摘要：采用AT89S52單片機(jī)為主控制芯片，結(jié)合直流電機(jī)、多種傳感器、紅外遙控及其他外圍電路，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種沿黑色軌跡行走的智能循跡小車，同時(shí)還能自動(dòng)避障，并在遙控的作用下完成小車行走的控制。實(shí)驗(yàn)證明整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈巧、控制準(zhǔn)確、工作穩(wěn)定、使用效果良好。
關(guān)鍵詞：AT89S52；智能尋跡；避障；直流電機(jī)；紅外光電傳感器

    隨著計(jì)算機(jī)、微電子、信息技術(shù)的快速發(fā)展，智能化技術(shù)的開發(fā)速度越來越快，智能度越來越高，應(yīng)用范圍也得到了極大的擴(kuò)展。智能小車作為移動(dòng)式機(jī)器人中的一個(gè)重要分支，具有環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等功能，是智能化技術(shù)中一個(gè)典型的例子。設(shè)計(jì)者可以通過軟件編程，讓小車在預(yù)先設(shè)定的模式中實(shí)現(xiàn)行進(jìn)、尋跡、避障等精確控制，無需人工干預(yù)，當(dāng)有特殊需要或在出現(xiàn)故障的情況下還可以對(duì)小車進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，可以應(yīng)用于科學(xué)勘探等用途，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖
    本設(shè)計(jì)中，智能小車是由主控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、循跡模塊、避障模塊、遙控模塊、聲控模塊、光控模塊、電源模塊和其他外圍電路組成，其總體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 主控制及電源模塊
    智能小車采用現(xiàn)在較為流行的8位單片機(jī)作為系統(tǒng)大腦。以8051系列家族中的AT89S52為主芯片。40腳的DIP封裝使它擁有32個(gè)完全I(xiàn)O(GPIO-通用輸入輸出)端口，通過對(duì)這些端口加以信號(hào)輸入電路，控制電路，執(zhí)行電路共同完成智能小車的功能。電源模塊用4節(jié)1．5 V的電池供電，經(jīng)L7805穩(wěn)壓模塊后，輸出電壓穩(wěn)定在+5 V，從而向各個(gè)模塊供電。
2．2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
    智能小車采用前輪驅(qū)動(dòng)，左右前輪各用一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用LG9110，該芯片兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力。單片機(jī)的P0．0，P0．1，P0．2，P0．3分別連接到LG9110的兩個(gè)輸入端，用以驅(qū)動(dòng)電機(jī)M1和電機(jī)M2，如圖2所示。不同的輸入信號(hào)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，以完成機(jī)器人的前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，遇障礙物繞行等基本動(dòng)作。兩個(gè)電機(jī)同時(shí)正轉(zhuǎn)時(shí)，小車前進(jìn)；兩個(gè)電機(jī)同時(shí)反轉(zhuǎn)時(shí)，小車后退；左側(cè)電機(jī)不轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，小車左轉(zhuǎn)；左側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)不轉(zhuǎn)，小車右轉(zhuǎn)。這些基本動(dòng)作正確，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

2．3 尋跡模塊
    尋跡在這里是指沿黑線行走，它靠小車前端底部的兩對(duì)紅外發(fā)射和接收探頭來完成。如圖3所示，V6、V5為小車左側(cè)的紅外發(fā)射與接收管，V3、V4為小車右側(cè)的紅外發(fā)射與接收管。發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)碰到黑色或不反光的物體時(shí)，紅外反射量大量減少，若碰到白色或反光的物體時(shí)，紅外反射量則較多，紅外接收管將接收的反射光轉(zhuǎn)化成電壓值，由P3．5，P3．6送回到單片機(jī)，經(jīng)過處理后控制信號(hào)由P0．0，P0．1，P0．2，P0．3口輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的LG9110芯片，從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)小車行走和循跡的目的。循跡時(shí)，由于紅外線在白色地板和黑線上的反射系數(shù)不同，所以可以根據(jù)三極管接收紅外線的強(qiáng)弱來決定小車的走向。當(dāng)左右接收管都能接收到反射回來的紅外線，則小車直線前進(jìn)；當(dāng)左邊接收管接收不到反射回來的紅外線，右邊接收管能接收到時(shí)，說明小車向右偏離黑色軌道，則小車向左轉(zhuǎn)動(dòng)；同理右邊接收管接
收不到反射回來的紅外線，左邊接收管能接收到時(shí)，說明小車向左偏離黑色軌道，則小車向右轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡。本設(shè)計(jì)中紅外傳感器離地面垂直距離為1～1．5 cm，能在沒有強(qiáng)烈日光干擾或在有日光燈的房間里，完全能滿足探測(cè)要求，具有很好的可靠性與抗干擾能力。

