基于二維物體斜面黑線運(yùn)動智能小車的設(shè)計(jì)

摘要：采用黑色膠布鋪設(shè)在淺色紙張中心，作為小車運(yùn)動時的模擬黑線跑道。在凌陽公司單片機(jī)SPCE061A的支持下，通過反射式光電傳感器判斷小車運(yùn)動時的路面信息，經(jīng)過算法處理，送出控制信號到小車電機(jī)，從而控制小車左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)和后退，使小車能夠準(zhǔn)確跟蹤黑線跑道，實(shí)現(xiàn)小車的簡易智能化。
關(guān)鍵詞：SPCE061A單片機(jī)；電機(jī)；光電傳感器；自控小車

    二維物體斜面運(yùn)動算法是2005年全國大學(xué)生索尼杯電子競賽E題“懸掛運(yùn)動控制系統(tǒng)”延伸出的研究課題，其主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一個電機(jī)控制系統(tǒng)，控制物體在傾斜(仰角≤100°)的板上運(yùn)動。在一個白色底板上固定兩個滑輪，兩只電機(jī)(固定在板上)通過穿過滑輪吊繩控制一個物體在板上運(yùn)動，并達(dá)到如下要求：
    1)控制物體在80x100 cm的范圍內(nèi)做自行設(shè)定的運(yùn)動；
    2)控制物體作圓心可任意設(shè)定、直徑為50 cm的圓周運(yùn)動；
    3)控制物體跟隨板上標(biāo)出的任意曲線運(yùn)動，線寬1．5～1．8 cm，總長度約50 cm，顏色為黑色，曲線的前一部分是連續(xù)的，長約30 cm，后一部分是兩段總長約20 cm的間斷線段，間斷距離不大于1 cm，沿連續(xù)曲線運(yùn)動限定在200 s內(nèi)完成，沿間斷曲線運(yùn)動限定在300 s內(nèi)完成。

1 硬件電路設(shè)計(jì)
    根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)可分為智能控制、傳感器檢測和電源3部分，整個系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

    智能控制部分：系統(tǒng)中控制器件根據(jù)由光電傳感器變換輸出的電信號進(jìn)行邏輯判斷，控制懸掛系統(tǒng)的電機(jī)，顯示數(shù)碼管，完成了懸掛物體的自動尋跡，尋跡移動等各項(xiàng)任務(wù)?？刂撇糠职?個主要單元電路：單片機(jī)控制電路，左右電機(jī)驅(qū)動及控制電路，4x4按鍵輸入電路，數(shù)碼管動態(tài)顯示電路。
    傳感器檢測部分：系統(tǒng)利用光電傳感器檢測到的外部信息轉(zhuǎn)化為可控制器件能識別的電信號，傳感器檢測部分主要用于軌跡探測電路。
    電源部分：系統(tǒng)中采用自制的電源將220 V電壓降至恒穩(wěn)的12 V和5 V電壓對單片機(jī)、電機(jī)、電機(jī)控制部分、顯示數(shù)碼管、鍵盤、計(jì)數(shù)器、光電傳感器供電。

2 模塊選擇與電路設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)各模塊的選擇
    1)單片機(jī)選擇模塊：選用凌陽SPCE061A單片機(jī)。
    2)電機(jī)選擇模塊：選用齒輪減速同步電機(jī)。
    3)電機(jī)控制模塊：選用繼電器和光電傳感器組合控制電機(jī)。
    4)顯示模塊：選用8位數(shù)碼管LED。
    5)輸入模塊：選用4×4的鍵盤。
    6)信號檢測模塊：選用反射式紅外傳感器。
2．2 主要電路設(shè)計(jì)
2．2．1 電機(jī)光電開關(guān)檢測電路
    利用電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)來帶動控制物體運(yùn)動，在該設(shè)計(jì)中采用在電機(jī)的轉(zhuǎn)盤上安裝一個60條黑白線均勻的圓盤，再用光電開關(guān)來檢測，如圖2所示。當(dāng)要控制物體在畫板上運(yùn)動時，電機(jī)轉(zhuǎn)動，光電傳感器利用接收黑自電平時輸出的高低電平，當(dāng)光點(diǎn)傳感器檢測到黑色條紋時，輸出高電平給單片機(jī)，相反當(dāng)檢測到白色條紋時，輸出低電平，從而把連續(xù)輸出高低電平轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)，也就把電機(jī)轉(zhuǎn)動時帶動有黑白線的圓盤黑自條數(shù)轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)，從而觸發(fā)光耦U1或U2，經(jīng)單片機(jī)IOB2或IOB3口輸入信號來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，計(jì)算物體運(yùn)動軌跡，從而控制物體的運(yùn)動。

