無線遙控及紅外自動追蹤小車

紅外追蹤及無線遙控小車劉源歐陽建安秦勇西南石油大學(xué)自動化07級02班摘要：詳細(xì)闡述了微型紅外追蹤及無線遙控車的設(shè)計(jì)過程,并給出了主要電路圖。該微型紅外追蹤及無線遙控車可以按設(shè)定路線自主行走,并可通過無線遙控實(shí)現(xiàn)路線選擇及較精確定位,同時,用紅外線實(shí)現(xiàn)了對特定目標(biāo)的跟蹤,使該微型紅外追蹤及無線遙控車具有了智能化。關(guān)鍵詞：單片機(jī);紅外跟蹤;無線遙控1引言工業(yè)生產(chǎn)、生活的自動化都離不開智能化的機(jī)器,譬如:人們對未知空間的探索,對單調(diào)工作的替代,在危險(xiǎn)環(huán)境中的操作等都需借助于智能化的行走、運(yùn)動機(jī)構(gòu)。微型車作為最常用的行走機(jī)構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)與生活中得到了廣泛的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)是基于單片機(jī)的微型紅外追蹤及無線遙控車設(shè)計(jì)過程。2設(shè)計(jì)過程2.1總體結(jié)構(gòu)圖1系統(tǒng)原理圖兩個微型直流伺服電機(jī)驅(qū)動微型四輪車,其中的一個電機(jī)用于控制微型車的前進(jìn)、后退;另外一個電機(jī)用于控制微型車的方向(左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)),并選用了常用的AT89C51單片機(jī)作為微型控制器件的核心。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中用圖1系統(tǒng)原理圖AT89C51的P2口作為無線遙控、紅外跟蹤器以及限位停車等信號的輸入口;外部中斷INT0、INT1分別作為無線遙控和限位停車信號的中斷輸入口;而紅外跟蹤通過端口查詢的方式實(shí)現(xiàn);P0口輸出作為驅(qū)動電機(jī)的控制信號,并根據(jù)外部指令實(shí)現(xiàn)對微型車的啟、停,前進(jìn)、后退,左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)及組合控制。主驅(qū)動電路全部用三極管實(shí)現(xiàn),主驅(qū)動電路如圖2圖1系統(tǒng)原理圖2.2紅外跟蹤2.2.1紅外跟蹤原理圖2微型電機(jī)的主驅(qū)動電路圖3微型車紅外跟蹤結(jié)構(gòu)示意圖要實(shí)現(xiàn)跟蹤功能,必須進(jìn)行被跟蹤物體的位置檢測。我們設(shè)計(jì)了由紅外發(fā)射、接收管構(gòu)成的模擬人眼的紅外跟蹤器。該跟蹤器結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉,能實(shí)現(xiàn)對指定目標(biāo)的跟蹤,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。圖中為微型車加裝了一對紅外接收器作為眼睛,并在兩個眼睛之間增加擋板。當(dāng)被跟蹤目標(biāo)上的紅外發(fā)光管發(fā)出的紅外光被裝在跟蹤小車上的紅外接收管收到后,可根據(jù)這兩只接收器的輸出信號判斷目標(biāo)的相對方位。即當(dāng)一只接收管收到信號后可斷定目標(biāo)在該接收管的一側(cè),令小車轉(zhuǎn)向該向行駛;當(dāng)兩只接收器同時收到信號后可斷定目標(biāo)在前方,令小車直行或停止(可據(jù)接近開關(guān)判斷假設(shè)已跟上了目標(biāo)那么停車圖2微型電機(jī)的主驅(qū)動電路圖3微型車紅外跟蹤結(jié)構(gòu)示意圖2.2.2紅外跟蹤器的設(shè)計(jì)2.2.2.1紅外跟蹤器的總體設(shè)計(jì)圖4常用發(fā)射器原理圖紅外線為不可見光,對環(huán)境污染很小,并且紅外線波長遠(yuǎn)小于無線電波的波長,不會影響鄰近的無線電設(shè)備。