基于单片机的自动程控小汽车

摘要：文章设计采用了两片典型通用的单片机——AT89C52作为检测和控制的核心，通过综合应用多种传感器对小车中的位置和姿态进行控制。整个系统主要分为电机驱动模块、传感器信号处理模块、超声波传感器测距模块、金属片探测电路模块等，各个模块信号分别与系统相连。该系统采用双电源供电，从根本上避免了电机驱动电路对单片机系统的干扰。

关键词：小汽车；PWM脉宽调制；单片机；自动程控；电路传感器

中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）16-0046-02

设计一个以单片机为核心器件实现对行驶中的电动模型小汽车自动控制系统。控制过程是利用反射式光电检测器采集数据，通过软件完成对电动模型小汽车在不同路段的行驶速度进行实时控制（其中包括控制电机的正反转以及电机的启停）。

基本要求：小车从起跑线出发（出发前，车体不得超出起跑线），到达终点线后停留10s，然后自动返回起跑线（允许倒车返回）。往返一次的时间（从合上汽车电源开关开始记时）应该力求最短。

（1）到达终点线和返回起跑线时，停车位置离起跑线和终点线偏差应最小（以车辆中心点与终点线或起跑线之间距离作为偏差的测量值）。

（2）D～E间是限速区，车辆往返均要求以低速通过，通过时间不得少于8s，但不允许在限速区内停车。

1 方案论证与选择

根据题目设计的要求，在设计当中实现了电动车的自动行驶、躲避障碍物、探测金属、计数、报警、光电引导功能、测量距离、数码显示、电机控制等功能。

单片机检测出来感应器输出信号从而输出控制信号，控制电机工作，在直道区，考虑引导线是黑颜色，不宜反光，决定利用这一特性选用反射式光电传感器，当其输出信号照射到黑色引导线上是输出一个非常微弱的低电平。这个过程是一个负跳变的过程，通过对此信号高低电平的检测就可以使电动车沿着直道区和弯道区的引导线行进。

（1）电机驱动模块：采用由达林顿管组成的H型PWM脉宽调制电路。

（2）传感器模块：采用反射式光电传感器。

（3）测距传感器：采用霍尔传感器。

（4）金属传感器：采用TK-18N8C金属探测传感器。

（5）小车避障：利用超声波检测避开外界干扰，迅速方便，计算简单。

（6）光源引导方案：利用光敏二极管在光的照射下电阻值发生改变的特性，来检测小汽车各个部位光强。并设计相应的电路，使其在一定条件下引起中断，在单片机控制下使小车转向，到达车库。

（7）停车方案：采用以光敏电阻为主要元件的检测电路，利用光敏电阻对光源的敏感性，当小车到达与光源一定距离的时候，引起单片机中断，从而制动停车。

（8）电源的选择：双电源供电。

2 系统设计与实现

2.1 电机驱动电路的设计与实现

TIP132、TIP137均为低频大功率达林顿管，以保证电动机启动瞬间的8A电流要求。A和B为输入端控制电机正反转，我们采用了200Hz的周期信号控制，通过对其占空比的调整，对车速进行调节。最小脉宽为0.2ms，速度共分25挡，可以满足车速调整的精度要求。同时，可以通过A与B的切换来控制电动机的正转和反转。

2.2 传感器模块的实现

此模块包括反射式光电传感器、霍尔传感器、金属探测传感器、超声波传器以及光敏元件、光敏二极管和光敏电阻。

2.2.1 跑道黑线检测。为了检测黑色引导线，在车头安装了两个反射式光电传感器。只要两个光电传感器任意一个有效，74LS08便输出低电平申请中断。CPU响应中断后，立刻在P1.7口查询输入信号并判断是哪个光电传感器引起中断，从而控制小车左转或右转。

2.2.4 小车避障的电路设计。一对单发射单接收传感器安装在车头。当传感器探测到障碍物的距离达到规定值时，向CPU发出中断请求，控制小车前轮左右转向，从而避开障碍物。

2.2.5 光源引导方案的实现。我们在车的前方和右侧各安装了一个光敏二极管，此电路采用测距传感器OPT303的接收管（黑管）为主要光敏器件，利用光敏二极管对光源的角度的敏感性，用来检测光源方向，从而达到光引导的作用。

2.2.6 停车方案的实现。利用光敏电阻对光源强度的敏感性，根据其离光源的距离确定阻值，使其足以引起单片机中断，使小车准确停车。光敏电阻安装在车的前上方，具体实现电路如图4所示。

2.2.7 前轮驱动电路的设计与实现。前轮转向电机的驱动电路形式和后轮电机驱动电路完全一样，只是它不以PWM方式工作。为减轻系统负担，使小车运行速度稳定，我们直接给A或B端加高低电平，使其左转或右转。具体实现电路同电机驱动电路原理图。

3 系统的软件设计

通过对单片机1和单片机2编程，小车实现以下功能：

（1）车速度控制和转向控制，沿黑色引导线行驶，检测到C点铁片停车5s，躲避障碍物，在光源引导下进入车库并停车。由单片机1完成。

（2）检测、计算、显示小车运行距离，检测并显示铁片个数，发出声光信息，显示行驶时间。由单片机2完成。

4 结语

在软件和硬件上运用了一些巧妙方法，硬件方面：超声传感器电路部分额外加入了单片机，扩展了此模块功能，并且使得输出信号有规律可循，便于89C51单片机在之后的运行中检测四周电路，减小89C51负担，同时大大提高了电动车载应对障碍物时候的反应时间。

软件方面：因为传感器在检测到某物体时，输出信号会发生特定变化，利用这种变化规律，让单片机只对此类规律的信号有所反应，大大减少了处理数据的时间，从而加快了系统的反应速度，大量使用类似于JB/JNB命令对相应端口进行查询，并且简化程序代码，避免使用繁琐复杂的终端控制，确保系统的高精确度。另外，整个运行过程中通过采用等分时端口查询思想，只要分时足够小，电动车就会对外界因素有充足的反应空间，既达到了接近实时的信号检测处理效果，又可通过最终等分时数目准确计算出行驶距离，一举两得。

参考文献

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作者简介：靳友国（1982—），男，河北廊坊人，开滦集团蔚州矿业公司单侯矿机电管理部助理工程师，研究方向：电气工程及自动化。