基于AVR單片機的GPS導航小車設(shè)計

黃睿

摘 要： 首先對基于單片機的GPS導航小車進行了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，說明了小車模型的意義，實現(xiàn)自動行駛功能；其次分別介紹了單片機控制器、GPS模塊、無線傳輸模塊和小車模型等硬件部分；再次對系統(tǒng)軟件設(shè)計做了詳細說明；最后對設(shè)計做了總結(jié)，實現(xiàn)了預期目標。

關(guān)鍵詞： GPS導航； AVR單片機； 無線傳輸； 自動行駛

中圖分類號： TP 967.1 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2016）02-0086-03

0 引 言

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡稱，起源于美國并廣泛應(yīng)用于軍事戰(zhàn)爭。近年來隨著GPS技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸多元化[1]，在國民經(jīng)濟生產(chǎn)中也發(fā)揮著重要作用，對于GPS技術(shù)在汽車方面的應(yīng)用也成為了目前熱門研究方向之一。隨著家用汽車的普及、大氣污染的日益加劇、惡劣環(huán)境下的自動駕駛功能就格外重要，而利用GPS導航恰恰可以解決這一難題。本文以自動導航小車為研究模型，探討了車輛監(jiān)控、自動駕駛的可行性，旨為工業(yè)化應(yīng)用提供借鑒。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)從功能上可以分為三個部分：定位、通訊和監(jiān)控。在對小車GPS定位以后，通過無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，獲取有效數(shù)據(jù)，即坐標和運行狀態(tài)。GPS信號發(fā)送至GPS接收機，然后通過硬件實現(xiàn)信號處理，將處理后的信號發(fā)送到單片機控制端，提取數(shù)據(jù)，經(jīng)過與預設(shè)值的比對和算法控制，實現(xiàn)小車的自動導航行駛。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 AVR單片機控制器

AVR是美國Atmel公司生產(chǎn)的增強RISC內(nèi)在Flash的高性能8位單片機[2]，它的串口可以同時與多模塊通信，片內(nèi)Flash程序存儲器集成度非常高，可以大大減少外圍元器件的使用，提高系統(tǒng)性能。這里選用AVR系列中性能最強大的ATmega128芯片[3]，該芯片是一種性能高、功耗低的處理器，擁有64個引腳，可重復編程的Flash空間為128kb，4kb EEPROM，4kb內(nèi)部SRAM[4]。具有優(yōu)秀的RISC結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有易失性的數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器、8路10位ADC，含有2個8位定時器/計數(shù)器、2個16位定時器/計數(shù)器、2路8位PWM和SPI，JTAG，USART等數(shù)據(jù)接口。

2.2 GPS模塊

GPS模塊采用環(huán)天BR-355，它具特殊輕巧造型及100%防水設(shè)計，使用SiRF Star III 芯片組加上內(nèi)建的主動型陶瓷天線讓定位更為精準，特別適合配合各種戶外活動時使用，防滑的底部可方便運用在各種車輛、船只及航空器。小車通過GPS模塊實現(xiàn)定位功能，GPS模塊中核心單元為GPS接收機，GPS接收機在工作狀態(tài)時會持續(xù)接收GPS導航定位信息，并將數(shù)據(jù)計算后通過串口上傳到計算機中。GPS接收機包括主機和外設(shè)兩部分。主機主要由射頻RF、通信信道、數(shù)據(jù)存儲與計算三大部分組成。外接設(shè)備主要包括電源、GPS天線、前置放大器和顯示器。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2中，GPS模塊通過天線接收衛(wèi)星定位信號[5]，提供對應(yīng)數(shù)據(jù)，起到實時監(jiān)控小車狀態(tài)的作用，并把數(shù)據(jù)送給單片機控制器，通過程序的編譯進行數(shù)據(jù)處理。

2.3 無線傳輸系統(tǒng)

整個監(jiān)控系統(tǒng)中，上位機和單片機控制器以無線通信的方式傳輸數(shù)據(jù)。上位機通過無線傳輸模塊給單片機發(fā)送控制指令，以及完成數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

