基于80C51單片機(jī)的智能小車(chē)設(shè)計(jì)

摘要：采用80C51單片機(jī)為控制核心，利用超聲波傳感器檢測(cè)道路上的障礙。控制電動(dòng)小汽車(chē)的自動(dòng)避障，快、慢速行駛，以及自動(dòng)停車(chē)，并可以自動(dòng)記錄時(shí)間、里程和速度，自動(dòng)尋跡和尋光功能。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單?？煽啃阅芨摺?br /> 關(guān)鍵詞：80C51單片機(jī)；光電檢測(cè)器；PWM調(diào)速；智能小車(chē)

O 引言
    在現(xiàn)有玩具電動(dòng)車(chē)的基礎(chǔ)上，加裝光電檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)小汽車(chē)的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車(chē)的智能控制。

1 直流調(diào)速系統(tǒng)采用PWM調(diào)速
    直流調(diào)速系統(tǒng)采用晶閘管的直流斬波器與整流電路。晶閘管不受相位控制，而是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓加到電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulat-ion)，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM。脈沖周期不變。只改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，即通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)進(jìn)行直流調(diào)速。
    脈寬調(diào)速也可通過(guò)單片機(jī)控制繼電器的閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是驅(qū)動(dòng)能力有限。為展利實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小汽車(chē)的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，本設(shè)計(jì)采用了可逆PWM變換器。可逆PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有H型、T型等類(lèi)型。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用了常用的雙極式H型變換器，它是由4個(gè)三極電力晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。圖1為雙極式H型可逆PWM變換器的電路原理圖。

    4個(gè)電力晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組。VT1和VT4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)電路中Ub1=Ub4；VT2和VT3同時(shí)動(dòng)作，其驅(qū)動(dòng)電壓Ub2=Ub3=-Ub1。

2 檢測(cè)系統(tǒng)
    檢測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)，即利用各種傳感器對(duì)電動(dòng)車(chē)的避障、位置、行車(chē)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。
2．1 行車(chē)起始、終點(diǎn)及光線檢測(cè)
    系統(tǒng)采用反射式紅外線光電傳感器用于檢測(cè)路面的起始、終點(diǎn)(2 cm寬的黑線)，玩具車(chē)底盤(pán)上沿黑線放置一套，以適應(yīng)起始的記數(shù)開(kāi)始和終點(diǎn)停車(chē)的需要。利用超聲波傳感器檢測(cè)障礙。光線跟蹤，采用光敏三極管接收燈泡發(fā)出的光線，當(dāng)感受到光線照射時(shí)，其c-e間的阻值下降，檢測(cè)電路輸出高電平，經(jīng)LM393電壓比較器和74LSl4施密特觸發(fā)器整形后送單片機(jī)控制。
    本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)兩個(gè)光電三極管，分別放置在電動(dòng)車(chē)車(chē)頭的左、右兩個(gè)方向，用來(lái)控制電動(dòng)車(chē)的行走方向，當(dāng)左側(cè)光電管受到光照時(shí)，單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)向左轉(zhuǎn)；當(dāng)右側(cè)光電管受到光照時(shí)，單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)向右轉(zhuǎn)；當(dāng)左、右兩側(cè)光電管都受到光照時(shí)，單片機(jī)控制直行。見(jiàn)圖2電動(dòng)車(chē)的方向檢測(cè)電路。

