基于單片機的智能小車設計

王 靜，張江亞，董彥華

（河北科技學院 河北 保定 071100）

0 引言

隨著科學技術的發(fā)展，信息化、智能化已經(jīng)離不開人們的生活。智能小車的發(fā)展是當前研究的重點領域之一，反映了人們對安全和方便的需求，也是評估各國智能化發(fā)展進程的一個非常有效的指標。目前，智能車的應用正逐步深入到工業(yè)和生活的各個層面，提升了人們的生活品質(zhì)[1]。董靖川等[2]基于STM32對智能避障小車進行了設計，通過在多個方向安裝超聲波傳感器，以實現(xiàn)不同方位障礙物的距離檢測，實驗表明該方法運行效果正常，魯棒性好。但在該設計方案中，由于使用的傳感器數(shù)目較多，會導致各傳感器之間易產(chǎn)生干擾。該系統(tǒng)與紅外線避障系統(tǒng)模塊而言，對光不敏感，抗干擾性良好，而且反應速度較快，其不足之處在于只能實現(xiàn)報警功能，無法實現(xiàn)自動避障。為此文本基于單片機設計一款具有循跡、自動避障和手機藍牙控制功能的智能小車模型，通過總體方案設計、硬件電路設計、軟件編程設計，以確保實現(xiàn)智能小車的正常運轉。

1 智能小車總體設計

本文設計所用的系統(tǒng)，主要由主控制器模塊、紅外循跡模塊、紅外避障模塊、電源模塊、電機驅(qū)動模塊，以及藍牙遙控模塊組成。采用STC89C52單片機[3]作為核心器件，以實現(xiàn)對小車的控制、循跡、自動避障和手機藍牙控制等功能；采用型號為TCRT5000的紅外反射傳感器進行路線的探測和循跡；采用E18-D80NK紅外傳感器避障；采用MX1508RX2電機驅(qū)動芯片為車輪驅(qū)動；采用JDY-31藍牙串口模塊實現(xiàn)手機藍牙控制。

2 智能小車硬件設計

2.1 主控制器模塊

采用STC89C52RC型號單片機作為主控制器，其具有靈活方便、安全可靠、方便排查故障和維修等優(yōu)良的特性。同時，具備較高的可擴展性，可通過擴展I/O接口讓其實現(xiàn)更多功能。在充分研究和分析過本文智能小車的功能后，設計出主控制器模塊電路圖。

2.2 紅外循跡模塊

循跡功能是讓智能小車能夠沿著中間的黑粗線條行駛。當紅外循跡傳感器接收到不同信息后，所對應的操作也會不同，如：智能小車兩邊的傳感器均能接收到白色信號，智能小車就會直行；智能小車左邊傳感器接收到黑色信號，右邊傳感器接收到白色信號，那么代表左邊傳感器接收不到信號，智能小車就會左轉，實現(xiàn)循跡的效果。

采用型號為TCRT5000[4]的紅外反射傳感器進行路線的探測和循跡，此款傳感器常被用于制作紅外循跡模塊，并且可以針對其靈敏度進行調(diào)節(jié)，同時也極大地提升了設計后期在小車循跡測試時調(diào)試的效率。當TCRT5000發(fā)出的紅外線被黑線吸收無法返回時，模塊中相應位置的LED燈不會發(fā)光。在沒有探測到黑線的正常情況下，或者小車未進入循跡狀態(tài)時，該模塊上的2個LED燈均保持發(fā)光狀態(tài)。循跡模塊電路圖如圖1所示。

圖1 循跡模塊電路圖

2.3 紅外避障模塊

選用E18-D80NK紅外傳感器[5]進行避障，設置工作電壓為5 V，工作電流為10～15 mA，有效檢測距離為3～80 cm；傳感器直徑為18 mm，長度為45 mm。紅外傳感器根據(jù)接收到反射光的強弱來判斷距離障礙物的遠近。該裝置的消耗較高，因此本設計選用3.7 V的鋰電池作為供電電源以保證紅外光電傳感器的正常運轉。該紅外傳感器的紅外發(fā)射和接收電路如圖2所示。

