陳志楚

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電信學(xué)院，湖北 十堰 442001）

基于AT89C52的電動(dòng)智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳志楚

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電信學(xué)院，湖北 十堰 442001）

介紹一種A T 89 C 52單片機(jī)為控制核心的智能小車.本系統(tǒng)采用A T 89 C 52單片機(jī)為控制核心，利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙，使用P WM調(diào)速控制電動(dòng)小汽車的自動(dòng)避障，快慢速行駛，以及自動(dòng)停車，并具有自動(dòng)記錄時(shí)間、里程和速度，自動(dòng)尋跡和尋光功能.整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性能高，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果滿足要求.

AT89C52單片機(jī)；光電檢測器；PWM調(diào)速；電動(dòng)小車

1 前言

智能小車是能夠感知環(huán)境，能夠有學(xué)習(xí)、情感和對外界一種邏輯判斷思維的一種智能移動(dòng)機(jī)器人.智能小車的設(shè)計(jì)與開發(fā)涉及控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科.開展自主尋跡智能小車的研究工作，對促進(jìn)控制及汽車電子學(xué)科學(xué)術(shù)水平的提高，具有良好推動(dòng)作用.

本課題結(jié)合全國高等學(xué)校智能車科研項(xiàng)目，其中智能電動(dòng)車采用A T 89 C 52單片機(jī)為核心部件進(jìn)行智能控制.開始由手動(dòng)啟動(dòng)小車，開始計(jì)時(shí)并計(jì)算里程，小車低速行駛，當(dāng)經(jīng)過規(guī)定的起始黑線，由紅外光電傳感器檢測，通過單片機(jī)控制小車開始加速，通過超聲波傳感器檢測障礙，紅外光電傳感器檢測路面彎道情況，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)左右轉(zhuǎn)向和避障，在電動(dòng)車進(jìn)駛過程中，采用動(dòng)態(tài)共陰顯示行駛時(shí)間和里程.系統(tǒng)框圖如1.

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 單片機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

A T 89 C 52是高性能C M O S的8位單片機(jī)，40個(gè)引腳，片內(nèi)含8 k字節(jié)可反復(fù)擦寫的F l a s h只讀程序存儲(chǔ)器和256字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（R A M），32個(gè)可編程I/O口，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和8個(gè)中斷源，并具有可編程串行U A R T通道，可進(jìn)入低功耗空閑和掉電模式.器件采用A TM E L公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)M C S-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，A T 89 C 52單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合.本系統(tǒng)采用了A T 89 C 52(圖中為P 89 C 52)單片機(jī)，使用內(nèi)部F l a s h和R A M作為存儲(chǔ)器，M A X 706構(gòu)成系統(tǒng)的看門狗保護(hù)電路，系統(tǒng)具體原理圖見圖2.

圖2 單片機(jī)硬件系統(tǒng)原理圖

A T 89 C 52外接石英晶體或陶瓷諧振器及電容C 1、C 2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路.在設(shè)計(jì)中，C 1＝C 2＝30 P,晶振G 2選擇12 M H z的石英晶體.

本設(shè)計(jì)采用M A X 706“看門狗”硬件電路.M A X 706是一種8腳封裝的性能優(yōu)良的低功耗C M O S監(jiān)控電路芯片，其內(nèi)部電路由上電復(fù)位、可重觸發(fā)“看門狗”定時(shí)器及電壓比較器等組成.將M A X 706的WD O連接到M R端，就可以在“看門狗”定時(shí)器溢出時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的復(fù)位信號(hào).通過單片機(jī)給WD I送輸入翻轉(zhuǎn)的喂狗信號(hào)，防止系統(tǒng)長時(shí)間“死機(jī)”.由于復(fù)位時(shí)輸出低電平，而單片機(jī)需要高電平的信號(hào)，因此在后增加了一級(jí)反相器74 H C 14.

