基于A(yíng)T89S52的智能簡(jiǎn)易車(chē)輛系統設計

摘要 介紹了以單片機AT89S52為控制核心的智能簡(jiǎn)易車(chē)輛系統設計方案。系統根據角度傳感器檢測的信號，控制小車(chē)在蹺蹺板上做相應運動(dòng)，其中采用角度傳感器感應板面水平角是否為零，確保小車(chē)達到平衡。同時(shí)采用反射式光電傳感器感應板面引導線(xiàn)，保證小車(chē)不脫離軌道，并指引小車(chē)在規定區域人忱爬上板面。系統顯示裝置采用RT1602液晶顯示器，能夠實(shí)時(shí)顯示行距、時(shí)間;小車(chē)動(dòng)力源采用步進(jìn)電機，并用SFA475集成晶體管芯片構成的橋式電路對其驅動(dòng)，電源直接由12 V蓄電池供電，單片機根據各模塊檢測的信號作出判斷，保證小車(chē)正常行動(dòng)。

智能車(chē)輛是一個(gè)集環(huán)境感知、規劃決策、自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統其集中應用了計算機、傳感、信息、通訊、導航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)是典型的高新技術(shù)綜合體。本文設計的智能簡(jiǎn)易車(chē)輛系統就是此綜合體的一種嘗試。該系統使智能簡(jiǎn)易車(chē)輛在多種傳感器的配合下實(shí)現了自動(dòng)尋跡、平衡探測等功能，已基本實(shí)現了車(chē)輛的智能化。

1 智能簡(jiǎn)易車(chē)輛電路總體結構設計

文中簡(jiǎn)易智能車(chē)輛系統通過(guò)電動(dòng)車(chē)蹺蹺板這一實(shí)驗實(shí)現。采用AT89S52作為電動(dòng)車(chē)蹺蹺板的控制核心，用紅外傳感器檢測小車(chē)是否在制定軌道上運動(dòng)，小車(chē)若偏離軌道，傳感器便會(huì )發(fā)出一個(gè)信號送至單片機，使單片機控制步進(jìn)電機的轉動(dòng)。同時(shí)通過(guò)角度傳感器來(lái)識別小車(chē)是否到達平衡位置。

總體電路系統包括主機控制模塊、平衡檢測模塊、尋軌檢測模塊、顯示模塊、電動(dòng)驅動(dòng)模塊及語(yǔ)音提示模塊6個(gè)部分。主機控制模塊是該電路系統的核心，將平衡檢測模塊和尋跡模塊檢測到的信號進(jìn)行運算處理，輸出給電機驅動(dòng)模塊來(lái)控制左右電機，從而控制小車(chē)的前進(jìn)及后退。同時(shí)，主控模塊還會(huì )輸出控制信號至顯示模塊以顯示行距及時(shí)間，并控制語(yǔ)音提示模塊適機發(fā)出提示音。電路系統框圖如圖1所示。

2 電硬件設計

2.1 主機控制模塊

主機控制模塊采用ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能8位單片機AT89S52，該單片機內含8 kB可反復擦寫(xiě)的只讀存儲器和256 Byte的隨機數據存儲器，其特點(diǎn)是高密度、非易失性存儲、微功耗，系統穩定及可靠性高。此外，AT89S52技術(shù)成熟，價(jià)格低廉，參考資源豐富，且應用也較為廣泛，再加之本系統能使該單片機資源得到充分的使用，故選擇其作為智能小車(chē)電路的核心控制。

2.2 顯示模塊

顯示模塊使用16位字符型液晶(LED)顯示。液晶顯示屏具有低功耗、平面直角顯示、可視面積大、畫(huà)面效果好、分辨率高、抗干擾能力強的優(yōu)點(diǎn)。并可直接使用單片機上I/O口，無(wú)需過(guò)多的外圍器件便可實(shí)現多項功能。

2.3 電機及驅動(dòng)模塊

電機及驅動(dòng)模塊中的電機部分采用步進(jìn)電機，該電機力矩大，精度高，只接收一個(gè)脈沖。就可轉動(dòng)一個(gè)固定的角度，因此利用晶體管組成的橋式驅動(dòng)電路，單片機可較好地控制步進(jìn)電機的速率、路程、轉向等，可達到精密控制，且系統也較為穩定。此外由于系統對電機的精度及其靈敏度要求較高，而步進(jìn)電機和該驅動(dòng)電路的組合完全可達到這一要求，故采用步進(jìn)電機和驅動(dòng)電路。

