張楚翹

（北京首都機場航空安保有限公司，中國 北京 100000）

1 總體方案設計

自動尋跡的智能小車的總體設計， 主要以STC89C52RC 為核心控制系統(tǒng)，RPR-220 光電探測器與LM393 電壓比較器組成紅外傳感模塊、L293D 驅動電機模塊、穩(wěn)壓電源模塊、行駛器機械系統(tǒng)組成。根據智能小車的功能實現，設計方案應該能夠在小車啟動電源后，小車自動行駛，車頭底部紅外光電二極管發(fā)出紅外線，照射路面并反射的光線被光電二極管接收，二極管在電磁作用下產生電勢，將光信號轉化成電信號。智能小車在貼有1cm 寬度黑線的白色地面上行駛，由于黑色和白色對光線的反射系數不同，單片機內部程序通過判斷接收到的反射光的強弱來確認黑色路線的位置。車前紅外光電二極管發(fā)射和接收信號，信號傳輸到單片機，經過單片機小系統(tǒng)處理再控制電機使智能小車后退或轉彎。

圖1 總方案設計流程圖

2 自動尋跡避障小車的硬件設計

2.1 核心控制系統(tǒng)

本次設計以STC89C52RC 為主要控制系統(tǒng)的核心， 采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、 隨機存儲器RAM、 只讀存儲器ROM、多種I/O 口、中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能集成到一塊硅片上，構成一個小而完善的計算機系統(tǒng)。

通過電源通斷電改變電路充放電狀態(tài)，形成回路使單片機上電復位，返回初始的工作狀態(tài)。 當程序崩潰或程序長時間失去響應時，微控制器看門狗模塊將自動復位并重啟微控制器。

晶體振蕩器和電容組成的時鐘電路，振蕩器產生的是正弦波，形成時鐘脈沖，在此條件下進行編碼譯碼和指令的調取。

智能尋跡小車需要采用多開關量輸入的復雜程序控制系統(tǒng)，通過各項硬件參數與所需達到的功能進行分析，實際工作頻率可達48 MHz，用戶應用空間為8K 字節(jié)，片內集成512 字節(jié)RAM，32 個通用I/O 口，復位后：P1/P2/P3/P4 為準雙向/弱上拉，P0 端口為開漏輸出當用作總線擴展時，無須添加上拉電阻。 當用作I/O 端口時，需要一個上拉電阻。 代碼指令的兼容性非常強，速度快，耗能低，抗干擾并且價格低廉。

圖2 總體硬件電路圖

2.2 紅外傳感模塊

采用3 對RPR-220 反射式紅外二極管和接收管組合發(fā)射-接收器，固定于智能小車的底部前端。傳感器是把被測量的光電變化于發(fā)出的輻射源，測量被測信息上的光波并進行調制，通過空間分布、相位、強度等發(fā)生的改變，將光信號轉化為電信號，再由光電器件把電信號調制分離，得到可用信息。 考慮到本設計的場地和環(huán)境因素，探測紅外信號，在光電探測器上要選用光敏電阻， 且要對準紅外光照的有效位置，利用全部感光面。 靈敏度的選取確保輸出強電信號，光信號的調制匹配動態(tài)參數， 輸入電路保證轉換系數、信噪比和動態(tài)響應，在額定條件下能夠有效探測。

圖3 紅外傳感模塊電路圖

V5 與V2、V6 與V3 組成兩組紅外發(fā)射接收對管，小車尋跡時軌道為黑色。

當小車沿著黑色道路行駛時，發(fā)射管發(fā)出的紅外線被黑色軌道吸收， 接收管無法接收紅外線照射，電路呈斷路狀態(tài)，單片機端15、16 輸入高電平，電機正向轉動，小車沿黑色道路向前移動。