3 前向通道設(shè)計(jì)

3.1 前向通道含義

單片機(jī)用于測控系統(tǒng)時(shí)，總要有與被測對象相聯(lián)系的前向通道.因此，前向通道設(shè)計(jì)與被測對象的狀態(tài)、特征、所處環(huán)境密切相關(guān).在前向通道設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到傳感器或敏感元件選擇、通道結(jié)構(gòu)、信號(hào)調(diào)節(jié)、電源配置、抗干擾設(shè)計(jì)等.在通道電路設(shè)計(jì)中還涉及到模擬電路諸多問題.本設(shè)計(jì)中，檢測系統(tǒng)主要對小車的避障、位置、行車狀態(tài)進(jìn)行測量，因此選擇各種光電傳感器作為傳感器，實(shí)現(xiàn)光電檢測.選擇好適當(dāng)?shù)膫鞲衅鲗⑿枰男盘?hào)進(jìn)行提取之后，為了使這些測量信號(hào)能滿足計(jì)算機(jī)輸入接口的電平要求，不可避免地要使用各種信號(hào)輸入單元.這些包括了各種放大器或比較器方案，它們也構(gòu)成了前向通道的重要部分.

在本設(shè)計(jì)中，光電傳感器只輸出一種高低電平信號(hào)且伴有外界雜波干擾，所以我們采用了一種數(shù)字器件——施密特觸發(fā)器.施密特觸發(fā)器是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的變形，它有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，觸發(fā)方式為電平觸發(fā)，只要外加觸發(fā)信號(hào)的幅值增加到足夠大，它就從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài).施密特觸發(fā)器具有與滯回比較器相類似的滯回特性，但施密特觸發(fā)器的抗干擾能力比滯回比較器更強(qiáng).見圖3.

圖3 電壓比較器電路

3.2 系統(tǒng)各個(gè)檢測電路的設(shè)計(jì)

3.2.1 加減速標(biāo)志檢測電路

加減速標(biāo)志是在路面各設(shè)置一條2 c m寬的黑線，光線照射到路面后反射，由于黑色和白色對光的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱來判斷是否有黑線.利用這個(gè)原理，本系統(tǒng)采用反射式紅外線光電傳感器，安裝在車底盤上前沿位置，貼近地面.正常行駛時(shí)，發(fā)射管發(fā)射紅外光照射地面，光線經(jīng)白色路面反射后被接收管接收，輸出高電平信號(hào)；小車經(jīng)過黑線時(shí)，發(fā)射端發(fā)射的光線被黑線吸收，接收端接收不到反射光線，傳感器輸出低電平信號(hào).這個(gè)由高到低的電平變化被單片機(jī)處理，并選擇預(yù)先編制的程序來控制小車的行駛狀態(tài).

3.2.2 行車速度檢測電路

圖4 行車距離檢測電路

由于紅外檢測具有反應(yīng)速度快、定位精度高，可靠性強(qiáng)以及可見光傳感器所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，故采用紅外光電碼盤測速方案.具體電路同圖4行車距離檢測電路所示.

紅外測距儀由測距輪，遮光盤，紅外光電耦合器及凹槽型支架組成的.遮光盤有一缺口，盤下方的凹形物為槽型光電耦合器，其兩端高出部分的里面分別裝有紅外發(fā)射管和紅外接收管.遮光盤在凹槽中轉(zhuǎn)動(dòng)，缺口進(jìn)入凹槽時(shí)，紅外線可以通過，缺口離開凹槽紅外線被阻擋.測距輪每轉(zhuǎn)一周，紅外光接收管均能接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，經(jīng)過整形器后送入計(jì)數(shù)器或直接送入單片機(jī)中.在測距儀中并列放置了兩個(gè)槽型光電耦合器實(shí)現(xiàn)可逆記數(shù)功能.

3.2.3 路面彎道檢測電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)光電三極管，分別放置在小車車頭的左、右兩個(gè)方向，在路面上需要轉(zhuǎn)向的彎道處放置一個(gè)紅外發(fā)光二極管，用來檢測小車的行走方向，當(dāng)彎道向左轉(zhuǎn)時(shí)，紅外發(fā)光二極管放置在靠近小車左側(cè)路面，反之放置在右側(cè)路面.當(dāng)左側(cè)光電管受到光照時(shí)，表明小車需要向左轉(zhuǎn)；當(dāng)右側(cè)光電管受到光照時(shí)，表明小車需要向右轉(zhuǎn).

行車方向檢測電路包括一個(gè)紅外發(fā)光二極管、一個(gè)紅外光敏三極管及其上拉電阻，如圖5小車的方向檢測電路.當(dāng)沒有遇到紅外發(fā)光二極管時(shí)，紅外光敏三極管不導(dǎo)通，L M 393的正輸入端經(jīng)過上拉電阻R 7到V C C高電壓，高于其負(fù)輸入端的V C C/2電壓，L M 393的輸出端經(jīng)過10 K電阻R 9上拉到V C C.當(dāng)遇到紅外發(fā)光二極管時(shí)，紅外發(fā)光二極管發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外線，紅外光敏三極管在接收到反射回來的紅外線后導(dǎo)通，L M 393的正輸入端經(jīng)過三極管連接到G N D，低于其負(fù)輸入端的V C C/2電壓，L M 393的輸出端就會(huì)輸出低電壓，這樣就會(huì)有一個(gè)由高到低的電平跳變信號(hào).

