多功能導(dǎo)航智能小車設(shè)計(jì)*

谷明信，焦志勇，王 偉，侯佳男，蔣煒彤

(重慶文理學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，重慶 402160)

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多功能導(dǎo)航智能小車設(shè)計(jì)*

谷明信，焦志勇，王 偉，侯佳男，蔣煒彤

(重慶文理學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，重慶 402160)

設(shè)計(jì)一款基于STC89C52單片機(jī)的可實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和手動(dòng)控制的多功能導(dǎo)航智能小車。該系統(tǒng)中，紅外避障傳感器通過(guò)調(diào)節(jié)與障礙物的距離實(shí)現(xiàn)躲避，紅外巡線傳感器按照給定黑線實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，超聲波傳感器在避障的同時(shí)實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為智能交通無(wú)人駕駛汽車提供支持，自動(dòng)導(dǎo)航代替人為駕駛，減少了因人操作不當(dāng)或其他因素而導(dǎo)致交通事故的可能。

STC89C52單片機(jī)；紅外傳感器； 超聲波傳感器；智能小車；設(shè)計(jì)

0 引言

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

隨著科技的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)汽車自主導(dǎo)航和遠(yuǎn)程控制要求也隨之提高。汽車的智能化自動(dòng)化的研制已成為必然趨勢(shì)[1-2]。智能小車是集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等功能于一體的智能化設(shè)備[3]，在軍事、民用及科學(xué)研究等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)50年代初，美國(guó)Barret Electronics公司開(kāi)發(fā)了世界上第—臺(tái)自動(dòng)引導(dǎo)車輛系統(tǒng)(Automated Guided Vehicle System, AGVS)，它具備了智能小車最基本的特征即無(wú)人駕駛[4]。2014年Google 首次展示了自己的新產(chǎn)品無(wú)人駕駛汽車[5]。清華大學(xué)對(duì)智能汽車在主動(dòng)避撞、車載微機(jī)、汽車導(dǎo)航等方面進(jìn)行了深入研究[6]。吉林大學(xué)自主研發(fā)了一種基于圖像識(shí)別新型的車輛自動(dòng)引導(dǎo)系統(tǒng)[7]。各高校對(duì)智能小車開(kāi)展了廣泛研究[8-10]，全國(guó)大學(xué)生飛思卡爾智能車大賽促進(jìn)了對(duì)智能小車的進(jìn)一步研究。本文設(shè)計(jì)了基于STC89C52單片機(jī)利用各種傳感器和通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)導(dǎo)航和手動(dòng)遠(yuǎn)程遙控，為自動(dòng)駕駛提供幫助。

1 系統(tǒng)的功能與總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以STC公司生產(chǎn)的低功耗、高性能CMOS、8位微控制器STC89C52為小車控制核心。

RPR-220反射型光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)小車軌跡的識(shí)別和判斷，HJ-IR2紅外電子開(kāi)關(guān)進(jìn)行紅外避障，HS-SR04超聲波測(cè)距模塊進(jìn)行避障和障礙物距離的檢測(cè)，在LCD顯示器上顯示距離，HS-021紅外遙控器和IR 1838紅外接收頭對(duì)小車進(jìn)行紅外遙控。智能手機(jī)通過(guò)HC-6藍(lán)牙模塊對(duì)小車進(jìn)行手機(jī)遙控，L293D雙橋驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)兩個(gè)HC01-48電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和遠(yuǎn)程無(wú)線遙控。電源系統(tǒng)由兩節(jié)3.6 V充電電池提供，輸出電壓7.2 V，通過(guò)LM7805電源穩(wěn)壓模塊為單片機(jī)提供電能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本智能小車的系統(tǒng)硬件包括STC89C52單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)、輪胎、電池盒、電池及各種傳感器。

2.1 STC89C52單片機(jī)

主要采用40引腳DIP封裝的STC89C52單片機(jī)控制，STC89C52單片機(jī)的P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7分別接小車底盤(pán)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(L293D)的IN1、IN2、EN1、EN2、IN3、IN4口。P2.0、P2.1接超聲波傳感器的ECHO回響信號(hào)輸出、TRIG觸發(fā)信號(hào)輸入。P3.2、P3.3接左邊和右邊的紅外循跡模塊。P3.4、P3.5分別接左邊和右邊的紅外避障模塊。P3.0、P3.1接藍(lán)牙模塊的RXD和TXD。P3.2也作為紅外遙控接收頭信號(hào)端。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

采用ST公司的16腳封裝L293D小電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。16引腳VCC是芯片供電引腳，接電源模塊LM7805降壓后的5 V電壓。8引腳直接接電源模塊7.2 V電壓給小車電機(jī)供電。芯片輸入端分別接STC89C52單片機(jī)的P1.2～P1.7口，用以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。芯片輸出OUT1～OUT4每?jī)蓚€(gè)端口接一個(gè)電機(jī)，該芯片可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。

