《智能電動小車》

摘要：本課題組設計制作了一款具有智能判斷功能的小車，功能強大。小車具有以下幾個功能：自動避障功能；尋跡功能（按路面的黑色軌道行駛）；趨光功能（尋找前方的點光源并行駛到位）；檢測路面所放置的鐵片的個數的功能；計算并顯示所走的路程和行走的時間，并可發聲發光。作品可以作為高級智能玩具，也可以作為大學生學習嵌入式控制的強有力的應用實例。
    作品以兩電動機為主驅動，通過各類傳感器件來采集各類信息，送入主控單元AT89S52單片機，處理數據后完成相應動作，以達到自身控制。電機驅動電路采用高電壓，高電流，四通道驅動集成芯片L293D。其中避障采用紅外線收發來完成；鐵片檢測部分采用電感式接近開關LJ18A3-8-Z/BX檢測；黑帶檢測采用紅外線接收二極管完成；趨光部分通過3路光敏二極管對光源信號的采集，再經過ADC0809轉化為數字信號送單片機處理判別方向。由控制單元處理數據后完成相應動作，實現了無人控制即可完成一系列動作，相當于簡易機器人。
關鍵字：智能控制   蔽障  紅外線收發  尋跡行駛  趨光行駛
1．總體方案論證與比較
     方案一：采用各類數字電路來組成小車的控制系統，對外圍避障信號，黑帶檢測信號，鐵片檢測信號，各路趨光信號進行處理。本方案電路復雜，靈活性不高，效率低，不利于小車智能化的擴展，對各路信號處理比較困難。
     方案二：采用ATM89S52單片機來作為整機的控制單元。紅外線探頭采用市面上通用的發射管與及接收頭，經過單片機調制后發射。鐵片檢測采用電感式接近開關LJ18A3-8-Z/BX檢測，黑帶采用光敏二極管對光源信號采集，再經過ADC0809轉化為數字信號送到單片機系統處理。此系統比較靈活，采用軟件方法來解決復雜的硬件電路部分，使系統硬件簡潔化，各類功能易于實現，能很好地滿足題目的要求。
     比較以上兩種方案的優缺點，方案二簡潔、靈活、可擴展性好，能達到題目的設計要求，因此采用方案二來實現。方案二的基本原理如圖1所示。

                                                   圖1  智能車運行基本原理圖框圖

     避障部分采用紅外線發射和接受原理。鐵片檢測采用電感式接近開關LJ18A3-8-Z/BX檢測，產生的高低電平信號經過處理后，完成相應的記錄數目，驅動蜂鳴器發聲。黑帶尋跡依*安裝在車底部左右兩個光敏二極管對管來對地面反射光感應。尋光設計在小車前端安裝3路（左、中、右）光敏電阻對光源信號采集，模擬信號經過ADC0809轉化為數字信號送到MCU處理。記程通過在車輪上安裝小磁塊，再用霍爾管感應產生計數脈沖。記時由軟件實現，顯示采用普通七段LED。此系統比較靈活，采用軟件方法來解決復雜的硬件電路部分，使系統硬件簡潔化，各類功能易于實現。

2．模塊電路設計與比較
1) 避障方案選擇
     方案一：采用超聲波避障，超聲波受環境影響較大，電路復雜，而且地面對超聲波的反射，會影響系統對障礙物的判斷。
     方案二：采用紅外線避障，利用單片機來產生38KHz信號對紅外線發射管進行調制發射，發射出去的紅外線遇到避障物的時候反射回來，紅外線接收管對反射回來信號進行解調，輸出TTL電平。外界對紅外信號的干擾比較小，且易于實現，價格也比較便宜，故采用方案二。
     紅外線發射接受電路原理圖如圖2所示。
     采用紅外線避障方法，利用一管發射另一管接收，接收管對外界紅外線的接收強弱來判斷障礙物的遠近，由于紅外線受外界可見光的影響較大，因此用250Hz的信號對38KHz的載波進行調制，這樣減少外界的一些干擾。 接收管輸出TTL電平，有利于單片機對信號的處理。采用紅外線發射與接收原理。利用單片機產生38KHz信號對紅外線發射管進行調制發射，發射距離遠近由RW調節，本設計調節為10CM左右。發射出去的紅外線遇到避障物的時候反射回來，紅外線接收管對反射回來信號進行解調，輸出TTL電平。利用單片機的中斷系統，在遇障礙物時控制電機并使小車轉彎。由于只采用了一組紅外線收發對管，在避障轉彎方向上，程序采用遇障礙物往左拐方式。如果要求小車正確判斷左轉還是右轉，需在小車側邊加多一組對管。外界對紅外信號的干擾比較小，性價比高。 。調試時主要是調制發射頻率為接收頭能接收的頻率，采用單片機程序解決。發射信號強弱的調節，由可調精密電阻調節。

