輪式移動機(jī)器人的循跡設(shè)計

摘要：本智能小車采用簡單明了的設(shè)計方案。通過循跡傳感器模塊(由光電晶體管和紅外光電二極管所構(gòu)成)來判別黑色線路徑，再通過 STC89C52單片機(jī)控制L298N電機(jī)驅(qū)動模塊從而實現(xiàn)對兩個直流電機(jī)進(jìn)行控制，最終完成小車的循跡。所設(shè)計的輪式移動機(jī)器人能沿黑色路徑進(jìn)行自主行駛，既具備機(jī)械本體、直流電機(jī)驅(qū)動器、檢測傳感裝置和控制器，又是一種可以進(jìn)行重復(fù)編程、自動控制、仿人操作及在三維空間完成靈活運(yùn)動的電子自動化的生產(chǎn)設(shè)備。

關(guān)鍵詞：智能電動小車;單片機(jī);自動控制

1 智能循跡小車總體設(shè)計方案

1.1 整體設(shè)計方案

1)根據(jù)設(shè)計要求，確定控制方案。

2)利用Proteus設(shè)計合理的硬件原理圖。

3)畫出程序流程圖，使用C語言進(jìn)行編程。

4)在洞洞板上焊接元器件，然后往單片機(jī)內(nèi)燒錄程序。

5)進(jìn)行調(diào)試以實現(xiàn)控制功能。

1.2 整體控制方案確定

圖1為智能循跡小車的系統(tǒng)控制框圖。黑色引導(dǎo)線是小車進(jìn)行跟蹤的目標(biāo)，循跡傳感器對目標(biāo)軌跡進(jìn)行檢測，然后將得到的信息反饋給單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)處理后給電機(jī)驅(qū)動發(fā)出控制信號對兩個直流電機(jī)進(jìn)行控制，從而確保小車可以沿預(yù)定的路線正確行駛。

本設(shè)計使用兩節(jié)3，7 V充電電池對整個系統(tǒng)進(jìn)行供電，主控芯片為STC公司的89C52，直流電機(jī)的驅(qū)動模塊為L298N，它可改變芯片控制端的輸入電平，利用TTL進(jìn)行控制，從而完成電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及停止操作。用光敏電阻組成光敏循跡傳感器。這樣就組成了一個如圖所示的帶有反饋信號的系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 單片機(jī)電路的設(shè)計

單片機(jī)內(nèi)部包括ROM、RAM以及定時器、計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。單片機(jī)在硬件電路設(shè)計時，由于單片機(jī)內(nèi)部單元不能完全滿足系統(tǒng)設(shè)計的需要，因此我們必須對其進(jìn)行必要的擴(kuò)展，增加相應(yīng)的外圍設(shè)備，如D/A、A/D轉(zhuǎn)換器、鍵盤、顯示器等，以滿足我們的需求。本設(shè)計選擇的是STC公司的產(chǎn)品 STC89C52單片機(jī)。

2.1.1 晶振電路

晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號，本文選用的是11.059 2 MHz無源晶振來為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號，同時為了防止振蕩電路因為回路不通而停止振蕩，導(dǎo)致電路不能正常工作，本文使用2個30pF電容起到并聯(lián)諧振的作用。這樣使得一個機(jī)器周期約為1μs。

2.1.2 復(fù)位電路

89系列單片機(jī)通過向RST引腳輸入復(fù)位信號到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中。本文采用的電容值為10μF的電容和阻值為1 kΩ的電阻。單片機(jī)上電后，電容會進(jìn)行充電，RST會持續(xù)高電平一段時間。同樣，若單片機(jī)運(yùn)行中按下復(fù)位按鈕也會使得RST引腳持續(xù)高電平，這就是單片機(jī)上電和復(fù)位的操作。

