方案一設(shè)計(jì)的自動(dòng)小車(chē)是受到參考文獻(xiàn)[1]的啟發(fā)，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。

　　原方案采用兩塊單片機(jī)（AT89C51和AT89C2051）作為智能小車(chē)的檢測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)小車(chē)識(shí)別路線、判斷并自動(dòng)躲避障礙、選擇正確的行進(jìn)路線。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流電機(jī)，電機(jī)控制方式為單向PWM控制。電機(jī)控制采用AT89C2051單片機(jī)，控制系統(tǒng)與電路用光電耦合器完全隔離以避免干擾。

　　本設(shè)計(jì)采用一塊單片機(jī)（AT89S52）作為智能小車(chē)的檢測(cè)和控制，是一種分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，分為電機(jī)模塊、傳感器模塊和驅(qū)動(dòng)模塊三部份。小車(chē)模型采用5 V電池驅(qū)動(dòng)，通過(guò)改變PWM占空比調(diào)速。小車(chē)可以在不完全確定的道路環(huán)境下，通過(guò)自我判斷，對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行探測(cè)，并做出相應(yīng)的反應(yīng)，如左拐彎、右拐彎和改變速度等，還可以自動(dòng)后退。目前用在機(jī)器人上的多為價(jià)格較貴的超聲波傳感器和紅外傳感器等，本設(shè)計(jì)采用價(jià)格便宜的反射式光電傳感器來(lái)完成對(duì)周?chē)h(huán)境的感知。

　　單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫(xiě)MCU表示單片機(jī)，它早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專(zhuān)用處理器發(fā)展而來(lái)。早的設(shè)計(jì)理念是通過(guò)將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。INTEL的Z80是早按照這種思想設(shè)計(jì)出的處理器，從此以后，單片機(jī)和專(zhuān)用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　1 方案一的設(shè)計(jì)功能概述

　　1.1 設(shè)計(jì)概述

　　設(shè)計(jì)并制作一個(gè)能自動(dòng)往返于起跑線與終點(diǎn)線間的小汽車(chē)。允許用玩具汽車(chē)改裝，但不能用人工遙控（包括有線和無(wú)線遙控），如圖1所示。

　　1.2 設(shè)計(jì)要求

　?。?）車(chē)輛從起跑線出發(fā)（出發(fā)前，車(chē)體不得超出起跑線），到達(dá)終點(diǎn)線后停留10 s,然后自動(dòng)返回起跑線（允許倒車(chē)返回）。往返的時(shí)間應(yīng)力求短（從合上汽車(chē)電源開(kāi)關(guān)開(kāi)始計(jì)時(shí)）。

　?。?）到達(dá)終點(diǎn)線和返回起跑線時(shí)，停車(chē)位置離起跑線和終點(diǎn)線偏差應(yīng)（以車(chē)輛中心點(diǎn)與終點(diǎn)線或起跑線中心線之間距離作為偏差的測(cè)量值）。

　?。?）D~E間為限速區(qū)，車(chē)輛要求以低速通過(guò)，通過(guò)時(shí)間不得少于8 s,但不允許在限速區(qū)內(nèi)停車(chē)。

　?。?）可以設(shè)計(jì)自動(dòng)記錄、顯示定時(shí)時(shí)間（記錄顯示裝置要求安裝在車(chē)上）。

　?。?）不允許在跑道內(nèi)外區(qū)域另外設(shè)置任何標(biāo)志或檢測(cè)裝置。

　　（6）車(chē)輛（含在車(chē)體上附加的任何裝置）外圍尺寸的限制：長(zhǎng)度≤35 cm,寬度≤15 cm.

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1系統(tǒng)硬件總體邏輯設(shè)計(jì)

　　2.1.1 前輪H橋驅(qū)動(dòng)電路模塊

　　為順利實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小汽車(chē)的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，采用可逆PWM變換器?？赡鍼WM變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有H型、T型等類(lèi)型。前輪控制電路為H橋驅(qū)動(dòng)電路。

　?。?）前輪控制電路的原理圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

　?。?）用Multisim8.0對(duì)電路進(jìn)行仿真，對(duì)電路的正確性進(jìn)行驗(yàn)證

　　對(duì)左邊橋路輸入Vp-p為5 V,周期為1 ms,占空比為60%的電壓信號(hào)，右邊橋路輸入低電平（接地），所以Q1的B極是高電平，同時(shí)Q5對(duì)其C極提供反向電壓偏置，又因E極為低電平，從而Q1、Q2導(dǎo)通，左邊橋路工作；因Q4的B極是低電平，故其截止，右邊橋路不工作，經(jīng)過(guò)電路仿真，使電機(jī)正（反）轉(zhuǎn)。

　　變換電橋信號(hào)輸入，右邊橋路輸入Vp-p為5 V,周期為1 ms,占空比為60%的電壓信號(hào)，左邊橋路輸入低電平（接地），其工作原理同上。在電機(jī)兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，使電機(jī)反（正）轉(zhuǎn)。

　　2.1.2 后輪H橋驅(qū)動(dòng)電路模塊

　?。?）后輪控制電路的原理圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

　?。?）用Multisim8.0對(duì)電路進(jìn)行仿真，對(duì)電路的正確性進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試。