另外波長小于1.5μm的近紅外光,在透明大氣中的傳播特性要比可見光好得多,而且由于它靠近可見光的紅光邊緣,其直線傳播、反射、折射和被物質(zhì)吸收等物理特性與可見光非常相似。因此,它可以使用與可見光類似的聚焦透鏡等光學(xué)裝置。另外紅外線為不可見光線,具有很強(qiáng)的隱蔽性和保密性。一般紅外遙控器的原理如圖4和圖5所示。針對單目標(biāo)的跟蹤,選用只有一個指令信號傳送通道的單通道紅外頻率編碼遙控電路,即遙控發(fā)射器中的頻率編碼電路只發(fā)一個頻率的信號,而接收器中也只有一個與之相對應(yīng)的頻率解碼電路(選頻電路)。故而省去了圖4中的指令鍵、指令編碼和載波振蕩電路。而用第一調(diào)制電路將驅(qū)動輸入調(diào)制為高頻信號(本系統(tǒng)調(diào)制為38kHz),而用第二調(diào)制電路使紅外發(fā)光管發(fā)出高圖5常用接收器原理圖頻紅外光。并且系統(tǒng)采用了單片機(jī)作為中央處理器,接收電路中可省去驅(qū)動與執(zhí)行電路。圖4常用發(fā)射器原理圖圖5常用接收器原理圖2.2.2.2紅外發(fā)射器的設(shè)計(jì)圖7A、B`、B點(diǎn)輸出的波形圖6紅外發(fā)射電路圖紅外線發(fā)射器中包含指令編碼及紅外管的驅(qū)動兩大局部。對于單通道的發(fā)射器指令編碼局部可用高頻振蕩器代替,該振蕩器發(fā)出的高頻振蕩信號經(jīng)放大驅(qū)動紅外發(fā)光管,使紅外發(fā)光管在脈沖驅(qū)動電流的驅(qū)動下,發(fā)出同頻率的脈動紅外光。用脈動電流驅(qū)動能減小發(fā)射器電源消耗,延長紅外發(fā)光二極管使用壽命及提高遙控發(fā)射距離。并且,日光、燈光等光線均不是脈動紅外光,可使固定頻率的脈動紅外光較易檢波,提高了系統(tǒng)的抗干擾性。單通道紅外遙控發(fā)射電路如圖6所示。在發(fā)射電路中使用了一片高速CMOS型四重二輸入“與非”門74HC00。其中“與非”門3、4組成載波振蕩器，振蕩頻率f0調(diào)在38kHz左右；“與非”門1、2組成低頻振蕩器，振蕩頻率f1不必精確調(diào)整。f1對f0進(jìn)行調(diào)制，所以從“與非”門4輸出的波形是斷續(xù)的載波，這也是經(jīng)紅外發(fā)光二極管傳送的波形。幾個關(guān)鍵點(diǎn)的波形如圖7所示，圖中B′波形是A點(diǎn)不加調(diào)制波形而直接接高電平時B點(diǎn)輸出的波形。由圖7可以看出，當(dāng)A點(diǎn)波形為高電平時，紅外發(fā)光二極管發(fā)射載波；當(dāng)A圖7A、B`、B點(diǎn)輸出的波形圖6紅外發(fā)射電路圖2.2.2.3紅外接收器的設(shè)計(jì)圖8，接收電路原理含光電轉(zhuǎn)換、頻率選擇放大兩大局部。光電轉(zhuǎn)換即為光敏管將收到的紅外光轉(zhuǎn)換為電信號,頻率選擇電路那么實(shí)現(xiàn)對特定頻率作出響應(yīng)。經(jīng)研究本系統(tǒng)采用了LM567集成鎖相環(huán)選頻電路實(shí)現(xiàn)對頻率的鎖定。該接收器的原理圖如圖8所示。對將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的紅外接收管的輸出經(jīng)多級CMOS非門構(gòu)成的前置放大器放大后,輸入LM567的3腳,當(dāng)LM567的3腳輸入信號的頻率落在其內(nèi)部壓控振蕩器圖8，接收電路原理中心頻率fo附近時(fo=1/1.1RC)邏輯輸出端8腳將由高電平變?yōu)榈碗娖?輸出一個負(fù)脈沖。利用這一脈沖即可置單片機(jī)的P2口,實(shí)現(xiàn)跟蹤器輸出信號的檢測,并由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動,完成微型車的紅外跟蹤。