A. 智能控制原理
智能控制（intelligent controls）在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。 控制理论发展至今已有100多年的历史，经历了“经典控制理论”和“现代控制理论”的发展阶段，已进入“大系统理论”和“智能控制理论”阶段。
智能控制的基本概念
智能控制的定义一： 智能控制是由智能机器自主地实现其目标的过程。而 智能机器则定义为，在结构化或非结构化的，熟悉的或陌生的环境中，自主地或与人交互地执行人类规定的任务的一种机器。
定义二： K.J.奥斯托罗姆则认为，把人类具有的直觉推理和试凑法等智能加以形式化或机器模拟，并用于控制系统的分析与设计中，使之在一定程度上实现控制系统的智能化，这就是智能控制。他还认为自调节控制，自适应控制就是智能控制的低级体现。
定义三： 智能控制是一类无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的自动控制，也是用计算机模拟人类智能的一个重要领域。
定义四： 智能控制实际只是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有仿人智能的工程控制与信息处理系统的一个新兴分支学科。
产生及发展
自1932年奈魁斯特（H.Nyquist）的有关反馈放大器稳定性论文发表以来，控制理论的发展已走过了60多年的历程。一般认为，前30年是 经典控制理论的发展和成熟阶段，后30年是 现代控制理论的形成和发展阶段。随着研究的对象和系统越来越复杂，借助于数学模型描述和分析的传统控制理论已难以解决复杂系统的控制问题。智能控制是针对控制对象及其环境、目标和任务的 不确定性和复杂性而产生和发展起来的。
从20世纪60年代起，计算机技术和人工智能技术迅速发展，为了提高控制系统的自学习能力，控制界学者开始将人工智能技术应用于控制系统。
1965年，美籍华裔科学家傅京孙教授首先把人工智能的启发式推理规则用于学习控制系统，1966年，Mendel进一步在空间飞行器的学习控制系统中应用了人工智能技术，并提出了“人工智能控制”的概念。1967年，Leondes和Mendel首先正式使用“智能控制”一词。
20世纪70年代初，傅京孙、Glofis0和Saridis等学者从控制论角度总结了人工智能技术与自适应、自组织、自学习控制的关系，提出了智能控制就是人工智能技术与控制理论的交叉的思想，并创立了人机交互式分级递阶智能控制的系统结构。
20世纪70年代中期，以模糊集合论为基础，智能控制在规则控制研究上取得了重要进展。1974年，Mamdani提出了基于 模糊语言描述控制规则的模糊控制器，将模糊集和模糊语言逻辑用于 工业过程控制，之后又成功地研制出自组织模糊控制器，使得模糊控制器的智能化水平有了较大提高。模糊控制的形成和发展，以及与人工智能的相互渗透，对智能控制理论的形成起了十分重要的推动作用。
20世纪80年代，专家系统技术的逐渐成熟及计算机技术的迅速发展，使得智能控制和决策的研究也取得了较大进展。1986年，K.J.Astrom发表的著名论文《专家控制》中，将人工智能中的专家系统技术引入控制系统，组成了另一种类型的智能控制系统——专家控制。目前，专家控制方法已有许多成功应用的实例。
详解
对许多复杂的系统，难以建立有效的数学模型和用常规的控制理论去进行定量计算和分析，而必须采用定量方法与定性方法相结合的控制方式。定量方法与定性方法相结合的目的是，要由机器用类似于人的智慧和经验来引导求解过程。因此，在研究和设计智能系统时，主要注意力不放在数学公式的表达、计算和处理方面，而是放在对任务和现实模型的描述、符号和环境的识别以及知识库和推理机的开发上，即智能控制的关键问题不是设计常规控制器，而是研制 智能机器的模型。此外，智能控制的核心在高层控制，即组织控制。高层控制是对实际环境或过程进行组织、决策和规划，以实现问题求解。为了完成这些任务，需要采用符号信息处理、启发式程序设计、知识表示、自动推理和决策等有关技术。这些问题求解过程与人脑的思维过程有一定的相似性，即具有一定程度的“智能”。
随着人工智能和计算机技术的发展，已经有可能把自动控制和人工智能以及系统科学中一些有关学科分支（如系统工程、 系统学、 运筹学、 信息论）结合起来，建立一种适用于复杂系统的控制理论和技术。智能控制正是在这种条件下产生的。它是 自动控制技术的最新发展阶段，也是用计算机模拟人类智能进行控制的研究领域。1965年，傅京孙首先提出把人工智能的启发式推理规则用于学习控制系统。1985年，在美国首次召开了智能控制学术讨论会。1987年又在美国召开了智能控制的首届国际学术会议，标志着智能控制作为一个新的学科分支得到承认。智能控制具有交叉学科和定量与定性相结合的分析方法和特点。
一个系统如果具有感知环境、不断获得信息以减小不确定性和计划、产生以及执行控制行为的能力，即称为 智能控制系统. 智能控制技术是在向人脑学习的过程中不断发展起来的，人脑是一个超级智能控制系统，具有实时推理、决策、学习和记忆等功能，能适应各种复杂的控制环境.