圖2 紅外發(fā)射和接收電路圖

2.4 電源模塊

由于本文設計中用到了功率較大的紅外光電傳感器，因此需要用2節(jié)3.7 V可充電式的鋰電池作為電源。將2節(jié)電池串聯(lián)后得到1個7.4 V電壓的電源，但該電壓相對于包括單片機在內(nèi)的其他元器件的正常工作電壓又較大，因此需要將該電源接到電源調(diào)壓模塊中，調(diào)壓為5 V后，才可以作為供電電源對單片機及其他各模塊進行供電。

2.5 電機驅(qū)動模塊

采用MX1508RX2電機驅(qū)動芯片為電機，該芯片是專門為遙控玩具類小車而設計的，其將具有解碼功能的芯片和驅(qū)動馬達運轉的驅(qū)動芯片合并成了一整塊芯片。該芯片有著工作電壓范圍為2～8 V的優(yōu)點，由于本文設計中需要較高的供電電壓，其工作電壓范圍恰好符合本文智能小車設計中的2節(jié)鋰電池串聯(lián)的供電電壓，因此優(yōu)先考慮了該芯片。除此以外該芯片還具有待機電流低、功率開關管導通內(nèi)阻低、集成度高等優(yōu)點。同時，其相較于L298N、MX1508RX2的體積更小，調(diào)試安裝過程也會相對方便。

2.6 藍牙遙控模塊

為了方便用戶使用手機和智能小車通信，加裝了以JDY-31為藍牙的串口模塊。該串口模塊是基于藍牙3.0 SPP設計出來的，能夠支持多種平臺的數(shù)據(jù)透傳。其應用的范圍較廣，性能良好，發(fā)射功率最高可達到約8 dB，且經(jīng)過測試，信號的發(fā)射距離也能達到20 m以上。因此該模塊可完全滿足本文設計的使用需求，并且還具備一些相當人性化的設計，使用起來十分靈活、便利，如：可以讓用戶自愿通過AT命令對連接的藍牙設備名稱進行修改；可以對設備的波特率進行設置。

3 智能小車軟件設計

主程序主要起到一個想到和決策的功能，決定什么時候小車該做什么。小車各種功能的實現(xiàn)通過調(diào)用具體的子程序予以實現(xiàn)[6]。

3.1 智能循跡避障子程序

采用差動轉向作為智能小車的轉向方式，后輪是一個萬向輪，作為小車的支撐及基本運動的輔助。前輪為2個驅(qū)動輪，并且每個驅(qū)動輪均由其連接的驅(qū)動電機單獨控制，彼此之間不會互相影響。循跡模式程序函數(shù)流程圖如圖3所示?？梢钥闯觯悄苄≤嚨谋苷夏K選擇的是2個紅外傳感器，假如左右兩側的傳感器中，有一側檢測到了障礙物體的存在，那么智能小車的車頭將自動朝向遠離障礙物的一側進行角度調(diào)整。如果3個傳感器同時檢測到有障礙物存在于安全距離內(nèi)，小車會立即停止運動。避障設計的部分程序如下。

圖3 循跡模式程序函數(shù)流程圖

if(flag_time == 1) //計時開始

{

timer0_count ++;

if(timer0_count >= 1000) //定時1.0秒

{

timer0_count = 0;

flag_ok = 1;

flag_time = 0;

}

}

switch(flag_direction)

{

case 1: //小車停止

MOTOR_IN1 = 0; MOTOR_IN2 = 0; MOTOR_IN0 = 0; MOTOR_IN3 = 0;

break;

case 2: //小車左轉

if(motor_count < motor_speed)

{

MOTOR_IN0 = 1; MOTOR_IN1 = 0;MOTOR_IN2 = 1;MOTOR_IN3 = 0;

}

else

{

MOTOR_IN0 = 0;MOTOR_IN1 = 0;MOTOR_IN2 = 0; MOTOR_IN3 = 0;

}

break;

case 3: //小車右轉

if(motor_count < motor_speed)

{

MOTOR_IN0 = 0; MOTOR_IN2 = 0;MOTOR_IN3 = 1; MOTOR_IN1 = 1;

}

else

{

MOTOR_IN1 = 0;MOTOR_IN2 = 0;MOTOR_IN3 = 0; MOTOR_IN0 = 0;

}

break;

case 4: //小車直行

if(motor_count < motor_speed)

{

MOTOR_IN1 = 0;MOTOR_IN2 = 0;MOTOR_IN3 = 1; MOTOR_IN0 = 1;

