摘要：介紹智能小車自動(dòng)完成設(shè)定任務(wù)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)以玩具小坦克為車體，以單片機(jī)AT89S52為核心，利用黑白線傳感器判斷小車行駛的軌跡；利用金屬傳感器判斷軌跡中放置的鐵片；由單片機(jī)對(duì)小車狀態(tài)做出實(shí)時(shí)反應(yīng)，并輸出相應(yīng)的控制指令。該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)PWM輸出可控制小車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、加速、減速等動(dòng)作；可精準(zhǔn)地完成小車沿黑色引導(dǎo)線的尋跡(斷開引導(dǎo)線亦可)、檢測(cè)鐵片個(gè)數(shù)、實(shí)時(shí)LCD顯示行駛距離、時(shí)間和行車軌跡等功能。該設(shè)計(jì)功耗小，成本低，精度較高。
關(guān)鍵詞：AT89S52K；黑白傳感器；金屬傳感器；霍爾傳感器；LCD

0 引言
    人類的研究活動(dòng)已擺脫了地球生物圈的束縛而廣泛地進(jìn)入外層空間和海洋深處。對(duì)月球和太陽系其他行星的探測(cè)，對(duì)太陽系以外的宇宙進(jìn)行考察，對(duì)數(shù)千米以下的海底的研究，都是目前單靠人力所不能及的。自動(dòng)控制系統(tǒng)正在代替人們完成這些任務(wù)。在戰(zhàn)場(chǎng)上的軍事活動(dòng)中，在惡劣環(huán)境條件下的生產(chǎn)勞動(dòng)中，凡不宜由人直接承擔(dān)的任務(wù)，均可由自動(dòng)控制系統(tǒng)代替，如智能小車可以適應(yīng)不同環(huán)境，不受溫度、濕度等條件的影響，完成危險(xiǎn)地段、人類無法介入等特殊情況下的任務(wù)。高科技自動(dòng)控制系統(tǒng)及裝置已日益成為現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)中離不開的自動(dòng)智能設(shè)備。
    本文設(shè)計(jì)方案以多功能的智能小車作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的載體，以單片機(jī)AT89S52為核心；利用黑白線傳感器判斷小車行駛的軌跡，利用金屬傳感器判斷軌跡中放置的鐵片，由驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路完成小車的行駛，由單片機(jī)對(duì)小車狀態(tài)作出實(shí)時(shí)反應(yīng)，并輸出相應(yīng)的控制指令；通過LCD顯示器對(duì)小車運(yùn)行的時(shí)間、鐵片數(shù)目以及行駛路程等參數(shù)進(jìn)行直觀顯示。整個(gè)系統(tǒng)安裝于車體上并實(shí)施控制。安裝在車上的多個(gè)測(cè)距傳感器精度高，能夠準(zhǔn)確測(cè)算出速度與距離，各種聲光器件實(shí)時(shí)顯示各模塊的工作狀態(tài)。全程無需人為控制，順利完成設(shè)定任務(wù)。經(jīng)性能指標(biāo)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)控制小車的進(jìn)退轉(zhuǎn)向等動(dòng)作且精度較高。

1 硬件設(shè)計(jì)
1．1 車型
    本設(shè)計(jì)選用的履帶車，采用帶電感的大扭力260馬達(dá)，具有動(dòng)力性能強(qiáng)、底盤穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，左右電機(jī)速度調(diào)整到一定時(shí)，不易偏離軌道。
1．2 顯示模塊
    采用2行16個(gè)字的MD1602A液晶顯示器，其功耗低、體積小、顯示內(nèi)容豐富?？赏ㄟ^與單片機(jī)連接，編程，完成顯示時(shí)間和距離等等一系列的功能。
1．3 電源
    單電源+DC／DC轉(zhuǎn)換供電。由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)和其他芯片工作電壓不一樣，需各自獨(dú)立供電。使用6節(jié)電池產(chǎn)生約7～9 V的電壓，進(jìn)行DC／DC轉(zhuǎn)換，可得到5 V左右的穩(wěn)定電壓。該方案電路簡單、性能穩(wěn)定可靠。
1．4 直流電機(jī)
    采用專用芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。采用一個(gè)L298N，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。使用PWM方式的調(diào)速電路搭接簡單、驅(qū)動(dòng)電流大、可靠性高，電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理如圖1所示。

