基于51單片機(jī)的智能循跡避障遙控小車

謝菁

【摘要】隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，智能化小車逐漸被應(yīng)用到更多領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)的智能小車采用STC12C5A60S2單片機(jī)為主控芯片，以Keil μVision4軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，經(jīng)過(guò)軟、硬件綜合設(shè)計(jì)，小車可以實(shí)現(xiàn)紅外遙控、紅外循跡和超聲波避障等功能。

【關(guān)鍵詞】STC12C5A60S2單片機(jī);紅外遙控;直流電機(jī);Keil μVision4

引言

目前，智能車發(fā)展速度迅猛，是融合了計(jì)算機(jī)、造型技術(shù)、傳感技術(shù)、電子、機(jī)械、控制、人工智能等多個(gè)學(xué)科交叉的科技創(chuàng)新技術(shù)，在各個(gè)領(lǐng)域扮演著重要角色。同時(shí)，在國(guó)家級(jí)、省級(jí)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽以及其它創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽中幾乎每次都能找到智能車類型題目的蹤影，并且全國(guó)各類高校對(duì)該方向的題目研究也非常重視。因此，具有廣闊的應(yīng)用前景和較大的研究意義。在實(shí)踐過(guò)程中，熟悉以單片機(jī)為核心控制芯片，采用智能控制算法實(shí)現(xiàn)小車的遙控、循跡和避障等功能。

一、總體方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采取的主控芯片是宏晶科技公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)。硬件電路主要由五部分組成，分別為：?jiǎn)纹瑱C(jī)主控模塊，電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外遙控模塊、循跡檢測(cè)模塊和超聲波避障模塊。如圖1所示。

通過(guò)紅外遙控系統(tǒng)的編/解碼專用集成電路芯片來(lái)進(jìn)行遙控操作;利用紅外收發(fā)管，根據(jù)紅外信號(hào)對(duì)不同顏色產(chǎn)生不同反射系數(shù)的原理，根據(jù)接收管輸出電壓的變化，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)來(lái)確定小車行走方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)循跡功能;利用超聲波測(cè)量小車與障礙物之間的距離，再通過(guò)舵機(jī)控制超聲波模塊對(duì)不同方向的障礙物進(jìn)行探測(cè)，將測(cè)試數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)就可以根據(jù)傳感器發(fā)來(lái)的信號(hào)發(fā)出命令讓小車開(kāi)始改變?cè)嫉姆较颍瑥亩鴮?shí)現(xiàn)避障功能。

二、系統(tǒng)硬件部分

（1）單片機(jī)控制模塊

由STC12C5A60S2單片機(jī)構(gòu)成的最小應(yīng)用系統(tǒng)如圖2所示，主要由電源電路、復(fù)位電路、振蕩電路和單片機(jī)4個(gè)部分組成。

（2）電源模塊

本設(shè)計(jì)中我們將單片機(jī)及其外圍電路和直流電機(jī)分開(kāi)供電，使兩者互相不影響，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供電。采用5V蓄電池直接給單片機(jī)及其外圍邏輯電路供電，用2節(jié)4.2V鋰電池串聯(lián)的方式給直流電機(jī)供電。蓄電池具有較長(zhǎng)的續(xù)航能力以及電壓輸出的值基本不怎么變化，外圍邏輯電路穩(wěn)定運(yùn)行，2節(jié)鋰電池電量較足，大大增強(qiáng)小車?yán)m(xù)航能力并且也可重復(fù)利用。

（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

為提高小車運(yùn)行的穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)為四驅(qū)智能小車，采用集成雙H橋集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。L298是全橋驅(qū)動(dòng)芯片，具備高電壓、大電流的特點(diǎn)，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。一個(gè)L298芯片可以兩個(gè)直流電機(jī)。L298N功率部分的供電電壓在2.5～48V，一般情況需要大于6V才能正常工作，邏輯部分需要5V電壓供電，可以接受TTL電平，輸出電流可達(dá)2.5 A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。左側(cè)電路原理圖如圖3所示，右側(cè)與之相同。

（4）紅外遙控模塊

紅外遙控系統(tǒng)主要由發(fā)射和接收兩部分構(gòu)成，應(yīng)用編碼/解碼專用集成電路芯片來(lái)進(jìn)行控制操作。發(fā)射部分包括鍵盤(pán)矩陣、編碼調(diào)制、LED 紅外發(fā)送器;接收部分包括光、電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路。本設(shè)計(jì)采用的是車載MP3遙控器HS-021和1838紅外接收頭組成紅外遙控模塊對(duì)小車進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)中考慮到一個(gè)1838紅外接收器接受角度范圍有限只有+/-35°在某些角度上存在明顯的檢測(cè)盲區(qū)。故選用四個(gè)1838接收器結(jié)合構(gòu)成一個(gè)全方位紅外接收器。