}

else

{

MOTOR_IN0 = 0;MOTOR_IN1 = 0;MOTOR_IN2 = 0;MOTOR_IN3 = 0;

}

break;

case 5: //小車后退

if(motor_count < motor_speed)

{

MOTOR_IN0 = 0;MOTOR_IN1 = 1;MOTOR_IN2 = 1;MOTOR_IN3 = 0;

}

else

{

MOTOR_IN0 = 0;MOTOR_IN1 = 0;MOTOR_IN2 = 0;MOTOR_IN3 = 0;

}

break;

}

}

3.2 藍牙模式子程序

在智能小車進入藍牙模式的正常狀態(tài)下，若車身左側的紅外光電傳感器檢測到了前方存在障礙物體時，程序會控制小車向右轉，以此來避免碰撞。反之，若右側檢測到障礙物，則車頭向左偏轉以躲避障礙；兩邊側均有障礙物，即前方無路可走時，智能小車停止前進，原地待命；如果收到前進指令，且前方有障礙物，智能小車會在程序自行判斷后選擇原地待命，直到前方障礙物消失后，才會受到遙控的指令控制，從而開始向前運動。同理，在藍牙模式下，向左轉和向右轉的指令也會受到障礙物的影響，但由于智能小車后方未裝有傳感器，因此后退指令不會受影響，在收到后退的藍牙遙控指令后，則直接后退。

4 系統(tǒng)調(diào)試與測試

4.1 系統(tǒng)仿真過程及結果

智能小車控制系統(tǒng)的仿真過程，基本可以概括以下幾步：首先，將智能小車控制系統(tǒng)的原理圖繪制好；然后，在keil c51兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)中，按照程序流程圖進行完整的編譯；最后，再將原理圖與單片機程序置入仿真軟件中進行仿真。系統(tǒng)仿真圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)仿真圖

仿真實驗過程中，在原理圖中的各模塊連接為整體后，使用開關來進行等效替代軟件中無法仿真的部分器件，如，紅外光電傳感器等。將.hex文件載入其中，并點擊運行按鈕，觀察仿真結果。仿真結果顯示，本文設計的控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)小車預期的自動循跡及自動避障功能。

4.2 小車實物測試

在通過軟件對系統(tǒng)進行仿真之后，為進一步確認本文設計的實際可行性，對智能小車控制系統(tǒng)的實物進行制作、組裝與測試，實物和測試結果如圖5所示。

圖5 實物和測試結果

1）對智能小車的藍牙遙控功能和基本運動功能進行測試。按下智能小車主板的電源開關后，進入藍牙連接模式，打開手機中的藍牙調(diào)試程序進行藍牙連接，在正常連接后，依次測試智能小車前、后、左、右的遙控指令和停止指令。經(jīng)測試，智能小車藍牙遙控功能和基本運動功能運行正常。

2）對智能小車的循跡功能進行測試。使用多張A4紙打印并拼接出循跡所需的黑色引導線條，經(jīng)過多次測試，智能小車均可以準確識別出黑色引導線，并按此路徑行駛，即智能小車的自動循跡功能可以實現(xiàn)。

3）對智能小車的進行自動避障功能測試。在智能小車前進狀態(tài)下，用手依次遮擋前方的3個紅外光電傳感器，觀察其運動狀態(tài)如何變化。經(jīng)測試，智能小車前3個紅外傳感器均可檢測到有效距離內(nèi)的障礙物，并且可以依據(jù)傳感器探測的結果進行轉向或停止運動，從而有效避免了碰撞障礙物。

實際測試表明，智能小車傳感器工作狀態(tài)下均可正常運轉，可以實現(xiàn)所預期的自動循跡和自動避障功能，同時藍牙遙控模塊也運行正常，可通過手機端的藍牙調(diào)試軟件對其運動進行控制。

5 結論

本文設計的智能小車模型以STC89C52單片機作為主控核心，對外設的驅(qū)動電機、藍牙及傳感器等模塊進行控制，經(jīng)過多次調(diào)試和測試驗證后，成功實現(xiàn)了自主循跡避障、手機軟件控制等功能。后期加以完善，即可投入市場，應用于勘探、消防、無人駕駛及環(huán)境探測等領域。