基于C51高級語言程序控制的智能循跡小車設計與實現

呂云芳, 陳帥帥, 郝興森, 張 浩

(承德醫學院 生物醫學工程系,河北 承德 067000)

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基于C51高級語言程序控制的智能循跡小車設計與實現

呂云芳, 陳帥帥, 郝興森, 張 浩

(承德醫學院 生物醫學工程系,河北 承德 067000)

針對智能小車自動循跡的要求，提出由車體模塊、電源模塊、單片機控制模塊、電機驅動控制模塊、電機模塊、傳感器模塊等構成智能小車硬件系統，利用Keil uVision2集成開發工具進行C51高級語言程序設計，開發出控制軟件。利用紅外傳感器檢測小車的循跡軌道，并以STC89C52RC單片機為控制芯片根據接收的軌跡信息發出相應的控制指令，通過L298N驅動控制模塊來驅動小車以實現循跡的系統總體設計方案，并采用了“反轉式轉向模式”和“反轉式剎車模式”。實驗結果表明，該智能小車硬件系統各模塊選擇合理，控制軟件高效可行，小車整體性能優良，成功實現了自動循跡的功能，且采用“反轉式轉向模式” 和“反轉式剎車模式”實現了極好的轉向及剎車效果。

C51高級語言； STC89C52RC單片機； 智能循跡小車

0 引 言

智能小車，可以通過計算機編程來控制其行駛，可以按照預先設定的模式在一個特定的環境里自動的運行，無需人工干預，便可以完成預期所要達到的目標，是一個集環境感知、規劃決策、自動行駛等功能于一體的綜合系統[1-4];它集中地運用了計算機、傳感、信息、通信、導航、人工智能及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體[5,6]。

國外很多高校和科研機構較早進行了智能車的研究，已有許多技術成熟的產品。國外智能小車的研究始于20世紀50年代初[7]，當時美國Barret Electronics公司開發出了世界上第一臺自動引導車輛系統(Automated Guided Vehicle System，AGVS )。瑞典、德國、英國、日本、韓國等許多國家也相繼開展了智能小車的研究并取得了很大的成果[8-9]。

我國開展智能車輛技術方面的研究起步較晚，開始于20世紀80年代。大多數研究處于針對某個單項技術研究的階段，研究總體上落后于發達國家，并且存在一定的技術差距，但是我們也取得了一系列的成果[10-11]，主要有：①中國第一汽車集團公司和國防科技大學機電工程與自動化學院與2003年研制成功我國第一輛自主駕駛轎車。②南京理工大學、北京理工大學、浙江大學、國防科技大學、清華大學等多所院校聯合研制了7B.8軍用室外自主車。我國飛速發展的經濟實力必將為智能車輛的研究提供一個更加廣闊的前景。關于智能小車的研究越來越受人關注。

該項目在設計智能小車硬件系統的基礎上，用C51語言編程，研制出智能循跡小車系統。指導大學生從事此項科研，可以鍛煉并提高其理論轉化為實際運用的能力，為將來從事相關領域的科研工作打下堅實的基礎。

1 硬件系統設計

由車體模塊、電源模塊、單片機控制模塊、電機驅動控制模塊、電機模塊、傳感器模塊等構成智能循跡小車硬件系統。系統總體結構如圖1所示

圖1 系統總體結構

電源模塊向電機驅動控制模塊供電，電機驅動控制模塊向單片機控制模塊供電并接受來自單片機控制模塊的指令以驅動電機模塊，單片機控制模塊向傳感器模塊供電并接受來自傳感器模塊的檢測信息。

1.1 車體模塊

選用亞克力板作為小車底盤。亞克力即特殊處理有機玻璃，具有優異的強韌性，抗沖擊力強，抗老化性能好；自重輕，可有效減少驅動電源能耗；絕緣性能優良，適合各種電器設備；加工性能良好，易于加工制作。

選用2個65 mm優質輪胎與直流減速電機軸相連作為后輪——驅動輪；一個33 mm萬向輪固定于車體正前端作為前輪——從動輪，既簡單又靈活。三個車輪構成穩定的等邊三角形結構。

1.2 電源模塊

考慮到小車運行過程中，需要給單片機、電機、傳感器等各模塊供電，選用7.2 V/1 300 mAh大容量Ni-MH充電電池組,為整個系統提供強大的動力支持。

1.3 單片機控制模塊

選用STC89C52RC單片機開發板，支持USB供電和外部供電兩種供電方式。STC89C52RC單片機是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強抗干擾的增強型8051單片機，晶振：11.059 2 MHz，8KB用戶應用程序空間，支持ISP/IAP編程，工作電壓：5.5～3.3 V，具有EEPROM功能及看門狗功能[12-13]。開發板的GND、P31、P30、VCC引腳分別與PL-2303 USB下載器的GND 、RXD、TXD、5 V口相連,可接受電腦USB供電并下載程序到單片機。開發板載有3.3 V電源芯片,實現3.3 V電壓輸出,可為紅外傳感器供電。開發板上有32個I/O接口,滿足各種連接需求。

