一种具有记忆功能的智能小车设计

【摘要】本设计硬件上主要采用单片机为主控芯片，采用红外对管巡线，采用霍尔元件测量路程，采用L298芯片驱动小车行驶和LED数码管显示组成智能小车。在硬件的基础上搭配相应的软件程序后实现智能小车的模式1巡线行驶，并记忆路程和模式2的记忆行驶。

【关键词】智能小车；路径记忆；硬件设计

1.引言

随着电子技术、计算机技术和制造技术的飞速发展，消费电子产品越来越呈现出光机电一体化、智能化、小型化等趋势。各种智能小车在新兴产业链中也占据着一席之地，此类具有自我判断与应急能力的智能小车在抢险救灾、智能汽车、智能家电以及考古等领域有着广泛的应用。它能够到达人类所不能涉及的区域，这样应用的优势在于拓展人类的活动范围、控制领域，也避免了让人类直接暴露在某些危险的区域中。因此智能小车的研究具有深远的意义和发展空间。

无人驾驶的电动车可以应用于抢险、救灾等人力不能达到的危险区域的探测。当发生如火灾、有毒物质泄漏、辐射等灾难时，人们往往要冒着生命危险或者根本就无法进入这些灾难现场以了解灾情，因此需要一种探测车来代替人们完成任务从而减少和避免人员的伤亡。探测车在失去无线遥控信号且又无法前进时，探测车能按原路径返回，因此有简单的路径记忆功能。

2.系统总体硬件方案设计

系统硬件部分设计主要包括红外对管模块，霍尔模块，电机驱动模块，显示模块，单片机最小系统模块等。其中红外对管模块和霍尔模块为信号采集端，单片机接受信号进行处理，然后做出反应，利用电机模块控制小车行驶，LED显示模块显示小车的行驶状态。系统硬件框图如图1所示。

3.系统总体软件方案设计

系统软件总设计[4]可由主函数来体现，主函数实现了对各个子函数的调用，依次为PWM控制函数pwmkz（uint a，uint b），小车前进函数qianjin（），霍尔函数lucheng（），LED显示函数xianshi（），包括模式2中的记忆行驶函数jiyi（）。系统主函数主要流程如图2所示。

4.硬件模块具体设计

4.1 最小系统设计

4.1.1 单片机介绍

本设计中采用AT89S52单片机[2]为主控芯片，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在线系统可编程Flash存储器。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，把一些重要的程序保存下来。

AT89S52单片机的指令系统与8051系列单片机指令系统兼容，在熟练掌握C51编程环境后编程比较方便，简练。AT89S52单片机存储容量和速度方面均符合设计要求，在实际应用上也已经很成熟，并且电路设计简单、经典、芯片价格低廉，适合使用。其引脚分配如表1所示。

4.1.2 单片机接口电路设计

单片机设计使用时需要将其引脚外接到插针上以便利用杜邦线将硬件模块与单片机引脚相连接。单片机接口原理图[1]如图3所示。

4.2 电机驱动电路设计[4]

L298驱动电路前面加上TLP521光耦隔离，电路简单易懂。通过改变I/O输入改变芯片控制端的电平，即可对电机进行正反转控制(如表3所示)，改变PWM的值，就可实现速度的调节。本设计采用的电机专用驱动芯片L298。L298可用来驱动继电器、线圈、直流电机和步进电机等感性负载，设计中利用它来驱动小车的直流减速电机。L298的额定电压为12V，最小4.5V，最大可达46V，试验中给定电压为6V；电流可达4A，持续电流为2A。L298芯片有四个通道，可控制小车前轮后轮，正转反转，其引脚输入情况与小车运行的对应关系如表4所示。

4.3 LED显示电路设计

用八个共阳数码管显示行驶的时间和路程，数码管的数据端口通过P0口传输数据。74LS138译码器的输入数据端口由P2.5，P2.6，P2.7控制，为000-111八个数据。位选段口通过74LS138译码出八个地址，选择八个数码管。若X0为低电平，则Q1导通，U1数码管的0位被选中，显示当前P0中的值。显示时间在低四个数码管，显示路程在高四个数码管。

4.4 红外对管巡线设计

采用RG5000型红外对管光电传感器完成系统循迹。RG5000利用黑线对红外线反射不强的原理，实现对黑线的检测。此红外对管调理电路简单，工作性能稳定。RG5000的最佳测量范围是1-9mm，将RG5000安装在小车车头的下面，贴近地面寻找黑线。RG5000用以实现小车沿着场地的黑色弧形引导轨迹行进，使小车不偏离轨道行驶。

小车采用五个RG5000巡线，如果RG5000测量到黑线，那么它返回高电平，这时候我们就需要调用程序，进行不同的调整，使小车沿着黑线行驶。它的原理图可以分为巡线过程和处理巡线信号过程。红外对管电路原理图如图3.4.2所示，红外对管检测路面情况，及时将信号输出。

4.5 霍尔模块设计

所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差，此电位差约为0.7V。所以霍尔电路的设计原理就是应用此原理，霍尔电位差信号输入到LM393比较器3脚输入端与比较器2脚的电压值进行比较后1脚输出，接至单片机P33口(外部中断)。使用时霍尔检测车轮磁钢后产生电平变化，触发单片机中断计数，数值计算后即达到路程测量的功能。

小车采用霍尔元件，如果霍尔元件测量到磁钢，那么它返回高电平，这时候就产生外部中断，触发中断函数，在中断函数中，记录路程的变量加一，这样在调用路程函数的时候，就能够根据走过的圈数，计算得出行驶的路程。

5.功能软件设计

软件功能框图如图4所示。

软件功能框图，包含以下几部分：主函数，记忆行驶函数，巡线行驶函数，PWM控制函数，路程测量函数，显示函数，中断函数等几部分，其中主函数主要调用巡线行驶函数，记忆行驶函数，路程测量函数，显示函数；记忆行驶函数和巡线行驶函数主要调用PWM控制函数；PWM控制函数中用到中断处理函数；显示函数中的时间也调用中断中计算的时间。

6.结束语

通过此次研究，学到了很多知识。包括基本熟悉学校新购买的制板机的制板流程及原理，制作出电路板。在研究中，可以熟练地运用Protel工具设计原理图和PCB图，对Protel的了解更近了一步。更加熟悉了Keil软件的应用，锻炼了逻辑思维，能够考虑到程序执行的各个可能情况。虽然这次研究的还是不够理想，但是可以相信，在以后的学习工作中，能够做的更好。通过此次研究，学会了处理问题的方法，相信以后会运用的更好。

参考文献

[1]李东生,张勇,许四毛.Protel 99SE电路设计技术入门与应用[M].北京:电子工业出版社,2006.

[2]赵德安等.单片机原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2004,9.

[3]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[4]周重益,潘超.单片机应用开发系统EAT598实验指导[M].常州:江苏工业学院计算机系,2005,12.

作者简介：郑恩兴（1981—），男，毕业于常州大学自动化专业，常州刘国钧高等职业技术学校讲师，研究方向：控制工程与控制理论。