李亞振

（安陽(yáng)師范學(xué)院 河南安陽(yáng) 455000）

當(dāng)前，社會(huì)新工藝、新技術(shù)快速發(fā)展，人工智能技術(shù)逐步成熟，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)。智能小車作為人工智能領(lǐng)域研究的重要分支，可以代替人類在一些危險(xiǎn)環(huán)境下完成相關(guān)工作。本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)作為小車控制系統(tǒng)的核心處理器，包括驅(qū)動(dòng)、紅外循跡、避障和音樂播放等模塊，通過(guò)對(duì)各模塊的設(shè)計(jì)，全面說(shuō)明該智能小車工作的基本原理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)

本設(shè)計(jì)增添紅外線遙控電路，控制智能小車運(yùn)動(dòng)，功能除了前進(jìn)后退，還可以按照設(shè)置路線行駛并躲避障礙物，利用C語(yǔ)言程序設(shè)置智能小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在編寫代碼時(shí)寫入不同的音樂模塊，調(diào)試實(shí)現(xiàn)小車的多功能運(yùn)行［1］。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 電源輸入模塊

本設(shè)計(jì)選用7.4V 可充電鋰電池，可以循環(huán)使用，經(jīng)過(guò)LM7805穩(wěn)壓芯片后，給單片機(jī)和外圍器件提供供電。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的芯片由7.4V 鋰電池直接提供。二極管D1起著防反接的作用，LED2作為電源指示燈，當(dāng)開關(guān)SW1打開時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)開始供電。電源輸入原理圖如圖2所示。

圖2 電源輸入原理圖

2.2 控制模塊

單片機(jī)最小系統(tǒng)由STC89C52 芯片、晶振電路、復(fù)位電路、程序下載電路及上拉電阻組成。具體原理如圖3所示，程序下載電路用來(lái)下載經(jīng)過(guò)keil軟件編譯好的程序文件。本設(shè)計(jì)的控制模塊核心是STC89C52 芯片，該芯片具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，而且指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051 單片機(jī)，這也是選擇它的重要原因［2］。

圖3 控制模塊原理圖

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)的作用是讓小車跑起來(lái)、跑得穩(wěn)。單片機(jī)直接輸出的電流較小，智能小車跑不起來(lái)，因此，需要電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片。RZ7899芯片外圍電路簡(jiǎn)單，適用于多種電路。芯片由邏輯輸入端口BI 和FI 控制小車前進(jìn)、后退及制動(dòng)，與PWM 的輸出可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速［3］。當(dāng)兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)與后退，當(dāng)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、待機(jī)電流小、輸出內(nèi)阻低等。本次設(shè)計(jì)的電機(jī)采用的是N20 直流減速電機(jī)，它有著壽命長(zhǎng)、轉(zhuǎn)速精確等特點(diǎn)，也是市面上比較受大眾用戶支持與喜愛的一個(gè)系列。驅(qū)動(dòng)模塊原理如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)模塊原理圖

2.4 紅外循跡模塊

智能小車的循跡是在地板上貼上黑色的膠帶，智能小車沿著黑膠帶跑起來(lái)。利用紅外線光在不同顏色的反射下得到的結(jié)果不同進(jìn)行識(shí)別，紅外線一直對(duì)外發(fā)射，遇到白色會(huì)被折回，接收器接收到信號(hào)，經(jīng)過(guò)比較器輸出高電平反饋給單片機(jī)，遇到黑色會(huì)被吸收，無(wú)法接收信號(hào)，比較器電路則輸出為低電平。循跡電路采用了393電壓比較器與ITR9909紅外對(duì)管進(jìn)行設(shè)計(jì)，ITR9909 紅外傳感器內(nèi)部含有紅外發(fā)射管和接收管，兩個(gè)紅外傳感器應(yīng)安裝在智能小車底部，二者之間距離應(yīng)小于黑色膠帶的寬度，從而實(shí)現(xiàn)循跡的功能［4］。循跡模塊原理圖如圖5所示。

圖5 循跡模塊原理圖

2.5 避障模塊

避障電路采用紅外避障方式，使用IR333C紅外發(fā)射管和PT333-3B 紅外接收管實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)功能。IR333C紅外發(fā)射管發(fā)出紅外光，PT333-3B紅外接收管接收前方物體反射的紅外光，判斷前方是否有障礙物，小車會(huì)做出相應(yīng)的反應(yīng)來(lái)躲避障礙物，還可以根據(jù)反射光的強(qiáng)弱判斷前方物體的距離［5］。小車前方左右兩端分別裝了兩套紅外發(fā)射管和接收管，可以實(shí)現(xiàn)短距離內(nèi)避障。避障模塊原理如圖6所示。