2．4 避障模塊
    小車在運(yùn)行中如果前方有障礙物，小車則開始向后后退一段時(shí)間后，向左運(yùn)動(dòng)，在向左運(yùn)行一段時(shí)間后，再開始向前運(yùn)行。在整個(gè)調(diào)向的過程中，蜂鳴器響動(dòng)。這個(gè)就是避障功能。該功能是由安裝在小車前方的一對(duì)紅外發(fā)射管實(shí)現(xiàn)，原理與尋跡模塊相同。
2．5 遙控模塊
    遙控模塊由紅外發(fā)射與接收兩部分組成。紅外發(fā)射采用常用的TC9012集成芯片，將某個(gè)按鍵所對(duì)應(yīng)的控制指令和系統(tǒng)碼(由0和1組成的序列)，調(diào)制在38 kHz載波上，然后經(jīng)放大、驅(qū)動(dòng)，紅外發(fā)射管將信號(hào)發(fā)射出去。接收部分采用紅外一體化接收頭，當(dāng)接收到38 kHz紅外信號(hào)后就輸出低電平，沒有接收到就輸出高電平，電平信號(hào)由單片機(jī)的外部中斷來接收。信號(hào)的下降沿觸發(fā)外部中斷。為了識(shí)別一個(gè)完整的鍵信號(hào)，必須對(duì)每一個(gè)編碼脈沖的寬度進(jìn)行測(cè)量，利用單片機(jī)中的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器來測(cè)量脈沖寬度，以判別接收到的脈沖是0還是1。通過遙控模塊，可將按鍵值顯示在數(shù)碼管上，并控制小車的行進(jìn)方式。
2．6 聲光控模塊
    該小車具有簡(jiǎn)單的聲控功能，P0．4為機(jī)器人的聲控檢測(cè)端口，在運(yùn)行為前進(jìn)狀態(tài)時(shí)，可以通過聲控來控制它的運(yùn)行與停止。聲音的輸入是通過話筒，由話筒對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，如圖4所示。由于電路能有效去除雜波，所以僅能對(duì)響度較大的聲音進(jìn)行識(shí)別(如拍手聲)。像正常的說話聲對(duì)本電路濾除，不會(huì)產(chǎn)生信息的輸入。同時(shí)該小車還具有光控功能，如圖5所示。當(dāng)為白天或黑夜時(shí)可以通過P0．5端口中的光敏電阻來進(jìn)行判斷，以方便完成機(jī)器人夜間自動(dòng)照明等功能。當(dāng)光線較暗時(shí)，由P0．6端口輸出信號(hào)控制蜂鳴器發(fā)聲。

2．7 通信模塊
    通信模塊是采用AT89S51自帶的全雙工串行通信口P3．0和P3．1來實(shí)現(xiàn)?？捎秒娔X通過串口向小車發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上顯示，并且小車根據(jù)數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，如前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退等。通信波特率為9 600，數(shù)據(jù)為8位，無校驗(yàn)位。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    該智能小車的軟件控制部分采用C語言編程，借助C語言的強(qiáng)大功能來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)AT89S52的控制功能。小車各個(gè)模塊都可以編寫相應(yīng)的程序，也可以將這些分立的程序模塊(一般尋跡模塊除外)組合起來，完成強(qiáng)大的功能。主流程圖如圖6所示。

4 結(jié)論
    本文提出了一種基于AT89S52單片機(jī)為控制核心的多功能智能小車的設(shè)計(jì)方案，該方案以紅外傳感器作為路徑信息采集手段，以LG9110芯片來控制并驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)小車在固定軌跡上自動(dòng)循跡、避障。同時(shí)還具有聲光控功能，能根據(jù)外界聲音、光線來控制小車的動(dòng)作。整個(gè)設(shè)計(jì)功能豐富，電路簡(jiǎn)單，成本低且易于實(shí)現(xiàn)，具有很強(qiáng)的操作性。