                                                       圖2  紅外線發射接受電路原理圖

2）檢測鐵片方案選擇
     方案一：采用電渦流原理自制的傳感器，取才方便，但難以調試，輸出信號也不可*，成功率比較低，難以準確輸出傳感信息。
     方案二：采用市面易購的電感式接近開關，本系統采用市面比較通用LJ18A3-8-Z/BX來完成鐵片檢測的任務。雖然電感式接近開關占的體積大，對本是可以接受，且輸出信號較可*，穩定性好，受外界的干擾小，故采用方案二。
     檢測鐵片電路原理圖如圖3所示。

                                                        圖3  檢測鐵片電路原理圖

3)聲音提示
     方案一：采用單片機產生不同的頻率信號來完成聲音提示，此方案能完成聲音提示功能，給人以提示的可懂性比較差，但在一定程度上能滿足要求，而且易于實現，成本也不高，我們出自經費方面考慮，采用方案一。
     方案二：采用DS1420可分段錄放音模塊，能夠給人以直觀的提示，但DS1420錄放音模塊價格比較高，也可以采用此方案來處理，但方案二性價比不如方案一。
4)黑帶檢測方案選擇
     方案一：采用發光二極管發光，用光敏二極管接收。由于光敏二極管受可見光的影響較大，穩定性差。
     方案二：利用紅外線發射管發射紅外線，紅外線二極管進行接收。采用紅外線發射，外面可見光對接收信號的影響較小，再用射極輸出器對信號進行隔離。本方案也易于實現，比較可*，因此采用方案二。黑帶檢測電路圖如圖4所示。
     輸出信號進入74LS02。穩定性能得到提升。當小車低部的某邊紅外線收發對管遇到黑帶時輸入電平為高電平，反之為低電平。結合中斷查詢方式，通過程序控制小車往哪個方向行走。電路中的可調電阻可調節靈敏度，以滿足小車在不同光度的環境光中能夠尋跡。由于接收對管裝在車底，發射距離的遠近較難控制，調節可調電阻，發現靈敏度總是不盡人意，最后采用在對管上套一塑料管，屏蔽外界光的影響，靈敏度大幅提升。再是轉彎的時間延遲短長控制。

                                                             圖4 黑帶檢測電路圖
3)計量路程方案
     方案一：利用紅外線對射方式，在小車的車輪開一些透光孔來計量車輪轉過圈數，從而間接地測量路程。
     方案二：利用霍爾元件來對轉過的車輪圈數來計程，在車輪子上裝小磁片，霍爾元件*近磁片一次計程為車輪周長。此方案傳感的信號強， 電路簡單，但精度不高。
     如果想達到一定的計量精度，用霍爾傳感元件比較難以實現，因為在車輪上裝一定量的小磁片會相互影響，而利用紅外線對射方式不會影響各自的脈沖，可達到厘米的精度，因此采用方案一來實現。計量路程示意圖見圖5。
     通過計算車輪的轉數間接測量距離，利用了霍爾元件感應磁塊產生脈沖的原理，再對脈沖進行計數。另可采用紅外線原理提高記程精度，其方法為在車輪均勻打上透光小孔，當車輪轉動時，紅外光透射過去，不斷地輸出脈沖，通過單片機對脈沖計數，再經過一個數據的處理過程，這樣就可把小車走過的距離計算出來，小孔越多，計數越精密。

                                                            圖 5  計量路程示意圖

3)智能車驅動電路
     方案一：采用分立元件組成的平衡式驅動電路，這種電路可以由單片機直接對其進行*作，但由于分立元件占用的空間比較大，還要配上兩個繼電器，考慮到小車的空間問題，此方案不夠理想。
     方案二：因為小車電機裝有減速齒輪組，考慮不需調速功能，采用市面易購的電機驅動芯片L293D，該芯片是利用TTL電平進行控制，對電機的*作方便，通過改變芯片控制端的輸入電平，即可以對電機進行正反轉*作，很方便單片機的*作，亦能滿足直流減速電機的要求。智能車驅動電路實現如圖6所示。

                                                              圖6 智能車驅動電路

     小車電機為直流減速電機，帶有齒輪組，考慮不需調速功能，采用電機驅動芯片L293D。L293D是著名的SGS公司的產品。為單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅動，設計用來接收DTL或者TTL邏輯電平，驅動感性負載(比如繼電器，直流和步進馬達)，和開關電源晶體管。內部包含4通道邏輯驅動電路。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；Vs電壓最大值也是36V，經過實驗，Vs電壓應該比Vss電壓高，否則有時會出現失控現象。表1是其使能、輸入引腳和輸出引腳的邏輯關系。
                                               表1  引腳和輸出引腳的邏輯關系

                             EN A（B）       IN1（IN3）         IN2（IN4）        電機運行情況
                              H                H                 L                   正轉
                              H                L                 H                   反轉
                              H              同IN2（IN4）      同IN1（IN3）        快速停止
                              L                X                 X                   停止

