基于STC12LE5410AD單片機(jī)的自動(dòng)尋跡車設(shè)計(jì)

張春林，趙麗

（1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033；2.長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長春 130033）

尋跡機(jī)器人在社會(huì)生活中有著廣泛的應(yīng)用，例如自動(dòng)化生產(chǎn)線的物料陪送機(jī)器人，醫(yī)院的機(jī)器人護(hù)士，商場(chǎng)的導(dǎo)游機(jī)器人等［1］。自動(dòng)尋跡車可以看作是一款尋跡機(jī)器人，它集機(jī)械、電子、檢測(cè)技術(shù)與智能控制于一體，采用紅外反射式光電傳感器檢測(cè)路面信息，利用紅外遮斷式傳感器檢測(cè)車輪轉(zhuǎn)速.STC12LE5410AD單片機(jī)根據(jù)上述傳感器信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算分析，控制小車在路面上沿黑線行走。

STC12LE5410AD單片機(jī)是單時(shí)鐘的兼容8051內(nèi)核的單片機(jī)，是高速、低功耗的新一代8051單片機(jī)，速度比普通8051快8～12倍，全新的流水線、精簡指令集結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，自帶4路PWM輸出及硬件看門狗。能夠很好的滿足系統(tǒng)要求。

1 總體方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)尋跡車是一個(gè)具備自主判斷、決策能力的小型機(jī)電整合系統(tǒng)。自動(dòng)尋跡車主要分為電源模塊、微控制器模塊、電機(jī)控制模塊、軌跡檢測(cè)模塊、碼盤采樣器模塊。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。電源模塊是智能小車的“動(dòng)力源泉”，微控制器模塊是自動(dòng)尋跡車的大腦，軌跡檢測(cè)模塊相當(dāng)于尋跡車的眼睛，電機(jī)控制模塊和碼盤采樣器模塊組成移動(dòng)模塊，移動(dòng)模塊相當(dāng)于尋跡車的腿腳。由軌跡檢測(cè)模塊檢測(cè)曲線的位置并輸出檢測(cè)信息，對(duì)檢測(cè)信息進(jìn)行處理后將其輸入到微控制器模塊，單片機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)輸入信息進(jìn)行判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果輸出指令給移動(dòng)模塊，移動(dòng)模塊根據(jù)指令驅(qū)動(dòng)自動(dòng)尋跡車左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前行等，從而實(shí)現(xiàn)尋跡功能。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 The block diagram of the system

2 硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用了帶減速器的直流電機(jī)，它具有轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大、體積小、重量輕、裝配簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，由于其內(nèi)部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。

電機(jī)控制模塊用單片機(jī)的 PWM（脈沖寬度調(diào)制）［2］信號(hào)來控制H橋，用H橋來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，能夠控制電機(jī)的停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，且能夠控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

如圖2所示，9012、9013三極管控制驅(qū)動(dòng)管實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，D772和D882是雙極性功率放大管，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，IN5819型二極管壓降低提供續(xù)流保護(hù)作用，紅、綠發(fā)光二極管用于電機(jī)正常工作指示。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 The drive circuit of the motor

由于本設(shè)計(jì)采用了單極性可逆PWM變換方式，控制一個(gè)電機(jī)需要3個(gè)I/O口，其中2個(gè)用普通的I/O口即可，一個(gè)用于輸出PWM信號(hào)的，即占空比可控的脈沖信號(hào)。I/O口輸出信號(hào)通過邏輯控制電路與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)接，功能控制如下：

2.2 碼盤采樣器模塊設(shè)計(jì)

碼盤采樣器模塊即測(cè)速模塊，利用紅外遮斷式傳感器中三極管的開關(guān)特性產(chǎn)生高低電平，由單片機(jī)對(duì)其上升或下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，且通過定時(shí)器設(shè)定采樣時(shí)間，在一定時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)的數(shù)量決定了小車的行駛速度。本設(shè)計(jì)中因?yàn)榇a盤的分辨率較低，所以采用測(cè)周期的方式來得到轉(zhuǎn)速。如果按照正常的脈沖測(cè)量方式，采集一個(gè)跳變沿，那這個(gè)碼盤一圈只能得到 50個(gè)數(shù)據(jù)，為了提高性能，利用了STC12LE5410AD單片機(jī)PCA模塊的正、負(fù)跳變均能中斷的特性，一周可獲取100個(gè)數(shù)據(jù)。為了避免脈沖的占空比不等帶來的問題，測(cè)周期時(shí)采用正跳對(duì)正跳、負(fù)跳對(duì)負(fù)跳的原則。碼盤示意圖如圖3所示。