智能控制与传统的或常规的控制有密切的关系，不是相互排斥的. 常规控制往往包含在智能控制之中，智能控制也利用常规控制的方法来解决“低级”的控制问题，力图扩充常规控制方法并建立一系列新的理论与方法来解决更具有挑战性的复杂控制问题.
1. 传统的自动控制是建立在确定的模型基础上的，而智能控制的研究对象则存在模型严重的不确定性，即模型未知或知之甚少者模型的结构和参数在很大的范围内变动，比如工业过程的病态结构问题、某些干扰的无法预测，致使无法建立其模型，这些问题对基于模型的传统自动控制来说很难解决。
2. 传统的自动控制系统的输入或输出设备与人及外界环境的信息交换很不方便，希望制造出能接受印刷体、图形甚至手写体和口头命令等形式的信息输入装置，能够更加深入而灵活地和系统进行信息交流，同时还要扩大输出装置的能力，能够用文字、图纸、立体形象、语言等形式输出信息。另外，通常的自动装置不能接受、分析和感知各种看得见、听得着的形象、声音的组合以及外界其它的情况。 为扩大信息通道，就必须给自动装置安上能够以机械方式模拟各种感觉的精确的送音器，即文字、声音、物体识别装置。 可喜的是，近几年计算机及多媒体技术的迅速发展，为智能控制在这一方面的发展提供了物质上的准备,使智能控制变成了多方位“立体”的控制系统。
3. 传统的自动控制系统对控制任务的要求要么使输出量为定值（调节系统），要么使输出量跟随期望的运动轨迹（跟随系统），因此具有控制任务单一性的特点，而智能控制系统的控制任务可比较复杂，例如在 智能机器人系统中，它要求系统对一个复杂的任务具有自动规划和决策的能力，有自动躲避障碍物运动到某一预期目标位置的能力等.。对于这些具有复杂的任务要求的系统，采用智能控制的方式便可以满足。
4. 传统的控制理论对线性问题有较成熟的理论，而对高度非线性的控制对象虽然有一些非线性方法可以利用，但不尽人意。 而智能控制为解决这类复杂的非线性问题找到了一个出路，成为解决这类问题行之有效的途径。 工业过程智能控制系统除具有上述几个特点外，又有另外一些特点，如被控对象往往是动态的，而且控制系统在线运动，一般要求有较高的实时响应速度等，恰恰是这些特点又决定了它与其它智能控制系统如智能机器人系统、航空航天控制系统、交通运输控制系统等的区别，决定了它的控制方法以及形式的独特之处。
B. 避障小车设计，为什么无线模块接收程序，只能接收一次，再发射其它值接收不了，不执行，用的NRF24L01无线
智能机器人作为一个高新科技的综合体，直接反应了一个国家信息技术的发展水平，受到了社会各界的高度重视。智能机器人涉及了信息技术的几乎所用内容，可以让学生接触并看到信息技术的全景，并且智能机器人是信息技术的开放平台，学生可以充分发挥想象力去开发各种智能装置，从而培养学生对信息技术的开发能力，在开发过程中，培养各种能力，激发学生的兴趣。
本文设计的以智能小车为载体的基于TMS320LF2407A教育机器人硬件平台，包括电源模块和电机驱动模块电路设计，并集成了红外和光敏传感器和无线数据传输模块，通过软件设计可实现寻迹、避障及寻迹避障相结合的功能，达到了理论课程学习与动手实践相结合的目的，巩固了知识并进一步提高了学习者的兴趣。
1 设计思想与总体方案
1.1 教育机器人的设计思想
本教育机器人以TMS320LF2407A微控制器为核心，由红外传感器和光电传感器等各种传感器采集的外部环境信息作为输入信号，通过DSP进行运算处理，利用PWM技术实时输出调整小车的速度和方向，实现小车寻迹、避障、寻迹加避障等自动控制的功能，另外在小车于寻迹过
程中遇到障碍物，当寻迹加避障算法在寻迹的同时不能完成避障功能时，可由PC机与其相连的无线通信收发模块和DSP相连的另一无线收发模块实现无线短距离通信，控制小车脱离障碍区并进行正常寻迹。
