1設計任務概述

設計制作一個智能小車，該小車能按照要求自動運行，從建筑物中曲折的道路通過，并完成規定的動作。設矩形建筑物有2個門A、B，門寬24cm，建筑物是高10cm、厚2cm的矮墻，建筑物內無引導軌跡，如圖1所示。

任務1：

(1)要求智能小車從A門進入并開始自動計時，從B門出來，在行進過程中，能自動選擇適當的路徑，避開墻壁，找到通路，3min之內到達B門;

(2)到達B門，停5s，小車自動計時并聲光報警。

任務2：

(1)自B門外，循弧形引導軌跡BC前進(引導軌跡為2cm寬);

(2)途中檢測到鐵片D(鐵片D放置在軌跡BC前1/2段上的任意位置)時停車3s，并聲光報警;

(3)要求小車拾起鐵片D，繼續沿引導軌跡前進;

(4)到達C點，在C點處，放下鐵片D并停止前進，聲光顯示控制結束，并停止計時，分別顯示BD、DC段所用的時間，鐵片為直徑2cm的圓形薄片。

2系統方案

根據設計要求，本系統主要由微控制器模塊、電源模塊、避障模塊、循跡傳感器模塊、直流電機及其驅動模塊、金屬檢測模塊、角度測量模塊、語音提示模塊以及液晶顯示模塊等構成。如圖2所示。

2.1車體方案

制作電動車，我們制定了左右兩輪分別驅動，即左右輪分別用兩個轉速和力矩完全相同的直流電機進行驅動，車體尾部裝一個萬向輪。這樣，當兩個直流電機轉向相反轉速相同時就可以實現電動車的原地旋轉，由此可以輕松地使小車改變運行方向。

2.2控制模塊

采用STC89C52超低功耗單片機作為主控制器。STC89C52單片機運算速度快，抗干擾能力強，支持ISP在線編程，片內含8k空間的可反復擦寫1000次的Flash只讀存儲器，具有256bytes的隨機存取數據存儲器(RAM)，32個I/O口，2個16位可編程定時計數器。

2.3電機模塊

采用直流減速電機。直流減速電機轉動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便，小車電機內部裝有減速齒輪組，不需要考慮調速功能，就可以方便地實現單片機對直流減速電機前進、后退、停止等操作。

2.4電機驅動

因為小車的電機內部裝有減速齒輪組，不需調速功能，因此采用電機驅動芯片L293D控制減速電機，該芯片是利用TTL電平進行控制，通過改變芯片控制端的輸入電平，即可對電機進行正轉、反轉和停止操作，亦能滿足直流減速電機的要求，用該芯片作為電機驅動具有操作方便、穩定性好等優點。

2.5避障模塊

用漫反射式光電開關即紅外光漫反射式光電傳感器進行避障。其原理是當前面有被檢測物體時，物體將發射器發出的紅外光線反射到接收器，于是光電傳感器就產生了開關信號。當有光線反射回來時，輸出低電平。當沒有光線反射回來時，輸出高電平。

2.6循跡模塊

用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線發射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發射較弱。因此光敏電阻在白色軌跡上方和黑色軌跡上方時，阻值會發生明顯的變化。將阻值的變化值經過比較器就可以輸出高低電平。單片機據此來判斷小車是否偏離軌道，并根據反饋來的不同的電平信號，發出相應的控制操作命令來校驗小車的位置，以完成小車的循跡任務。

2.7金屬傳感器模塊

電感式接近開關屬于一種有開關量輸出的位置傳感器，它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成。金屬物體在接近電感式接近開關的震蕩感應頭時，電感式開關產生電磁場，使物體內部產生渦流。這個渦流反作用于接近開關，使接近開關振蕩能力衰減，內部電路的參數發生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進而控制開關的通或斷。

3硬件系統的設計與功能實現

3.1控制小車主線路板制作

在線路板制作設備的選擇上，我們使用LPKFProtoMatRS62電路板刻板機。LPKF線路板雕刻機ProtoMatRS62的精確度較高，分辨率高達0.25μm。可快速制作各種復雜的對精度要求較高的線路板。

3.2微控制器電路的設計與原理

微控制器電路是整個智能控制小車系統的核心控制部分，它負責對各路傳感信號的采集、處理、分析及對各部分硬件電路進行調整。本設計制作的智能控制小車系統以STC89C52單片機最小系統電路為整個系統的控制電路，通過各種傳感器電路，采集各種傳感器信息，以發出各種控制信號命令，來完成相應的操作，單片機控制電路原理圖如圖3所示。

3.3電源電路原理與設計

電源電路為系統提供基準電源，是整個系統工作穩定性之關鍵所在，本系統采用7.2V可充電動力電池組，可反復利用，動力電池組具有較強的電流驅動能力及穩定的電壓輸出性能。其充電電路原理圖如圖4所示。

3.4電機驅動電路的原理與設計

本設計中采用電機專用驅動芯片L293D，為單塊集成電路、高電壓、高電流、四通道驅動。設計用來接收DTL或者TTL邏輯電平，驅動感性負載(比如繼電器、直流電機)和開關電源晶體管。內部包含4通道邏輯驅動電路。其額定工作電流為1A，最大可達1.5A，Vss電壓最小4.5V，最大可達36V。