本系統(tǒng)采用AVR單片機和nRF24L01無線芯片，nRF24L01是一款工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM頻段的單片機無線收發(fā)器芯片，其具有數(shù)據(jù)傳送量大、抗干擾能力強、穩(wěn)定性好、耗能低等優(yōu)點。通過單片機的10個I/O接口直接與nRF24L01相連。AVR單片機主要完成數(shù)據(jù)的采集和處理，向nRF24L01發(fā)送數(shù)據(jù)并且接收上位機通過nRF24L01傳送過來的數(shù)據(jù)。無線芯片電源使用3.3 V供電，決定nRF24L01模塊工作模式的引腳分別與單片機的相應(yīng)I/O控制口相連，保證正常工作狀態(tài)下，nRF24L01的工作模式可以由單片機內(nèi)實時運行的程序來決定。

2.4 導航小車

本研究采用小車為自主組裝模型，根據(jù)實驗需求將車載模塊安裝在前驅(qū)小車模型內(nèi)，通過單片機對集成芯片L298N的控制。L298N是一種雙H橋電機驅(qū)動芯片，其中每個H橋可以提供2A的電流，由IN1～IN4引腳接收單片機的高低電平控制信號，ENA和ENB為使能端。用兩個小電機分別連接小車的左前輪和右前輪，單片機指令控制電機的正傳與反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)小車的運行狀態(tài)調(diào)整。兩個電機采用的是普通直流電機，其結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速性能好、過載能力強、可調(diào)范圍寬，能夠滿足頻繁切換電動機運行狀態(tài)的實驗需求。

3 軟件設(shè)計

通過GPS模塊來采集小車運行信息，根據(jù)參數(shù)對比，判斷小車運行狀態(tài)是否正常：如果符合預設(shè)值，保存數(shù)據(jù)并繼續(xù)監(jiān)控；反之，檢查無線通信模塊是否正常，如果有問題，返回初始狀態(tài)，如果通訊無問題，報告給控制端進行調(diào)節(jié)。具體流程圖如圖4所示。

系統(tǒng)初始化主要包括控制器串行通信端口重點初始化、顯示器初始化、GPS模塊和無線模塊初始化等。GPS數(shù)據(jù)先后經(jīng)過接收、解析和顯示三個處理階段。系統(tǒng)采用的調(diào)試軟件為ATMEL AVR Studio，該軟件具有語言編譯、程序下載、軟件仿真和硬件仿真等功能，是與AVR單片機配套的集成環(huán)境匯編與開發(fā)調(diào)試軟件。

系統(tǒng)的軟件部分在自動控制原理中可視為一個閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)小車實時的信息控制小車的運行狀態(tài)，每次調(diào)整后會運行一個周期，然后進行第二輪的數(shù)據(jù)采集，判定以及小車的控制，直至達到系統(tǒng)平衡狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文以GPS自動導航小車為模型，探索了車輛監(jiān)控、自動駕駛的可行性。設(shè)計結(jié)果基本實現(xiàn)預期目標，但是在系統(tǒng)的精確性和快速性還有待改善。在以后的實驗中，將會以多點監(jiān)控為目標，實現(xiàn)群體控制。

參考文獻：

[1] 白雪，徐雷鈞，劉國海，等. 基于單片機的GPS定位信息采集系統(tǒng)[J]. 微計算機信息，2008，24（8）：228-229.

[2] 宋建國. AVR單片機原理及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，1998.

[3] 劉海成. AVR單片機原理及測控工程應(yīng)用[M]. 北京航空航天大學出版社，2008：4-5，72—75.

[4] 王勇. 基于AVR單片機的一體化GPS接收機設(shè)計[J].自動化儀表，2008（29）：65-67.

[5] CHADIL N，RUSSAMEESAWANG A.KEERATIWINTAKORN PHONGSAK.Real-time tracking management system using GPS，GPRS and Google Earth[R]. 5th International Conference on Electrical Engineering/Electronics，Telecommunications and Information Technology，Thailand，2008：393-395.

（責任編輯：徐興華）