摘要 設(shè)計采用AT89C51作為智能型小車的控制中心，通過尋跡電路檢測路面標(biāo)識，使小車按預(yù)定軌道行駛，通過角度控制單元檢測小車平衡情況，控制小車驅(qū)動電路的工作狀態(tài)，使其達到平衡，再通過相關(guān)硬件的軟件設(shè)計控制，實現(xiàn)智能化。
關(guān)鍵詞 AT89C51；傳感器；檢測控制；智能小車

1 智能型小車設(shè)計方案
    根據(jù)設(shè)計的基本要求，主要實現(xiàn)小車在規(guī)定時間內(nèi)按規(guī)定路徑穩(wěn)定行駛，并具有保持平衡功能，同時對行程中的有關(guān)數(shù)據(jù)進行處理顯示。為完成相應(yīng)功能，可劃分以下幾個基本系統(tǒng)：AT89C51控制系統(tǒng)、電動機驅(qū)動系統(tǒng)、平衡狀態(tài)檢測系統(tǒng)、尋跡線探測系統(tǒng)以及信息顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1．1 AT89C51控制系統(tǒng)
    控制系統(tǒng)采用Atmel公司的AT89C51單片機作為系統(tǒng)控制核心，如圖2所示。

    脈沖信號由單片機產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為0．3～0．4，電機轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。信號分配實際上是按照某一種控制方式所規(guī)定的順序發(fā)送脈沖序列，達到控制步進電機方向的目的。
    AT89C51是一種帶4 kB閃存、可編程、可擦除、只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器。它由一個8位中央處理器(CPU)、一個256 B片內(nèi)RAM及4 kB Flash ROM、21個特殊功能寄存器、4個8位并行I／O口、兩個16位定日寸／計數(shù)器、一個串行I／O口以及中斷系統(tǒng)等部分組成，各功能部件通過片內(nèi)單一總線聯(lián)成一個整體，集成在單一芯片之上，如圖3所示。