當小車偏離黑色道路行駛時，發(fā)射管發(fā)出的紅外線被白色地板反射， 接收管接收到紅外線的反射光，電路呈通路狀態(tài)，單片機15、16 輸入低電平，控制一個電機反向轉動或不轉， 使小車自動進入軌道前進。左側偏離，向右拐。

LM393 電壓比較器由兩個獨立的高精度電壓比較器組成的集成電路系統(tǒng)， 其具有低至2.0 mV 的低失調電壓，用于實現寬電壓范圍。無論電源電壓如何，電源消耗的電流都非常低，輸出負載電阻可以連接到允許電源電壓范圍內的任何電源電壓， 與VCC 端電壓無關。 該輸出可用作簡單的接地SPS 開路（當不使用負載電阻時）， 電流輸出可能受驅動和器件的β 值限制。當達到極限電流（16 mA）時，輸出晶體管將退出系統(tǒng)，輸出電壓將快速上升。 LM393 電壓比較器主要用于限幅器，簡單的模數轉換器，脈沖發(fā)生器，方波發(fā)生器， 延遲發(fā)生器， 寬帶壓控振蕩器，MOS 時鐘定時器，多頻振蕩器和數字邏輯門電路。 LM393 設計用于直接連接TTL 和CMOS；當雙電源提供電能時，它與MOS 邏輯兼容，與標準比較器相比，消耗供電量少，轉換時間短。

圖4 LM393 功能框圖

圖5 LM393 管腳排列圖解

表1 管腳排列表

LM393 雙電壓比較器的IN+同相輸入端，IN-反相輸入端，OUT 輸出端。 電壓比較器是模擬電路與數字電路的接口電路。 當輸入電壓IN+＞IN-時，輸出為高電平1。 當輸入電壓IN+＜IN-時，輸出為低電平0。

當智能小車行駛前方沒有被紅外探測到障礙物，紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線沒有被反射，紅外接收管接收不到紅外線， 發(fā)射極和集電極都是反偏的狀態(tài)，電壓比較器的IN+≈VCC， 而其反相輸入端輸入電壓為R15 與R23 分壓值，IN-≈2/3 VCC，OUTA 輸出為高電平，小車前進。

當智能小車行駛前方出現被紅外探測到障礙物，紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線被反射，紅外接收管接收到紅外光，發(fā)射極和集電極都是導通的狀態(tài)，電壓比較器的IN+≈0， 而其反相輸入端輸入電壓IN-≈2/3 VCC，OUTA 輸出為低電平，小車先后退，再右轉繼續(xù)前進。

2.3 電機驅動模塊

在實驗型的機器人中使用的電動機通常工作在5-24 V。 根據型號、制造方法、價格等，它們的電流約為100 mA 至5 A?？梢酝ㄟ^多種方式使用電機。一種方法是將其直接連接到電池，然后以特定方向以最大速度旋轉，但實際上，本設計需要控制電機的通斷電以及速度、方向和位置。必須使用控制器（邏輯電路或微控制器或PC 或計算機）來控制電機。但是微控制器的輸出為5 V 和200 mA，無法旋轉電機。 因此，需要中間電路將控制器連接到電機，稱為驅動器。

德州儀器生產的L293D 驅動器， 電源電壓范圍：4.5～36 V， 獨立輸入邏輯電源內部ESD 保護熱關斷，通過L293D 功能的高噪聲抗擾度輸入取代每通道600 mA 的輸出電流，每通道峰值輸出電流1.2 A ，輸出鉗位二極管的電感瞬態(tài)抑制。

圖6 電機驅動電路圖

L293D 四路強電流H 橋驅動器。L293D 導通高達600 mA 的雙向驅動電流和4.5～36 V 的電壓。 該器件設計用于驅動感性負載繼電器，電磁閥，直流雙極步進和電機， 以及為其他強電流電壓提供電源負載電壓。兼容所有TTL 輸入。每個輸出都是推拉驅動電路，帶有達林頓三極管和偽達林源。 啟用1，2 個EN 驅動器和3，4 個EN 驅動器。 當使能端為高電平時，相關的驅動器被啟用，它們的輸出在其輸入端處于有效和同相狀態(tài)。 當使能輸入為低電平時，這些驅動器被禁用，其輸出在高阻抗狀態(tài)下關閉。（1，2EN 是1 和2 的使能（高電平使能）；3，4EN 是相同的）通過合適的數據輸入，每對驅動器采用電磁閥的完整H 橋可逆驅動器的形式或電機應用。

