基于上位機(jī)的智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸孟雄，呂成緒

（1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，江蘇 常州213164；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京210031）

0 引言

智能車也叫 “自動汽車”，是一種集成了多種高新技術(shù)的車輛，是組成智能交通系統(tǒng)的一種重要車輛產(chǎn)品，也是極具信息化的汽車產(chǎn)品.普通車輛需要部分或完全靠駕駛員操縱車輛行駛，智能車輛則可以通過應(yīng)用現(xiàn)代科技技術(shù)，不需要人工即可實(shí)現(xiàn)車輛行駛.目前通信技術(shù)得到了很大的發(fā)展，上位機(jī)技術(shù)也逐漸成熟，通過無線通信實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對智能車輛的控制，也是現(xiàn)在科技發(fā)展的一個新興熱點(diǎn).

1 智能車簡介

智能車可以完成多項(xiàng)任務(wù)操作，其中包括在提前指定的路線上行駛在正確的車道位置，和其他的車輛保持安全距離；正確地根據(jù)現(xiàn)場情況選擇停車位置及相應(yīng)的停車操作；在智能交通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，車載輔助駕駛系統(tǒng)可以在到達(dá)目的地的多個路徑中選擇最佳路徑，并能及時應(yīng)對多種突發(fā)情況.在傳統(tǒng)的汽車基礎(chǔ)上，智能車輛的開發(fā)很大程度依賴于增加新設(shè)備，如車載計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)庫、機(jī)動車IC卡、車載通信裝置、多媒體情報(bào)輸入輸出裝置等，來適應(yīng)各種復(fù)雜的道路環(huán)境，增強(qiáng)車輛的機(jī)動性，把發(fā)生事故的概率降到最低，減少乘客在道路上的行駛時間，最大程度地節(jié)能減排.同時，通過監(jiān)測控制行駛路線來提高運(yùn)輸效率，改善商務(wù)車和工業(yè)用車在固定路線行駛的道路狀況，綜合輔助駕駛系統(tǒng)以及動態(tài)車輛駕駛系統(tǒng)將會大大減少制造和運(yùn)行成本［1］.

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是一個對智能小車行駛的實(shí)時監(jiān)測、控制系統(tǒng).整個系統(tǒng)分為上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)兩部分.上位機(jī)系統(tǒng)用Matlab的界面設(shè)計(jì)工程完成，由單片機(jī)作為控制芯片的智能小車作為下位機(jī)系統(tǒng)主體.通過紅外測速把小車的行進(jìn)速度測量出來，而后通過無線通信和串口通信把數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī).上位機(jī)根據(jù)小車的行進(jìn)情況和需要，通過無線通信和串口通信發(fā)送指令給小車.

系統(tǒng)通過紅外光電管測速傳感器，每隔0.5s對智能小車的車速檢測一次.檢測數(shù)據(jù)在兩個單片機(jī)之間通過NRF905無線傳感器進(jìn)行傳遞，之后通過串口傳輸從單片機(jī)2傳遞給Matlab＿GUI設(shè)計(jì)的上位機(jī)界面.之后根據(jù)檢測結(jié)果在上位機(jī)進(jìn)行操作，通過串口及無線傳感器反向調(diào)整小車的行駛情況，手動通過發(fā)送方向指令改變小車的運(yùn)行方向，發(fā)送調(diào)速指令改變PWM的占空比調(diào)節(jié)車速.其中方向指令分為前后左右四個方向和停止，調(diào)速指令分為高速、中速、低速共三檔.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖見圖1.

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬件電路主要分為以下4個模塊：電源管理模塊，L298電機(jī)驅(qū)動模塊，紅外光電管測速模塊，NRF905無線通信模塊.系統(tǒng)硬件組成如圖2.

3.1 電源管理模塊

電源模塊為智能車系統(tǒng)的其他電路模塊提供穩(wěn)定的直流電源，關(guān)系到整個系統(tǒng)是否能夠正常工作，因此電源模塊的設(shè)計(jì)十分重要.系統(tǒng)采用12.6V1800mAh CS－168電池進(jìn)行供電，用5V供電給紅外光電管測速模塊，5V供電給L298電機(jī)驅(qū)動模塊，3.3V供電給NRF905無線模塊.故需將12.6V電壓轉(zhuǎn)換成5V和3.3V.系統(tǒng)選用7805穩(wěn)壓芯片將電壓轉(zhuǎn)換成5V給紅外光電管測速模塊、L298電機(jī)驅(qū)動模塊和STC89C51單片機(jī)模塊供電，NRF905無線模塊的電源由LM1117穩(wěn)壓芯片串聯(lián)提供，直流電機(jī)直接由CS－168 12.6V電池供電［2］.

