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摘要：本文介紹一種以多種傳感器為敏感元件，以AT89C51 單片機為控制核心的電動小車的智能控制系統(tǒng)。文中敘述了該系統(tǒng)的硬件設計及軟件流程圖，并給出了實測結果。該控制技術可用于智能機器人及自動停車控制系統(tǒng)的設計。
關鍵詞：單片機；自動；中斷；控制； 傳感器
0 前言
當前的電動小汽車基本上采取的是基于純硬件電路的一種開環(huán)控制方法，或者是直線行使，或者是在遙控下作出前進、后退、轉彎、停車等基本功能。但是它們不能實現(xiàn)在某些特殊的場合下，我們需要能夠自動控制的小型設備先采集到一些有用的信息的功能。本文正是在這種需要之下開發(fā)設計的一種智能的電動小車的自動控制系統(tǒng)。它以單片機AT89C51 為控制核心，附以外圍電路，采用金屬探測器、光電檢測器等傳感器材檢測信號和障礙物；充分利用單片機的串口、并口資源和運算、處理能力，來實現(xiàn)小車的按軌跡直線行走、按軌跡轉彎、檢測軌道下的金屬片并顯示其數(shù)目同時發(fā)出聲光警示、躲避障礙物、尋燈光進入車庫，最后停車等智能控制系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)硬件電路設計
整個系統(tǒng)結構框圖如1 所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
1.1 尋跡電路設計
本設計需要檢測直線行駛區(qū)和沿弧線行駛區(qū)具有一定黑白對比度的黑線。圖2 為尋跡發(fā)射和接收電路，共有兩套，分別檢測左側車輪和右側車輪的偏轉情況。采取的是反射取樣式，高亮度的發(fā)光二極管與光敏二極管呈V 字型放置。光敏三極管接收到的信號用LM358 進行電壓比較與放大。圖2 的電路在+5V 電壓下工作，根據(jù)發(fā)射管和接收管所需的工作壓降和工作電流，選取的負載電阻如圖中所示。此部分電路的設計具有靈敏度高、可調節(jié)等特點。
圖2 尋跡發(fā)射和接收電路
1.2 金屬探測及報警電路設計
本設計需要檢測在軌道下的未知位置處埋藏的金屬片，并且在檢測到金屬片時，發(fā)出聲光告警。如圖3 所示。圖中的探頭為J2D-5NB 常閉型接近開關。其輸出電壓可直接送給單片機進行處理。當檢測到金屬片后，單片機馬上輸出信號，控制由NE555 時基電路構成的多諧振蕩器開始振蕩，驅動發(fā)光二極管D1 閃亮，蜂鳴器B1 斷斷續(xù)續(xù)的鳴叫。
圖3 金屬探測器檢測及報警電路
1.3 平行光管方向探測電路設計
此部分設計采用兩對光敏三極管，用于檢測車庫外的200W 的燈泡發(fā)出的光線，放在車前部的中間位置。當兩個光敏三極管同時檢測到光時，直線前進。當光敏三極管檢測不到光時，處于截止狀態(tài)，雙運算放大器LM358 輸出低電平給單片機的P2.3、（P2.4）后，由程序處理；若左路未檢測到光，則向右拐彎；若右路未檢測到光，則向左拐彎。
當光敏三極管接收到光后導通，相應的LM358 輸出低電平給單片機，將繼續(xù)讓小車前進。
圖4 駛向車庫時光檢測電路
1.4 電機驅動電路設計
電源電路的設計在整個系統(tǒng)中起著至關重要的作用。由于采用的是雙驅動的小車，這部分電路必須能夠輸出兩個不同的電壓值，分別去控制小車的左、右兩個驅動電機，使小車的兩個履帶的轉速相同或不同，從而來控制它的前進和轉彎。主要應用四雙向模擬開關CD4066、8 緩沖器及線驅動器74LS244、三端可調整輸出穩(wěn)壓器LM317 及穩(wěn)壓塊7805 來完成單片機和小車之間的控制和驅動信號的連接。為了保證每個單元電路都能夠穩(wěn)定的供電，采取分別供電的方法，控制各個電路的啟動。