圖5 路面彎道檢測電路

圖6 超聲波檢測電路

3.2.4 障礙物檢測電路

本設(shè)計(jì)采用T/R-40-12小型超聲波傳感器作為探測前方障礙物體的檢測元件，其中心頻率為40 H z，由A T 89 C 52發(fā)出的40 K H z脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)送器發(fā)出40 K H z的脈沖超聲波，當(dāng)小車前方遇到有障礙物時(shí)，此超聲波信號(hào)被障礙物反射回來，由接收器接收，經(jīng)L M 318兩級(jí)放大，再經(jīng)帶有鎖相環(huán)的音頻解碼芯片L M 567解碼，當(dāng)L M 567的輸入信號(hào)大于25 m V時(shí)，輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖?，送A T 89 C 52單片機(jī)處理.超聲波檢測如圖6超聲波檢測電路所示.

4 后向通道設(shè)計(jì)

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，單片機(jī)總要對控制對象實(shí)現(xiàn)操作，因此，在這樣的系統(tǒng)中，總要有后向通道.后向通道是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制運(yùn)算處理后，對控制對象的輸出通道接口.根據(jù)單片機(jī)輸出信號(hào)形態(tài)及控制對象要求，后向通道應(yīng)解決：

（1）功率驅(qū)動(dòng).將單片機(jī)輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，以滿足伺服驅(qū)動(dòng)的功率要求.

（2）干擾防治.主要防治伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過信號(hào)通道﹑電源以及空間電磁場對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的干擾.通常采用信號(hào)隔離﹑電源隔離和對功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)過零切換等方法進(jìn)行干擾防治.

（3）數(shù)/模轉(zhuǎn)換.對于二進(jìn)制輸出的數(shù)字量采用D/A變換器；對于頻率量輸出則可以采用脈寬調(diào)制電路.

4.1 直流調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)小車需要進(jìn)行加速或減速時(shí)，就需要用到直流調(diào)速設(shè)計(jì).具體方案有以下幾種：

（1）串電阻調(diào)速系統(tǒng)，簡稱G-M調(diào)速系統(tǒng).（2）靜止可控整流器，簡稱V-M調(diào)速系統(tǒng).（3）脈寬調(diào)速系統(tǒng)，簡稱P WM調(diào)速系統(tǒng).

G-M系統(tǒng)的可逆運(yùn)行是很容易實(shí)現(xiàn)的.但該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不方便等缺點(diǎn).且技術(shù)落后，因此擱置不用.

V-M系統(tǒng)是當(dāng)今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式.它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速.V-M系統(tǒng)的缺點(diǎn)是晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難.它的另一個(gè)缺點(diǎn)是運(yùn)行條件要求高，維護(hù)運(yùn)行麻煩.最后，當(dāng)系統(tǒng)處于低速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流危害附近的用電設(shè)備.

脈沖寬度調(diào)制（P u l s eWi d t hM o d u l a t i o n），簡稱P WM，脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，即通過改變脈沖寬度來進(jìn)行直流調(diào)速.

與V-M系統(tǒng)相比，P WM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)：

(1)由于P WM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動(dòng)很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá)1：10000左右.由于電流波形比V-M系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小.

(2)同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機(jī)相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng).

(3)由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高.

根據(jù)以上綜合比較，以及本設(shè)計(jì)中受控電機(jī)的容量和直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向，本設(shè)計(jì)采用了H型雙極式可逆P WM變換器進(jìn)行調(diào)速.

可逆P WM變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有H型、T型等類型.我們在設(shè)計(jì)中采用了常用的雙極式H型變換器，它是由4個(gè)三極電力晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路.圖7為雙極式H型可逆P WM變換器的電路原理圖.

4個(gè)電力晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組.V T 5和V T 8同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)電路中U b 1=U b 4；V T 6和V T 7同時(shí)動(dòng)作，其驅(qū)動(dòng)電壓U b 2=U b 3=-U b 1.

