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摘 要：智能作为未来发展的代名词,已经深入到各个领域.在此研究探讨的智能小车是基于单片机控制运行的,可以很好实现小车的寻迹、避障、转向、速度控制、无线通讯等功能.整体系统结构合理、可靠性能高、实用性强、外接功能强大,在一定程度体现小车的“智能”.
关 键 词：智能；单片机；太阳能电池板；无线收发模块
中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1671—7597（2012）0920101—01
随着电子技术、传感器技术、单片机技术的飞速发展,高校越来越开始关注多样学科知识的结合应用问题,而且近年来,在全国或省级电子设计大赛中,常见有关于智能小车方面的竞赛题目,这充分证明了其重要性.智能是现在社会的新产物,也是以后的必然发展趋势,小车在预设的环境下自动运行,无需人的管理,便可以完成预期随要达到的或者是更高的目标.
智能小车可用作自动运输机器人、采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人等自动的设计具有一定的参考意义,而无论在安全防护领域、工业控制领域、医疗卫生领域、还是在国防军事领域、航天航空领域,微控制器都起着举足轻重的作用.同时,小车还可以作为玩具的发展对象,为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补.
单片机以其强大的控制能力已经被广泛应用于诸多领域,配以各种接口传感器可以实现系统的智能化.本方案的举例,是各类大赛中智能小车的基本功能应用,可以非常出色的实现小车寻迹、避障、转向、速度控制、无线通讯等功能,并且控制灵活、可靠、精度高,可满足对系统的各项要求,使小车在一定条件下智能化运转.
总体方案设计如图：智能小车由主控制器单片机、电源模块、外部模块组成.
1核心控制器件单片机
主控制器件可以选用常用单片机89C51/52,熟练的操作可以快速修改或添加指令程序,来控制其它外扩模块的功能,加入一些特殊指令,能够提高CPU执行的效率.当然,我们更提倡选用高级单片机R,例如说ATmega16,是基于增强型RRISC结构的低功耗8位CMOS8微处理器,由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,它的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾.ATmega16内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器,所有的寄存器都直接与运算逻辑单元ALU相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器,这种结构大大提高了代码效率,并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率.
2电源模块
电源可以根据情况选择直流电源,例如说干电池、开关电源等.这里推荐选用太阳能电池板,它是将光能转化为电能的装置,并且太阳能是取之不尽用之不竭的,环保无污染,又方便在日光下充电,可以循环使用,方便经济安全.太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件,能产生光伏效应的材料有许多种,如：单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒铟铜等.它们的发电原理基本相同,以晶体为例,P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅,形成P—N结.当光线照射太阳能电池表面时,一部分光子被硅材料吸收,光子的能量传递给了硅原子,使电子发生了越迁,成为自由电子在P—N结两侧集聚形成了电位差,当外部接通电路时,在该电压的作用下,将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率.当然,如今手掌大小的太阳能电池板已经随处可以见到,合理利用是我们完善智能小车的关键.
3外部模块
对于智能小车的寻迹、避障功能,可以考虑光敏探测器或者红外对管的应用.例如采用后者,红外收发对管是一种利用红外线的开关管,接收管在接受和不接受红外线时电阻发生明显的变化,利用电路可以输出明显的高低电平的变化,高低电平的变化输入单片机就可使之识别,从而实现智能控制,设计电路简单、性能稳定、安装方便.举个例子,采用JY043W型红外反射式传感器,该型传感器调理电路简单,每一路的检测距离可以达到7cm,红外反射式传感器具体工作过程为,发现障碍物时,发射管发出红外信号遇到障碍物反射回来,接收管接收到反射信号后导通,则信号处理电路的输出端变为低电平,该低电平直接送入控制器的一个端口,当控制器检测到这个端口的低电平变化时则表明该方位发现障碍物.
电机的选用方面,可以考虑步进电机或者直流电机.步进电机显著特点就是具有快速启停的能力,如果不超过步进电机所能提供的动态转矩值,就能够立即使步进电机启动或反转,另外显著特点就是转换精度高,正转反转控制灵活.但是步进电机只有能通过脉冲电源供电才能运行,不能直接使用交流电流和直流电流,而且存在着震荡和失步现象,并且自身的噪声和振动较大,带惯性负载的能力较差.直流电机显著特点转动力矩大、体积小、重量轻、装配简单,小车电机内部装有年减速齿轮组,所以不需要考虑调速功能,很方便就可以实现通过单片机对直流电机前进、后退、停止的操作,而且直流电机具有优良的调速特性,可实现频繁的快速启动、制动和反转,使小车更加灵活,能够满足各种不同的特殊运行要求.
无线发送接收模块可供选择的类型有很多,例如说CC1101就是一种低成本真正的单片UHF收发器,为低功耗无线应用而设计.有效频率：300—348MHZ、400—464MHZ、800—928MHZ,空旷传输距离300到500米,收发器集成了一个高度可配置的调制解调器,这个调制解调器支持不同的格式,其数据传输率可达500kbps.通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项,性能得到提升,CC1101为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持.它的的主要操作参数和64位传输/接收FIFO（先进先出堆栈）可通过SPI接口控制,六根I/O口与MUC相连,它们分别负责通讯参数配置、工作模式选择、数据通信等.
智能小车扩展其它辅助功能当然也是可以实现的,例如引入语音模块,转弯处就可以发出左转或右转的声音提示；若引入显示模块,显示当前的年月日,再配合温度、湿度传感器,就可以呈现当前环境的温度、湿度；若想装饰车身,可以选用LED彩灯,相信智能小车在夜晚也将光彩夺目!