基于AT89S52的多功能智能小車設計

摘要：采用AT89S52單片機為主控制芯片，結合直流電機、多種傳感器、紅外遙控及其他外圍電路，設計實現(xiàn)了一種沿黑色軌跡行走的智能循跡小車，同時還能自動避障，并在遙控的作用下完成小車行走的控制。實驗證明整個系統(tǒng)設計靈巧、控制準確、工作穩(wěn)定、使用效果良好。
關鍵詞：AT89S52；智能尋跡；避障；直流電機；紅外光電傳感器

    隨著計算機、微電子、信息技術的快速發(fā)展，智能化技術的開發(fā)速度越來越快，智能度越來越高，應用范圍也得到了極大的擴展。智能小車作為移動式機器人中的一個重要分支，具有環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動行駛等功能，是智能化技術中一個典型的例子。設計者可以通過軟件編程，讓小車在預先設定的模式中實現(xiàn)行進、尋跡、避障等精確控制，無需人工干預，當有特殊需要或在出現(xiàn)故障的情況下還可以對小車進行遠程遙控，可以應用于科學勘探等用途，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 系統(tǒng)總體設計框圖
    本設計中，智能小車是由主控制模塊、電機驅動模塊、循跡模塊、避障模塊、遙控模塊、聲控模塊、光控模塊、電源模塊和其他外圍電路組成，其總體硬件結構框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 主控制及電源模塊
    智能小車采用現(xiàn)在較為流行的8位單片機作為系統(tǒng)大腦。以8051系列家族中的AT89S52為主芯片。40腳的DIP封裝使它擁有32個完全IO(GPIO-通用輸入輸出)端口，通過對這些端口加以信號輸入電路，控制電路，執(zhí)行電路共同完成智能小車的功能。電源模塊用4節(jié)1．5 V的電池供電，經L7805穩(wěn)壓模塊后，輸出電壓穩(wěn)定在+5 V，從而向各個模塊供電。
2．2 電機驅動模塊
    智能小車采用前輪驅動，左右前輪各用一個直流電機驅動。電機驅動芯片采用LG9110，該芯片兩個輸出端能直接驅動電機的正反向運動，具有較大的電流驅動能力。單片機的P0．0，P0．1，P0．2，P0．3分別連接到LG9110的兩個輸入端，用以驅動電機M1和電機M2，如圖2所示。不同的輸入信號控制電機的正轉與反轉，以完成機器人的前進，后退，左轉，右轉，遇障礙物繞行等基本動作。兩個電機同時正轉時，小車前進；兩個電機同時反轉時，小車后退；左側電機不轉，右側電機正轉，小車左轉；左側電機正轉，右側電機不轉，小車右轉。這些基本動作正確，實現(xiàn)簡單。

2．3 尋跡模塊
    尋跡在這里是指沿黑線行走，它靠小車前端底部的兩對紅外發(fā)射和接收探頭來完成。如圖3所示，V6、V5為小車左側的紅外發(fā)射與接收管，V3、V4為小車右側的紅外發(fā)射與接收管。發(fā)射管發(fā)出紅外線，當碰到黑色或不反光的物體時，紅外反射量大量減少，若碰到白色或反光的物體時，紅外反射量則較多，紅外接收管將接收的反射光轉化成電壓值，由P3．5，P3．6送回到單片機，經過處理后控制信號由P0．0，P0．1，P0．2，P0．3口輸出給電機驅動電路的LG9110芯片，從而達到驅動小車行走和循跡的目的。循跡時，由于紅外線在白色地板和黑線上的反射系數(shù)不同，所以可以根據(jù)三極管接收紅外線的強弱來決定小車的走向。當左右接收管都能接收到反射回來的紅外線，則小車直線前進；當左邊接收管接收不到反射回來的紅外線，右邊接收管能接收到時，說明小車向右偏離黑色軌道，則小車向左轉動；同理右邊接收管接
收不到反射回來的紅外線，左邊接收管能接收到時，說明小車向左偏離黑色軌道，則小車向右轉動，從而實現(xiàn)自動循跡。本設計中紅外傳感器離地面垂直距離為1～1．5 cm，能在沒有強烈日光干擾或在有日光燈的房間里，完全能滿足探測要求，具有很好的可靠性與抗干擾能力。

2．4 避障模塊
    小車在運行中如果前方有障礙物，小車則開始向后后退一段時間后，向左運動，在向左運行一段時間后，再開始向前運行。在整個調向的過程中，蜂鳴器響動。這個就是避障功能。該功能是由安裝在小車前方的一對紅外發(fā)射管實現(xiàn)，原理與尋跡模塊相同。
2．5 遙控模塊
    遙控模塊由紅外發(fā)射與接收兩部分組成。紅外發(fā)射采用常用的TC9012集成芯片，將某個按鍵所對應的控制指令和系統(tǒng)碼(由0和1組成的序列)，調制在38 kHz載波上，然后經放大、驅動，紅外發(fā)射管將信號發(fā)射出去。接收部分采用紅外一體化接收頭，當接收到38 kHz紅外信號后就輸出低電平，沒有接收到就輸出高電平，電平信號由單片機的外部中斷來接收。信號的下降沿觸發(fā)外部中斷。為了識別一個完整的鍵信號，必須對每一個編碼脈沖的寬度進行測量，利用單片機中的定時器／計數(shù)器來測量脈沖寬度，以判別接收到的脈沖是0還是1。通過遙控模塊，可將按鍵值顯示在數(shù)碼管上，并控制小車的行進方式。
2．6 聲光控模塊
    該小車具有簡單的聲控功能，P0．4為機器人的聲控檢測端口，在運行為前進狀態(tài)時，可以通過聲控來控制它的運行與停止。聲音的輸入是通過話筒，由話筒對聲音信號進行識別，如圖4所示。由于電路能有效去除雜波，所以僅能對響度較大的聲音進行識別(如拍手聲)。像正常的說話聲對本電路濾除，不會產生信息的輸入。同時該小車還具有光控功能，如圖5所示。當為白天或黑夜時可以通過P0．5端口中的光敏電阻來進行判斷，以方便完成機器人夜間自動照明等功能。當光線較暗時，由P0．6端口輸出信號控制蜂鳴器發(fā)聲。

2．7 通信模塊
    通信模塊是采用AT89S51自帶的全雙工串行通信口P3．0和P3．1來實現(xiàn)?？捎秒娔X通過串口向小車發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上顯示，并且小車根據(jù)數(shù)據(jù)執(zhí)行相應的動作，如前進、左轉、右轉、后退等。通信波特率為9 600，數(shù)據(jù)為8位，無校驗位。

3 系統(tǒng)軟件設計
    該智能小車的軟件控制部分采用C語言編程，借助C語言的強大功能來實現(xiàn)單片機AT89S52的控制功能。小車各個模塊都可以編寫相應的程序，也可以將這些分立的程序模塊(一般尋跡模塊除外)組合起來，完成強大的功能。主流程圖如圖6所示。

4 結論
    本文提出了一種基于AT89S52單片機為控制核心的多功能智能小車的設計方案，該方案以紅外傳感器作為路徑信息采集手段，以LG9110芯片來控制并驅動電機運行，實現(xiàn)小車在固定軌跡上自動循跡、避障。同時還具有聲光控功能，能根據(jù)外界聲音、光線來控制小車的動作。整個設計功能豐富，電路簡單，成本低且易于實現(xiàn)，具有很強的操作性。