圖6 避障模塊原理圖

2.6 其他模塊

實(shí)現(xiàn)智能小車的基本功能之后，還可以對(duì)小車功能進(jìn)一步豐富。外部控制按鍵用來(lái)切換功能和調(diào)試代碼；增加2個(gè)LED燈放在智能小車前方的左右兩端，對(duì)不同場(chǎng)景模擬不同行駛的功能；增加無(wú)源蜂鳴器，可以在行駛過(guò)程中鳴笛示意［6］，無(wú)源蜂鳴器還可以播放音樂。

3 PCB設(shè)計(jì)

3.1 邊框外形

智能小車的外形比較特別，需要設(shè)計(jì)的PCB 邊框就是小車的底盤。用PCB設(shè)計(jì)軟件里面的邊框?qū)舆M(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工程中，可以用繪圖工具中的直線和弧線工具及其網(wǎng)絡(luò)大小和柵格尺寸做輔助。其具體樣式可以根據(jù)自己的喜好進(jìn)行設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)是一個(gè)四驅(qū)車的形狀，如圖7所示。

圖7 PCB圖

3.2 PCB布局

智能小車的元器件比較多，使用菜單欄中工具的布局傳遞功能，可以快速地對(duì)元器件進(jìn)行分類布局。在布局過(guò)程中，需要注意每個(gè)電路的核心器件和外圍器件放到一起，特殊器件布局時(shí)附近的元件會(huì)對(duì)特殊器件進(jìn)行干擾，為了操作更方便，輸入輸出的接口應(yīng)該放到板子邊緣處。

4 軟件設(shè)計(jì)

在智能小車設(shè)計(jì)中，硬件模塊較多，程序控制比較復(fù)雜，程序代碼也較多，為了增強(qiáng)程序可讀性，可以分步調(diào)試。首先，讓智能小車動(dòng)起來(lái)；然后，依次測(cè)試智能小車的前進(jìn)后退和左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)功能；最后，將程序綜合起來(lái)，做成循跡子程序和避障子程序，實(shí)現(xiàn)避障和循跡的功能。下面，主要展示智能小車循跡和避障功能的實(shí)現(xiàn)，如圖8所示。

圖8 程序流程圖

當(dāng)智能小車底部的ITR9909紅外傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，循跡子程序就會(huì)被調(diào)用，從而判斷出哪側(cè)的紅外傳感器檢測(cè)到了信號(hào)。若左側(cè)的紅外傳感器檢測(cè)到了信號(hào)，智能小車就會(huì)向右轉(zhuǎn)；若右側(cè)紅外傳感器檢測(cè)到了信號(hào)，智能小車就會(huì)向左轉(zhuǎn)；若兩側(cè)均未檢測(cè)到信號(hào)，小車則繼續(xù)前行。當(dāng)小車前方兩側(cè)IR333C紅外發(fā)射管和PT333-3B 紅外接收管檢測(cè)到前方有障礙物存在時(shí)，避障子程序就會(huì)被調(diào)用，若判斷出左邊有障礙物，智能小車則會(huì)向右轉(zhuǎn)，反之，則會(huì)向左轉(zhuǎn)。

5 焊接調(diào)試

根據(jù)PCB設(shè)計(jì)圖，對(duì)智能小車進(jìn)行安裝與焊接，把編譯好的文件下載到STC89C52 芯片中去，最后，進(jìn)行綜合調(diào)試，觀察是否能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)的功能。

經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，小車能夠完成循跡和避障功能，蜂鳴器能夠正常播放聲音，紅外遙控器可以正?？刂浦悄苄≤嚕瓿闪嗽O(shè)計(jì)目標(biāo)（見圖9和圖10）。

圖9 實(shí)物調(diào)試圖

6 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)基于STC89C52 芯片，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)和焊接調(diào)試4個(gè)方面，說(shuō)明了智能小車的基本工作原理，該智能小車通過(guò)4個(gè)RZ7899驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，利用ITR9909 反射式紅外傳感器實(shí)現(xiàn)循跡功能，利用IR333C 紅外發(fā)射管和PT333-3B 紅外接收管實(shí)現(xiàn)避障功能，并達(dá)到了預(yù)期的效果。雖然該智能小車的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但功能齊全，而且成本較低，具有廣泛的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。因此，本設(shè)計(jì)思路和原理適合應(yīng)用于各智能領(lǐng)域當(dāng)中。

圖10 實(shí)物圖