圖3 碼盤Fig.3 The coded disc

2.3 軌跡檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

軌跡檢測(cè)模塊采用紅外反射式傳感器進(jìn)行信號(hào)采集。當(dāng)紅外線照射到白色地面時(shí)會(huì)有較大的反射，而照射到黑色標(biāo)志線，黑色標(biāo)志線會(huì)吸收大部分紅外光，紅外接收管接收到紅外線強(qiáng)度就很弱。即根據(jù)反射系數(shù)不同，通過以紅外反射式光電傳感器為核心的光電檢測(cè)電路將路面兩種顏色進(jìn)行區(qū)分，轉(zhuǎn)化為不同電平信號(hào)［3-4］，將此電平信號(hào)送給STC12LE5410AD單片機(jī)，繼而控制電機(jī)作相應(yīng)的轉(zhuǎn)向，保證小車沿軌跡行駛。

本設(shè)計(jì)采用了8個(gè)紅外傳感器尋跡，8個(gè)尋跡傳感器的安裝如圖4所示，呈一字型排列，中間的兩個(gè)紅外傳感器在黑線范圍內(nèi)，反射接收到的是高電平，其余的6個(gè)紅外傳感器在黑線范圍外，反射接收到的是低電平。當(dāng)左三傳感器檢測(cè)到黑線的邊界時(shí)，主控芯片控制電機(jī)使左輪減速，小車向左修正；當(dāng)右三傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，主控芯片控制電機(jī)使右輪減速，小車向右修正；如果小車的行駛速度過快，中間的傳感器均脫離了黑色跑道，則檢測(cè)其他傳感器，例如當(dāng)左二和左三傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，主控芯片控制電機(jī)使左輪以更快速度減速，小車向左修正；當(dāng)右一和右二傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，主控芯片控制電機(jī)使右輪快速減速，小車向右修正；從而使小車沿著黑色軌道快速行走，也便于小車在彎道等路面也能夠快速調(diào)整。

圖4 八個(gè)尋跡傳感器安裝Fig.4 The eght tracing sensor installation

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序、轉(zhuǎn)速測(cè)試子程序、尋跡子程序、結(jié)束子程序等組成。尋跡子程序又包含微調(diào)函數(shù)子程序、直行函數(shù)子程序和調(diào)整子程序等。主程序流程圖如圖5所示。

轉(zhuǎn)速測(cè)試子程序能夠測(cè)定左右輪轉(zhuǎn)速，并能夠確定測(cè)試時(shí)微調(diào)函數(shù)子程序、直行函數(shù)子程序和調(diào)整子程序的調(diào)整參數(shù)。

圖5 主程序流程圖Fig.5 The main program flowchart

4 結(jié)論

本文詳細(xì)闡述了基于STC12LE5410AD單片機(jī)的自動(dòng)尋跡車的軟硬件設(shè)計(jì)方法?；谠摲椒ㄔO(shè)計(jì)的自動(dòng)尋跡車已用于機(jī)器人競(jìng)賽。實(shí)踐證明該車具有硬件成本低、控制系統(tǒng)運(yùn)行快速，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。且在彎道行駛時(shí)也能保證運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

［1］黃大志，周慶貴，陳業(yè)強(qiáng).基于單片機(jī)輪式尋跡機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2009，37（8）：350-352.

［2］陳鴻.嵌入式系統(tǒng)在瑞薩智能尋跡模型車的應(yīng)用［J］.學(xué)術(shù)問題研究，2009（2）：75-80.

［3］寧慧慧，余紅.基于單片機(jī)控制的簡易自動(dòng)尋跡小車設(shè)計(jì)［J］.電子測(cè)試，2009（9）：39-41.

［4］高月華.基于紅外光電傳感器的智能車自動(dòng)尋跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.半導(dǎo)體光電，2009，30（1）：134-137.