基于二維物體斜面黑線運動智能小車的設計

周英

（四川信息職業技術學院 四川 廣元 628017）

二維物體斜面運動算法是2005年全國大學生索尼杯電子競賽E題“懸掛運動控制系統”延伸出的研究課題，其主要內容是設計一個電機控制系統，控制物體在傾斜 （仰角≤100°）的板上運動。在一個白色底板上固定兩個滑輪，兩只電機（固定在板上）通過穿過滑輪吊繩控制一個物體在板上運動，并達到如下要求[1-2]：

1）控制物體在80×100 cm的范圍內做自行設定的運動；

2）控制物體作圓心可任意設定、直徑為50 cm的圓周運動；

3）控制物體跟隨板上標出的任意曲線運動，線寬1.5～1.8 cm，總長度約50 cm，顏色為黑色，曲線的前一部分是連續的，長約30 cm，后一部分是兩段總長約20 cm的間斷線段，間斷距離不大于1 cm，沿連續曲線運動限定在200 s內完成，沿間斷曲線運動限定在300 s內完成。

1 硬件電路設計

根據設計要求，系統可分為智能控制、傳感器檢測和電源3部分，整個系統示意圖如圖1所示。

智能控制部分：系統中控制器件根據由光電傳感器變換輸出的電信號進行邏輯判斷，控制懸掛系統的電機，顯示數碼管，完成了懸掛物體的自動尋跡，尋跡移動等各項任務。控制部分包括4個主要單元電路：單片機控制電路，左右電機驅動及控制電路，4×4按鍵輸入電路，數碼管動態顯示電路。

圖1 系統框圖Fig.1 System block diagram

傳感器檢測部分：系統利用光電傳感器檢測到的外部信息轉化為可控制器件能識別的電信號，傳感器檢測部分主要用于軌跡探測電路。

電源部分：系統中采用自制的電源將220 V電壓降至恒穩的12 V和5 V電壓對單片機、電機、電機控制部分、顯示數碼管、鍵盤、計數器、光電傳感器供電。

2 模塊選擇與電路設計

2.1系統各模塊的選擇

1）單片機選擇模塊：選用凌陽SPCE061A單片機。

2）電機選擇模塊：選用齒輪減速同步電機。

3）電機控制模塊：選用繼電器和光電傳感器組合控制電機。

4）顯示模塊：選用8位數碼管LED。

5）輸入模塊：選用 4×4的鍵盤。

6）信號檢測模塊：選用反射式紅外傳感器。

2.2 主要電路設計

2.2.1 電機光電開關檢測電路

利用電動機的正反轉來帶動控制物體運動，在該設計中采用在電機的轉盤上安裝一個60條黑白線均勻的圓盤，再用光電開關來檢測，如圖2所示。當要控制物體在畫板上運動時，電機轉動，光電傳感器利用接收黑白電平時輸出的高低電平，當光點傳感器檢測到黑色條紋時，輸出高電平給單片機，相反當檢測到白色條紋時，輸出低電平，從而把連續輸出高低電平轉化為脈沖數，也就把電機轉動時帶動有黑白線的圓盤黑白條數轉換成脈沖數，從而觸發光耦U1或U2，經單片機IOB2或IOB3口輸入信號來控制電機的轉動，計算物體運動軌跡，從而控制物體的運動。

圖2 電機光電開關檢測電路Fig.2 Motor photoelectric switch detection circuit

2.2.2 路面檢測模塊選擇

在小車前面的左右兩端分別安裝反射式光電傳感器，安裝的寬度至少要大于黑線的寬度，如圖3所示。小車運動路面是在白色紙張上面鋪設黑色膠布作為中心，這主要基于光電傳感器在檢測到白色和黑色時兩種不同的電平狀態的原理。當光電傳感器面對黑線時，發出的光被吸收，不能發生發射，此時光敏三極管Q不能導通，輸出為低電平；當面對白線時，光電二極管發出的光經過白線反射到達光敏三極管Q，使Q導通從而輸出高電平，再經觸發非門74HC14的兩次觸發反相，消除干擾，把信號送到單片機相應的引腳。由此可以在小車行進的時候，讓系統的控制模塊同時監視兩個光電傳感器的狀態，并送到單片機的相應引腳，經過程序算法處理后送到電機控制引腳，根據不同的信號組合實現不同的運動調整方式，完成小車的黑線運動。

