基于STC89C52單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì)

索南尖措　楊建　周歡歡　楊倩

【 摘 要 】 論文項(xiàng)目是基于STC89C52單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，小車完成的主要功能是能夠自主識(shí)別黑色引導(dǎo)線并根據(jù)黑線走向?qū)崿F(xiàn)快速穩(wěn)定的尋線行駛。小車系統(tǒng)以 STC89C52單片機(jī)為系統(tǒng)控制處理器，采用ST178紅外傳感器獲取道路的信息，來(lái)對(duì)小車的方向和速度進(jìn)行控制。此外，對(duì)整個(gè)控制軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和程序的編制以及程序的調(diào)試，并最終完成軟件和硬件的融合，實(shí)現(xiàn)小車的預(yù)期功能。

【 關(guān)鍵詞 】 智能小車；自動(dòng)循跡；紅外探測(cè)法；STC89C52單片機(jī)

【 中圖分類號(hào) 】 TP23 【 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 】 A

【 Abstract 】 This project is to design and implement smart car based on STC89C52 SCM. The main feature completed by the smart car is the ability to identify the black guide lines automatically and to achieve fast and stable race hunting according to the direction of the black wire. Trolley system uses STC89C52 SCM as the system control processor； adopts ST178 infrared sensor to obtain information of the roads in order to control direction and speed of the smart car. In addition， through designing the entire control software， compiling and debugging the program and accomplishing the integration of the software and hardware to achieve the desired functions of the car.

【 Keywords 】 smart car； automatic race hunting； infrared detection method； stc89c52 scm

1 引言

智能車輛也叫無(wú)人車輛，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策和多等級(jí)輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。它具有道路障礙自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)制動(dòng)、自動(dòng)保持安全距離、車速和巡航控制等功能。

智能車輛的主要特點(diǎn)是在復(fù)雜的道路情況下，能自動(dòng)地操縱和駕駛車輛繞開(kāi)障礙物并沿著預(yù)定的道路（軌跡）行進(jìn)。智能循跡小車有基于傳感器實(shí)現(xiàn)的，也有基于圖像視覺(jué)實(shí)現(xiàn)的。本文的小車是使用傳感器感知路線和障礙并做出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作，擁有自動(dòng)導(dǎo)引功能和避障功能。智能循跡小車能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)識(shí)別路線，判斷并自動(dòng)避開(kāi)障礙物，選擇正確的行進(jìn)路線。智能循跡小車的實(shí)現(xiàn)，未來(lái)在對(duì)軍事偵察與環(huán)境監(jiān)測(cè)、探測(cè)危險(xiǎn)與排除險(xiǎn)情、安全監(jiān)測(cè)受損評(píng)估、智能家居方面都會(huì)得到很大的應(yīng)用，而且還能為智能交通的實(shí)現(xiàn)提供一些幫助。本文基于STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款智能小車，并實(shí)現(xiàn)了智能循跡、智能避障等功能。

2 智能小車的硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能循跡小車的總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于STC89C52單片機(jī)，STC89C52是低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)。智能小車系統(tǒng)的組成主要包括傳感器檢測(cè)部分、執(zhí)行部分、CPU。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能，還可以擴(kuò)展循跡等功能，感知導(dǎo)引線和障礙物。可以實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)識(shí)別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，并檢測(cè)到障礙物自動(dòng)躲避。

本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)兩個(gè)減速電機(jī)，分別置于車體兩端控制左右車輪；后輪使用萬(wàn)向輪，維持車身平衡；ST178紅外光電開(kāi)關(guān)置于車體前方；電池盒置于主板下方。在制作車輪時(shí)，經(jīng)過(guò)反復(fù)考慮論證，制作了左右兩輪分別驅(qū)動(dòng)，后方向輪轉(zhuǎn)向的方案。在安裝兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)后，再在小車后方安裝一個(gè)可以180度轉(zhuǎn)換的后輪，不僅起支撐作用，而且在小車轉(zhuǎn)彎時(shí)起到減少摩擦的作用。對(duì)于車架材料的選擇，鑒于方便性，筆者選擇了電路板。

自動(dòng)循跡小車以控制芯片為核心，經(jīng)焊接相關(guān)芯片用電路板自制而成，通過(guò)I/O口檢測(cè)信號(hào)，輸出信號(hào)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)兩個(gè)減速電機(jī)控制其前進(jìn)、停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。小車就是根據(jù)LM339比較器來(lái)采集高低電平來(lái)確定路面信息，具體為檢測(cè)信號(hào)則為三組紅外發(fā)射和接收管，當(dāng)小車行駛在貼有黑色膠帶的白紙上時(shí)，小車發(fā)出的紅外線被黑色膠帶吸收，被白色的白紙所反射，所以紅外線可以接收到由白紙反射來(lái)的信號(hào)，然后將此信號(hào)傳送到單片機(jī)的I/O口顯示為高電平；接收不到射到黑色路線上的信號(hào)， I/O口顯示低電平信號(hào)。整體框圖如圖1所示。

2.2 STC89C52單片機(jī)簡(jiǎn)述

STC89C52是低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器PEROM和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，MCS-51是標(biāo)準(zhǔn)的40腳雙列直插式集成電路芯片，其具體功能在文獻(xiàn)[9]中有詳細(xì)介紹。