    AT89C51的端口結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

1．2 電動機驅(qū)動系統(tǒng)
    采用直流減速電機，直流減速電機是在一般的直流電機的基礎(chǔ)上，加上配套的齒輪減速箱所組成的。其作用是提供較低的轉(zhuǎn)速，取得最大轉(zhuǎn)矩。另外，不同的齒輪箱減速比也可提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩，就因齒輪箱的增速增矩特點，較大的提高了直流電機在自動化職業(yè)中的運用率。
    減速電機是減速機和電機的集成體，該種集成體通?？煞Q為齒輪電機。而減速電機一般是由專業(yè)的減速電機生產(chǎn)廠進行集成拼裝后成套供貨。減速電機的運用，相比其他的驅(qū)動件，最大的長處是簡化描繪，節(jié)約空間。減速電機的特點主要有：(1)減速電機是傳動行業(yè)的技術(shù)結(jié)晶，具有較高的科技含量；(2)新式齒輪減速電機節(jié)約空間，牢靠經(jīng)用，可承受一定的過載能力，功率可滿足客戶需求；(3)新式齒輪減速電機能耗低、性能優(yōu)越、電機振蕩小、噪音低、節(jié)能高且選用優(yōu)質(zhì)鍛鋼資料；(4)顛末精細加工，包管定位精度，便構(gòu)成了齒輪傳動總成的齒輪減速電機裝備了各類電機，形成了機電一體化，徹底包管了產(chǎn)物的運用質(zhì)量特征；(6)減速電機采用了系列化、模塊化的設(shè)計，具有廣泛的適應(yīng)性。同時可組合其他多種電機、裝置方位和布局計劃，并可按實際需求挑選任意轉(zhuǎn)速和各種布局方式。
1．3 平衡狀態(tài)檢測系統(tǒng)
    采用角度傳感器，該集成芯片為專用的水平傾角測量芯片，其體積小、靈敏度高，并具有簡單、可靠的工作性能等優(yōu)點，可高度滿足平衡度角的精確要求。
1．4 尋跡線探測系統(tǒng)
    基于是探測路面黑色尋跡線的原理：光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接受到反射光強弱由傳感器產(chǎn)生高低電平并最終通過單片機判斷是否到達黑線偏離跑道。文中采用集成斷續(xù)式光電開關(guān)探測器，其具有集成度高、工作性能可靠的優(yōu)點，只須調(diào)節(jié)探頭上的一個旋鈕即可控制探頭的靈敏度。此種探頭還能有效防止普通光源的干擾。
1．5 信息顯示系統(tǒng)
    顯示模塊采用6位LED7段共陰數(shù)碼管進行動態(tài)顯示。由AT89C51單片機產(chǎn)生的段選信號從P0輸出，經(jīng)大約1 kΩ的上拉排阻驅(qū)動數(shù)碼管顯示，位選信號從P2口輸出直接送數(shù)碼管顯示。同時采用數(shù)碼管動態(tài)顯示方式，使硬件電路更為簡單，顯示信息更加清晰。
1．6 電源選擇
    采用雙電源供電，電動機驅(qū)動電源采用5節(jié)干電池，單片機及其外圍電路電源采用5 V電池供電，兩路電源完全分開，這樣雖然不如單電源方便靈活，但可以將電動機驅(qū)動所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計
2．1 尋跡線探測電路
    采用型號為E3F-DS30C4集成斷續(xù)式光電開關(guān)探測器，該探頭輸出端有3根線(電源線、地線、信號線)，只需將信號線接至單片機的I／O口，再不停地對該I／O口進行掃描檢測，當(dāng)其為高電平時則檢測到白紙，當(dāng)為低電平時則檢測到黑線區(qū)域。小車前進時，始終保持黑線在車頭兩個傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時，探測器一旦探測到有黑線，單片機便會按照預(yù)先編定的程序發(fā)送指令給小車的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再對小車路徑予以糾正。當(dāng)小車回到了軌道時，車頭兩個探測器均會檢測到白紙，則小車?yán)^續(xù)直線行走，否則小車會持續(xù)進行方向調(diào)整操作，直至恢復(fù)正常。
2．2 平衡狀態(tài)檢測電路
    在平衡檢測電路中，運用了高精度角度傳感器，此傳感器通過對自身偏離水平角度的測量，對應(yīng)線性輸出一定范圍內(nèi)的電壓值。采用動態(tài)尋找平衡的方式，用分壓電路和電壓比較器制作信號電路，根據(jù)信號端的變化控制小車，使角度傳感器的電壓輸出保持在2．45～2．55 V，經(jīng)測試，該電路滿足要求。
2．3 電動機驅(qū)動電路
    驅(qū)動系統(tǒng)直接采用ULN2003芯片。由單片機產(chǎn)生的脈沖序列和方向控制信號從P3.0～P3.3口輸出，并直接送入ULN2003芯片進行功率放大，達到步進電機所需的驅(qū)動電流和電壓，以此驅(qū)動步進電機工作。

3 軟件設(shè)計
    當(dāng)開機時，系統(tǒng)復(fù)位，并判斷工作模式，當(dāng)選定工作模式1或2后，系統(tǒng)等待5 s，隨后進入自動計時運行狀態(tài)。
    模式1 為電動車運行及方向調(diào)整程序，使電動車按預(yù)定路線運行，且在小車偏離軌道后自動調(diào)整走向使小車自動返回預(yù)定路線，并控制LCD實時顯示運行時間。模式2為平衡檢測及平衡保持程序，在此程序控制下小車自動尋找平衡點，并在平衡點附近進行正向或反向運行，最終達到動態(tài)平衡，具體流程如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試
    在平衡板自由的狀態(tài)下往返一次全程的時間，如表1所示。平衡板在自由狀態(tài)下小車載重物100 g保持平衡測試，如表2所示。平衡板在水平狀態(tài)時，往返一次全程的時間，如表3所示。壓線定位測試，如表4所示。

    由測試分析可看出：基于AT89C51最小系統(tǒng)的小車檢測和控制系統(tǒng)，通過紅外發(fā)射接收一體探頭檢測路面黑色尋跡線，使小車按預(yù)定軌道行駛，根據(jù)角度傳感器檢測平衡板的平衡狀態(tài)控制小車，使其在平衡板上達到動態(tài)平衡，實現(xiàn)了智能控制。