1.2 总体设计方案和框图
机器人小车系统整体框图如图1所示，主要有TMS320LF2407A最小系统部分、电源模块、电机驱动模块、传感器模块、无线通信模块构成，实现由车载的各种传感器将信息不断地传递给车载微控制器，并将编程设计算法下载至微控制器实现实时调整小车的运动状态，完成一定的功能要求。
机器人
2 系统硬件模块设计
2.1 TMS320LF2407A最小系统设计
TMS320LF2407A是2000系列中目前应用最为广泛的产品，它在片上不仅具有一个适于进行数字信号处理的高效处理器，而且还集成了存储器和适应控制领域应用的丰富片上外设，从而构成了一个基本的片上计算机系统。除了具有改进的哈佛结构、多总线结构和流水线结构等优点外，它还采用高性能静态 CMOS技术，电压降为3.3V，减少了功耗，指令执行速度提高到40MIPS，几乎所有指令都可以在2 5ns的单周期内完成。TMS320LF2407A的基本结构包括中央处理器单元（CPU）、存储器、片内外设与专用硬件电路三个组成部分。本系统硬件平台充分利用TMS320LF2407A控制器的特点采用模块化设计，分为基本电路和扩展控制电路部分。基本电路包括电源电路、复位电路、时钟电路、A/D 输入通道和JTAG仿真电路等。扩展电路包括存储器及译码电路、串行通信SCI与RS-232接口电路、CAN接口电路、SPI功能模块等。系统硬件原理框图如图2所示。
电路图
此部分采用光电传感器对路面信息进行识别。采用RPR220型光电对管，RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，接收管是一个高灵敏度的硅平面光电三极管，用3个该红外对管构成“一”字形排列在小车车头的底部，路径轨迹由黑线指示，根据落在黑线区域的光电三极管接收到的反射光线强度与白色区域的不同，由检测到的黑线光电管的位置来判断小车的位置方向看其是否偏离黑线，当红外对管的发射二极管发出红外线，经反射物 （白线）反射到接收管，是接收管集电极与发射极之间的电阻变小，输入端电位变低，经比较器比较后输出低电平，当红外线照射到黑线上时，反射到接收管上的光亮减小，接收管的集电极与发射极间电阻增大使得输出高电平，将输出端信号送至2407A进行分析处理，反射式光电传感器原理如图3所示。3个传感器中如果位于中间的传感器（中传感器）检测到黑线，从传感器将发出“有线”信号，后轮两电机继续接通运转，结果驱动车体前进。如果除中传感器之外，左、右传感器中的任一个未检测到黑线，则该传感器输出“无线”信号，这时脱离引导线的传感器对侧的驱动电机停止运行，同侧电机继续运行，以此达到校正行进方向的目的。
电路
2.3 红外避障模块设计
在小车行进过程中遇到障碍物，无法正常通过时，采用红外线检测器检测障碍物，并设计算法控制小车绕开障碍物继续寻迹前进。在小车前端两侧分别安装1个红外发射二极管（如东芝TLN110）进行红外信号的发射，红外线光源发出的信号调制到38kHz，使用2407A的PWM输出产生精确的信号。红外接收器由安装在车头中央的专用红外接收模块（如CRVPl738）对红外信号进行接收。小车前进路线中障碍物的判断原则：a.左边红外发射二极管发射信号，检测中央接收端，判断是否接收到信号；b.右边红外发射二极管发射信号，检测中央接收端，判断是否接收到信号；c.若左边发射时，有信号接收则小车左边有障碍物；若右边发射时，有信号接收则小车右边有障碍物；若左边和右边发射时，都有信号接收则小车正前方有障碍物。
