輪式移動(dòng)機(jī)器人的循跡設(shè)計(jì)

摘要：本智能小車采用簡(jiǎn)單明了的設(shè)計(jì)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(dòng)模塊從而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)直流電機(jī)進(jìn)行控制，最終完成小車的循跡。所設(shè)計(jì)的輪式移動(dòng)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(dòng)器、檢測(cè)傳感裝置和控制器，又是一種可以進(jìn)行重復(fù)編程、自動(dòng)控制、仿人操作及在三維空間完成靈活運(yùn)動(dòng)的電子自動(dòng)化的生產(chǎn)設(shè)備。

關(guān)鍵詞：智能電動(dòng)小車;單片機(jī);自動(dòng)控制

1 智能循跡小車總體設(shè)計(jì)方案

1.1 整體設(shè)計(jì)方案

1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定控制方案。

2)利用Proteus設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)目標(biāo)軌跡進(jìn)行檢測(cè)，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(dòng)發(fā)出控制信號(hào)對(duì)兩個(gè)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(jì)使用兩節(jié)3，7 V充電電池對(duì)整個(gè)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(dòng)模塊為L(zhǎng)298N，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(gè)如圖所示的帶有反饋信號(hào)的系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)電路的設(shè)計(jì)

單片機(jī)內(nèi)部包括ROM、RAM以及定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。單片機(jī)在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，由于單片機(jī)內(nèi)部單元不能完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，因此我們必須對(duì)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(jì)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(shí)鐘信號(hào)，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(shí)鐘信號(hào)，同時(shí)為了防止振蕩電路因?yàn)榛芈凡煌ǘＶ拐袷?，?dǎo)致電路不能正常工作，本文使用2個(gè)30pF電容起到并聯(lián)諧振的作用。這樣使得一個(gè)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(hào)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(huì)進(jìn)行充電，RST會(huì)持續(xù)高電平一段時(shí)間。同樣，若單片機(jī)運(yùn)行中按下復(fù)位按鈕也會(huì)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(huì)檢測(cè)信號(hào)的輸出，當(dāng)傳感器檢測(cè)黑色軌跡時(shí)，光電傳感器發(fā)出的紅外線會(huì)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(cè)白線時(shí)，與黑線相反，這時(shí)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(huì)導(dǎo)通，Signal輸出低電平，從而發(fā)光二極管點(diǎn)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(shí)，左右兩邊傳感器均產(chǎn)生兩個(gè)低電平。當(dāng)小車向右行駛偏離黑線時(shí)，左邊傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高電平，反饋給單片機(jī)處理后，單片機(jī)會(huì)給小車發(fā)出一個(gè)信號(hào)，小車向左拐。當(dāng)小車向左行駛偏離黑線時(shí)，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(huì)偏離黑線。當(dāng)兩邊的光電傳感器同時(shí)輸出的信號(hào)為高電平時(shí)，即單片機(jī)判斷的都為高電平時(shí)，小車停止前進(jìn)。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

本設(shè)計(jì)采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來對(duì)兩個(gè)12V的直流電動(dòng)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(dòng)電路，是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)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(hào)。

2.3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

而圖3所示就是直流電機(jī)與驅(qū)動(dòng)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(gè)二極管來保護(hù)電路。一個(gè)“使能”導(dǎo)通信號(hào)和四個(gè)與門相接，這樣，用這一個(gè)信號(hào)我們就可以控制整個(gè)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(gè)信號(hào)來控制：一個(gè)使能信號(hào)和兩個(gè)方向信號(hào)。如果DIR—L信號(hào)為“0”，DIR—R信號(hào)為“1”，并且使能信號(hào)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(hào)變?yōu)椋?ldquo;1”，而DIR—R信號(hào)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(dòng)邏輯

如表1。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)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(diǎn)擊MCU Type欄的倒三角選項(xiàng);選擇對(duì)應(yīng)的單片機(jī)型號(hào)STC89C52RC。

第三步：點(diǎn)擊打開程序文件選項(xiàng)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(diǎn)擊“點(diǎn)擊Download/下載”，對(duì)話框出現(xiàn)正在嘗試與單片機(jī)握手，請(qǐng)上電，再給單片機(jī)供電，燒錄完成。

軟件設(shè)計(jì)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(jì)的內(nèi)容主要是智能小車的循跡系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)小車采用四個(gè)光電傳感器來檢測(cè)循跡路線，同時(shí)對(duì)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(shí)，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(cè)試證明，當(dāng)傳感器呈M形布局時(shí)，易產(chǎn)生不穩(wěn)定的震蕩信號(hào)，從而影響小車行駛時(shí)的穩(wěn)定性，但M型布局最適合檢測(cè)彎道較多的軌跡。因?yàn)閭鞲衅鱉形布局時(shí)，他們不在同一直線上，這樣的話小車在轉(zhuǎn)彎時(shí)，左右兩邊后部的傳感器就會(huì)有較大的采樣空間，兩邊前端的傳感器則對(duì)采集的信號(hào)有更好的前瞻性。整個(gè)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(jì)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。