郭立芝

(西安石油大学电子工程学院，陕西西安710065)

1 系统整体方案设计

小车在如图1所示的跑道上自动往返行驶，跑道表面贴有白纸，在1、2、3、4处贴有黑胶带，车子从起点出发到达终点停车10秒，然后返回到起点，停车。限速区要求速度控制在0.25m/s以下，终点停车要求车子中心与黑线的距离尽量小。

整个系统采用光电检测不同的信号，并经单片机对其进行处理，控制继电器的断开和吸合，从而切换555产生的不同的脉宽信号来控制电动机的正反转和刹车。通过单片机内部计数器/定时器进行定时、记数，再用单片机串行输入/输出口进行显示控制。其工作框图2如下:

图1 跑道示意图

图2 系统工作框图

2 系统各模块的设计

2.1 89C2051单片机基本系统

此系统以89C2051为核心，通过单片机内部计数器/定时器进行定时、记数，再用单片机串行输入/输出口RXD，TXD进行显示控制。P0口作为外部中断响应口。P1口为电动机状态控制口［1］。其原理如图3所示。

图3 89C2051单片机原理图

2.2 光电检测部分

采用反射式光电检测电路对跑道上的黑线进行检测，并用两个遮光管套住发光管和接收管以一定的角度紧贴跑道，这样可以消除外界光线的干扰。为了加强可靠性，采用槽型光耦检测轮子转动行程。用LM358电压比较器输出高低电平检测信号。如图4所示。

图4 光电检测电路

2.3 电源部分

由于电动机工作电流大，需要选用内阻小，供电电流强，质量轻，可反复使用的经济型电池，我们选用镍铬电池组。为使单片机工作稳定，避免电动机开机关机和其转动时对其电源电压的影响，在此用2个电池组和稳压块分别为89C2051和电动机驱动显示部分供电［2］。并紧靠每个芯片的电源端加1uF的电容。这样可以有效地消除各模块之间的工作干扰。

2.4 PWM 部分

因为小车需要有加速和限速两种不同的工作状态，采用调压电路工作不稳定，并且对调压块的要求较高，通过实验证明，调压块容易烧坏。而采用调脉宽的方式控制电动机的转速，后级采用三极管D882推动工作很稳定，并且用555产生的调脉宽电路，其占空比可在0% ～99%之间任意调整，精度高［3］。特别是在低速段调整，不易停车。如图5所示。

图5 PWM电路

2.5 小车的状态控制

利用继电器的动作切换电动机两端的电压占空比，在非限速区脉宽调到最大，小车全速向前，到限速区时调整脉宽使小车的速度控制在2÷8=0.25m/s以下。为了定位准确，小车的刹车控制很重要。由于小车上带的负载较多，小车的惯性较大，让小车自由停车会和终点位置相差太大。因此采用了电刹车，即利用直流电机的再生发电制动理论，即将电动机的转子两端短路，完成制动。经过试验，电刹车效果好，容易制作，控制简单，技术成熟。其电路如图6所示。

2.6 显示电路部分

显示电路要求显示小车的行驶路程和行驶这一路程的时间。为了提高CPU的利用率，节省CPU资源，采用静态显示［4］，串行静态显示的优点是:显示稳定，仅仅在需要更新显示内容时CPU才执行一次显示更新程序，这样大大地节省了CPU的时间，提高了CPU的工作效率。其电路如图7所示。

图6 小车的状态控制电路

图7 显示电路

2.7 安装与调试

自动小车为玩具遥控小车的改装品，在改装的过程中最重要的是考虑设计两个光电检测管的位置，检测黑线的光电管放在车体的中央，用遮光管将其以一定反射角度用弹簧压到跑道上，贴地口打磨光滑防止刮纸。路程检测用槽型光耦，放在小车的从动轮上。轮子的周长为20厘米，在轮子上用了两个通光孔，即其行程精度为10厘米。并且为了小车碰到墙壁不至于停车，在小车的四角上都加上了导向轮，导向轮用随身听上的压带轮制作即可。其他电路板用铜支架层叠式固定。

3 程序设计

设计程序中，上电使用时必须对所有控制寄存器初始化，在跑到终点停10秒时，为防止外部干扰，我们采用关中断的方式。跑完全程后让CPU进入死循环，小车停止不再启动。其软件流程如图8所示。

图8 系统程序设计流程图

4 结束语

本文介绍了基于单片机89C2051的往返小车的硬件和软件设计，由于采用模块化设计，本系统具有良好的可升级性和扩展性，采用单片机进行控制处理，它具有编程灵活、自由、稳定性能好、扩展容易等优点。本控制系统经过调试，实现了小车的调速、前进、后退、显示速度和路程等功能，但由于时间和水平的限制，本系统的设计还有许多需要改进的地方。

［1］李朝青.单片机＆DSP外围数字IC技术手册［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2003.

［2］张友德，赵志英，涂时亮.单片微型机［M］.上海:复旦大学出版社，2000.

［3］王建飞.基于单片机控制的自动往返小汽车的新设计［J］.现代与电子技术，2006，234(19):127－129.

［4］刘全盛.数字电子技术(第一版)［M］.北京:机械工业出版社，2000.