在小车前进过程中有三种避障算法：沿左边行走，沿右边行走，左右相结合行走。本设计要实现在多种环境下都能避障，所以选择左右结合行走的算法。在小车左、右侧两侧等比例安装若干红外测距传感器（GP2D12），用于防止小车在避障过程中与障碍物发生碰撞，由于GP2-D12输出为0.4~2.4V的模拟信号，对应80~10cm距离，输出与距离成反比关系，且为非线性，可直接利用2407A集成的A/D转换功能，进行A/D转换得到相应参数，根据参数由 DSP进行相应处理，进行避障前进。在避障过程中，采用接近式控制策略，维持障碍物和传感器之间的距离为一固定常数，当两者距离偏小时，机器人向远离障碍物的方向旋转；当两者距离偏大时，向靠近障碍物的方向旋转。小车沿障碍物行进过程中，在车头底部光电传感器检测到黑线时，小车开始调整行进姿势，远离障碍物，继续寻迹。另外在小车无法成功绕过障碍物继续寻迹时，可以通过无线通信模块控制小车绕过障碍物使其继续寻迹。
2.4 无线通信模块设计
在机器人无法成功避障的情况下，可通过DSP与上位机（PC机）之间的通信协作来完成避障任务。DSP与PC机之间的通信方式分为有线和无线两种，多数采用串行通信。在本设计中采用无线通信方式，可以克服有线通信造成的操作不便。PTR2000是基于nRF401器件的无线数据传输模块，具有低频发射、灵敏度高的特点，使其在嵌入式短程无线产品中得到广泛的应用。要实现DSP与PC机之间的无线通信，需在DSP与小车车体分别安装一个 PTR2000器件，其系统硬件结构框图如图4所示。通过2407A的RXD和TXD引脚与PTR2000的DO和DI引脚直接相连，2407A的控制引脚与PTR2000模式控制引脚相连完成PTR2000于DSP之间的连接，通过采用MAX232器件在PTR2000和计算机串口进行RS-232和 TTL电平之间的转换后，完成PTR2000和PC机串口的连接。在DSP和PC机端软件配合设置PTR2000的状态（发射或接收），选择固定的通信频道，并让PTR2000一直处于正常工作状态，再通过设计软件系统实现无线通信的功能。
结构框图
电源模块可由16V交流电压充电器通过电源充电电路为6节车载镍镉电池（约7.2V）充电，为各模块提供工作电压。电源电路模块如图5所示。由于各模块所需工作电压不同，可先通过使用78（L）05稳压器得到5V直流电压，2407A所需3.3V电源由带集成延时复位功能的低压差稳压器TPS733Q实现，同时具有复位功能。如图5所示。
电源电路模块
2.6 电机驱动模块设计
本轮式机器人平台采用左、右直流电机驱动的方式，中间有一起支撑作用的万向轮。电机驱动模块可以实现两电机在任何方向旋转从而达到小车前进、倒退和转向的目的。电机发生转向与否是由提供给电机驱动电路的高、低电压信号次序决定的，它们来自前端的数字逻辑门定序电路。数字逻辑定序电路的输入信号由 2407A 产生的方向信号和PWM信号实现机器人的方向和速度的控制分为方向端和使能端，该电路同时可以避免产生电源短路对电子器件造成的损害。此小车电机驱动电路是H桥驱动电路，该电路通过控制电机电流流向达到控制转向的目的。当Q1和04导通时，电机电流从左流向右，电机正转；当Q2和Q3导通时，电机电流从右流向左，电机反转。如图7所示。
电机驱动电路
3 系统整体实现
以TMS320LF2407A为核心的教育机器人硬件系统整体功能可在软件开发工具CCS和硬件开发工具XDS的支持下采用C语言和汇编语言混合编程进行程序仿真调试，再通过JTAG接口下载到DSP内实现，给DSP学习者带来了极大的方便。同时，得益于2407A外部资源的丰富性，系统中未使用部分有利于学习者做进一步的功能开发和应用。
4 结语
该整体硬件系统结构简单，具有很好的扩展性，而且通过软件编程控制机器人完成一定的功能，很好地锻炼了学生的逻辑思维能力和编程能力，有助于培养学生的实践能.