2.2.2.4紅外接收、發(fā)射調(diào)試當(dāng)LM567的③腳輸入幅度≥25mV、頻率在其帶寬內(nèi)的信號時，我們將LM567的中心頻率調(diào)到與發(fā)射器中“與非”門1、2振蕩頻率相同，即使f2=f1。那么當(dāng)發(fā)射器發(fā)射信號時，LM567便開始工作，⑧腳由高電平變?yōu)榈碗娖剑眠@個變化的電平便可去控制各種對象。2.3無線遙控與紅外遙控相比,無線遙控的最大特點(diǎn)是無線電波波長較長,無線電波可以穿過遮擋物去控制被控對象,所以遙控時發(fā)射器無須對準(zhǔn)接收器,遙控可靠方便,所以本系統(tǒng)首選無線電波實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙控功能。本系統(tǒng)選用了四通道的通用無線發(fā)射、接收器,該遙控器在發(fā)射鍵按下后,接收器端產(chǎn)生一個公用的發(fā)射器工作脈沖INT及與發(fā)射器編碼相應(yīng)的編碼信號JIAN。將INT及JIAN分別作為中斷及輸入信號與單片機(jī)接口,即INT與單片機(jī)的INT0,JIAN與單片機(jī)的P2口接口。使得當(dāng)按下發(fā)射器的按鍵時觸發(fā)單片機(jī)的INT0中斷,在中斷效勞程序中讀取P2口中的無線接收器編碼信號,并對無線遙控的指令及時作出響應(yīng),以便到達(dá)可靠、精確的控制目的。同時為了實(shí)現(xiàn)多功能的遙控功能,可將這四通道遙控器的四個通道進(jìn)行邏輯組合,也就是除了對A、B、C、D四個通道按鈕分別編程控制路線1、路線2、路線3、停止等程序外,還可如AB、ABC、BD等的自由組合鍵進(jìn)行編程,從而構(gòu)成功能強(qiáng)大的無線遙控系統(tǒng)。3軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是在keil51環(huán)境下用匯編語言實(shí)現(xiàn)的。軟件總體共分為初始化、主程序及中斷效勞程序幾大局部:初始化局部主要完成端口定義及中斷矢量初始化。主程序包含系統(tǒng)對各個端口的監(jiān)控及確保系統(tǒng)能順利運(yùn)行的指令。如:端口查詢局部完成系統(tǒng)在未接受到中斷信號時對某些端口狀態(tài)的查詢以實(shí)現(xiàn)紅外跟蹤、狀態(tài)監(jiān)控、運(yùn)行指示等功能,中斷效勞程序那么根據(jù)中斷源及遙控解碼信號完成對相應(yīng)中斷的響應(yīng)。為使得系統(tǒng)的功能更加完善,行更加可靠,作者對軟件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了屢次的調(diào)整,其中包括將外部限位停車信號由狀態(tài)查詢改為外部中斷,并使它具有最高的優(yōu)先級,以保證無論在遙控或跟蹤狀態(tài)下都能做到先停車、再重新判斷執(zhí)行的可靠控制性能,而將紅外跟蹤用查詢的方式實(shí)現(xiàn),這使得紅外跟蹤可以在無線遙控及限位停車信號的雙重保護(hù)下平安運(yùn)行,從而大大地提高了系統(tǒng)的可靠性。屢次軟件試及試驗(yàn)說明這樣的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。4結(jié)語微型紅外追蹤及無線遙控車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,制作方便,樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果說明能夠完成對既定目標(biāo)的跟蹤,并能按指定路線行走,且對無線遙控指令響應(yīng)靈敏,但目前它只能完成對特定目標(biāo)的跟蹤任務(wù),自主行走也僅限于給定的路線,且尚未考慮紅外測距,以實(shí)現(xiàn)