     L293D可直接的對電機進行控制，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，停止的*作，非常方便，亦能滿足直流減速電機的大電流要求。調試時在依照上表，用程序輸入對應的碼值，能夠實現對應的動作，調試通過。
3) 尋找光源功能
     方案一：在小車前面裝上幾個光電開關，通過不同方向射來的光使光電開關工作，從而對小車行駛方向進行控制，根據光電開關特性，只有當光達到一定強度時才能夠導通，因此帶有一定的局限性。
     方案二：在小車前面裝上參數一致的光敏二極管或者光敏電阻，再通過A/D轉換電路轉換成數字量送入單片機，單片機再對讀入的幾路數據進行存儲、比較，然后發出命令對外圍進*作。對方案一、二進行比較，方案二硬件稍為復雜，但能夠對不同強度的光進行采集以及比較，*作靈活，所以采用方案二。
     尋找光源電路圖如圖7所示。

                                                            圖7 尋找光源電路圖

3)顯示部分
     方案一：采用LCD顯示，用單片機可實現顯示數據，但顯示亮度和字體大小在演示時不盡人意，價格也比較昂貴。                 
     方案二：采用LED七段數碼管，采用經典電路譯碼和驅動，電路結構簡單，并且可以實現單片機I/O口的并用，顯示效果直觀，明亮，調試容易。故采用LED數碼管顯示。
4)顯示電路如圖8所示。

                                                                圖8 顯示電路

3. 系統原理及理論分析
1) 單片機最小系統組成
      單片機系統是整個智能系統的核心部分，它對各路傳感信號的采集、處理、分析及對各部分整體調整。主要是組成是：單片機AT89S52、模數轉換芯片ADC0809、小車驅動系統芯片L293D、數碼管顯示的譯碼芯片74LS47、74LS138及各路的傳感器件。
2)避障原理
     采用紅外線避障方法，利用一管發射另一管接收，接收管對外界紅外線的接收強弱來判斷障礙物的遠近，由于紅外線受外界可見光的影響較大，因此用250Hz的信號對38KHz的載波進行調制，這樣減少外界的一些干擾。 接收管輸出TTL電平，有利于單片機對信號的處理。
3)計程原理
     通過計算車輪的轉數間接測量距離，在車輪均勻打上透光小孔，當車輪轉動時，紅外光透射過去，不斷地輸出脈沖，通過單片機對脈沖計數，再經過一個數據的處理過程，這樣就可把小車走過的距離計算出來。
4)黑帶檢測原理
     利用光的反射原理，當光線照射在白紙上，反射量比較大，反之，照在黑色物體上，由于黑色對光的吸收，反射回去的量比較少，這樣就可以判斷黑帶軌道的走向。由于各路傳感器會對單片機產生一定的干擾，使信號發生錯誤。因此，采用一級射極輸出方式對信號進行隔離，這樣系統對信號的判斷就比較準確。
4. 系統程序設計
     用單片機定時器T0產生38KHz的方波，再用定時器T1產生250Hz的方波對38KHz方波進行調制。為了提高小車反應靈敏度，對紅外線接收信號及黑帶檢測信號都采用中斷法來處理。用定時方法對鐵片檢測、計量路程、倒車、拐彎及數碼管動態掃描進行處理。
     主程序流程圖見圖9，各子程序圖見圖10、圖11、圖12。

                                                        圖9  主程序流程圖

                                                     圖 10 外部中斷0服務子程序

                       

                                                    圖 11  外部中斷1服務子程序

                                                          圖12 定時器1中斷子程序

6．調試及性能分析
     整機焊接完畢，首先對硬件進行檢查聯線有無錯誤，再逐步對各模塊進行調試。首先寫入電機控制小程序，控制其正反轉，停機均正常。加入避障子程序，小車運轉正常，調整靈敏度達最佳效果。加入顯示時間子程序，顯示正常。鐵片檢測依*接近開關，對檢測信號進行處理并實時顯示和發出聲光信息，無異常狀況。路程顯示部分是對霍爾管脈沖進行計數，為了盡量達到精確，車輪加裝小磁片。接著對黑帶檢測模塊調試，發現有時小車會跑出黑帶，經判斷是因為紅外線收發對管靈敏度不高，調整靈敏度后仍然達不到滿意效果，疑是受環境光影響，利用塑料套包圍紅外線收發后問題解決。趨光電路主要由三個光敏電阻構成，調整三個光敏電阻的角度同時測試軟件，以最佳效果完成趨光功能。
     整機綜合調試，上電后對系統進行初始化，接著控制電機使小車向前行駛，突然發現系統即刻進入外部中斷1，重復多次測試，結果都是自動進入該中斷。推斷是由剛上電時電機起動所引起，為了避免上電瞬間的影響，在啟動小車后延時幾毫秒，再開外部中斷，結果問題解決。允許的話應采用雙電源供電，即電機和電路應分開供電，L293D與單片機之間采用隔離信號控制。這樣就不會出現小車啟動時程序出錯和數碼管顯示閃動的問題。在計程精度上，可用紅外線原理獲得較高精度。
7．結論
    通過各種方案的討論及嘗試，再經過多次的整體軟硬件結合調試，不斷地對系統進行優化，智能小車能夠完成各項功能到達車庫。

仿真原理圖如下（proteus仿真工程文件可到本帖附件中下載）


單片機源程序如下:


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2018-8-7 15:00 上傳

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