基于單片機(jī)的智能小車裝置的設(shè)計(jì)

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201720010

摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，汽車開始普及，走進(jìn)千家萬(wàn)戶，全民汽車時(shí)代即將到來，自動(dòng)化的智能小車的研究越來越受歡迎，自動(dòng)循跡避障小車的研制越來越完善，意在能夠更加穩(wěn)定循跡，精準(zhǔn)避障。本設(shè)計(jì)就是根據(jù)AT89S51單片機(jī)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)循跡避障功能，AT89S51單片機(jī)作為一個(gè)功耗既低、性能又高的CMOS8位單片機(jī)為設(shè)計(jì)電路的主控制核心，外接穩(wěn)壓電源模塊、紅外傳感器檢測(cè)模塊、電機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊等部分協(xié)同配合，紅外傳感檢測(cè)模塊控制小車穩(wěn)定循跡功能，再由兩個(gè)直流減速電機(jī)差動(dòng)調(diào)節(jié)，以及調(diào)節(jié)AT89S51單片機(jī)發(fā)出的PWM的方波占空比，使小車能夠在預(yù)設(shè)的范圍之內(nèi)達(dá)成任何方向黑線以及隨意角度轉(zhuǎn)移完成智能小車精確避障功能。

關(guān)鍵詞：智能小車；51單片機(jī)；紅外傳感器

當(dāng)下社會(huì)科技發(fā)展日新月異，智能小車的發(fā)展速度飛快，它可以稱作是智能機(jī)器人設(shè)備的典型體現(xiàn)，在生產(chǎn)工作和社會(huì)生活中充當(dāng)著不可替代的角色，該智能自動(dòng)循跡避障小車整體是由三個(gè)大的模塊構(gòu)成，分別為：以51單片機(jī)為核心的CPU模塊，傳感器監(jiān)測(cè)模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行模塊，它可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)定循跡功能，也能夠增加精準(zhǔn)避障等功能，感應(yīng)出循跡線和障礙物，能夠?qū)嵭兄悄苄≤嚪鞘謩?dòng)避障，自動(dòng)循跡等功能，從而準(zhǔn)確的避開障礙物，自動(dòng)判斷出正確的行走路線，它可以方便人們的生活，提高工作效率，將智能小車作為模型，運(yùn)用到汽車行業(yè)之中，交通事故大多來源于疲勞駕駛，酒后醉駕，視野不清等人為因素，智能汽車能夠有效的避免這些因素，它可以由控制核心精確控制，將大幅度的減輕交通安全事故

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

按照設(shè)計(jì)題目的總體需求，確定以下設(shè)計(jì)方案：如下圖所示，最先要設(shè)計(jì)出智能小車的基礎(chǔ)模型，以及智能小車的動(dòng)力方案，同時(shí)在小車的PCB（印刷線路板）上安裝其他模塊元件，達(dá)成對(duì)智能小車的循跡、避障、速度等運(yùn)作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過紅外探測(cè)模塊將收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸T89S51單片機(jī)中進(jìn)行處置，然后再由AT89S51單片機(jī)依據(jù)所監(jiān)測(cè)到的各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)智能小車的控制。本方案采用AT89S51單片機(jī)作為小車整體的控制單元核心，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)智能小車的運(yùn)行情況實(shí)行實(shí)時(shí)控制，運(yùn)行靈敏、穩(wěn)定，誤差小，能夠滿足工作的各種需求。

智能小車的整體設(shè)計(jì)圖

按照設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)的智能小車關(guān)鍵有以下六個(gè)板塊構(gòu)成，分別是：小車整體框架、穩(wěn)壓板塊、電源板塊、核心控制板塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)板塊和監(jiān)測(cè)板塊。各個(gè)功能模塊通過單片機(jī)的調(diào)控相互協(xié)同配合。

2 電源部分

方法一：安裝蓄電池進(jìn)行供電。此方法的優(yōu)點(diǎn)是蓄電池成本較低，且容易獲得，也可以提供較穩(wěn)定的電壓和電流驅(qū)動(dòng)，可利用相應(yīng)穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后給智能小車電機(jī)供電，再利用相應(yīng)降壓芯片降壓后給控制中心的單片機(jī)和其他模塊供電。但缺點(diǎn)是蓄電池的重量很大，這樣就額外的增加了小車的整體重量，使負(fù)載變大，使小車無(wú)法靈敏轉(zhuǎn)彎，所占智能小車空間也很大，致使其他模塊的安裝很擁擠。