1.4 電機驅動控制模塊

采用L298N雙H橋電機驅動控制模塊[14]。該模塊采用SMT工藝及高質量鋁電解電容，穩定性高，當電池電壓逐漸下降時，依然能提供穩定的電壓輸出，自身熱消耗小，使用效率高。模塊輸入電壓為5～12 V,自帶穩壓芯片，可以為直流電機、外部單片機或其它模塊提供穩定5 V電源(穩定的電源是智能小車系統穩定工作的前提和必要條件)。L298N驅動芯片接受單片機的控制信號，對電機進行正反轉、停止的操作。

L298N模塊可以直接驅動兩路5～30 V直流電機，模塊L298N模塊的VDD、GND端口分別連接電池組的正、負極；模塊的輸出端口OUT1、OUT2連接左電機的正、負極，OUT3、OUT4連接右電機的正、負極；模塊的IN1、 IN2、 IN3 、IN4端口分別與單片機控制端IO口P10、P11、P12、P13相連。

1.5 電機模塊

采用性能優越的2個130直流減速電機作為后輪驅動。直流減速電機的控制方法比較簡單[15]，只需給電機的兩根控制線加上適當的電壓即可使電機轉動起來，電壓越高則電機轉速越高。對于直流電機的速度調節，可以采用改變電壓的方法，也可采用PWM調速方法。直流減速電機具有可靠性高、轉矩大、能耗低、振動小等優點。

1.6 傳感器模塊

選擇載有LM393比較器的紅外線傳感器模塊[16]。車體前部裝有左、中、右三個紅外傳感器。該傳感器對環境光線適應能力強且可方便地調節檢測距離。傳感器的OUT、GND、VCC口分別與單片機開發板上相應的IO、 GND、VCC口相連。該傳感器有對紅外發射和接收管，發射管發射出一定頻率的紅外線，紅外線反射回來被接收管接收，接收管的電阻會發生變化(電阻的變化取決于接收管所接收的紅外線強度，常表現在反射面的顏色和反射面離接收管的距離兩個方面)，導致電路上的電壓也相應變化，經過LM393比較器電路處理之后，經OUT接口輸出數字信號給單片機，單片機對接收到的信號進行分析處理，發出相應的控制指令來控制電機轉動以調整行進方向，完成循跡任務。

2 軟件系統開發與設計

2.1 軟件系統開發工具的選擇

選擇Keil uVision2集成開發工具。uVision2 IDE是一個基于Window的開發平臺，非常適合嵌入式系統的開發。

2.2 程序設計語言的選擇

選擇C51高級語言來進行程序設計[17]。C51高級語言是由C語言繼承而來的，兼備高級語言與低級語言的優點。C51語言運行于單片機平臺，支持的微處理器種類繁多，可移植性好。與匯編語言相比，用C51語言可大大縮短編寫、調試程序的時間。

2.3 軟件開發流程

使用Keil uVision2，開發流程如下：

(1) 創建一個項目，從器件庫中選擇目標器件。

(2) 增加并配置目標器件的啟動代碼。

(3) 用C51語言創建源程序文件并把它加入到項目中。

(4) 針對目標器件設置工具選項

(5) 用MAKE工具對源程序文件進行編譯和連接，生成嵌入式應用HEX文件。

(6) 用STC_ISP_V480下載軟件通過PL-2303 USB下載器將HEX文件下載到單片機中。

(7) 測試，修改源程序。

2.4 主程序設計

智能循跡小車采用后輪驅動，通過調制后面兩個輪子的轉向和轉速而達到控制小車轉向的目的。在車體前部分別裝有左、中、右三個紅外傳感器。小車行進過程中，單片機不停地掃描傳感器接口，根據接收到的傳感器信息進行判斷和處理。當小車左邊的傳感器檢測到黑色軌跡時，說明小車車頭向右邊偏移，這時單片機調用左轉控制函數控制小車左轉，車體向左邊修正；當小車右邊的傳感器檢測到黑色軌跡時，說明小車車頭向左邊偏移，單片機調用右轉控制函數控制小車右轉，車體向右邊修正；當左、右兩邊的傳感器均未檢測到黑色軌跡，只有中間的傳感器檢測到黑色軌跡時，說明軌跡在車體的中間、不需修正車體，單片機調用直行前進控制函數控制小車正常行駛,小車就會沿著黑色軌跡一直行走而達到循跡的目的。左右傳感器同時檢測到黑線而中間的傳感器未檢測到黑線時停止行駛。