C. 单片机 智能小车 课程设计
智能小车的设计与制作
摘要：本课题组设计制作了一款具有智能判断功能的小车，功能强大。小车具有以下几个功能：自动避障功能；寻迹功能（按路面的黑色轨道行驶）；趋光功能（寻找前方的点光源并行驶到位）；检测路面所放置的铁片的个数的功能；计算并显示所走的路程和行走的时间，并可发声发光。作品可以作为高级智能玩具，也可以作为大学生学习嵌入式控制的强有力的应用实例。
作品以两电动机为主驱动，通过各类传感器件来采集各类信息，送入主控单元AT89S52单片机，处理数据后完成相应动作，以达到自身控制。电机驱动电路采用高电压，高电流，四通道驱动集成芯片L293D。其中避障采用红外线收发来完成；铁片检测部分采用电感式接近开关LJ18A3-8-Z/BX检测；黑带检测采用红外线接收二极管完成；趋光部分通过3路光敏二极管对光源信号的采集，再经过ADC0809转化为数字信号送单片机处理判别方向。由控制单元处理数据后完成相应动作，实现了无人控制即可完成一系列动作，相当于简易机器人。
关键字：智能控制 蔽障 红外线收发 寻迹行驶 趋光行驶
1．总体方案论证与比较
方案一：采用各类数字电路来组成小车的控制系统，对外围避障信号，黑带检测信号，铁片检测信号，各路趋光信号进行处理。本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于小车智能化的扩展，对各路信号处理比较困难。
方案二：采用ATM89S52单片机来作为整机的控制单元。红外线探头采用市面上通用的发射管与及接收头，经过单片机调制后发射。铁片检测采用电感式接近开关LJ18A3-8-Z/BX检测，黑带采用光敏二极管对光源信号采集，再经过ADC0809转化为数字信号送到单片机系统处理。此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。
比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。方案二的基本原理如图1所示。
图1 智能车运行基本原理图框图
避障部分采用红外线发射和接受原理。铁片检测采用电感式接近开关LJ18A3-8-Z/BX检测，产生的高低电平信号经过处理后，完成相应的记录数目，驱动蜂鸣器发声。黑带寻迹依靠安装在车底部左右两个光敏二极管对管来对地面反射光感应。寻光设计在小车前端安装3路（左、中、右）光敏电阻对光源信号采集，模拟信号经过ADC0809转化为数字信号送到MCU处理。记程通过在车轮上安装小磁块，再用霍尔管感应产生计数脉冲。记时由软件实现，显示采用普通七段LED。此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现
2．模块电路设计与比较
1) 避障方案选择
方案一：采用超声波避障，超声波受环境影响较大，电路复杂，而且地面对超声波的反射，会影响系统对障碍物的判断。
方案二：采用红外线避障，利用单片机来产生38KHz信号对红外线发射管进行调制发射，发射出去的红外线遇到避障物的时候反射回来，红外线接收管对反射回来信号进行解调，输出TTL电平。外界对红外信号的干扰比较小，且易于实现，价格也比较便宜，故采用方案二。
红外线发射接受电路原理图如图2所示。
采用红外线避障方法，利用一管发射另一管接收，接收管对外界红外线的接收强弱来判断障碍物的远近，由于红外线受外界可见光的影响较大，因此用250Hz的信号对38KHz的载波进行调制，这样减少外界的一些干扰。 接收管输出TTL电平，有利于单片机对信号的处理。采用红外线发射与接收原理。利用单片机产生38KHz信号对红外线发射管进行调制发射，发射距离远近由RW调节，本设计调节为10CM左右。发射出去的红外线遇到避障物的时候反射回来，红外线接收管对反射回来信号进行解调，输出TTL电平。利用单片机的中断系统，在遇障碍物时控制电机并使小车转弯。由于只采用了一组红外线收发对管，在避障转弯方向上，程序采用遇障碍物往左拐方式。如果要求小车正确判断左转还是右转，需在小车侧边加多一组对管。外界对红外信号的干扰比较小，性价比高。 。调试时主要是调制发射频率为接收头能接收的频率，采用单片机程序解决。发射信号强弱的调节，由可调精密电阻调节。
图2 红外线发射接受电路原理图
2）检测铁片方案选择
方案一：采用电涡流原理自制的传感器，取才方便，但难以调试，输出信号也不可靠，成功率比较低，难以准确输出传感信息。
