本科生自平衡小車設計

1. 單片機 智能小車 課程設計

智能小車的設計與製作
摘要：本課題組設計製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（尋找前方的點光源並行駛到位）；檢測路面所放置的鐵片的個數的功能；計算並顯示所走的路程和行走的時間，並可發聲發光。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，通過各類感測器件來採集各類信息，送入主控單元AT89S52單片機，處理數據後完成相應動作，以達到自身控制。電機驅動電路採用高電壓，高電流，四通道驅動集成晶元L293D。其中避障採用紅外線收發來完成；鐵片檢測部分採用電感式接近開關LJ18A3-8-Z/BX檢測；黑帶檢測採用紅外線接收二極體完成；趨光部分通過3路光敏二極體對光源信號的採集，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後完成相應動作，實現了無人控制即可完成一系列動作，相當於簡易機器人。
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：採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，不利於小車智能化的擴展，對各路信號處理比較困難。
方案二：採用ATM89S52單片機來作為整機的控制單元。紅外線探頭採用市面上通用的發射管與及接收頭，經過單片機調制後發射。鐵片檢測採用電感式接近開關LJ18A3-8-Z/BX檢測，黑帶採用光敏二極體對光源信號採集，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，採用軟體方法來解決復雜的硬體電路部分，使系統硬體簡潔化，各類功能易於實現，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，因此採用方案二來實現。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

避障部分採用紅外線發射和接受原理。鐵片檢測採用電感式接近開關LJ18A3-8-Z/BX檢測，產生的高低電平信號經過處理後，完成相應的記錄數目，驅動蜂鳴器發聲。黑帶尋跡依靠安裝在車底部左右兩個光敏二極體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採集，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。記時由軟體實現，顯示採用普通七段LED。此系統比較靈活，採用軟體方法來解決復雜的硬體電路部分，使系統硬體簡潔化，各類功能易於實現
2．模塊電路設計與比較
1) 避障方案選擇
方案一：採用超聲波避障，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：採用紅外線避障，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，且易於實現，價格也比較便宜，故採用方案二。
紅外線發射接受電路原理圖如圖2所示。
採用紅外線避障方法，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，由於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，有利於單片機對信號的處理。採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並使小車轉彎。由於只採用了一組紅外線收發對管，在避障轉彎方向上，程序採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，採用單片機程序解決。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：採用電渦流原理自製的感測器，取才方便，但難以調試，輸出信號也不可靠，成功率比較低，難以准確輸出感測信息。
方案二：採用市面易購的電感式接近開關，本系統採用市面比較通用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，且輸出信號較可靠，穩定性好，受外界的干擾小，故採用方案二。
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：採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，而且易於實現，成本也不高，我們出自經費方面考慮，採用方案一。
方案二：採用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，也可以採用此方案來處理，但方案二性價比不如方案一。
4)黑帶檢測方案選擇
方案一：採用發光二極體發光，用光敏二極體接收。由於光敏二極體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，紅外線二極體進行接收。採用紅外線發射，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。本方案也易於實現，比較可靠，因此採用方案二。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。由於接收對管裝在車底，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，最後採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，霍爾元件靠近磁片一次計程為車輪周長。此方案感測的信號強， 電路簡單，但精度不高。
如果想達到一定的計量精度，用霍爾感測元件比較難以實現，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，因此採用方案一來實現。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。另可採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：採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操作，但由於分立元件佔用的空間比較大，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，採用市面易購的電機驅動晶元L293D，該晶元是利用TTL電平進行控制，對電機的操作方便，通過改變晶元控制端的輸入電平，即可以對電機進行正反轉操作，很方便單片機的操作，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，採用電機驅動晶元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輸入改變晶元控制端的電平，即可以對電機進行正反轉，停止的操作，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體或者光敏電阻，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，然後發出命令對外圍進操作。對方案一、二進行比較，方案二硬體稍為復雜，但能夠對不同強度的光進行採集以及比較，操作靈活，所以採用方案二。
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：採用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：採用LED七段數碼管，採用經典電路解碼和驅動，電路結構簡單，並且可以實現單片機I/O口的並用，顯示效果直觀，明亮，調試容易。故採用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，它對各路感測信號的採集、處理、分析及對各部分整體調整。主要是組成是：單片機AT89S52、模數轉換晶元ADC0809、小車驅動系統晶元L293D、數碼管顯示的解碼晶元74LS47、74LS138及各路的感測器件。
2)避障原理
採用紅外線避障方法，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，由於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，有利於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，由於黑色對光的吸收，反射回去的量比較少，這樣就可以判斷黑帶軌道的走向。由於各路感測器會對單片機產生一定的干擾，使信號發生錯誤。因此，採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准確。
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採用中斷法來處理。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，首先對硬體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。鐵片檢測依靠接近開關，對檢測信號進行處理並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，調整靈敏度後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後問題解決。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體，以最佳效果完成趨光功能。
整機綜合調試，上電後對系統進行初始化，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，在啟動小車後延時幾毫秒，再開外部中斷，結果問題解決。允許的話應採用雙電源供電，即電機和電路應分開供電，L293D與單片機之間採用隔離信號控制。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體結合調試，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。
8．參考文獻
《單片機應用技術》
《周立功單片機》
《單片機原理與應用》
《8051單片機程序設計與實例》
《MCS-51單片機實驗指導》