2．2 行車(chē)方向檢測(cè)電路
    采用反射接收原理配置了一對(duì)紅外線發(fā)射、接收傳感器。該電路包括—個(gè)紅外發(fā)光二極管、一個(gè)紅外光敏三極管及其上拉電阻。紅外發(fā)光二極管發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外線照射物體，紅外光敏三極管在接收到反射回來(lái)的紅外線后導(dǎo)通，發(fā)出一個(gè)電平跳變信號(hào)。
    此套紅外光電傳感器固定在底盤(pán)前沿，貼近地面。正常行駛時(shí)，發(fā)射管發(fā)射紅外光照射地面，光線經(jīng)白紙反射后被接收管接收，輸出高電平信號(hào)；電動(dòng)車(chē)經(jīng)過(guò)黑線時(shí)，發(fā)射端發(fā)射的光線被黑線吸收，接收端接收不到反射光線，傳感器輸出低電平信號(hào)后送80C51單片機(jī)處理，判斷執(zhí)行哪一種預(yù)先編制的程序來(lái)控制玩具車(chē)的行駛狀態(tài)。前進(jìn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，進(jìn)入減速區(qū)時(shí)，由單片機(jī)控制進(jìn)行PWM變頻調(diào)速，通過(guò)軟件改變脈沖調(diào)寬波形的占空比，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。最后經(jīng)反接制動(dòng)實(shí)現(xiàn)停車(chē)。
2．3 前行與到車(chē)控制
    前行與倒車(chē)控制電路的核心是橋式電路和繼電器。電橋上設(shè)置有兩組開(kāi)關(guān)，一組常閉，另一組常開(kāi)；電橋一端接電源，另一端接了—個(gè)三極管。三極管導(dǎo)通時(shí)，電橋通過(guò)三極管接地，電機(jī)電樞中有電流通過(guò)；三極管截止時(shí)，電橋浮空。電機(jī)電樞中沒(méi)有電流通過(guò)。系統(tǒng)通過(guò)電橋的輸出端為轉(zhuǎn)向電機(jī)供電。通過(guò)對(duì)繼電器開(kāi)閉的控制即可控制電機(jī)的開(kāi)斷和轉(zhuǎn)速方向進(jìn)而達(dá)到控制玩具車(chē)前行與倒車(chē)的目的，實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)控制系統(tǒng)的糾偏功能。圖3為前行與倒車(chē)控制電路。

2．4 行車(chē)距離檢測(cè)
    由于紅外檢測(cè)具有反應(yīng)速度快、定位精度高，可靠性強(qiáng)以及可見(jiàn)光傳感器所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，故采用紅外光電碼盤(pán)測(cè)速方案。圖4為行車(chē)距離檢測(cè)電路。

3 顯示電路
    本設(shè)計(jì)中用兩片4位八段數(shù)碼管gem4561ae作顯示器，采用新型芯片EM78P458作為顯示驅(qū)動(dòng)器，用單片機(jī)的并行口控制，一個(gè)數(shù)碼顯示電路用4個(gè)口線，用專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片控制可以減少對(duì)CPU的利用時(shí)問(wèn)，單片機(jī)將有更多的時(shí)間去完成其他功能。

4 電源的設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)的電源為車(chē)載電源。為保證電源工作可靠，單片機(jī)系統(tǒng)與動(dòng)力伺服系統(tǒng)的電源采用了大功率、大容量的蓄電池，而傳感器的工作電源則采用了小巧輕便的干電池。

5 系統(tǒng)原理圖
    智能電動(dòng)車(chē)采用80C51單片機(jī)進(jìn)行智能控制。開(kāi)始由手動(dòng)啟動(dòng)小車(chē)，并復(fù)位，當(dāng)經(jīng)過(guò)規(guī)定的起始黑線，由超聲波傳感器和紅外光電傳感器檢測(cè)，通過(guò)單片機(jī)控制小車(chē)開(kāi)始記數(shù)顯示并避障、調(diào)速；系統(tǒng)的自動(dòng)避障功能通過(guò)超聲波傳感器正前方檢測(cè)和紅外光電傳感器左右側(cè)檢測(cè)，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)；在電動(dòng)車(chē)行駛過(guò)程中，采用雙極式H型PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，以提高系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)性能；采用動(dòng)態(tài)共陰顯示行駛時(shí)間和里程。系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    在進(jìn)行徽機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。圖6所示為流程圖。

7 結(jié)束語(yǔ)
    本設(shè)計(jì)采用80C5l單片機(jī)為控制核心，這主要是因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)的穩(wěn)定性比較好。還可以采用其它系列的單片機(jī)。采用的技術(shù)主要有：
    (1)通過(guò)編程來(lái)控制小車(chē)的速度；
    (2)傳感器的有效應(yīng)用；
    (3)新型顯示芯片的采用。