方案二：采用市面易购的电感式接近开关，本系统采用市面比较通用LJ18A3-8-Z/BX来完成铁片检测的任务。虽然电感式接近开关占的体积大，对本是可以接受，且输出信号较可靠，稳定性好，受外界的干扰小，故采用方案二。
检测铁片电路原理图如图3所示。
图3 检测铁片电路原理图
3)声音提示
方案一：采用单片机产生不同的频率信号来完成声音提示，此方案能完成声音提示功能，给人以提示的可懂性比较差，但在一定程度上能满足要求，而且易于实现，成本也不高，我们出自经费方面考虑，采用方案一。
方案二：采用DS1420可分段录放音模块，能够给人以直观的提示，但DS1420录放音模块价格比较高，也可以采用此方案来处理，但方案二性价比不如方案一。
4)黑带检测方案选择
方案一：采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。由于光敏二极管受可见光的影响较大，稳定性差。
方案二：利用红外线发射管发射红外线，红外线二极管进行接收。采用红外线发射，外面可见光对接收信号的影响较小，再用射极输出器对信号进行隔离。本方案也易于实现，比较可靠，因此采用方案二。黑带检测电路图如图4所示。
输出信号进入74LS02。稳定性能得到提升。当小车低部的某边红外线收发对管遇到黑带时输入电平为高电平，反之为低电平。结合中断查询方式，通过程序控制小车往哪个方向行走。电路中的可调电阻可调节灵敏度，以满足小车在不同光度的环境光中能够寻迹。由于接收对管装在车底，发射距离的远近较难控制，调节可调电阻，发现灵敏度总是不尽人意，最后采用在对管上套一塑料管，屏蔽外界光的影响，灵敏度大幅提升。再是转弯的时间延迟短长控制。
图4 黑带检测电路图
3)计量路程方案
方案一：利用红外线对射方式，在小车的车轮开一些透光孔来计量车轮转过圈数，从而间接地测量路程。
方案二：利用霍尔元件来对转过的车轮圈数来计程，在车轮子上装小磁片，霍尔元件靠近磁片一次计程为车轮周长。此方案传感的信号强， 电路简单，但精度不高。
如果想达到一定的计量精度，用霍尔传感元件比较难以实现，因为在车轮上装一定量的小磁片会相互影响，而利用红外线对射方式不会影响各自的脉冲，可达到厘米的精度，因此采用方案一来实现。计量路程示意图见图5。
通过计算车轮的转数间接测量距离，利用了霍尔元件感应磁块产生脉冲的原理，再对脉冲进行计数。另可采用红外线原理提高记程精度，其方法为在车轮均匀打上透光小孔，当车轮转动时，红外光透射过去，不断地输出脉冲，通过单片机对脉冲计数，再经过一个数据的处理过程，这样就可把小车走过的距离计算出来，小孔越多，计数越精密。
图 5 计量路程示意图
3)智能车驱动电路
方案一：采用分立元件组成的平衡式驱动电路，这种电路可以由单片机直接对其进行操作，但由于分立元件占用的空间比较大，还要配上两个继电器，考虑到小车的空间问题，此方案不够理想。
方案二：因为小车电机装有减速齿轮组，考虑不需调速功能，采用市面易购的电机驱动芯片L293D，该芯片是利用TTL电平进行控制，对电机的操作方便，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正反转操作，很方便单片机的操作，亦能满足直流减速电机的要求。智能车驱动电路实现如图6所示。
图6 智能车驱动电路
小车电机为直流减速电机，带有齿轮组，考虑不需调速功能，采用电机驱动芯片L293D。L293D是著名的SGS公司的产品。为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，设计用来接收DTL或者TTL逻辑电平，驱动感性负载(比如继电器，直流和步进马达)，和开关电源晶体管。内部包含4通道逻辑驱动电路。其额定工作电流为1A，最大可达1.5A，Vss电压最小4.5V，最大可达36V；Vs电压最大值也是36V，经过实验，Vs电压应该比Vss电压高，否则有时会出现失控现象。表1是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系。
表1 引脚和输出引脚的逻辑关系
EN A（B） IN1（IN3） IN2（IN4） 电机运行情况
H H L 正转
H L H 反转
H 同IN2（IN4） 同IN1（IN3） 快速停止
L X X 停止
L293D可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。调试时在依照上表，用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作，调试通过。
