基于MCS-51智能小车的动物园饲料投放系统

邹浩南，丁泽全，彭宜凯，杨森迪，许微

（东南大学 成贤学院，江苏 南京 210088）

随着全球电子智能行业方面的发展，智能控制技术在全世界取得了不小的成就，几十年来市场容量饱和产品的智能化和小型化成为了同行竞争的重中之重。所以，对于可遥控的智能车的研发是十分有意义的，并有着巨大的市场价值。智能小车是一定意义上的机器人，而机器人科学技术的先进程度一定程度上衡量着一个国家科学技术水平和产业智能化程度。机器人也因为拥有着高度的灵活性、能够协助人类提升社会生产力、提高日常生活服务质量以及改善人类劳动条件等技术优势，在各地的制造生活领域中获得了普遍的运用。智能车就是模仿机器人的一个例子。我们在设计中，设计了固定的循迹轨道，使小车可以在轨道上自由行驶。在循迹过程中，通过红外的信号可以准确判别一定范围内是否有人，从而实现避障。投放饲料时通过红外遥控实现饲料投放体现出智能化和人性化的一面。

在本系统中我们选用STC89C52 型号单片机作为主控芯片，主要功能模块有：红外循迹避障模块，蜂鸣器模块，L293D 电机驱动模块，步进电机驱动模块，按键模块，红外接发收模块等。系统可以通过红外循迹模块在事先规划好的黑线循迹轨道上行驶，当前方有障碍物时系统通过红外避障模块识别到障碍物并停止运作，蜂鸣器长叫。当前放无障碍物时，系统将继续沿黑线进行循迹。当系统通过红外避障模块识别到事先设置的挡板时停止运作，并通过步进电机进行饲料投放，饲料投放完毕后可通过红外遥控器（红外发射）控制挡板抬升，此时红外避障模块未检测到前方有障碍物继续循迹至原点后停止运作。图1 为该系统设计的总结构图。

图1 系统总结构图

2.1 核心处理器

本设计使用两个STC89C52 单片机作为整个系统的主控芯片，系统总原理图设计如图2所示。此芯片有性价比高，内存大，运算速度快，使用范围广，易上手等优点，符合我们的设计需求。其是一款低电量、高效率的8 位CMOS 微控制器，内核为经典的MCS-51 内核，并以此作为基础进行了多次升级，使其芯片在实际应用时能够更为有效地实现所设想的功能。图3 为单片机最小系统原理图。

图2 系统总原理图

图3 单片机最小系统原理图

本设计使用一个11.059 2 MHz 的晶振和两个30 pF 的瓷片电容构成单片机的时钟振荡电路，为其提供时钟信号。因P0 口输出为弱电平，驱动能力弱，故加一个10 kΩ 的排阻作为上拉电阻，用来提高P0 口的驱动能力。复位电路设计原理为：当单片机通电时，电容短路，而后开路，形成一个低脉冲触发信号使得单片机工作，KEY1 按键按下，RST 端口短路，端口变为低电平，松开后恢复高电平，形成一个复位信号，使得单片机复位。

2.2 驱动设计

本设计所使用的直流马达型号为QX-A51，其规格参数如表1所示。直流电机驱动芯片为L293D 为双H 桥驱动芯片，可同时驱动两路直流电机，内部自带ESD 保护。可通过输入信号控制直流电机执行正转、反转、停止。输入控制如表2所示。

表1 QX-A51 直流马达规格参数

表2 马达状态控制表

L293D 芯片内部使用经典H 桥电路设计，输入端口按照图4 接入单片机的P12 至P17 口，输出端分别接入直流电机的两极。EN 为其使能端口，当EN 为高电平时，芯片工作，反之芯片停止工作，输出Y 为低电平。1 A ～4 A 端口为其输出控制端口，1 A ～2 A 控制左电机工作模式，2 A ～3 A控制右电机工作模式。1 A ～2 A 输入分别为高、低电平时，1Y输出低电平，2Y输出高电平，由于电机正极接PIN脚2口，负极接PIN 脚1 口，故而电机反转，反之电机正转，当1 A ～2 A 输入都为低电平时，输出为低电平电机停转；
2 A ～3 A 端口控制同1 A ～2 A。