3.2 L298電機(jī)驅(qū)動模塊

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，L298驅(qū)動模塊VSS端直接連接CS－168（12.6V／1800mA）電池的正極，L298驅(qū)動模塊的VC引腳連接L7805穩(wěn)壓電路的輸出的5V段，GND與整個電路的接地端相連接，IN1、IN2分別與單片機(jī)P0口P0.0、P0.1相連，IN3、IN4分別與單片機(jī)P0口P0.2、P0.3相連，ENA、ENB置于高電平的情況下，IN1、IN2、IN3、IN4才可以由單片機(jī)設(shè)置電平的高低.所以在本系統(tǒng)中，把ENA、ENB直接與VCC端連接.OUT1、OUT2分別與直流電機(jī)1的兩端相連接，OUT3、OUT4分別與直流電機(jī)2的兩端相連接.當(dāng)IN口置高或置低時，對應(yīng)的OUT口會置高或置低.4個OUT口與4個IN口的電平同步變化，電機(jī)根據(jù)兩端是否有壓差轉(zhuǎn)動或者不轉(zhuǎn)動.

3.3 紅外光電管測速模塊

在系統(tǒng)中，每隔0.5s測量一次小車速度.當(dāng)碼盤跟著小車的輪子一起轉(zhuǎn)動時，光電管的接受端會依次收到、收不到光電管發(fā)射端發(fā)射的光，光電管的輸出脈沖也呈現(xiàn)周期性變化.光電管的輸出端連接STC89C51單片機(jī)的外部中斷接口，單片機(jī)中下載的程序可以捕捉該端口連接的光電管輸出端產(chǎn)生的電脈沖的升降變化.在一個速度測量周期內(nèi)，單片機(jī)會記錄電脈沖變化的次數(shù)，可以得到小車行駛的距離，進(jìn)而得到小車在本周期內(nèi)行駛的平均速度［3］.

3.4 NRF905無線通信模塊

在本設(shè)計(jì)中，NRF905無線模塊VCC端連接串聯(lián)LM1117穩(wěn)壓模塊的輸出端.經(jīng)測量和穩(wěn)壓，第一塊7805輸出端的輸出電壓為5V，第二塊LM1117輸出端的輸出電壓為3.3V左右，正好給NRF905供電.NRF905無線模塊GND端與系統(tǒng)的地線相連接.

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分兩部分：第一部分是對控制電機(jī)工作的單片機(jī)編程；第二部分是使用Matlab＿GUI在上位機(jī)進(jìn)行界面設(shè)計(jì).使用C語言編寫單片機(jī)內(nèi)部程序，使小車正常運(yùn)行，使各個傳感器正常工作.使用Matlab語言進(jìn)行上位機(jī)界面的程序編寫，主要工作是編寫callback函數(shù)，使上位機(jī)很好地完成顯示和與下位機(jī)之間的通信工作.

4.1 PWM控制車速的單片機(jī)編程原理

小車速度的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)采用的是調(diào)節(jié)PWM脈沖寬度的方法.把每一脈沖寬度均相等的脈沖列做成PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化.使用PWM控制電壓的方式主要有兩種，包括調(diào)整PWM脈沖的周期和占空比［4］.

用STC系列51單片機(jī)產(chǎn)生占空比可變的矩形波.當(dāng)產(chǎn)生此矩形波的I／O與電機(jī)驅(qū)動電路相連接后，由于程序一個周期內(nèi)不斷改變輸出矩形波的占空比，有一部分時間電機(jī)驅(qū)動電路導(dǎo)通，其余時間不導(dǎo)通，從整體來看有一個平均電壓，因?yàn)镻WM信號頻率周期很高，因此通過平均電壓的方式來決定小車速度的快慢.隨著波形占空比的變化，小車的速度也產(chǎn)生快慢改變.如圖3是單片機(jī)通過PWM調(diào)節(jié)小車速度的基本原理圖.

4.2 程序的基本思想和流程

基本思想：

（1）啟動小車后，紅外對管測速傳感器開始采集小車的車速.

（2）單片機(jī)1通過NRF905無線傳感器將小車車速數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)2.

（3）運(yùn)用串口通信，另一塊單片機(jī)將小車速度傳送給GUI界面.

（4）根據(jù)需要及小車車速數(shù)據(jù)，用上位機(jī)發(fā)送指令，調(diào)節(jié)小車的運(yùn)行方向及速度.

算法流程圖見圖4.

5 結(jié)論

該項(xiàng)目使用單片機(jī)制作下位機(jī)，使用Matlab＿GUI設(shè)計(jì)上位機(jī)，在上位機(jī)手動控制智能車的工作.系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試順利，下位機(jī)系統(tǒng)響應(yīng)快，上位機(jī)與下位機(jī)協(xié)同工作良好.友好的上位機(jī)操作界面非常適合初學(xué)者學(xué)習(xí)控制智能車.系統(tǒng)擴(kuò)展性好，可進(jìn)一步增加位置感知傳感器，實(shí)現(xiàn)方向自動控制.