基于單片機(jī)控制的紅外線與超聲波混合避障智能小車

唐淵，周汝，段武斌，劉臻

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 湖南 株洲 412000）

1 混合避障智能小車的原理

本文設(shè)計(jì)的混合避障智能小車主要由單片機(jī)控制模塊、紅外線與超聲波混合避障模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1

基于單片機(jī)AT89S52設(shè)計(jì)的智能避障小車，需提供+12V和+5V電源，DC+5CV由直流+12V經(jīng)7805轉(zhuǎn)換得到，為單片機(jī)及其他電路提供工作電壓，DC+12V由市電直接轉(zhuǎn)化，主要為電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電壓。超聲波避障模塊、紅外避障模塊采用購買的現(xiàn)成的產(chǎn)品。本模塊設(shè)計(jì)擬以超聲波、紅外線避障系統(tǒng)為核心，配合超聲波和紅外線避障的優(yōu)缺點(diǎn)，利用超聲波探測(cè)工作環(huán)境中的固定障礙物同時(shí)使用紅外線來探測(cè)小車周圍的運(yùn)動(dòng)物體，裝上超聲波、紅外線傳感器完成小車對(duì)四周環(huán)境實(shí)時(shí)測(cè)距。電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來控制直流減速電機(jī)即可。智能小車采用前輪驅(qū)動(dòng)，前輪左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，分別控制兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)從而達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬向輪，起支撐的作用。傳感器分布圖如圖2所示。

圖2

AT89S52單片機(jī)主控芯片根據(jù)避障傳感器接受的信號(hào)做出判斷，分析小車的動(dòng)作要求，發(fā)送相應(yīng)的動(dòng)作命令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制小車實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，同時(shí)發(fā)送至顯示屏，并執(zhí)行命令完成相應(yīng)動(dòng)作，達(dá)到避障的目的。當(dāng)車的左邊的紅外傳感器檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)障礙物時(shí)，主控芯片控制右輪電機(jī)停止左輪轉(zhuǎn)動(dòng)，車向右方轉(zhuǎn)向，當(dāng)車的右邊傳感器檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)障礙物時(shí)，主控芯片控制左輪電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，車向左方轉(zhuǎn)向，當(dāng)前面后面有運(yùn)動(dòng)障礙物時(shí)規(guī)定車右轉(zhuǎn)。同時(shí)，四個(gè)角的超聲波傳感器檢測(cè)到固定障礙物時(shí)，單片機(jī)根據(jù)反饋的信息判斷距離，主控芯片控制車輪及時(shí)做出相應(yīng)調(diào)整，重新規(guī)劃小車運(yùn)動(dòng)軌跡，以達(dá)到避障的目的。模擬圖如圖3所示。

圖3

2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 單片機(jī)主控制電路

選用AT89S52單片機(jī)作為主控芯片，本模塊主要用于信號(hào)的采集并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時(shí)輸出高低電平來控制電機(jī)速度，從而控制小車前進(jìn)轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。

2.2 紅外避障模塊

本文采用E18-D80NK-N紅外線傳感器。前方無障礙輸出高電平，有障礙輸出口電平會(huì)從高電平變成低電平，傳感器檢測(cè)到這一信號(hào)就可以確認(rèn)正前方有障礙物，并傳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過輸入內(nèi)部的算法，協(xié)調(diào)小車兩輪工作，從而完成躲避障礙物的動(dòng)作。

2.3 超聲波避障模塊

本文采用現(xiàn)成的US－100超聲波避障模塊。通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時(shí)的時(shí)間差就可以測(cè)算距離。超聲波發(fā)射端在單片機(jī)前置電路的驅(qū)動(dòng)下工作，接收端的信號(hào)放大、整形后在單片機(jī)的中斷口產(chǎn)生中斷，通過發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出小車與障礙物的相對(duì)距離。

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)采用L298N驅(qū)動(dòng)芯片，此芯片可直接由單片機(jī)的IO端口來提供模擬時(shí)序信，第1腳和第15腳可與電流偵測(cè)用電阻連接來控制負(fù)載的電路。OUTPUT1、OUTPUT2和OUTPUT3、OUTPUT4 之間分別接2個(gè)直流電機(jī)；INPUT1～I(xiàn)NPUT4輸入控制電位來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；Enable則控制電機(jī)停轉(zhuǎn)，特別是其輸入端可以與單片機(jī)直接連接，從而很方便的受單片機(jī)控制。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要功能是將主控芯片發(fā)出的信號(hào)通過電機(jī)控制芯片轉(zhuǎn)化為小車實(shí)際的動(dòng)作。當(dāng)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)時(shí)，可以直接控制步進(jìn)電機(jī)并可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)此功能只需改變輸入端的邏輯電平。模塊的四個(gè)輸出分別接在兩個(gè)獨(dú)立的電機(jī)上。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文的主要程序設(shè)計(jì)部分圍繞紅外線超聲波混合避障模塊展開，主要編寫單片機(jī)內(nèi)部執(zhí)行程序，首先分析紅外線超聲波避障的基本流程。單片機(jī)將采集的信號(hào)進(jìn)行分析與計(jì)算，并將分析后的數(shù)據(jù)傳入控制模塊，實(shí)現(xiàn)當(dāng)小車現(xiàn)行速度小于閥值時(shí)進(jìn)行加速，當(dāng)小車現(xiàn)行速度大于等于閥值時(shí)進(jìn)行減速，保證小車在工作中保持一定距離。針對(duì)小車在目標(biāo)轉(zhuǎn)彎時(shí)同步轉(zhuǎn)彎的動(dòng)作，路徑的每個(gè)轉(zhuǎn)角處設(shè)置一個(gè)傳感器，當(dāng)目標(biāo)經(jīng)過傳感器時(shí)，傳感器對(duì)小車發(fā)射信號(hào)使小車向目標(biāo)轉(zhuǎn)彎處轉(zhuǎn)向。

4 結(jié)語

本文的障礙物檢測(cè)單元的核心部件選擇了紅外線傳感器，超聲波傳感器。紅外探頭傳感器具有精度高、成本低、體積小、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；超聲波傳感器具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)；AT89S52單片機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的結(jié)合，既降低了系統(tǒng)成本也提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了智能小車的避障功能。最終編寫相應(yīng)的程序，進(jìn)行測(cè)試，確保了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，穩(wěn)定性。

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