3) 寻找光源功能
方案一：在小车前面装上几个光电开关，通过不同方向射来的光使光电开关工作，从而对小车行驶方向进行控制，根据光电开关特性，只有当光达到一定强度时才能够导通，因此带有一定的局限性。
方案二：在小车前面装上参数一致的光敏二极管或者光敏电阻，再通过A/D转换电路转换成数字量送入单片机，单片机再对读入的几路数据进行存储、比较，然后发出命令对外围进操作。对方案一、二进行比较，方案二硬件稍为复杂，但能够对不同强度的光进行采集以及比较，操作灵活，所以采用方案二。
寻找光源电路图如图7所示。
图7 寻找光源电路图
3)显示部分
方案一：采用LCD显示，用单片机可实现显示数据，但显示亮度和字体大小在演示时不尽人意，价格也比较昂贵。
方案二：采用LED七段数码管，采用经典电路译码和驱动，电路结构简单，并且可以实现单片机I/O口的并用，显示效果直观，明亮，调试容易。故采用LED数码管显示。
4)显示电路如图8所示。
图8 显示电路
3. 系统原理及理论分析
1) 单片机最小系统组成
单片机系统是整个智能系统的核心部分，它对各路传感信号的采集、处理、分析及对各部分整体调整。主要是组成是：单片机AT89S52、模数转换芯片ADC0809、小车驱动系统芯片L293D、数码管显示的译码芯片74LS47、74LS138及各路的传感器件。
2)避障原理
采用红外线避障方法，利用一管发射另一管接收，接收管对外界红外线的接收强弱来判断障碍物的远近，由于红外线受外界可见光的影响较大，因此用250Hz的信号对38KHz的载波进行调制，这样减少外界的一些干扰。 接收管输出TTL电平，有利于单片机对信号的处理。
3)计程原理
通过计算车轮的转数间接测量距离，在车轮均匀打上透光小孔，当车轮转动时，红外光透射过去，不断地输出脉冲，通过单片机对脉冲计数，再经过一个数据的处理过程，这样就可把小车走过的距离计算出来。
4)黑带检测原理
利用光的反射原理，当光线照射在白纸上，反射量比较大，反之，照在黑色物体上，由于黑色对光的吸收，反射回去的量比较少，这样就可以判断黑带轨道的走向。由于各路传感器会对单片机产生一定的干扰，使信号发生错误。因此，采用一级射极输出方式对信号进行隔离，这样系统对信号的判断就比较准确。
4. 系统程序设计
用单片机定时器T0产生38KHz的方波，再用定时器T1产生250Hz的方波对38KHz方波进行调制。为了提高小车反应灵敏度，对红外线接收信号及黑带检测信号都采用中断法来处理。用定时方法对铁片检测、计量路程、倒车、拐弯及数码管动态扫描进行处理。
主程序流程图见图9，各子程序图见图10、图11、图12。
图9 主程序流程图
图 10 外部中断0服务子程序
图 11 外部中断1服务子程序
图12 定时器1中断子程序
6．调试及性能分析
整机焊接完毕，首先对硬件进行检查联线有无错误，再逐步对各模块进行调试。首先写入电机控制小程序，控制其正反转，停机均正常。加入避障子程序，小车运转正常，调整灵敏度达最佳效果。加入显示时间子程序，显示正常。铁片检测依靠接近开关，对检测信号进行处理并实时显示和发出声光信息，无异常状况。路程显示部分是对霍尔管脉冲进行计数，为了尽量达到精确，车轮加装小磁片。接着对黑带检测模块调试，发现有时小车会跑出黑带，经判断是因为红外线收发对管灵敏度不高，调整灵敏度后仍然达不到满意效果，疑是受环境光影响，利用塑料套包围红外线收发后问题解决。趋光电路主要由三个光敏电阻构成，调整三个光敏电阻的角度同时测试软件，以最佳效果完成趋光功能。
整机综合调试，上电后对系统进行初始化，接着控制电机使小车向前行驶，突然发现系统即刻进入外部中断1，重复多次测试，结果都是自动进入该中断。推断是由刚上电时电机起动所引起，为了避免上电瞬间的影响，在启动小车后延时几毫秒，再开外部中断，结果问题解决。允许的话应采用双电源供电，即电机和电路应分开供电，L293D与单片机之间采用隔离信号控制。这样就不会出现小车启动时程序出错和数码管显示闪动的问题。在计程精度上，可用红外线原理获得较高精度。
7．结论
通过各种方案的讨论及尝试，再经过多次的整体软硬件结合调试，不断地对系统进行优化，智能小车能够完成各项功能到达车库。
8．参考文献
《单片机应用技术》
《周立功单片机》
《单片机原理与应用》
《8051单片机程序设计与实例》
《MCS-51单片机实验指导》