ENA為使能端(電機(jī)調(diào)速PWM信號(hào)輸入端)高電平有效，若ENA置為1，IN1和IN2都置為0，則四個(gè)三極管均不導(dǎo)通。若ENA置為1，IN1置為1，IN2都置為0，則T1和T4兩個(gè)三極管導(dǎo)通，電機(jī)旋轉(zhuǎn)。若ENA置為1，IN1置為0，IN2都置為1，則T2和T3兩個(gè)三極管導(dǎo)通，電機(jī)反轉(zhuǎn)。如此便控制了電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。電機(jī)速度的控制就是給ENA端輸入不同占空比的脈沖，ENB和IN3、IN4同理。

2.3 紅外循跡模塊和避障模塊

采用兩個(gè)反射型光電探測(cè)器RPR-220作為紅模塊外循跡的傳感器，HJ-IR2紅外傳感器作為避障傳感器。模塊由紅外發(fā)射管和紅外接收管、循跡可調(diào)電阻、電壓比較器、信號(hào)指示燈組成。

由發(fā)射管發(fā)射紅外線，當(dāng)遇到不同發(fā)射率的材質(zhì)或者有無(wú)物體時(shí)，紅外接收頭接收到不一樣的信號(hào)，紅外接收頭將信號(hào)由O口傳遞給LM324電壓比較器輸入口。比較后輸出到單片機(jī)的P3.2和P3.3口以及P3.4和P3.5口，最后單片機(jī)通過(guò)計(jì)算該值控制小車電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，P1和P2為紅外循跡，F(xiàn)C1和FC2是紅外避障傳感器。

對(duì)具體項(xiàng)目完成情況的評(píng)價(jià)考核，可以采用多種方式進(jìn)行，比如以小組為單位進(jìn)行答辯或報(bào)告，教師根據(jù)答辯和報(bào)告的情況決定具體的得分。對(duì)于過(guò)程中學(xué)生們的貢獻(xiàn)，采取一些問(wèn)答、考察等形式進(jìn)行評(píng)價(jià)，學(xué)生得到的最后成績(jī)包括兩部分：個(gè)人成績(jī)和團(tuán)隊(duì)成績(jī)。不但可以激勵(lì)學(xué)生更多投入小組的研究活動(dòng)，更對(duì)成員之間的密切協(xié)作提供支持。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生得到更充分的能力鍛煉和協(xié)作經(jīng)歷，包括合理分配工作等，對(duì)他們未來(lái)的工作實(shí)踐有直接的幫助。

2.4 超聲波避障模塊

采用的超聲波避障模塊為HC-SR04超聲波傳感器，有效檢測(cè)距離為2～400 cm，四個(gè)引腳分別是GND、ECHO回響信號(hào)輸出接單片機(jī)P2.0、TRIG觸發(fā)信號(hào)輸入接單片機(jī)P2.1、VCC。其基本原理是：采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10 μs的高電平信號(hào)，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回，有信號(hào)返回，通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。

2.5 紅外模塊

采用HS-021型紅外遙控器。由發(fā)射和接收兩部分組成，發(fā)射部分包括鍵盤(pán)、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。紅外接收頭IR 1838，工作電壓為4.8～5.3 V，接收頻率為38 kHz，內(nèi)部含有高頻的濾波電路，濾出紅外線合成信號(hào)，送出接收到的信號(hào)，當(dāng)紅外線合成信號(hào)進(jìn)入紅外接收模塊時(shí)，在輸出端可得到原發(fā)射器發(fā)出的數(shù)字編碼，單片機(jī)解碼程序進(jìn)行解碼后可根據(jù)按鍵做出相應(yīng)的控制處理，完成紅外遙控動(dòng)作。

2.6 無(wú)線藍(lán)牙模塊

采用HC-06藍(lán)牙模塊，與單片機(jī)串口通信。接口包括VCC、GND、TXD、RXD，其中TXD和RXD分別接在單片機(jī)的P3.1和P3.0口?？諘绲赜行Ь嚯x為10 m。

2.7 傳感器

采用兩個(gè)紅外循跡傳感器焊接于小車底盤(pán)下，小車紅外循跡要求地面有黑白分明軌跡，單線雙線都行。使用兩個(gè)紅外避障傳感器，焊接于小車底盤(pán)上方，紅外避障傳感器位于小車前方，可檢測(cè)并躲避障礙物。小車所用超聲波傳感器被固定插于小車底盤(pán)的超聲波接口處，位于小車前方正中間，以便檢測(cè)障礙物。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本小車使用Keil uVision4程序設(shè)計(jì)軟件，將寫(xiě)好的單片機(jī)控制C語(yǔ)言代碼編譯為HEX文件。通過(guò)程序燒寫(xiě)軟件STC-ISP將HEX文件寫(xiě)入單片機(jī)。

