基于單片機的智能跟隨小車的設計與實現(xiàn)

張文霞等

【摘要】本文設計了一種能夠通過傳感器實時采集信號、智能分析周圍環(huán)境以及路徑信息、自動控制方向等功能的智能小車。小車以STC89c52單片機控制為核心，利用車前三個反射式紅外發(fā)射—接收探頭檢測周圍信息，以及利用光電傳感器檢測前方物體，并將檢測信號反饋給單片機，實現(xiàn)小車的避障和跟隨功能?；赟TC89C52單片機的智能小車系統(tǒng)結構簡單，性價比高，易于推廣和移植，具有廣闊的應用前景。

【關鍵詞】STC89C52；避障；跟隨；光電傳感器

引言

隨著科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，越來越多的智能車得到普及普及，和傳統(tǒng)汽相比，智能小車具有更好的安全性，機動性和廣泛的應用性。智能小車，也就是輪式機器的智能化成果，是一種集傳感器應用，智能芯片控制，驅動控制的高科技創(chuàng)意性設計。智能小車的功能是對指定的目標物進行跟蹤和實時的躲避障礙物，這是他與其他小車最大的區(qū)別也是最大的一個特點。小車通過紅外傳感器對目標物體進行實時識別和跟蹤，并且及時的躲避障礙物，具有靈敏性好，智能化程度高的特點。如果把它用在超市，將會極大地方便人們的生活。如果用在商城和機場，人們也不用提著沉重的行李箱滿地跑了。

1、總體方案設計

智能小車總體設計內(nèi)容：一是STC89C52芯片控制電路的設計；二是驅動電路的設計；三是光電傳感器電路的設計；四是避障系統(tǒng)的設計；五是電源穩(wěn)壓電路的設計；六是硬件的焊接組裝；七是軟件的編程調(diào)試。小車總共分為5個部分，以單片機為核心的主控模塊，電源模塊，紅外傳感模塊，驅動模塊，避障模塊。具體工作原理是：紅外傳感器在預設距離內(nèi)檢測前方是否有目標物體，如果有則自動進行跟隨。同時，紅外光電對管檢測前方障礙物，當檢測到前方有障礙物并且小于預設值時將把信息發(fā)回給單片機，控制驅動電路讓車輪停止轉動并后退繞過障礙物繼續(xù)跟隨。

2、系統(tǒng)的硬件設計

2.1主控模塊

主控模塊通過單片機利用程序來精確控制小車的運動，從而實現(xiàn)對小車的自動控制。STC89C52單片機具有控制簡單、方便、快捷等優(yōu)點，因此我們采用STC89C52單片機作為控制芯片。

2.2傳感器模塊

本設計所采用的傳感器是集發(fā)射與接收為一體的光電傳感器，具有很多其他傳感器所沒有的特性比如發(fā)射機距離遠，抗干擾能力強，結構簡單，可調(diào)節(jié)等優(yōu)良的特點[1]。紅外傳感器是利用物體對近紅外線光束的反射原理，由同步回路感應反射回來的光，據(jù)其強弱來檢測物體的存在與否。通過有無信號來輸出高低電平，然后把信號送給單片機處理，實現(xiàn)實時跟隨的功能。紅外探測法是避障模塊所使用的方法，就是利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同反射性質的特點來進行避障[2]。由于紅外光遇到白光的時候會發(fā)生漫反射，光電傳感器就可以不斷向外發(fā)射紅外光，接收管就能接收到反射回來的信號，然后發(fā)送到單片機。若遇到黑色的物體將不會接收到信號而檢測到障礙物進而啟動躲避系統(tǒng)。傳感器模塊原理圖如圖2所示。