主程序流程圖如圖2所示：

圖2 主程序流程圖

主程序部分代碼如下：

/********************************************/

/* 程序名：自動循跡 */

/* MPU型號：STC89C52RC 晶振：11.0592 MHz */

/********************************************/

#include〈reg52.h〉

sbit Right1=P1^0;//定義單片機控制右電機的引腳

sbit Right2=P1^1;//定義單片機控制右電機的引腳

sbit Left1=P1^2;//定義單片機控制左電機的引腳

sbit Left2=P1^3;//定義單片機控制左電機的引腳

sbit L=P0^0;//定義單片機連接左傳感器的引腳

sbit R=P0^2;//定義單片機連接右傳感器的引腳

sbit M=P0^1;//定義單片機連接中傳感器的引腳

/********************************************/

void delay(int z)//延時函數

{

int i,j;

for(i=2;i>0;i--)

for(j=z;j>0;j--);

}

/*********************************************/

void main()//主函數

{

while(1)//無限循環

{

Go();//直行函數

while((L==1)&&(R==0)&&(M==0))/*僅左傳感器檢測到黑線時左轉*/

{

TurnLeft();//左轉函數

}

while((L==0)&&(R==1)&&(M==0))/*僅右傳感器檢測到黑線時右轉*/

{

TurnRight();//右轉函數

}

while((L==1)&&(R==1)&&(M==0))/*左右傳感器同

時檢測到黑線而中傳感器未檢測到黑線時停止*/

{

Stop();//停止函數

}

}

}

3 實驗結果

實驗場地選擇室內干凈平整淺粉紅色瓷磚地面，循跡軌道為寬1 cm的黑色膠帶。軌道分為圓形、矩形和S型。環境光線為一般強度的漫射自然光。

采用左、中、右三個紅外傳感器進行軌道檢測。中傳感器置于車體前端中央(相對于軌道中間)，左、右傳感器分別置于兩側(相對于軌道外側)，與中傳感器間隔大約3.5 cm。當小車脫離軌道時，即當中傳感器脫離軌道時，等待外側任一個傳感器檢測到黑線后，做出相應的轉向調整，直到中傳感器重新檢測到黑線(即回到軌道上來)，再恢復正向行駛。

經反復調整紅外傳感器離地面的距離及紅外發射功率地大小，達到了精準檢測的目的；通過延時函數——delay函數調整占空比來控制直行、左轉、右轉的速度，經多次修改delay函數的參數并測試表明，占空比為75%時可得到理想的行駛速度與循跡效果。左、右轉向時分別采用“左輪反轉+右輪正轉”與“右輪反轉+左輪正轉”的“反轉式轉向模式”，利用輪胎與跑道的摩擦力抵消慣性效應。

通過對智能小車系統的多次整體調試，實驗取得圓滿成功。實驗結果如表1所示。

表1 智能循跡小車實驗結果

實驗表明，智能小車循跡成功的關鍵因素有兩個：一是紅外傳感器離地面的距離及紅外發射功率的高低，二是小車直行、左轉、右轉的速度。前者決定了紅外傳感器檢測軌跡的準確性和靈敏度，后者與小車循跡的準確性和成功率有關。“反轉式轉向模式”縮短了轉向的時間，提高了轉向的靈敏度，同時控制好行駛速度，就可保證小車在循跡過程中左右搖擺幅度很小、緊貼軌道行駛。同理，采用“反轉式剎車模式”取得了瞬時剎車的效果。

4 結 語

設計的智能循跡小車系統的硬件系統各模塊選擇合理，經濟實用，基于C51高級語言開發的控制軟件高效可行，小車整體性能優良，成功實現了自動循跡的功能。該科研項目為大學生進行機器人競賽和畢業設計建立了實物平臺，同時改變了學生學習模式，激發了學生的學習興趣，提高了學生的實際動手能力、思考問題能力以及科學知識的綜合應用能力，也是驗證學生學習效果的有力工具。

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Design and Implementation of Intelligent Tracking Car Based on C51 Advanced Language Program Control

LVYun-fang,CHENShuai-shuai,HAOXing-sen,ZHANGHao

(Biomedical Engineering Department, Chengde Medical University, Chengde 067000, China)

For the purpose of intelligent car automatic tracking, we put forward that an intelligent car’s hardware system which is composed of a vehicle body module, power supply module, MCU control module, motor drive control module, motor module and sensor module. The Keil uVision2 integrated development tool C51 programming to is used to develop control software. Infrared sensors is used to detect car tracking trajectory. STC89C52RC MCU sends the corresponding control command according to the track information received. L298N drive control module is used to drive the car in order to achieve the overall design of the system tracking, and the “reversal type steering mode” and “reverse brake mode” are also used. Experimental results show that the intelligent car hardware modules selection is reasonable, control software is feasible and efficient, overall performance of the car is excellent. It successfully implements the automatic tracking function, and the application of “reversal type steering mode” and “reverse brake mode” achieves excellent steering and braking effect.

C51 advanced language; STC89C52RC single chip microcomputer; intelligent tracking car

2014-06-23

承德醫學院大學生科研基金項目(201471)。

呂云芳(1970-),男,河北內丘人,碩士,講師,主要研究方向為人工智能、計算機應用。

Tel.:13091336156;E-mail:health2002@163.com

TP 273.5/391

A

1006-7167(2015)03-0142-04