L293d可直接對電機進行控制，無須隔離電路。通過單片機的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機進行正反轉、停止的操作，操作非常方便，亦能滿足直流減速電機的大電流要求。調試時用程序輸入對應的碼值，即可以實現對應的操作。其驅動電路原理圖如圖5所示。

3.5避障電路的原理與設計

用漫反射式光電開關進行避障。光電開關實際是發射端與接收端于一體的檢測開關，其工作原理是根據發射端發出的光束，被物體反射，接收端據此作出判斷是否有障礙物。當有光線反射回來時，輸出低電平。當沒有光線反射回來時，輸出高電平。單片機根據接收端電平的高低作出相應控制，避免小車碰到障礙物。小車采用漫反射式傳感器進行避障的電路原理圖如圖6所示。

3.6光電開關的安裝

在避障傳感器的設計中，我們在車體底盤的前端裝有4個傳感器，以起避障的作用。4個傳感器的安裝位置與安裝方法相一致。

3.7循跡電路的原理與設計

采用RPR220型光電管完成系統循跡任務，循跡電路是小車沿著場地的黑色弧形引導軌跡BC進行前進和位置校正，且小車不能偏離該軌跡。傳感器的數據線輸出信號為開關量，可直接與單片機的I/O引腳相連接，硬件電路實現比較簡單。

在循跡檢測傳感器設計中，我們在車體底盤的前端裝有2個傳感器，用來檢測黑色弧形軌跡，起到循跡前進的作用。

3.8金屬檢測電路的原理與設計

金屬傳感器性能的好壞對于該系統的功能是否能實現起著十分重要的作用。我們選用的是LJ12A3-4-Z/BX型號的電感式接近開關進行金屬檢測工作，其電路原理如圖7所示，由于其數據輸出端通過5.1K上拉電阻，輸出的是TTL電平，輸出信號為開關量，可直接與單片機的I/O引腳相連接，硬件電路簡單，容易操作。

3.9鐵片轉移電路原理與設計

鐵片轉移電路主要運用線圈通電產生磁場的原理，借助其所產生的磁場，把金屬傳感器檢測到的鐵片按相關要求轉移到指定位置，本設計電路中是將線圈的輸入端直接與單片機的I/O相連接，通過改變單片機引腳的高低電平即可以改變線圈磁場。

3.10語音提示電路的原理與設計

本設計中的智能救援小車的語音提示系統由IDS1420錄放音模塊和功率放大電路組成。語音提示電路主要用來提示救援小車的工作狀態。IDS1420語音電路的原理圖如圖8所示。

3.11系統其他功能的擴展

(1)通過無線遙控電路實現小車的無線控制和操作。(2)通過編碼盤測量小車速度和路程功能。(3)采用ADC0832組成的電壓測量電路，并通過液晶顯示控制小車系統電池組的電壓。以5.5V為參考電壓，低于5.5V報警提示充電。

4主程序流程圖

主程序流程圖如圖9所示。

5系統功能測試

(1)首先把小車放在場地的入口處，按照規定的要求，智能控制小車從A門進入自動選擇路徑從B門出來。在行駛過程中，控制小車可以自動選擇路徑行走，其行走路線如圖1所示。智能控制小車從A門進入后開始計時，并通過液晶顯示器來顯示控制小車系統所消耗的時間，再從B門出來。在行進過程中，控制小車可以自動避開墻壁，找到通路，可以在3min之內到達B門，在B門處，小車檢測到黑色標志，停止運行，同時發出聲光，提示任務1測試完畢。

(2)控制小車從B門外，通過循跡黑色弧形引導線BC前進(引導軌跡為2cm寬)，在循跡黑色弧形引導線途中，通過接近開關電路檢測到鐵片D時停車3s(注意：鐵片D放置在軌跡BC前1/2段上的任意位置)，并由語音電路發出語音提示，由LED發光電路發光提示。單片機通過金屬傳感器電路采集到金屬信息時，相應的磁感應電路接通，并產生磁場，利用線圈通電時可產生磁場的原理撿起鐵片，撿起鐵片之后金屬傳感器的檢測信號不再發生變化，控制小車繼續沿黑色引導軌跡前進。當控制小車到達黑色弧形引導軌跡線的終點C之后，RPR220型光電管電路通知單片機控制小車已完成本次控制任務，單片機通過控制相應的電機驅動電路停止電機的運行，改變相應的磁感應電路的電平狀態放下鐵片D，液晶顯示電路分別顯示走過BD、DC段軌跡所消耗的時間。同時在此過程中，單片機控制語音電路發出語音提示，指示控制小車的控制任務結束。

智能控制小車系統的功能參數如表1、表2所示。

6結語

測試表明，小車能夠較好地完成本文所要求的任務。同時本智能控制小車的特色是：用漫反射式傳感器進行避障，靈敏度高，RPR220型光電管能穩定地完成循跡，控制小車應用了電感式接近開關檢測鐵片，經測試我們發現，其檢測金屬準確，靈敏度較高，液晶顯示效果良好，語音播報清晰，智能控制小車系統運行正常，各模塊電路參數穩定，較好地完成了既定任務。