方法二：安裝可充電電池供電。安裝兩節(jié)可充電電池給作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源，同時(shí)給51單片機(jī)和智能小車各個(gè)功能模塊供電?？沙潆婋姵啬軌蚪o小車提供穩(wěn)定的電壓，所占體積很小，可反復(fù)充電利用，市場(chǎng)上也容易獲取。所以綜上論述，電源部分采取方法二作為智能小車的供電。

3 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊

3.1電機(jī)模塊

一個(gè)智能小車想要穩(wěn)定運(yùn)行，不僅要有良好的控制核心，還決定于它的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)，此智能循跡避障小車的兩個(gè)電機(jī)選取直流減速電機(jī)，它具有重量輕、體積小、轉(zhuǎn)矩大、安裝簡(jiǎn)便、使用便捷等優(yōu)點(diǎn)。它的主要功能是能夠控制小車的運(yùn)行前進(jìn)以及避障時(shí)的轉(zhuǎn)彎，這里可以采用減速比是1：75的直流減速電機(jī)，減速之后小車電機(jī)的轉(zhuǎn)速變?yōu)?00轉(zhuǎn)每秒。如果小車車輪的半徑為2.5厘米，就可以通過式子計(jì)算出智能小車的最高速度：

V=2Rπ*V=2*0.025*3.14*110/50=0.345m/s

因此可以很好的實(shí)現(xiàn)整體條件。

3.2 驅(qū)動(dòng)模塊

智能小車的驅(qū)動(dòng)模塊是小車整體的關(guān)鍵部分，采用L293D為智能小車電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，它具有電流大、電壓高的特點(diǎn)，并且可以同時(shí)控制左右兩個(gè)電機(jī)，這里采用AT89S51單片機(jī)作為控制核心，同時(shí)采取PWM調(diào)速法來控制小車兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，單片機(jī)XTAL1和XTAL2輸出固定頻率的方波，放大功率后驅(qū)動(dòng)電機(jī)，改變占空比，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，來控制智能小車的向前、向后、轉(zhuǎn)彎及停止，并通過兩個(gè)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)上述要求，當(dāng)小車左右電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，小車直行，當(dāng)小車左邊的電機(jī)轉(zhuǎn)速高于右邊電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，小車向右轉(zhuǎn)彎，相反則小車向左轉(zhuǎn)彎。

4 紅外檢測(cè)模塊

前面提到此智能小車的避障和循跡都是利用紅外檢測(cè)原理實(shí)現(xiàn)的，循跡是指智能小車能夠在地面上沿著黑色循跡線動(dòng)作，紅外檢測(cè)模塊接收不到反射回來的紅外光，然后通過單片機(jī)的一系列指令，完成小車的相應(yīng)動(dòng)作，調(diào)整小車的運(yùn)動(dòng)方向，從而確保小車可以沿著黑色循跡線行走。

此智能小車的紅外檢測(cè)模塊采用紅外反射式傳感器ST188。小車位于紅外傳感器上方時(shí)，紅外光就會(huì)被反射回來，接收端接收到反射回來的信號(hào)，從而做出相應(yīng)的動(dòng)作，相反，則做出另外一種動(dòng)作。

5 結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的智能小車具有循跡與避障等多種功能，以51單片機(jī)作為控制器，降低造價(jià)，性能穩(wěn)定，傳動(dòng)部分采用簡(jiǎn)單易于控制的直流減速電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用了L293D芯片，傳感器選用了紅外反射式傳感器ST188，主要是考慮到躲避障礙功能的實(shí)現(xiàn)?？偟膩碇v本設(shè)計(jì)具有實(shí)用性強(qiáng)、成本較低、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M].清華大學(xué)出版，2010.

[2]楊渝欽.控制電機(jī)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

作者簡(jiǎn)介：張弘揚(yáng)，吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。