2.2 光電傳感器模塊

光電傳感器循跡電路圖如2所示。循跡傳感器的工作原理：Signal端會檢測信號的輸出，當(dāng)傳感器檢測黑色軌跡時，光電傳感器發(fā)出的紅外線會被黑色軌跡大量吸收導(dǎo)致反射回來的很弱，三極管就不導(dǎo)通，Signal端輸出高電平，從而發(fā)光二極管熄滅;當(dāng)傳感器檢測白線時，與黑線相反，這時光電傳感器發(fā)射的紅外線被白線反射回來的很強(qiáng)，光敏三極管會導(dǎo)通，Signal輸出低電平，從而發(fā)光二極管點亮。

將程序燒錄到單片機(jī)后，小車就可以按寫入的相應(yīng)程序執(zhí)行循跡功能了。小車在正常前進(jìn)時，左右兩邊傳感器均產(chǎn)生兩個低電平。當(dāng)小車向右行駛偏離黑線時，左邊傳感器會產(chǎn)生一個高電平，反饋給單片機(jī)處理后，單片機(jī)會給小車發(fā)出一個信號，小車向左拐。當(dāng)小車向左行駛偏離黑線時，同理，右側(cè)傳感器產(chǎn)生高電平，小車右拐。這樣，小車一定不會偏離黑線。當(dāng)兩邊的光電傳感器同時輸出的信號為高電平時，即單片機(jī)判斷的都為高電平時，小車停止前進(jìn)。

2.3 電機(jī)驅(qū)動

本設(shè)計采用L298N電機(jī)驅(qū)動芯片來對兩個12V的直流電動機(jī)進(jìn)行控制。L298N是ST公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46 V、2 A以下的電機(jī)。其中1腳和15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號。

2.3.1 電機(jī)驅(qū)動原理

而圖3所示就是直流電機(jī)與驅(qū)動芯片接線圖，它在原有基本H橋電路的基礎(chǔ)上又增加了四個二極管來保護(hù)電路。一個“使能”導(dǎo)通信號和四個與門相接，這樣，用這一個信號我們就可以控制整個電路的開關(guān)了。

采用以上方法，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)就只需要用三個信號來控制：一個使能信號和兩個方向信號。如果DIR—L信號為“0”，DIR—R信號為“1”，并且使能信號是 “1”，那么三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流從左至右流經(jīng)電機(jī);如果DIR-L信號變?yōu)椋?ldquo;1”，而DIR—R信號變?yōu)?ldquo;0”，那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流則反向流過電機(jī)。

2.3.2 小車運(yùn)動邏輯

如表1。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本設(shè)計使用Keil軟件并采用C語言來編譯程序。

軟件的燒錄：

第一步：安裝并運(yùn)行STC_ISP_V480軟件;

第二步：點擊MCU Type欄的倒三角選項;選擇對應(yīng)的單片機(jī)型號STC89C52RC。

第三步：點擊打開程序文件選項選擇已經(jīng)編譯好的HEX文件。

第四步：打開設(shè)備管理器找出下載端口，選擇相應(yīng)的COM口，點擊“點擊Download/下載”，對話框出現(xiàn)正在嘗試與單片機(jī)握手，請上電，再給單片機(jī)供電，燒錄完成。

軟件設(shè)計系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

部分系統(tǒng)程序附錄如下：

4 結(jié)論

本設(shè)計的內(nèi)容主要是智能小車的循跡系統(tǒng)。所設(shè)計小車采用四個光電傳感器來檢測循跡路線，同時對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。得到了以下成果：

1)小車可以在外部環(huán)境無改變時，沿著預(yù)先設(shè)定的軌道正常循跡。

2)經(jīng)過數(shù)十次的測試證明，當(dāng)傳感器呈M形布局時，易產(chǎn)生不穩(wěn)定的震蕩信號，從而影響小車行駛時的穩(wěn)定性，但M型布局最適合檢測彎道較多的軌跡。因為傳感器M形布局時，他們不在同一直線上，這樣的話小車在轉(zhuǎn)彎時，左右兩邊后部的傳感器就會有較大的采樣空間，兩邊前端的傳感器則對采集的信號有更好的前瞻性。整個布局有利于在彎道處提高小車速度。

3)小車保留了擴(kuò)展功能。小車在完成預(yù)計功能前提下，預(yù)留部分軟件和硬件接口，保留一定擴(kuò)展功能。