STC89C52中的高增益反向放大器與反饋器件一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路參見(jiàn)圖2。而石英晶體和陶瓷諧振器都可以作為反饋器件使用。如果使用石英晶體，建議電容使用30PF±10PF，而陶瓷振蕩器建議使用40PF±10PF。

2.3 紅外探測(cè)法循跡模塊設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中，小車循跡的方法采用了紅外探測(cè)法進(jìn)行道路信息監(jiān)測(cè)，即采用ST178型光電對(duì)管發(fā)出紅外線，然后根據(jù)小車上的接收管接收的反射光確定路面信息。在小車沿著白紙黑線的路面行駛時(shí)，紅外線射到黑線上時(shí)，由于黑色對(duì)所以顏色光線都有吸收作用，所以，接收管接收不到反射光線；當(dāng)紅外線射到白紙上時(shí)，由于白色只能吸收白色光線，所以會(huì)對(duì)紅外線進(jìn)行反射，反射光線被小車上的接收管接收，再通過(guò)LM339作比較器來(lái)采集高低電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)路面的監(jiān)測(cè)。其電路圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.4 LED電源開(kāi)關(guān)顯示電路

電源開(kāi)關(guān)采用LED作為指示燈，當(dāng)電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)燈便會(huì)亮，電源開(kāi)關(guān)未打開(kāi)時(shí)燈便會(huì)熄滅。

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目綜合考慮到體積、重量、安裝等方面的原因，選擇采用直流減速電機(jī)，其原理是電機(jī)提供原始動(dòng)力，然后產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力帶動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)。然后采用功率三極管，作為功率放大器控制直流電機(jī)，現(xiàn)市面上有很多此種芯片，本項(xiàng)目選用了L298N，L298N是內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，并具有高頻率的特征，如圖4所示。

P0.0，P0.1，P0.2，P0.3 分別通過(guò)LG9110機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)1和電機(jī)2，然后，由電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)來(lái)完成智能小車的相應(yīng)動(dòng)作。

3 智能循跡小車的軟件設(shè)計(jì)

本程序通過(guò)前方的紅外探頭來(lái)檢測(cè)地面的信號(hào)，根據(jù)道路的要求，當(dāng)?shù)缆窞楹谏珪r(shí)，紅外接收到信號(hào)，與地面檢測(cè)的紅外相應(yīng)端口低電平，當(dāng)?shù)缆窞榘咨珪r(shí)，與地面檢測(cè)的紅外相應(yīng)端口為高電平，我們就可以根據(jù)這和判斷條件來(lái)進(jìn)行道路黑白線的尋找，其程序流程圖如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是一個(gè)軟硬結(jié)合的一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中以硬件設(shè)計(jì)為主。在本設(shè)計(jì)中硬件的核心是單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及紅外光電傳感器的設(shè)計(jì)。要想完整出色的完成本設(shè)計(jì)要對(duì)單片機(jī)的硬件及電路的設(shè)計(jì)有充分的了解，所以筆者在做本設(shè)計(jì)時(shí)，一邊查資料，一邊復(fù)習(xí)之前學(xué)過(guò)的相關(guān)知識(shí)。不僅如此，此項(xiàng)目的智能小車在完成設(shè)計(jì)的前提下，充分考慮了外觀、成本等問(wèn)題，在性能和價(jià)格之間作了較好的平衡。

參考文獻(xiàn)

[1] 汪明磊.智能車輛自主導(dǎo)航中避障路徑規(guī)劃與跟蹤控制研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[2] 朱愿.基于視覺(jué)和雷達(dá)的智能車輛自主換道決策機(jī)制與控制研究[D].中國(guó)人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院，2014.

[3] 李明.智能車輛避障路徑規(guī)劃及橫向控制研究[D].大連理工大學(xué)，2013.

[4] 程結(jié)園，張濤.基于圖像處理的智能車輛系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，06：45-47.

[5] 崔根群，余建明，趙嫻，趙叢琳.基于視覺(jué)傳感器的自主車輛地面自動(dòng)辨識(shí)技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，10：8-11+16.

[6] 李菲，邵越然，趙明輝.基于單目視覺(jué)的汽車追尾預(yù)警系統(tǒng)研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，20：53-56.

[7] 冀勇鋼，張彥朋，鄭漢明.攝像頭識(shí)別的智能車硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，10：136-138.

[8] 周鵬. 基于STC89C52單片機(jī)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，22：10-13.

[9] 王勁松，樊鑫國(guó)，王洋，關(guān)放.基于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的新型六足爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，04：448-453.

[10] 余熾業(yè)，宋躍，雷瑞庭.基于STC12C5A60S2的智能循跡小車[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，11：46-49+121.

基金項(xiàng)目：

西藏大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2015QCX090）。

作者簡(jiǎn)介：

索南尖措（1977-），男，藏族，青海海南藏族自治州人，副教授，碩士；主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：藏語(yǔ)自然語(yǔ)言處理。

楊建（1993-），男，漢族，云南曲靖人，本科在讀生；主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：嵌入式開(kāi)發(fā)。

周歡歡（1994-），女，湖南衡陽(yáng)人，本科在讀生；主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：數(shù)學(xué)建模及其應(yīng)用、交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理。

楊倩（1994-），女，陜西漢中人，本科在讀生；主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：數(shù)學(xué)建模及其應(yīng)用、交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理。