图4 L293D 电机驱动模块电路设计示意图

电机的驱动速度由单片机控制，其使用PWM 占空比调节电机速度，使用单片机内部的定时器1 进行编译，该设计占空比设置为255 为一个周期，电机正常行驶时占空比设置为110，后退时设置为80，左转或右转时设置为255，当占空比为0 时电机停止转动。

2.3 红外循迹与避障模块设计

本系统的循迹电路主要由2 个反射型光电探测器RPR220，电压比较芯片LM358，状态指 示灯以及电位器组成，其电路设计如图5所示。PRP220 由红外发射管和光电三极管构成，红外发射管射出的红外光被物体反射后，光电三极管通过判断反射的光强度使得其内部的阻抗大小发生相应的变换，当反射的红外光强度高时阻抗降低，指示灯点亮，反之指示灯熄灭。

图5 循迹避障模块电路示意图

电路原理：在图7 中LM358A 为右循迹电路，LM358B为左循迹电路。以右循迹为例，当U5 探测器处于黑线上方时，因黑线吸收红外光，故探测器接受到红外光强度变小，内部光电三极管电阻变大，电阻R9 电压变小，电压比较器LM358 的2 输入电压降低，电位低于3 脚输入电压，2 脚输出为高电平，发光二极管LED2 截止；
反之，当探测器位于黑线外时，探测器接受到红外光强度变大，内部光电三极管电阻降低，电压比较器LM358 的2 脚输入电压降低，电位高于3 脚输入电压时，2 脚输出为低电平，发光二极管LED2 导通。可通过改变电位器R13 的阻值改变3 脚的比较电压大小，实现对红外循迹灵敏度的调节。单片机的P32 和P33 口根据输出端口的电平高与低判断小车的姿态，进而控制小车在黑线上行驶。

本系统的避障电路工作原理与上述相似。我们将红外避障探头置于系统的前端两侧，在图7 中LM358NA 为右避障电路，LM358B 为左避障电路。以右避障电路为例，LED5为红外发射管，R12 用于设置红外光强度，IR1 用于接受红外光。当前方有障碍物时，有红外光返回，IR1 接受到的红外光强度变大，其阻抗降低，R9 分得电压变大，电压比较器2 脚电压升高，2 脚电压大于3 脚电压时，比较器输出低电平，LED4 导通；
反之1 脚输出高电平，LED4 截止。单片机的P34 和P35 口根据输出端口的电平高与低判断小车前方是否有障碍物。

2.4 饲料投放与挡板部分设计

本系统的饲料投放设计其主要由五线四相步进电机及其驱动板组成。使用步进电机型号为28BYJ-48，其工作电压为5 V，绕组内阻为20.4 Ω，步进角度为15 度。其中驱动板主要由步进电机驱动芯片ULN2003 构成。该电路可广泛应用于LED 驱动，步进电机驱动，逻辑缓冲器等。

电路原理：IN1 ～IN7 为输入管脚，其IN1 ～IN4 依次接入单片机的P00 ～P03 引脚，OU1 ～OUT7 为输出管脚，其OUT1 ～OUT4 依次接入步进电机的A，B，C，D 四相，GND 为公共地，COM 为续流二极管共阴极。当控制P00 至P03 输入为低电平时，输出为低电平，依次输入逻辑电平为“1000，0100，0010，0001”时可控制步进电机内部转子旋转，调转输出逻辑电平的顺序可控制电机的正反转，控制频率可间接控制电机转动角度。本设计使用步进电机每2 048步转动一周，由于使用为四相步进电机，故其周期为T=2 048/4=512，所以要将电机转轴旋转半周时，只需要依次输入逻辑电平256 次即可，而后在反向输出逻辑电平256 次，使得步进电机反向旋转半周归位。