3.2 程序以及流程圖

3.2.1 電機(jī)PWM調(diào)速程序

采用的L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的特性可知，輸入驅(qū)動(dòng)器EN1和EN2兩端口不同的占空比脈沖即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。利用STC89C52單片機(jī)計(jì)數(shù)器T0中斷產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM脈沖信號(hào)。在T0進(jìn)行1 ms定時(shí)中斷，對(duì)基準(zhǔn)PWM和預(yù)期PWM進(jìn)行比較，產(chǎn)生預(yù)期的PWM信號(hào)。該程序設(shè)定單片機(jī)每1 ms進(jìn)行一次比較，最多比較20次，產(chǎn)生的PWM信號(hào)0最小，20最大，PWM信號(hào)產(chǎn)生程序流程圖如圖2所示。

3.2.2 小車紅外巡線程序

巡線該模塊利用白色物體和黑色物體對(duì)紅外光反射率的不同，反饋分別為“0”和“1” 的信號(hào)。單片機(jī)對(duì)反饋引腳的“0”和“1”進(jìn)行判斷來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的程序，左側(cè)檢測(cè)到黑線小車左轉(zhuǎn)，右側(cè)檢測(cè)到黑線小車右轉(zhuǎn)，兩邊都未檢測(cè)到時(shí)前進(jìn)。圖3為小車實(shí)現(xiàn)巡線功能的程序流程圖。

圖2 PWM信號(hào)產(chǎn)生程序流程圖

圖3 小車巡線程序流程圖

3.2.3 小車超聲波避障程序

采用超聲波傳感器檢測(cè)小車與障礙物之間的距離，并將該距離值反饋回單片機(jī)處理，顯示于LCD1602上。經(jīng)過(guò)調(diào)試當(dāng)小車距離物體350 mm時(shí)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)并且停止和右轉(zhuǎn)。最初程序的右轉(zhuǎn)是讓左側(cè)輪子向前右側(cè)輪子靜止不動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣小車會(huì)由于轉(zhuǎn)動(dòng)遲緩而一直右轉(zhuǎn)，改進(jìn)后讓小車左側(cè)車輪向前轉(zhuǎn)的同時(shí)右側(cè)車輪向后轉(zhuǎn)，小車便能迅速右轉(zhuǎn)，跳出后執(zhí)行向前走的程序。小車超聲避障程序流程如圖4所示。

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)選用體積小、功耗低、穩(wěn)定可靠、響應(yīng)快的傳感器，以及性能穩(wěn)定的STC89C52單片機(jī)為控制核心，可實(shí)現(xiàn)巡線、避障、紅外遙控、藍(lán)牙遙控、自主導(dǎo)航和手動(dòng)控制等功能?？蔀槲磥?lái)的無(wú)人駕駛提供技術(shù)支持。

[1] 彭一準(zhǔn),姜小寶,莊明加,等.一種基于80C51單片機(jī)控制的循跡小車設(shè)計(jì)[J].天津科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011,26(1):55-59.

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Design of multifunctional navigation intelligent car

Gu Mingxin, Jiao Zhiyong, Wang Wei, Hou Jianan, Jiang Weitong

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Chognqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160, China)

This paper designs a multifunctional intelligent car which can realize autonomous navigation and manual control based on STC89C52 microcontroller. In this system, infrared obstacle avoidance sensor achieves escape by adjusting the distance and obstacles, infrared transmission line sensor achieves autonomous navigation and obstacle avoidance according to the given line, the ultrasonic sensor realizes distance measurement. The system is designed to provide support for the intelligent transportation of unmanned vehicles, automatic navigation instead of artificial driving, reducing the improper operation or other factors caused by traffic accidents.

STC89C52 microcontrolor; sensor; ultrasonic transducer; intelligent car; design

重慶文理學(xué)院學(xué)生科研項(xiàng)目(XSKY2014044)

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.12.010

谷明信，焦志勇，王偉，等.多功能導(dǎo)航智能小車設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(12)：33-35.

2016-11-29)

谷明信(1986-)，男，碩士研究生，助教，主要研究方向：機(jī)器人技術(shù)及視覺(jué)傳感技術(shù)。

焦志勇(1994-)，男，本科生，主要研究方向：機(jī)械工程及自動(dòng)化。

王偉(1994-)，男，本科生，主要研究方向：機(jī)械工程及自動(dòng)化。