驅動(dòng)電路如圖2所示。驅動(dòng)模塊是本設計的動(dòng)力源，為此在信號線(xiàn)與主控板接口相連前，采用光耦器件PC817進(jìn)行隔離，防止電路中大電流燒毀主控板器件;考慮到步進(jìn)電機的輸出力矩隨工作頻率下降較快，而低頻時(shí)所需的電壓又過(guò)低，若采用較高的電壓有可能燒毀步進(jìn)電機的驅動(dòng)，為此要實(shí)現小車(chē)的精確控制對驅動(dòng)則有一定的要求，需基本滿(mǎn)足衡力矩輸出。STA475A是一款電機驅動(dòng)芯片，廣泛應用于打印機及各種驅動(dòng)控制板上，其N(xiāo)PN型的達林頓管。在此采用頻率電壓轉換電路來(lái)補償步進(jìn)電機高頻工作時(shí)所需的電壓。V/F轉換器件LM331的作用是將頻率信號轉化為電壓信號，用此信號來(lái)控制大功率限流場(chǎng)效應管，保證驅動(dòng)電流不會(huì )因頻率過(guò)高而減小，以恒力矩輸出，從而保證電動(dòng)機的力矩能帶動(dòng)電動(dòng)車(chē)順利運行。

2.4 尋跡模塊

自動(dòng)尋跡是基于自動(dòng)導引小車(chē)(Auto-Guided Vehicle，AGV)系統，實(shí)現小車(chē)自動(dòng)識別路線(xiàn)，判斷并自動(dòng)規避障礙，以選擇正確的行進(jìn)路線(xiàn)。其采用與地面顏色有較大差別的線(xiàn)條作為引導，并使用傳感器感知導引線(xiàn)和障礙判斷。

實(shí)現機器人的視覺(jué)和接近覺(jué)功能有多種方式：(1)可使用CCD攝像頭進(jìn)行圖像采集和識別方法，但不適用于小體積系統，且還涉及圖像采集、圖像識別等領(lǐng)域。(2)電容式接近傳感器，基于檢測對象表面靠近傳感元件時(shí)的電容變化。(3)超聲波傳感器，根據波從發(fā)射到接收的傳播過(guò)程中所受到的影響來(lái)檢測物體的接近程度。(4)紅外反射式光電傳感器，其包括一個(gè)可發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè)用作接收器的固態(tài)光敏二極管。

系統的尋跡檢測模塊采用反射式紅外傳感器來(lái)檢測蹺蹺板上的黑線(xiàn)，由于黑線(xiàn)可用黑筆直接在蹺蹺板軌道上畫(huà)出，故可不考慮其質(zhì)量對蹺蹺板的影響。紅外傳感器發(fā)射和接收均是不可見(jiàn)光，抗干擾能力強，靈敏度高，同時(shí)尺寸小、質(zhì)量輕、外圍電路簡(jiǎn)單，安裝方便，因此用其作為近距離檢測是較理想的。尋跡模塊電路如圖3所示，集成反射式光電傳感器ST198的電壓驅動(dòng)為4.5～5 V。當發(fā)射二極管導通時(shí)，發(fā)出紅外光線(xiàn)，使接收管的集電極和發(fā)射極間電阻變小，而比較器正向輸入端電位被拉高，當紅外光線(xiàn)照射到黑色線(xiàn)上時(shí)，反射光較少，接收管集電極和發(fā)射極間的電阻增大，則比較器正向輸入端電位被拉低，單片機根據此信號控制電機的正反轉動(dòng)。

2.5 平衡檢測模塊

平衡檢測模塊電路如圖4所示。采用ADI公司出品的雙軸加速度傳感器ADXL202，該產(chǎn)品成本低、功耗小，且內部敏感元件和后續電路相集成。ADXL202傳感器外圍電路簡(jiǎn)單，同時(shí)輸出為數字信號，抗干擾強、靈敏度高、易于用單片機控制，故選擇該傳感器作為本系統的平衡檢測模塊。