图6 步进电机驱动模块电路示意图

2.5 红外遥控设计

本系统的红外接受模块，使用HS0038 红外接受管为主要器件，以NEC 红外通信协议的遥控器来控制挡板的启动与闭合。本系统的红外接收头的输出端接入单片机的外部中断口P32 口，其余两端分别接地和5 V 电源。图7 为红外接受模块的电路设计。

图7 红外接受模块电路设计

本系统使用的红外遥控器为车载MP3 遥控器，型号为HS-021，使用3 V 扣式锂锰电池供电，发射红外载波频率为38 kHz，发射管红外波长为940 nm，采用NEC 编码格式。图8 为系统使用红外遥控器实物图。

图8 红外遥控器实物图

电路原理：HS0038 处于空闲状态时，三极管导通，接收头输出高电平；
当发射端红外LED 以38 kHz 的频率闪烁时，接受头接收到红外信号，三极管截止，输出低电平。单片机的P32 口对接收头的输出进行判断解码，实现红外遥控。

本项目采用C 语言程序设计，使用Keil5 编写，STCISP 烧录。其提供了涵盖C 翻译器、宏汇编、连接器、库管理系统，以及一个功能强大的仿真调试器。采用集成开发环境将其结合到一起，且使用界面比较简洁，对具有程序设计基础的人来说便于学习与掌握。

主系统流图如图9所示。

图9 主系统流图

挡板系统流图如图10所示。

图10 挡板系统流图

关键程序分析如图11所示。

图11 电机端口的定义

图12 为电机端口的定义，根据表2 马达状态控制表，控制对个端口的高低电平，实现电机的正转与反转。

图12 PWM 调速程序

图13 为PWM 调速程序关键部分设计，使用单片机内部定时器1 资源进行编译，设置PWM 占空比周期为255，低于255 时电机停转，反之电机使能，进而控制电机的速度。

图13 小车运行模式函数

图14 为由电机驱动程序和PWM 调速程序组合成的控制小车运行模式的函数，通过左右电机正、反转的组合进而实现小车前、后、左、右、停等操作。

图14 小车循迹程序

图15 为小车循迹部分关键程序，当左循迹探头未识别到黑线，控制左电机速度为255 最大，右电机速度为0 最小，实现右转，反之实现左转；
当俩循迹探头均识别到黑线，左右电机速度均为110（此程序未给出，需在主函数自行设置），反之左右电机倒转，速度为80。

图15 小车红外避障程序

图16 为红外避障部分关键程序，当左右探头有一个及以上识别到障碍物时，小车停止，打开蜂鸣器，反之小车正常循迹，蜂鸣器关闭。

图16 步进电机模块程序

图17 为步进电机模块关键部分程序设计，使用定时器2 时钟资源进行计时，控制电机转动速度与角度，定义两个数组控制电机的正反转。

图17 红外解码过程

此为红外解码过程关键程序，定义红外接受头输出端口为P3.2，使用定时器0 外加外部中断0 接受红外33 位数据，并利用for 循环语句和NEC 编码特点解码32 位数据（丢弃引导码），最终确定红外遥控键码值。

循迹PWM 参数设计，如表3所示。根据表3 的测试结果敲定前进循迹PWM 值为110；
左转循迹PWM 值225；
右转循迹PWM 值225；
后退循迹PWM 值80 为最佳循迹速度，图18 为系统实物图。

图18 系统实物图

表3 循迹PWM 参数设计表

智能车投放饲料是一种智能化与人性化的饲喂流程的体现，它是一种非传统的、创新形式的投喂饲料的方式，其将饲料投放的红外循迹避障模块与步进电机相结合，控制小车进行饲料的定点投放。该系统通过进一步的改进可实现节省人力的效果，例如将红外模块接发收模块换成蓝牙模块或者其他无线接发收模块进而实现无人化或少人化控制，进一步实现节省人力的效果，符合未来智能化发展的趋势，具有一定的潜力价值。