自動(dòng)選擇路徑行走，其行走路線如圖1所示。智能控制小車從A門進(jìn)入后開始計(jì)時(shí)，并通過液晶顯示器來顯示控制小車系統(tǒng)所消耗的時(shí)間，再從B門出來。在行進(jìn)過程中，控制小車可以自動(dòng)避開墻壁，找到通路，可以在3min之內(nèi)到達(dá)B門，在B門處，小車檢測(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)控制小車從B門外，通過循跡黑色弧形引導(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，通過接近開關(guān)電路檢測(cè)到鐵片D時(shí)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(jī)通過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)的原理撿起鐵片，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?yán)^續(xù)沿黑色引導(dǎo)軌跡前進(jìn)。當(dāng)控制小車到達(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)控制小車已完成本次控制任務(wù)，單片機(jī)通過控制相應(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BD、DC段軌跡所消耗的時(shí)間。同時(shí)在此過程中，單片機(jī)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(cè)試表明，小車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，控制小車應(yīng)用了電感式接近開關(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，語音播報(bào)清晰，智能控制小車系統(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)。