2．2．2 路面檢測模塊選擇
    在小車前面的左右兩端分別安裝反射式光電傳感器，安裝的寬度至少要大于黑線的寬度，如圖3所示。小車運(yùn)動路面是在白色紙張上面鋪設(shè)黑色膠布作為中心，這主要基于光電傳感器在檢測到白色和黑色時兩種不同的電平狀態(tài)的原理。當(dāng)光電傳感器面對黑線時，發(fā)出的光被吸收，不能發(fā)生發(fā)射，此時光敏三極管Q不能導(dǎo)通，輸出為低電平；當(dāng)面對白線時，光電二極管發(fā)出的光經(jīng)過白線反射到達(dá)光敏三極管Q，使Q導(dǎo)通從而輸出高電平，再經(jīng)觸發(fā)非門74HC14的兩次觸發(fā)反相，消除干擾，把信號送到單片機(jī)相應(yīng)的引腳。由此可以在小車行進(jìn)的時候，讓系統(tǒng)的控制模塊同時監(jiān)視兩個光電傳感器的狀態(tài)，并送到單片機(jī)的相應(yīng)引腳，經(jīng)過程序算法處理后送到電機(jī)控制引腳，根據(jù)不同的信號組合實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動調(diào)整方式，完成小車的黑線運(yùn)動。

2．2．3 電機(jī)控制部分的單元電路設(shè)計(jì)
    電機(jī)驅(qū)動部分分為左右兩部分，兩個電機(jī)配合工作負(fù)責(zé)懸掛物體的拉動定位。兩個電機(jī)為齒輪減速同步電機(jī)，轉(zhuǎn)數(shù)恒定為20 r／min，設(shè)計(jì)兩個控制電路來控制電機(jī)的開關(guān)。繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過引腳電平的切換對電機(jī)的轉(zhuǎn)向進(jìn)行調(diào)整。
    電路采用光耦繼電器式對電機(jī)的轉(zhuǎn)動及轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，如圖4所示，各端口功能為，IOB8控制電機(jī)1的正轉(zhuǎn)，IOB9控制電機(jī)1的反轉(zhuǎn)，IOB 10控制電機(jī)2的正轉(zhuǎn)，IOB11控制電機(jī)2的反轉(zhuǎn)。

    當(dāng)IOB8或IOB10為高電平時，光耦U2導(dǎo)通，8050導(dǎo)通，+12 V電壓驅(qū)動繼電器，從而使交流220 V電壓加到電動機(jī)上，電動機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)IOB9或IOB11為高電平時，光耦U3導(dǎo)通，8050導(dǎo)通，+12 V電壓驅(qū)動繼電器，從而使交流220 V電壓加到電動機(jī)上，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)IOB8或IOB10與IOB9或IOB11都為低電平時，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。由于所選電動機(jī)具有抱閘功能，為齒輪減速電動機(jī)，因此在斷電的時候，幾乎能同時停止運(yùn)動，保證了物體運(yùn)動的準(zhǔn)確性，而且外圍電路簡單，很容易操作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用凌陽獨(dú)有的C語言和匯編混合使用對單片機(jī)進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，主程序主要起到一個導(dǎo)向和決策功能。為了讓小車能夠準(zhǔn)確的沿黑線運(yùn)動，所設(shè)計(jì)的程序就應(yīng)該讓控制系統(tǒng)實(shí)時地監(jiān)視光電傳感器地狀態(tài)，調(diào)整小車運(yùn)動一直回到正常運(yùn)動狀態(tài)中。因此，主程序主要包括小車運(yùn)動子程序、光電檢測的子程序、顯示時間的子程序清看門狗子程序等。小車運(yùn)動程序流程圖如圖5所示。

    在程序中，為了小車運(yùn)動能夠準(zhǔn)確地判斷出當(dāng)前所處的運(yùn)動狀態(tài)，讓單片機(jī)及時地讀取B口低8位的數(shù)據(jù)。為了小車運(yùn)動的連貫性和準(zhǔn)確性，在流程圖中使用了延時程序。同時，為了避免出現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)自動復(fù)位，對小車的運(yùn)動造成影響，設(shè)置了清看門狗程序。

4 系統(tǒng)測試
    在此設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過安裝調(diào)試，整個智能小車系統(tǒng)已經(jīng)形成，為了能讓小車能很準(zhǔn)確沿黑線運(yùn)動，利用光電測試模塊，由單片機(jī)控制物體作任意形狀的尋跡運(yùn)動，并能判斷間斷線段，測試結(jié)果如表1、表2所示。在運(yùn)動時間測試時采用精度為0．01的秒表，檢測小車運(yùn)動時顯示時間的正確性，如果程序中存在誤差，就應(yīng)該通過軟件或者硬件的方法修正誤差，進(jìn)一步減小誤差。測試時間過程如表3所示。

5 結(jié)束語
    本系統(tǒng)以凌陽SPCE061A單片機(jī)芯片為核心部件，主要是利用繼電器控制技術(shù)和光電傳感器的檢測技術(shù)二維斜面的黑線運(yùn)動智能小車的設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，力求硬件線路簡單，充分發(fā)揮軟件編程的方便靈活的特點(diǎn)，來滿足本設(shè)計(jì)的要求。從測試項(xiàng)目來看，所設(shè)計(jì)出的小車能夠?qū)崿F(xiàn)誤差較小的沿黑線準(zhǔn)確運(yùn)動和同時顯示運(yùn)動時間的要求。在運(yùn)動方面，整個運(yùn)動過程比較連續(xù)，但在轉(zhuǎn)彎幅度比較大的地方時，小車運(yùn)動時就需要時間來計(jì)算、調(diào)整。在顯示時間方面，雖然存在一定的誤差，考慮到誤差很小，以及程序的執(zhí)行花費(fèi)的時間，可以忽略不計(jì)。