高职实训教学用智能小车设计

2014-10-27卢贶宋霞

武汉船舶职业技术学院学报 2014年3期

卢贶宋霞

（1.武汉软件工程职业学院，湖北武汉 430205；2.武汉职业技术学院，湖北武汉 430074）

高职院校的电气控制、自动原理、单片机原理、嵌入式系统等课程的实训教学中，经常用到智能小车作为教学的案例和平台。智能小车以其生动、典型、学习形式喜闻乐见、涉及知识面广等特点，受到教师和学生的欢迎。本文介绍基于STC单片机的智能小车，该小车主要由主控制器、车体、驱动电机、避障电路、寻迹电路和辅助电路等组成，各部分均采用节能设计，整机功耗低［1］。

1 硬件设计

1.1 主控制器介绍

本设计采用STC12C5A60S2单片机作为主控制器，该单片机是宏晶科技生产的单时钟／机器周期（1T）的单片机，是高速／低功耗／超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但指令运行速度快。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A／D转换（250K／S），适合电机控制和强干扰场合。其片内程序存储器为FLASH工艺，容量为60K，片上还集成有1280字节的RAM。单片机内部结构还包括SPI接口、定时／计数器、PCA、UART接口、I／O口、看门狗及片内R／C振荡器和外部晶振电路等模块。

本设计的主要外围电路模块有：避障检测电路、寻迹检测电路、电机控制电路等，具体的硬件电路结构框图如图1所示。

图1 硬件电路结构框图

1.2 寻迹检测电路

智能小车的运行轨迹是沿着白底上黑线运动，因此设计的寻迹检测电路即是黑白色识别器，采用的是红外发射、接收对管组成的光电传感器模块。采用红外发射管代替可见光管，可以降低背景光干扰。光电管接收反射的红外信号，红外发射接收原理如图2所示。

图2 红外发射接收原理

寻迹检测电路工作原理是，发射管激励电信号，发射管发出的光强基本恒定，而白底和黑线对光的发射效果不同，接收管表现的吸收效果就不同，使接收管反向电流有较大变化，导致与其串联的电阻两端电压出现明显变化。将该电压接于单片机的A／D转换输入端，经片内A／D转换器后变成数字量，将黑白两状态变为灰度识别，优点是电路简单，识别分辨率高［3］。一路的寻迹检测电路如图3所示。

图3 寻迹检测电路

实际使用中将三个一路寻迹检测电路安装在一起，之间的间隔约为黑线的宽度，输出的信号为寻迹传感器OUT1、OUT2、OUT3，从而达到最佳的寻迹效果。

1.3 电机控制电路

电机控制电路一般采用H桥式驱动电路，由于两个电机是独立控制，所以需要两路H桥式驱动电路，如图4所示。

控制电机的 MOTOR1A、MOTOR1B、MOTOR2A、MOTOR2B四路信号，以及为电机调速的控制端口SPEED1、SPEED2两路信号，都与单片机的I／O端口相连，受单片机程序控制。

MOTOR1A和MOTOR1B控制一个H桥，该H桥输出J3接左轮电机，所以MOTOR1A、MOTOR1B控制左侧小车电机的前进和后退；MOTOR2A和MOTOR2B控制另一个H桥，该H桥输出J5接右轮电机，所以MOTOR2A、MOTOR2B控制右侧小车电机的前进和后退。改变这四路控制信号就可以让小车完成左转、右转、前进、后退、原地转圈等。

为了方便控制小车的运行速度和车轮的差动，设计了电机调速电路，实现了DAC模拟电压控制调速和PWM调速两种方式［4］。

DAC模拟电压控制调速。以MOTOR1电路为例说明，当J4断开时，改变三极管Q7基极的电压，即改变SPEED1输入电压，就能改变三极管Q7的发射极电流，达到改变电机转速的目的。通过DAC控制SPEED1的电压变化，来实现电机的无极调速。

PWM调速控制。如果SPEED1是高电平，Q7就出现导通状态，电机工作；如果是低电平，Q7截止，电机也停止工作，通过改变PWM占空比就可以起到电机调速的效果。以上两种调速方法控制效果基本一致，如果不需要调速，可以用短路帽将J4和J5端口短接。

1.4 避障模块

智能小车通过红外传感器采集路况信息，通过对检测信息的分析，自动控制转向电机，改变行驶路径，绕过障碍物，从而实现避障功能。

红外传感器的工作原理是根据投光器（红外发光二极管）发出的光束，被障碍物遮挡或部分反射，受光器（红外光敏二极管）根据情况作出判断反应，利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。本设计中采用红外传感器为NPN常开型反射式传感器，工作电压为5V，工作电流100mA。有效测量距离为80cm，易于装配。该传感器为开关量传感器，输出的为1、0开关量信号，和单片机的INT1端直接连接，当无障碍物时，输出高电平；当有障碍物时，输出低电平，触发中断，小车随即做出避障动作，避免碰到障碍物。

1.5 智能小车结构

智能小车设计了两个驱动轮和一个万向轮的三轮结构。左、右轮独立控制，可以使小车同时前转、后转，反向旋转或一侧转动一侧停止，可以完成原地转弯，旋转等动作。同时选择橡胶轮，摩擦力大，避免了小车打滑现象。由于小车可以灵活地进行原地转圈控制，适合沿曲折路线前进，在走迷宫等应用时有很强的优势。智能小车采用材质为FR－4的电路板作为车体，该电路版上尽可能多地留出了可以焊接器件的焊孔，学生可以直接把显示电路、通信电路、遥控电路等扩展部分焊接到车体上，不需要再额外增加电路板，方面使用。

选用直流减速电机，该种电机体积小，装配方便，使用简单，重量轻。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动减速齿轮组，可以产生很大的扭力。选用的直流电机减速比为48：1，减速后电机的转速为120r／min，车轮直径为7.2cm，因此小车的最大速度可达0.452m／s。

图4 电机控制电路图

2 软件设计

2.1 主程序框图

软件设计采用模块化的编程思想，使用Keil4软件开发平台编写、调试软件［5］，主程序框图见图5。

图5 主程序框图

2.2 寻迹程序设计

智能小车进入寻迹状态后，即开始不停地扫描与寻迹检测电路相连接的单片机I／O口，一旦检测到某个I／O口有信号，即进入判断处理程序，先确定寻迹检测电路中的三路信号中哪一路检测到黑线，如果左边传感器探测到黑线，即小车左半部分压到黑线，车身向右偏出了轨迹，此时应使小车向左转；如果右边传感器探测到黑线，即车身右半部压住黑线，小车向左偏出了轨迹，则应使小车向右转。在经过方向调整后，小车再继续向前行走，并继续探测黑线，并重复上述检测动作。寻迹程序框图如图6所示。