摘要：介紹智能小車自動完成設(shè)定任務(wù)的設(shè)計。本設(shè)計以玩具小坦克為車體，以單片機AT89S52為核心，利用黑白線傳感器判斷小車行駛的軌跡；利用金屬傳感器判斷軌跡中放置的鐵片；由單片機對小車狀態(tài)做出實時反應(yīng)，并輸出相應(yīng)的控制指令。該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)PWM輸出可控制小車的前進、后退、轉(zhuǎn)向、加速、減速等動作；可精準地完成小車沿黑色引導(dǎo)線的尋跡(斷開引導(dǎo)線亦可)、檢測鐵片個數(shù)、實時LCD顯示行駛距離、時間和行車軌跡等功能。該設(shè)計功耗小，成本低，精度較高。
關(guān)鍵詞：AT89S52K；黑白傳感器；金屬傳感器；霍爾傳感器；LCD
0 引言
人類的研究活動已擺脫了地球生物圈的束縛而廣泛地進入外層空間和海洋深處。對月球和太陽系其他行星的探測，對太陽系以外的宇宙進行考察，對數(shù)千米以下的海底的研究，都是目前單靠人力所不能及的。自動控制系統(tǒng)正在代替人們完成這些任務(wù)。在戰(zhàn)場上的軍事活動中，在惡劣環(huán)境條件下的生產(chǎn)勞動中，凡不宜由人直接承擔(dān)的任務(wù)，均可由自動控制系統(tǒng)代替，如智能小車可以適應(yīng)不同環(huán)境，不受溫度、濕度等條件的影響，完成危險地段、人類無法介入等特殊情況下的任務(wù)。高科技自動控制系統(tǒng)及裝置已日益成為現(xiàn)代社會活動中離不開的自動智能設(shè)備。
本文設(shè)計方案以多功能的智能小車作為自動控制系統(tǒng)的載體，以單片機AT89S52為核心；利用黑白線傳感器判斷小車行駛的軌跡，利用金屬傳感器判斷軌跡中放置的鐵片，由驅(qū)動執(zhí)行電路完成小車的行駛，由單片機對小車狀態(tài)作出實時反應(yīng)，并輸出相應(yīng)的控制指令；通過LCD顯示器對小車運行的時間、鐵片數(shù)目以及行駛路程等參數(shù)進行直觀顯示。整個系統(tǒng)安裝于車體上并實施控制。安裝在車上的多個測距傳感器精度高，能夠準確測算出速度與距離，各種聲光器件實時顯示各模塊的工作狀態(tài)。全程無需人為控制，順利完成設(shè)定任務(wù)。經(jīng)性能指標測試實驗，該系統(tǒng)可實現(xiàn)控制小車的進退轉(zhuǎn)向等動作且精度較高。
1 硬件設(shè)計
1．1 車型
本設(shè)計選用的履帶車，采用帶電感的大扭力260馬達，具有動力性能強、底盤穩(wěn)定性高等特點，左右電機速度調(diào)整到一定時，不易偏離軌道。
1．2 顯示模塊
采用2行16個字的MD1602A液晶顯示器，其功耗低、體積小、顯示內(nèi)容豐富。可通過與單片機連接，編程，完成顯示時間和距離等等一系列的功能。
1．3 電源
單電源+DC／DC轉(zhuǎn)換供電。由于電機驅(qū)動和其他芯片工作電壓不一樣，需各自獨立供電。使用6節(jié)電池產(chǎn)生約7～9 V的電壓，進行DC／DC轉(zhuǎn)換，可得到5 V左右的穩(wěn)定電壓。該方案電路簡單、性能穩(wěn)定可靠。
1．4 直流電機
采用專用芯片L298N作為電機驅(qū)動芯片。采用一個L298N，可以同時驅(qū)動兩個電機。使用PWM方式的調(diào)速電路搭接簡單、驅(qū)動電流大、可靠性高，電機驅(qū)動原理如圖1所示。
L298N芯片內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相的專用驅(qū)動器，內(nèi)含2個H橋的高電壓大電流雙全橋驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯電平信號，符合兩輪驅(qū)動和單片機控制。它可驅(qū)動46 V，2 A以下的電機，滿足小車馬達的驅(qū)動要求。
L298N驅(qū)動2個電機，2、3腳和13、14腳之間分別接2個電動機。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)，ENA(6腳)，ENB(11腳)接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。其中5、7、10、12腳分別接P1．0，P1．1，P1．2，P1．3，L29N的邏輯控制功能如表1所示。
1．5 傳感器模塊
1．5．1 傳感器的安裝
傳感器的安裝如圖2所示，車頭一共有5個黑白線傳感器和3個金屬傳感器。中間的金屬傳感器(檢測距離為8 mm)是來檢測跑道上的鐵片，旁邊的2個金屬傳感器(檢測距離為4 mm)是來檢測距離引導(dǎo)線70 mm以上的金屬片的。由于在拐彎斷線處，小車可能會偏出軌道，無法繼續(xù)尋跡，故最外圍的2個黑白線傳感器就是使小車在偏離軌道一定范圍的情況下，仍能夠調(diào)整車頭，重新回到軌道上，故兩個傳感器的距離要盡量的遠，在不超出車身范圍的情況下。中間的黑白線傳感器的可擴展為讓小車在斷線處仍能夠畫出斷線部分的軌跡(顯示一段斷線，屬于特色部分)，另外兩個黑白線傳感器的任務(wù)就是讓小車完成基本的尋跡功能。
