智能化尋跡小車以與程序

1、 尋跡小車在歷屆全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽中多次出現(xiàn)了集光、機(jī)、電于一體的簡易智能小車題目。筆者通過論證、比較、實(shí)驗(yàn)之后，制作出了簡易小車的尋跡電路系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)基于普通玩具小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并利用了小車的底盤、前后輪電機(jī)及其自動(dòng)復(fù)原裝置，能夠平穩(wěn)跟蹤路面黑色軌跡運(yùn)行?？傮w方案整個(gè)電路系統(tǒng)分為檢測(cè)、控制、驅(qū)動(dòng)三個(gè)模塊。首先利用光電對(duì)管對(duì)路面信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過比較器處理之后，送給軟件控制模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，輸出相應(yīng)的信號(hào)給驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制整個(gè)小車的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)方案方框圖如圖1所示。圖1 智能小車尋跡系統(tǒng)框圖傳感檢測(cè)單元小車循跡原理該智能小車在畫有黑線的白紙 “路面”上行駛，由于黑線和白紙對(duì)光

2、線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”黑線。筆者在該模塊中利用了簡單、應(yīng)用也比較普遍的檢測(cè)方法紅外探測(cè)法。紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號(hào)。傳感器的選擇市場(chǎng)上用于紅外探測(cè)法的器件較多，可以利用反射式傳感器外接簡單電路自制探頭，也可以使用結(jié)構(gòu)簡單、工作性能可靠的集成式紅外探頭。ST系列集成紅外探頭價(jià)格便宜、體積小、使用方便、性能可靠、用途廣泛，所以該系統(tǒng)中最終選擇了ST168反射

3、傳感器作為紅外光的發(fā)射和接收器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外接電路均較為簡單，如圖2所示：圖2 ST168檢測(cè)電路ST168采用高發(fā)射功率紅外光、電二極管和高靈敏光電晶體管組成，采用非接觸式檢測(cè)方式。ST168的檢測(cè)距離很小，一般為815毫米，因?yàn)?毫米以下是它的檢測(cè)盲區(qū)，而大于15毫米則很容易受干擾。筆者經(jīng)過多次測(cè)試、比較，發(fā)現(xiàn)把傳感器安裝在距離檢測(cè)物表面10毫米時(shí)，檢測(cè)效果最好。R1限制發(fā)射二極管的電流，發(fā)射管的電流和發(fā)射功率成正比，但受其極限輸入正向電流50mA的影響，用R1=150的電阻作為限流電阻,Vcc=5V作為電源電壓，測(cè)試發(fā)現(xiàn)發(fā)射功率完全能滿足檢測(cè)需要；可變電阻R2可限制接收電路的電流，一

4、方面保護(hù)接收紅外管；另一方面可調(diào)節(jié)檢測(cè)電路的靈敏度。因?yàn)閭鞲衅鬏敵龆说玫降氖悄M電壓信號(hào)，所以在輸出端增加了比較器，先將ST168輸出電壓與2.5V進(jìn)行比較，再送給單片機(jī)處理和控制。傳感器的安裝正確選擇檢測(cè)方法和傳感器件是決定循跡效果的重要因素，而且正確的器件安裝方法也是循跡電路好壞的一個(gè)重要因素。從簡單、方便、可靠等角度出發(fā)，同時(shí)在底盤裝設(shè)4個(gè)紅外探測(cè)頭，進(jìn)行兩級(jí)方向糾正控制，將大大提高其循跡的可靠性，具體位置分布如圖3所示。圖3 紅外探頭的分布圖圖中循跡傳感器全部在一條直線上。其中X1與Y1為第一級(jí)方向控制傳感器，X2與Y2為第二級(jí)方向控制傳感器，并且黑線同一邊的兩個(gè)傳感器之間的寬度不得大

5、于黑線的寬度。小車前進(jìn)時(shí)，始終保持(如圖3中所示的行走軌跡黑線)在X1和Y1這兩個(gè)第一級(jí)傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，第一級(jí)傳感器就能檢測(cè)到黑線，把檢測(cè)的信號(hào)送給小車的處理、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)對(duì)小車軌跡予以糾正。第二級(jí)方向探測(cè)器實(shí)際是第一級(jí)的后備保護(hù)，它的存在是考慮到小車由于慣性過大會(huì)依舊偏離軌道，再次對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行糾正，從而提高了小車循跡的可靠性。軟件控制單元單片機(jī)選型及程序流程此部分是整個(gè)小車運(yùn)行的核心部件，起著控制小車所有運(yùn)行狀態(tài)的作用?？刂品椒ㄓ泻芏啵蟛糠侄疾捎脝纹瑱C(jī)控制。由于51單片機(jī)具有價(jià)格低廉是使用簡單的特點(diǎn)，這里選擇了ATMEL公司的AT89S51作為控制核心部件，