    L298N芯片內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相的專用驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)含2個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，符合兩輪驅(qū)動(dòng)和單片機(jī)控制。它可驅(qū)動(dòng)46 V，2 A以下的電機(jī)，滿足小車馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)要求。
    L298N驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，2、3腳和13、14腳之間分別接2個(gè)電動(dòng)機(jī)。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA(6腳)，ENB(11腳)接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。其中5、7、10、12腳分別接P1．0，P1．1，P1．2，P1．3，L29N的邏輯控制功能如表1所示。

1．5 傳感器模塊
1．5．1 傳感器的安裝
    傳感器的安裝如圖2所示，車頭一共有5個(gè)黑白線傳感器和3個(gè)金屬傳感器。中間的金屬傳感器(檢測(cè)距離為8 mm)是來檢測(cè)跑道上的鐵片，旁邊的2個(gè)金屬傳感器(檢測(cè)距離為4 mm)是來檢測(cè)距離引導(dǎo)線70 mm以上的金屬片的。由于在拐彎斷線處，小車可能會(huì)偏出軌道，無法繼續(xù)尋跡，故最外圍的2個(gè)黑白線傳感器就是使小車在偏離軌道一定范圍的情況下，仍能夠調(diào)整車頭，重新回到軌道上，故兩個(gè)傳感器的距離要盡量的遠(yuǎn)，在不超出車身范圍的情況下。中間的黑白線傳感器的可擴(kuò)展為讓小車在斷線處仍能夠畫出斷線部分的軌跡(顯示一段斷線，屬于特色部分)，另外兩個(gè)黑白線傳感器的任務(wù)就是讓小車完成基本的尋跡功能。

1．5．2 霍爾傳感器
    霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器，它具有靈敏度高，線性度好，穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特點(diǎn)。對(duì)測(cè)速裝置的要求是分辨能力強(qiáng)、高精度和盡可能短的檢測(cè)時(shí)間。
    霍爾傳感器和磁鋼配套使用，用來計(jì)算小車的行駛路程。本作品用到兩個(gè)霍爾傳感器和20個(gè)磁鋼，左右后車輪各一對(duì)(1個(gè)霍爾傳感器和10個(gè)磁鋼)，安裝方式如圖3所示。磁鋼數(shù)量越多，測(cè)量出的車輪圈數(shù)約精確，行駛路程也越精確。

1．5．3 金屬傳感器
    選用的金屬傳感器為NPN常開型傳感器，理論的測(cè)測(cè)量距離為4 mm，傳感器輸出為1、0開關(guān)量信號(hào)，當(dāng)金屬傳感器感應(yīng)到金屬片時(shí)，其輸出由高電平變?yōu)榈碗娖健?br /> 1．5．4 黑白線傳感器電路模塊
    選用TK-20黑白線檢測(cè)傳感器，它是TK-10的升級(jí)版，有效探測(cè)距離達(dá)5 cm。通過調(diào)節(jié)電位器，最遠(yuǎn)可以達(dá)到10 cm(該距離下，探測(cè)黑白線的精度降低)。
1．6 硬件總體框圖
    硬件總體硬件框圖如圖4所示。