雙極式P WM變換器的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）電流一定連續(xù)；

（2）可使電動(dòng)機(jī)在四象限中運(yùn)行；

（3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；

（4）低速時(shí)，每個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通；

（5）低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍可達(dá)20000左右.

圖7 雙極式H型可逆P WM變換器電路原理圖

4.2 行駛方向控制電路設(shè)計(jì)

小車的行駛方向分為前進(jìn)、后退、停止、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，為了實(shí)現(xiàn)以上控制，在小車的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪各安裝直流電機(jī)M 1和M 2，當(dāng)兩臺(tái)電機(jī)同速正轉(zhuǎn)時(shí),小車前進(jìn)；同速反轉(zhuǎn)時(shí)，小車后退；同時(shí)停轉(zhuǎn)時(shí)，小車停止；小車需要左轉(zhuǎn)時(shí)，右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪正轉(zhuǎn)；小車需要右轉(zhuǎn)時(shí)，左側(cè)驅(qū)動(dòng)輪正轉(zhuǎn).圖8分析了電機(jī)正反轉(zhuǎn)的工作原理.控制電路的核心是一個(gè)雙刀雙擲的繼電器，繼電器線圈的正極接電源正極，負(fù)極通過三極管T 1控制其是否連接到地.繼電器的兩個(gè)公共端，1 c直接接電源正極，2 c通過三極管T 2控制其是否連接到地.

圖8 繼電器控制行車方向的電路圖

4.3 顯示電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中用兩片4位八段數(shù)碼管g e m 4561 a e作顯示器, E M 78 P 458作為顯示驅(qū)動(dòng)器，分別顯示行駛時(shí)間和行駛距離.E M 78 P 458是臺(tái)灣E M C公司推出的一款高性能C M O S工藝的8位單片機(jī).其內(nèi)部有4 K*13位一次性R O M（O TP R O M），因此，用戶可以方便地改進(jìn)完善程序.程序代碼可用E M C 編程器寫入芯片.它具有運(yùn)行速度高、功耗極低、抗干擾能力強(qiáng)、程序保密性好等一系列特點(diǎn)，特別是它內(nèi)部帶有1個(gè)8位的A/D轉(zhuǎn)換器和2個(gè)10位的脈寬調(diào)制器P WM 1、P WM 2，使得它在智能化儀器儀表和自動(dòng)控制領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用.

5 軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序.因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位.對于本系統(tǒng)，軟件更為重要.在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個(gè)基本類型.數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等.過程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然后再輸出，以便控制生產(chǎn).本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，有利于程序編寫和調(diào)試.因篇幅限制，本文中只給出主程序流程圖.

5.1 程序設(shè)計(jì)

主程序主要完成（1）小車初始化后啟動(dòng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)入低速行駛；（2）光電傳感器判斷是否有黑線，如果有則加速；（3）行駛過程中，通過超聲波、光電傳感器等判斷路障和路面轉(zhuǎn)彎情況，由單片機(jī)控制小車避障和轉(zhuǎn)向.同時(shí)由L E D顯示里程和時(shí)間.軟件流程圖如圖9所示.

圖9 主程序流程圖

5.2 軟件抗干擾技術(shù)

提高玩具車智能控制的可靠性，僅靠硬件抗干擾是不夠的，需要進(jìn)一步借助于軟件抗干擾技術(shù)來克服某些干擾[6].在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，如能正確的采用軟件抗干擾技術(shù)，與硬件干擾措施構(gòu)成雙道抗干擾防線，無疑為了將大大提高控制系統(tǒng)的可靠性.經(jīng)常采用的軟件抗干擾技術(shù)是數(shù)字濾波技術(shù)、開關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù)、指令冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)等.本設(shè)計(jì)中采用了編程指令冗余技術(shù)和多路傳感器數(shù)據(jù)采集延時(shí)等方法保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行.

6 結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用A T 89 C 52單片機(jī)為控制平臺(tái)的智能小車，能夠根據(jù)道路標(biāo)識(shí)行駛，并利用超聲波傳感器、光電傳感器等對道路的障礙、彎道等路況辨識(shí)，使用P WM算法實(shí)現(xiàn)小車彎道和速度控制.控制效果和穩(wěn)定性比較好.如果增加相應(yīng)的硬件設(shè)備，小車可實(shí)現(xiàn)更高級(jí)、更智能、更復(fù)雜的功能.但是如何融合和處理各類傳感器采集信息，如何對小車實(shí)現(xiàn)更有效的控制，需要我們在實(shí)踐中不斷探索研究.

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