2.2.3 電機控制部分的單元電路設計

電機驅動部分分為左右兩部分，兩個電機配合工作負責懸掛物體的拉動定位。兩個電機為齒輪減速同步電機，轉數恒定為20 r/min，設計兩個控制電路來控制電機的開關。繼電器對電動機的開或關進行控制，通過引腳電平的切換對電機的轉向進行調整[3]。

圖3 路面檢測模塊電路Fig.3 Road detection module circuit

電路采用光耦繼電器式對電機的轉動及轉向進行控制，如圖4所示，各端口功能為，IOB8控制電機1的正轉，IOB9控制電機1的反轉，IOB10控制電機2的正轉，IOB11控制電機2的反轉。

當IOB8或IOB10為高電平時，光耦U2導通，8050導通，+12 V電壓驅動繼電器，從而使交流220 V電壓加到電動機上，電動機正轉。當IOB9或IOB11為高電平時，光耦U3導通，8050導通，+12 V電壓驅動繼電器，從而使交流220 V電壓加到電動機上，電動機反轉。當IOB8或IOB10與IOB9或IOB11都為低電平時，電機停止轉動。由于所選電動機具有抱閘功能，為齒輪減速電動機，因此在斷電的時候，幾乎能同時停止運動，保證了物體運動的準確性，而且外圍電路簡單，很容易操作。

圖4 電機控制觸發電路Fig.4 Motor control and trigger circuit

3 系統軟件設計

系統軟件設計采用凌陽獨有的C語言和匯編混合使用對單片機進行編程以實現各項功能，主程序主要起到一個導向和決策功能。為了讓小車能夠準確的沿黑線運動，所設計的程序就應該讓控制系統實時地監視光電傳感器地狀態，調整小車運動一直回到正常運動狀態中[4]。因此，主程序主要包括小車運動子程序、光電檢測的子程序、顯示時間的子程序、清看門狗子程序等。小車運動程序流程圖如圖5所示。

圖5 小車運動程序流程圖Fig.5 Car movement program flowchart

在程序中，為了小車運動能夠準確地判斷出當前所處的運動狀態，讓單片機及時地讀取B口低8位的數據。為了小車運動的連貫性和準確性，在流程圖中使用了延時程序。同時，為了避免出現單片機系統自動復位，對小車的運動造成影響，設置了清看門狗程序。

4 系統測試

在此設計的基礎上，通過安裝調試，整個智能小車系統已經形成，為了能讓小車能很準確沿黑線運動，利用光電測試模塊，由單片機控制物體作任意形狀的尋跡運動，并能判斷間斷線段，測試結果如表1、表2所示。在運動時間測試時采用精度為0.01的秒表，檢測小車運動時顯示時間的正確性，如果程序中存在誤差，就應該通過軟件或者硬件的方法修正誤差，進一步減小誤差。測試時間過程如表3所示。

表1 連續軌跡尋跡測試結果Tab.1 Continuous path tracing test results

表2 斷續軌跡尋跡測試結果Tab.2 Intermittent trajectory tracing of test results

5 結束語

本系統以凌陽SPCE061A單片機芯片為核心部件，主要是利用繼電器控制技術和光電傳感器的檢測技術二維斜面的黑線運動智能小車的設計[5-6]，在系統設計過程中，力求硬件線路簡單，充分發揮軟件編程的方便靈活的特點，來滿足本設計的要求。從測試項目來看，所設計出的小車能夠實現誤差較小的沿黑線準確運動和同時顯示運動時間的要求。在運動方面，整個運動過程比較連續，但在轉彎幅度比較大的地方時，小車運動時就需要時間來計算、調整。在顯示時間方面，雖然存在一定的誤差，考慮到誤差很小，以及程序的執行花費的時間，可以忽略不計。

表3 測試運動時間表Tab.3 Test sports schedule

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