1.5 顯示電路
顯示電路的設計采用串行口方式0 輸出，靜態(tài)顯示。顯示電路中使用4 位數(shù)碼管，由四塊移位寄存器74LS164 實現(xiàn)串行傳送。其中，第一位顯示檢測到的金屬塊數(shù)，為了便于區(qū)分，它與其他三個隔開一定的距離，后三位用于分時顯示時間或距離。硬件接口電路如下圖所示。
圖6 單片機接口及顯示電路
1.6 停車部分
此部分的電路利用了前邊的尋跡部分的電路，這里只使用了P2.1 檢測位，讓它檢測車庫的黑邊。在駛向車庫時的程序中，若P2.1 輸出高電平，則意味著小車已經完全進入車庫內部；若輸出低電平，則繼續(xù)尋光前進。電路圖參照圖1 尋跡發(fā)射和接收電路圖。
2、軟件設計體系結構
（1） 時序管理：采用時間控制的方法，在程序中設定各種時間參數(shù)值（這些參數(shù)值由反復實際測量得到），通過比較是否已達到或超過預定時間，來控制各段運行。
（2） 中斷管理：采用多中斷方式，因為優(yōu)先級的設置，避免了多級中斷的相互干擾。其中，T0 中斷的優(yōu)先級最高。
（3） 多種控制方式復合：用時間信號與各種檢測信號共同控制車的運行。程序整體流程圖：
3 可靠性設計
在前向通道中的尋跡電路和平行光管光強度傳感器電路中所使用的，是高亮度的發(fā)光二極管和靈敏度適當?shù)墓饷舳䴓O管，這樣可使光敏三極管接收到的光強度足夠大，而且為了進一步提高其可靠性，采用了LM358 電壓比較器進行噪聲切割。在程序設計中，當外部中斷1和外部中斷0 中斷不用后，將其關斷，這樣就避免了干擾信號的產生。
4 系統(tǒng)測試結果
小車進入車庫停車時間為60 秒左右。在探測到金屬塊時，能準確顯示距起點的時間，同時有聲光顯示。小車基本上能按照預定路線行進，進入車庫，且時間未超過90 秒。在聲光報警電路中，采用的是蜂鳴器和高亮度的發(fā)光二極管。在每次檢測到有金屬塊時，都能發(fā)出聲光指示信息，顯示清晰。
5 結論
整個系統(tǒng)的設計以單片機為核心，利用了多種傳感器，在中斷管理、時序管理的復合控制方式下，將軟件和硬件相結合。本系統(tǒng)能實現(xiàn)如下功能：
（1） 自動沿預設軌道行駛小車在行駛過程中，能夠自動檢測預先設好的軌道，實現(xiàn)直道和弧形軌道的前進。若有偏離，能夠自動糾正，返回到預設軌道上來。
（2） 自動檢測軌道下的金屬片小車在按照軌道行進過程中，可以檢測埋在軌道下的金屬片，并且可以顯示檢測到的金屬片的數(shù)目。
（3） 檢測到指定點后自動停車小車可以自動檢測到指定點的標志，并且自動停車。
（4） 自動躲避障礙物小車可以自動躲避障礙物，當小車探測到前進前方的障礙物時，可以自動調整，躲避障礙物，從無障礙區(qū)通過。
（5） 自動尋引導源進入車庫
小車通過障礙區(qū)后，能夠在光源的引導下，自動進入車庫，當車體完全進入車庫后可以自動停車。
（6） 自動報警和顯示時間
小車在每次探測到金屬片后能夠自動發(fā)出聲光報警信息，顯示金屬片距起點的時間。
（7） 在規(guī)定時間內完成整個運行過程
通過參數(shù)設定可以使小車在規(guī)定的時間內完成運行任務。
本文作者創(chuàng)新觀點：利用高性能的單片機，輔以各種傳感器來檢測路面、障礙物等周圍環(huán)境，通過高可靠性的軟件設計，可以實現(xiàn)小型電動車的智能控制。此控制方法有很大的應用價值，例如可以應用于智能機器人及自動倒車、停車的設計。
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