1．5．2 霍爾傳感器
霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器，它具有靈敏度高，線性度好，穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特點。對測速裝置的要求是分辨能力強、高精度和盡可能短的檢測時間。
霍爾傳感器和磁鋼配套使用，用來計算小車的行駛路程。本作品用到兩個霍爾傳感器和20個磁鋼，左右后車輪各一對(1個霍爾傳感器和10個磁鋼)，安裝方式如圖3所示。磁鋼數(shù)量越多，測量出的車輪圈數(shù)約精確，行駛路程也越精確。
1．5．3 金屬傳感器
選用的金屬傳感器為NPN常開型傳感器，理論的測測量距離為4 mm，傳感器輸出為1、0開關(guān)量信號，當(dāng)金屬傳感器感應(yīng)到金屬片時，其輸出由高電平變?yōu)榈碗娖健?br />
1．5．4 黑白線傳感器電路模塊
選用TK-20黑白線檢測傳感器，它是TK-10的升級版，有效探測距離達5 cm。通過調(diào)節(jié)電位器，最遠可以達到10 cm(該距離下，探測黑白線的精度降低)。
1．6 硬件總體框圖
硬件總體硬件框圖如圖4所示。
2 軟件設(shè)計
2．1 軟件流程圖
圖5為小車整體的系統(tǒng)流程圖。當(dāng)小車前頭的黑白線傳感器同時檢測到起點的黑線時，單片機接收到信號，小車開始加速行駛，且開始交替顯示行駛時間和行駛路程，此時由于還沒檢測到金屬片，故行駛距離顯示為0。當(dāng)小車在行駛的過程中檢測到第一片金屬片時，小車減速行駛直到停止。數(shù)碼管顯示鐵片數(shù)量為1，且閃爍提示。此時單片機收到相應(yīng)信號，控制小車停止5 s，在停止的過程中交替顯示行駛距離和時間。當(dāng)5 s過后，小車繼續(xù)行駛，當(dāng)檢測到下一塊鐵片時，小車又停止5 s，鐵片顯示加1(同樣閃爍顯示)。到終點時，小車前頭的黑白線傳感器同時檢測到終點的黑線，小車停止，數(shù)碼管顯示鐵片數(shù)量且交替顯示行駛的總時間和第一片鐵片到終點的路程。此方案的特色是LCD顯示屏還能同步畫出小車行駛的軌跡圖。當(dāng)按下ZLG按鍵，LCD將切換到軌跡顯示，并能在LCD上標出鐵片位置。
2．2 編程思想及核心算法的實現(xiàn)
2．2．1 PWM方波的產(chǎn)生
采用內(nèi)部定時器方式來產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM方波信號。
2．2．2 小車拐彎的實現(xiàn)
如圖7所示，左1黑白線傳感器碰到黑線時，小車向左拐，并鎖住拐彎狀態(tài)等到左2黑白線傳感器碰到黑線，左2黑白線傳感器碰到黑線時，小車向左拐。右1，右2碰到黑線的處理與左1，左2碰到黑線的處理一樣。其他狀態(tài)小車直走(除特殊情況如起跑線與終點)。
2．2. 3 小車行駛路程的計算
小車的行駛的路程是用霍爾傳感器來計算的。由于黑線位于兩個輪子之間，設(shè)左輪走過的路程為S1，右輪走過的路程為S2，故實際距離應(yīng)為(S1+S2)／2。
2．2．4 小車軌跡的繪制
小車的軌跡是由一段段射線構(gòu)成的。小車每走一段距離L，就在屏幕上畫一條線段，線段長度設(shè)計為4個像素。畫射線的算法：
橫坐標： x=Lcosθ
縱坐標： y=Lsinθ
通過描點函數(shù)一點點描出來。由于單片機沒有計算sinθ，cosθ的函數(shù)，所以本組采用查表法。
3 系統(tǒng)性能測試方法與結(jié)果
3．1 測試步驟
(1)根據(jù)要求做出完整軌跡，總長度為3．8 m，接著分別在直道、彎道放置4個鐵片，其距離起點依次為30 cm，140 cm，210 cm，270 cm，觀察小車能否尋跡，檢測到金屬片時能否停下5 s，顯示并給出提示。
(2)將小車放置起點處，啟動小車，手中秒表開始計時，到終點時停止計時，看數(shù)碼管顯示。
(3)重復(fù)步驟(1)，步驟(2)四次。
3．2 性能指標測試數(shù)據(jù)
性能指標測試數(shù)據(jù)如表2所示。
經(jīng)測量小車履帶車輪的半徑為24 mm，經(jīng)計算的周長為150．72 mm，測試跑道的長度為380 cm，經(jīng)過測試每次行駛的時間誤差很小，性能指標良好。
4 結(jié)語
經(jīng)性能指標測試實驗，該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)PWM輸出可實現(xiàn)控制小車的前進、后退、轉(zhuǎn)向、加速、減速等動作；結(jié)果表明，該設(shè)計方案科學(xué)合理，可精準地完成小車沿黑色引導(dǎo)線的尋跡(斷開引導(dǎo)線亦可)、檢測鐵片個數(shù)、實時LCD顯示行駛距離、時間和行車軌跡等功能，精度較高。
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