2 軟件設(shè)計(jì)
2．1 軟件流程圖
    圖5為小車整體的系統(tǒng)流程圖。當(dāng)小車前頭的黑白線傳感器同時(shí)檢測(cè)到起點(diǎn)的黑線時(shí)，單片機(jī)接收到信號(hào)，小車開始加速行駛，且開始交替顯示行駛時(shí)間和行駛路程，此時(shí)由于還沒檢測(cè)到金屬片，故行駛距離顯示為0。當(dāng)小車在行駛的過程中檢測(cè)到第一片金屬片時(shí)，小車減速行駛直到停止。數(shù)碼管顯示鐵片數(shù)量為1，且閃爍提示。此時(shí)單片機(jī)收到相應(yīng)信號(hào)，控制小車停止5 s，在停止的過程中交替顯示行駛距離和時(shí)間。當(dāng)5 s過后，小車?yán)^續(xù)行駛，當(dāng)檢測(cè)到下一塊鐵片時(shí)，小車又停止5 s，鐵片顯示加1(同樣閃爍顯示)。到終點(diǎn)時(shí)，小車前頭的黑白線傳感器同時(shí)檢測(cè)到終點(diǎn)的黑線，小車停止，數(shù)碼管顯示鐵片數(shù)量且交替顯示行駛的總時(shí)間和第一片鐵片到終點(diǎn)的路程。此方案的特色是LCD顯示屏還能同步畫出小車行駛的軌跡圖。當(dāng)按下ZLG按鍵，LCD將切換到軌跡顯示，并能在LCD上標(biāo)出鐵片位置。
2．2 編程思想及核心算法的實(shí)現(xiàn)
2．2．1 PWM方波的產(chǎn)生
    采用內(nèi)部定時(shí)器方式來產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM方波信號(hào)。
2．2．2 小車拐彎的實(shí)現(xiàn)
     如圖7所示，左1黑白線傳感器碰到黑線時(shí)，小車向左拐，并鎖住拐彎狀態(tài)等到左2黑白線傳感器碰到黑線，左2黑白線傳感器碰到黑線時(shí)，小車向左拐。右1，右2碰到黑線的處理與左1，左2碰到黑線的處理一樣。其他狀態(tài)小車直走(除特殊情況如起跑線與終點(diǎn))。

2．2. 3 小車行駛路程的計(jì)算
    小車的行駛的路程是用霍爾傳感器來計(jì)算的。由于黑線位于兩個(gè)輪子之間，設(shè)左輪走過的路程為S1，右輪走過的路程為S2，故實(shí)際距離應(yīng)為(S1+S2)／2。
2．2．4 小車軌跡的繪制
    小車的軌跡是由一段段射線構(gòu)成的。小車每走一段距離L，就在屏幕上畫一條線段，線段長度設(shè)計(jì)為4個(gè)像素。畫射線的算法：
    橫坐標(biāo)： x=Lcosθ
    縱坐標(biāo)： y=Lsinθ
    通過描點(diǎn)函數(shù)一點(diǎn)點(diǎn)描出來。由于單片機(jī)沒有計(jì)算sinθ，cosθ的函數(shù)，所以本組采用查表法。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試方法與結(jié)果
3．1 測(cè)試步驟
    (1)根據(jù)要求做出完整軌跡，總長度為3．8 m，接著分別在直道、彎道放置4個(gè)鐵片，其距離起點(diǎn)依次為30 cm，140 cm，210 cm，270 cm，觀察小車能否尋跡，檢測(cè)到金屬片時(shí)能否停下5 s，顯示并給出提示。
    (2)將小車放置起點(diǎn)處，啟動(dòng)小車，手中秒表開始計(jì)時(shí)，到終點(diǎn)時(shí)停止計(jì)時(shí)，看數(shù)碼管顯示。
    (3)重復(fù)步驟(1)，步驟(2)四次。
3．2 性能指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)
    性能指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

    經(jīng)測(cè)量小車履帶車輪的半徑為24 mm，經(jīng)計(jì)算的周長為150．72 mm，測(cè)試跑道的長度為380 cm，經(jīng)過測(cè)試每次行駛的時(shí)間誤差很小，性能指標(biāo)良好。

4 結(jié)語
    經(jīng)性能指標(biāo)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)PWM輸出可實(shí)現(xiàn)控制小車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、加速、減速等動(dòng)作；結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案科學(xué)合理，可精準(zhǔn)地完成小車沿黑色引導(dǎo)線的尋跡(斷開引導(dǎo)線亦可)、檢測(cè)鐵片個(gè)數(shù)、實(shí)時(shí)LCD顯示行駛距離、時(shí)間和行車軌跡等功能，精度較高。