（5）循跡檢測(cè)模塊

本次采用的紅外收發(fā)管，利用比較芯片LM339根據(jù)四路接收管的電壓和四路滑動(dòng)變阻器輸出的參考電壓分別進(jìn)行比較后輸出相應(yīng)電平。當(dāng)小車進(jìn)入循跡模式后，單片機(jī)開(kāi)始不停掃描I/O口，利用紅外信號(hào)對(duì)白色地板和黑線不同的反射系數(shù)，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O口有有效信號(hào)，單片機(jī)對(duì)紅外傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)入判斷程序進(jìn)行處理，進(jìn)而控制小車的走向，最終完成循跡功能。

（6）超聲波避障模塊

本次設(shè)計(jì)選用HC-SR04超聲波模塊，由超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路組成。HC-SR04超聲波模塊能提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可高達(dá)3mm，盲區(qū)2cm左右。利用單片機(jī)給控制口（Trig）發(fā)一個(gè)10μs以上的高電平觸發(fā)超聲波模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz 的方波。在40khz發(fā)出后，接收口（Echo）自動(dòng)輸出高電平的回響信號(hào)。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到接收口高電平的時(shí)候定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物后返回。接收口檢測(cè)到回波信號(hào)時(shí)停止輸出回響信號(hào)，該端口變?yōu)榈碗娖胶髥纹瑱C(jī)就立即停止計(jì)時(shí)。讀取定時(shí)器的值就是一次測(cè)距的時(shí)間，根據(jù)超聲波運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t和速度v就可以算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S，即：S=vt/2，如此不斷的周期測(cè)，就可以移動(dòng)測(cè)量距離，將測(cè)試數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)就可以根據(jù)傳感器發(fā)來(lái)的信號(hào)發(fā)出命令讓小車開(kāi)始改變?cè)嫉姆较?，從而?shí)現(xiàn)避障功能。

三、系統(tǒng)軟件部分

對(duì)于單片機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，不僅僅需要系統(tǒng)硬件方面的設(shè)計(jì)，同時(shí)與需要軟件設(shè)計(jì)來(lái)支撐。因此，智能小車不同功能的實(shí)現(xiàn)也需要相應(yīng)程序設(shè)計(jì)來(lái)完成。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中軟件設(shè)計(jì)同樣有重要的地位。本設(shè)計(jì)軟件部分是以Keil μVision4為平臺(tái)開(kāi)發(fā)完成的，該軟件是美國(guó)Keil Software公司出品的，兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上，相比與匯編語(yǔ)言具有明顯的優(yōu)勢(shì)，故易學(xué)易用，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛使用。

本設(shè)計(jì)在軟件編程方面，沒(méi)有采用傳統(tǒng)的整體代碼編寫(xiě)，而是將整體分割成n個(gè)不同的部分，每一個(gè)部分都可以被稱作是一個(gè)模塊。其實(shí)這些所謂的模塊都只是單獨(dú)的程序代碼，它們都對(duì)應(yīng)著相關(guān)的功能，為每個(gè)功能程序的實(shí)現(xiàn)模塊，這樣的設(shè)計(jì)方法可以稱之為模塊化程序設(shè)計(jì)。

該設(shè)計(jì)法有以下的一些優(yōu)點(diǎn)：

（1）每個(gè)模塊都很容易去編寫(xiě)，并且單獨(dú)的去調(diào)試更為方便;

（2）這些模塊單獨(dú)實(shí)現(xiàn)自己的功能，不會(huì)互相影響和沖突;

（3）模塊的程序代碼更易被調(diào)用，可以隨時(shí)利用現(xiàn)有的程序。

軟件部分主要由主程序、紅外遙控子程序、循跡子程序、超聲波避障子程序等構(gòu)成。主程序流程圖如圖4所示。

系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心器件，在Keil μVision4軟件平臺(tái)上進(jìn)行C語(yǔ)言編程，利用燒錄軟件將生成的.hex文件下載到單片機(jī)，定時(shí)器作為系統(tǒng)的時(shí)鐘單元，根據(jù)系統(tǒng)主程序執(zhí)行順序，分別設(shè)定紅外遙控、紅外循跡和超聲波避障三個(gè)模塊的任務(wù)時(shí)間，在不同任務(wù)中主程序分別調(diào)用各個(gè)子程序函數(shù)從而實(shí)現(xiàn)具體功能。

四、結(jié)束語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的智能小車系統(tǒng)可以用遙控來(lái)控制小車的啟停、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、倒退，小車能自動(dòng)沿著黑線行駛，遇到障礙時(shí)能夠自動(dòng)躲避障礙，基本上實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

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