6、其程序控制方框圖如圖4所示。圖4 系統(tǒng)的程序流程圖小車進(jìn)入循跡模式后，即開始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī)I/O口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O口有信號(hào)變化，程序就進(jìn)入判斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車的狀態(tài)。車速的控制車速調(diào)節(jié)的方法有兩種：一是用步進(jìn)電機(jī)代替小車上原有的直流電機(jī)；二是在原有直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，采用pwm調(diào)速法進(jìn)行調(diào)速?？紤]到機(jī)械裝置不便于修改等因素，這里選擇后者，利用單片機(jī)輸出端輸出高電平的脈寬及其占空比的大小來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制小車的速度。經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終確定合適的脈寬和占空比，基本能保證小車在所需要的速度X圍內(nèi)平穩(wěn)前行。電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元從單片機(jī)輸出的信號(hào)功率很弱，即

7、使在沒有其它外在負(fù)載時(shí)也無法帶動(dòng)電機(jī)，所以在實(shí)際電路中我們加入了電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片提高輸入電機(jī)信號(hào)的功率，從而能夠根據(jù)需要控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)功率大小以及連接電路的簡化要求選擇L298N，其外形、管腳分 布如圖5所示。 圖5 L298N管腳分布圖從圖中可以知道，一塊L298N芯片能夠驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，它的使能端可以外接高低電平，也可以利用單片機(jī)進(jìn)行軟件控制，極大地滿足各種復(fù)雜電路需要。另外，L298N的驅(qū)動(dòng)功率較大，能夠根據(jù)輸入電壓的大小輸出不同的電壓和功率，解決了負(fù)載能力不夠這個(gè)問題。結(jié)語此方案選擇的器件比較簡單，實(shí)際中也很容易實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過多次測(cè)試，結(jié)果表明在一定的弧度X圍內(nèi)，小車能夠沿著黑線軌跡

8、行進(jìn)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。不足之處，由于小車采用直流電機(jī)，其速度控制不夠精確和穩(wěn)定，不能實(shí)現(xiàn)急轉(zhuǎn)和大弧度的拐彎。程序#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar pro_left,pro_right,i,j; /左右占空比標(biāo)志                 sbit left1=P20;sbit left2=P21;sbit

9、 right1=P22;sbit right2=P23;   sbit en1=P10;       sbit en2=P11;       /循跡口 三個(gè)紅外傳感器sbit left_red=P12; /白線位置sbit mid_red=P13; /黑線位置sbit right_red=P14; /白線位置void delay(uint z)uchar i;while(z-)for(i=0;i<121;i+);void init()lef

10、t_red=0; /白線位置mid_red=1; /黑線位置right_red=0;TMOD=0X01;TH0=(65536-100)/256;TL0=(65536-100)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1;en1=1;en2=1;void time0(void)interrupt 1i+;j+;if(i<=pro_right) en1=1;    else en1=0;if(i=40) en1=en1;i=0;if(j<=pro_left) en2=1;   else en2=0;if(j=40) en2=en2;j=0;TH0=

11、(65536-100)/256;TL0=(65536-100)%256;void straight() /走直線函數(shù)pro_right=39;pro_left=39;left1=0;left2=1;right1=1;right2=0;void turn_left() /左轉(zhuǎn)彎函數(shù)pro_right=5;pro_left=39;left1=0;left2=1;right1=1;right2=0; void turn_right() /右轉(zhuǎn)彎函數(shù)pro_right=39;pro_left=5;left1=0;left2=1;right1=1;right2=0;void turn_back() /后

12、退(反轉(zhuǎn))函數(shù)left1=1;left2=0;right1=0;right2=1; pro_right=39;pro_left=39;void infrared() /循跡 uchar flag;if(left_red=1)   flag=1;    elseif(right_red=1)   flag=2;   elseif(left_red=0)&(mid_red=0)&(right_red=0)   flag=3;   else flag=0;switch (flag)       case 0: straight();     break;    case 1: turn_left();     break;    case 2: turn_right();      break;    case 3: turn_back();