L293D 外部輸出必須對電感瞬態(tài)抑制，高速鉗位二極管合理將VCC1 和VCC2 分開， 提供邏輯輸入，以盡量減少設備功耗。 L293D 的工作溫度起伏在0～70°C。

在熱關斷模式下，無論輸入電平如何，輸出都是高阻抗。

表2 工作條件

代數約定，其中最小的正（負）指定最低，用于此數據表的邏輯級別。

圖7 L293D 內部結構

L293D 內部結構實際由四個三態(tài)門組成，高電平觸發(fā)兩個三態(tài)門中間的使能端， 使它們打開通路，雙向傳輸信號，讓電機正反向轉動控制小車前輪。

在EN 輸入高電平時，單片機的P0 口控制1A 與2A、3A 與4A 之間的高低電平，可以控制電機的正向轉動與反向轉動，通過改變前輪運行狀態(tài)，使小車自由行駛。

2.4 電源模塊

電源模塊主要提供的支持是給智能小車提供有效電能， 本次設計采用4 節(jié)1.5 V 電池給系統(tǒng)供電，然后使用穩(wěn)壓芯片對電池電壓進行降壓到5 V 輸出給微控制系統(tǒng)。將電池槽放置在車身上，提高穩(wěn)定性，同時具有保護電池的目的，這樣選擇價格便宜，結構簡單，容易獲取。

2.5 機械系統(tǒng)

智能小車的機械系統(tǒng)大體上還是根據現代行駛工具為原型設計，要求該原型體型靈活輕巧、行駛穩(wěn)定、構成簡易，根據現代大多行駛器的設計且沒有更多的特殊要求，本設計選擇的是四輪式小車，前輪負責了轉向和驅動的任務， 一個電機控制一個前輪，后輪連帶使小車平穩(wěn)行駛，為了穩(wěn)定性和對稱，中間連接一根輕型鋼管， 并將焊接好的電路板放置于車身上，并進行加固，這樣既穩(wěn)定，連接電路板和元件之間的線路又不用太長。

3系統(tǒng)軟件設計

由于本設計要通過軟件程序控制實現自動尋跡，小車沿著黑線“軌道”進行行駛，并且在前方有障礙物的時候，通過紅外光電傳感器傳輸信號，單片機控制電機進行合理避障。

小車接入電源并開啟開關后，3 組光電紅外傳感器開始工作，開始不停地掃描與探測器連接的單片機I/O 口，一旦檢測到某個I/O 口有信號，進入判斷程序過程，小車底下的兩組光電紅外傳感器負責探測地面上的黑線，并自動尋跡。 小車前方的一組紅外光電傳感器負責判斷小車行駛前方是否有障礙物，并自動避障。 提前定義好小車向前、后、左、右、停止，電機轉動的方向實現對小車的控制。 邏輯示意圖如圖8 所示。

4 結論

本設計旨在設計和實現智能小車的自動尋跡和避障，是一個軟硬件結合的系統(tǒng)設計，以硬件設計為主，核心的是硬件控制系統(tǒng)、自動尋跡、避障原理、紅外光電傳感器的功能及使用。通過充分了解核心控制系統(tǒng)所使用的元件和原理，以及自動尋跡和避障的原理， 平衡和解決小車設計使用時遇到的諸多困難，不僅深入了解自動尋跡小車的使用方向和設計原理，同時實現了自動尋跡小車的功能，達到了預期效果。

圖8 軟件邏輯示意圖