2.3驅動模塊

驅動模塊采用L298N驅動芯片，總共有四路輸入，四路輸出。INX均接單片機的P1口，IN1和IN3口控制輪子正轉，IN2和IN4口控制輪子逆轉，通過調(diào)節(jié)輸入信號的占空比來調(diào)節(jié)小車輪子轉動的速度。當小車左側遇到障礙物時，驅動電路控制右側輪子不動，左側輪子加速轉動，進行右轉；當小車右側遇到障礙物時，情況正好相反；當小車前方遇到障礙物時，驅動電路控制輪子停止，然后反轉后退，繞過障礙物繼續(xù)前進。

2.4電源模塊

電源供電模塊，使用的是直流穩(wěn)壓[3]電源，輸入的是直流+12V電壓，運用三線穩(wěn)壓器件7805，輸出+5V直流電壓。電源部分電路設計簡單方便，同時也充分發(fā)揮了穩(wěn)壓器保護電路的作用。

3、系統(tǒng)的軟件設計

軟件設計部分決定了智能小車能否實現(xiàn)其跟隨和避障的功能，是本次設計的關鍵部分。小車程序分為以下三部分：主程序部分，跟隨和避障程序部分，驅動程序部分[4]。主程序流程圖如圖3所示。

4、仿真測試

基于PROTEUS仿真軟件，我們設計了智能跟隨小車控制電路的仿真圖，如圖4所示。

由于PROTEUS軟件中沒有紅外傳感器，所以我們用從上到下編號1-6的六個開關代替?zhèn)鞲衅?，來實現(xiàn)探測目標的功能[5]。圖中四個電機的轉動方向代表四個輪子的轉動方向，同時速度的快慢也可以從圖中顯示出來。首先，閉合開關3，表示發(fā)現(xiàn)目標物體，四個輪子正轉，并且加速前進，閉合開關4，表示遇到障礙物，輪子停止轉動并且反向轉動直到障礙物離開檢測范圍。斷開開關3、4，閉合開關5，表示目標物體向左移動，此時左側輪子停止轉動，右側輪子正轉并且加速轉動，當小車右側出現(xiàn)目標物是動作與之相反。閉合開關6，表示左側有障礙物，這時右側輪子不動，左側輪子正轉，實現(xiàn)向右轉向的目的。當小車右側出現(xiàn)障礙物時動作與之相反。

5、系統(tǒng)調(diào)試

先進行硬件調(diào)試，通過仿真好的電路圖[6]，用萬用表檢測已經(jīng)焊好的電路板上每一個節(jié)點是否有短路、斷路和接觸不良的情況，看各個節(jié)點電壓是否正常。當硬件調(diào)試沒有問題，完成了以后進行軟件調(diào)試，通過修改各個接口對應的程序進行調(diào)試，最終完成軟件的修改，達到了預期的效果。

6、結束語

本次項目設計非常成功，通過老師的指導和我們的團隊合作，小車很好了實現(xiàn)了其跟隨和避障的功能效果。最然在開始我們對這個項目沒有任何的頭緒，但是經(jīng)過我們共同的努力成功完成了這個作品，每一個人都感到了團隊合作的艱辛和成功后的喜悅。通過實驗測試智能跟隨小車的靈敏性，效果良好，能夠很好的按照預期完成指定動作，并且運行穩(wěn)定。

參考文獻

[1]周繼明，江世明.傳感器技術及應用[M].長沙：中南大學出版社，2005.

[2]馮博琴，吳寧.微型計算機原理與接口技術[M].北京：清華大學出版社，2011.

[3]余錫存，曹國華.單片機原理及接口技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007.

[4]李學禮.基于Proteus 的8051單片機的實例教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[5]譚浩強.C++面向對象程序設計[M].清華大學出版社，2006.

[6]周潤景，郝曉霞.傳感器與檢測技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[7]來清民.傳感器與單片機接口及實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

作者簡介

張文霞，女，1982年生，鄂爾多斯市人，在讀博士，講師，工作于內(nèi)蒙古大學鄂爾多斯學院，研究方向為圖像處理及模式識別。