　　2.1.3 光電傳感器電路模塊

　　光電傳感器是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號(hào)（紅外、可見(jiàn)及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等；也可用來(lái)檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用開(kāi)創(chuàng)了新的一頁(yè)。

　　對(duì)于自動(dòng)尋跡傳感器，反射距離都在1 cm~2 cm左右，探測(cè)環(huán)境都在陰影之下，不易受到日光的干擾。因此，這兩種探測(cè)的傳感器都選用FS-359F反射紅外傳感器，048W型封裝。該封裝形狀規(guī)則，便于安裝。在使用約40 mA的發(fā)射電流、沒(méi)有強(qiáng)烈日光干擾（在有日光燈的房間里）探測(cè)距離能達(dá)8 cm,完滿(mǎn)足探測(cè)距離要求。

　　紅外反射光強(qiáng)法的測(cè)量原理是將發(fā)射信號(hào)經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā)射，光敏管接收調(diào)制的紅外信號(hào)。反射光強(qiáng)度的輸出信號(hào)電壓Vout是反射面與傳感器之間距離x的函數(shù)，設(shè)反射面物質(zhì)為同種物質(zhì)時(shí)，x與Vout 的響應(yīng)曲線是非線性的[4].如果設(shè)定電壓達(dá)到某一閾值時(shí)作為目標(biāo)，不同的目標(biāo)距離閾值電壓是不同的。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　uVision2 IDE 是一個(gè)基于Window的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，包含一個(gè)高效的編輯器、一個(gè)項(xiàng)目管理器和一個(gè) MAKE 工具。uVision2支持所有的 KEIL8051工具，包括C編譯器宏匯編器連接/定位器目標(biāo)代碼到HEX的轉(zhuǎn)換器。

　　單片機(jī)仿真器普遍支持C語(yǔ)言程序的調(diào)試，為單片機(jī)編程使用C語(yǔ)言提供了便利條件[6].

　　3.2 程序流程圖

　　程序流程圖如圖4所示。

　　4 方案二的設(shè)計(jì)

　　方案二設(shè)計(jì)的光電電動(dòng)小車(chē)能夠?qū)崟r(shí)顯示時(shí)間、速度、里程，具有自動(dòng)尋跡、避障功能，可程控行駛速度、準(zhǔn)確定位停車(chē)。

　　4.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　方案二同樣采用80C51單片機(jī)進(jìn)行智能控制。開(kāi)始由手動(dòng)啟動(dòng)小車(chē)并復(fù)位，當(dāng)經(jīng)過(guò)規(guī)定的起始黑線，由超聲波傳感器和紅外光電傳感器檢測(cè)，通過(guò)單片機(jī)控制小車(chē)開(kāi)始記數(shù)顯示并避障、調(diào)速；系統(tǒng)的自動(dòng)避障功能通過(guò)超聲波傳感器正前方檢測(cè)和紅外光電傳感器左右側(cè)檢測(cè)，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)；在電動(dòng)車(chē)行駛過(guò)程中，采用雙極式H型PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，以提高系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)性能；采用動(dòng)態(tài)共陰顯示行駛時(shí)間和里程。

　　4.2  主要分電路設(shè)計(jì)

　　4.2.1 調(diào)速電路

　　方案二也采用雙極式H型變換器，它是由4個(gè)三極電力晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。

　　4.2.2檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

　　檢測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)，即利用各種傳感器對(duì)電動(dòng)車(chē)的避障、位置、行車(chē)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。

　　由于紅外檢測(cè)具有反應(yīng)速度快、定位高、可靠性強(qiáng)以及可見(jiàn)光傳感器所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，故采用紅外光電碼盤(pán)測(cè)速方案。具體電路圖略。

　　4.3. 顯示電路

　　本設(shè)計(jì)中用兩片4位八段數(shù)碼管gem4561ae作顯示器，并具有雙重功能，在小車(chē)不行駛時(shí)其中一片顯示年﹑月，另一片顯示時(shí)﹑分； 當(dāng)小車(chē)行駛時(shí)，分別顯示時(shí)間和行駛距離。

　　本設(shè)計(jì)中采用新型芯片EM78P458作為顯示驅(qū)動(dòng)器，用單片機(jī)的并行口控制，一個(gè)數(shù)碼顯示電路用4個(gè)口線，用專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片控制可以減少對(duì)CPU的利用時(shí)間，單片機(jī)將有更多的時(shí)間去完成其他功能。

　　4.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明

　　本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序、定時(shí)子程序、避障子程序﹑中斷子程序、顯示子程序﹑調(diào)速子程序﹑算法子程序構(gòu)成。

參考文獻(xiàn):

[1]. AT89C51 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/AT89C51_810155.html.
[2]. AT89C2051 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/AT89C2051_810086.html.
[3]. AT89S52 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/AT89S52_970343.html.
[4]. Z80 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/Z80_1079168.html.
[5]. ROM datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/ROM_1188413.html.
[6]. 80C51 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/80C51_103447.html.
[7]. EM78P458 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/EM78P458_297677.html.