基于STC15單片機(jī)的智能小車監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）06-0051-03

Designof Intelligent Trolley Monitoring System Based on STC15 Microcontrollel

Zhu Lijuan，Zhao Mingyao，Wang Wenfan

（Henan Vocational Collge of Water Conservancy and Environment，Zhengzhou 45ooo8，China）

【Abstract】 In this paper，a smart car monitoring system based on STC15 single-chip microcomputer is designed. Thesystem combines ultrasonic sensorsand three-axisacceleration sensors，which can colect the distance andangle informationof thecarinreal time，and processthedataeficientlythrough STC15single-chipmicrocomputertocontrol the motortoperform acurate motioncontrol.The system uses thePIDcontrolalgorithm toachievetheself-balanceof the car，anduses theultrasonic sensor toachieve obstacleavoidanceto ensure stable operation in acomplex environment. The experimentalresultsshow thatthesystem has high stabilityandresponse speed，meets the technical requirementsof intelligentbalancevehicle.

【Key words】 STC15 microcontroller；intelligent vehicle；monitoring system；PID control algorithm

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，智能汽車在工業(yè)、物流、教育等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于物料搬運(yùn)、貨物分揀和教學(xué)實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新思維1。高職高專物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，幫助學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制，增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，為職業(yè)生涯的發(fā)展奠定基礎(chǔ)[2]。

1總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)劃

這套智能車載監(jiān)控系統(tǒng)采用多模塊協(xié)同架構(gòu)，以單片機(jī)為核心。傳感器負(fù)責(zé)收集距離和角度的數(shù)據(jù)，并傳送到STC15處理。單片機(jī)根據(jù)分析結(jié)果控制驅(qū)動模塊，調(diào)節(jié)小車運(yùn)動軌跡，并操控繼電器與執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)燈光控制、警報觸發(fā)等功能。電源模塊提供穩(wěn)定的電力，以確保各模組正常運(yùn)作的系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.2硬件選型考量

在硬件選型中，綜合考慮性能、成本和適用性，STC15以其高速、高集成度和低功耗成為核心控制器。超聲波傳感器US-100具備高精度和強(qiáng)抗干擾能力，精準(zhǔn)探測障礙物距離，保障安全行駛。三軸加速度傳感器對傾斜角度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，提供平衡控制的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。直流電機(jī)搭配L298N驅(qū)動芯片，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，適應(yīng)多種路況[4。整體設(shè)計實(shí)現(xiàn)最優(yōu)配置，滿足智能小車高效運(yùn)行需求。

1.3軟件流程設(shè)計

軟件設(shè)計采用模塊化程序設(shè)計，增強(qiáng)了代碼的可讀性，提高了維護(hù)的便捷性。系統(tǒng)初始化模塊對單片機(jī)端口、定時器、串口等進(jìn)行全方位的初始化設(shè)置。傳感器數(shù)據(jù)采集模塊依循預(yù)設(shè)時間節(jié)奏，精準(zhǔn)讀取超聲波傳感器與三軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)與濾波處理。控制算法模塊依據(jù)處理后的傳感器數(shù)據(jù)，運(yùn)用預(yù)設(shè)算法推算電機(jī)控制參數(shù)。

2 硬件設(shè)計

2.1 控制核心模塊

STC15單片機(jī)最小系統(tǒng)是智能汽車監(jiān)控系統(tǒng)的核心，包括單片機(jī)芯片、晶振電路和復(fù)位電路三大部分。晶振電路選用了為單片機(jī)提供穩(wěn)定時鐘信號的 11.0592MHz 晶振。復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位與上電復(fù)位協(xié)同模式，確保系統(tǒng)在啟動或異常時能及時復(fù)位，保障穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 傳感器模塊

超聲波測距傳感器由發(fā)射和接收兩部分組成，STC15單片機(jī)通過控制發(fā)射高頻超聲波脈沖的時間差測量法計算距離，接收部分通過測量范圍 2～ 400cm 的專用芯片對反射波進(jìn)行處理。選用US-100傳感器，具有高精度和抗干擾能力，優(yōu)化安裝位置避免盲區(qū)。傾斜角度和運(yùn)動狀態(tài)通過I℃總線與單片機(jī)通信的三軸加速度傳感器實(shí)時監(jiān)控，在平衡控制和智能決策方面提供數(shù)據(jù)支持。兩者協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)避障、路徑規(guī)劃和平衡控制，為智能小車在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行提供保障，同時為高職院校物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)提供實(shí)踐案例[。

2.3 驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動電路選用L298N芯片，對電機(jī)進(jìn)行正反控制，通過對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。繼電器控制電路通過三極管控制繼電器的吸合和釋放，并帶動輔助設(shè)備，如照明燈和報警裝置。

2.4 電源模塊

電源模塊采用鋰電池作為主電源，結(jié)合LM7805、LM1117等穩(wěn)壓芯片，為各模塊提供穩(wěn)定的電壓輸出。

3軟件設(shè)計

3.1 主程序流程

系統(tǒng)啟動后，首先進(jìn)行初始化，包括單片機(jī)端口、定時器和串口設(shè)置。隨后進(jìn)入主循環(huán)，持續(xù)調(diào)用傳感器數(shù)據(jù)采集函數(shù)，獲取超聲波傳感器和三軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)。對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過控制算法計算電機(jī)控制參數(shù)，調(diào)用電機(jī)驅(qū)動功能，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動小型車運(yùn)轉(zhuǎn)。同時，實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，立即調(diào)用異常處理函數(shù)進(jìn)行處理。主流程如圖2所示。

3.2 功能模塊程序

3.2.1 傳感器數(shù)據(jù)采集程序

傳感器數(shù)據(jù)采集程序宛如一位盡職的情報員，負(fù)責(zé)從超聲波傳感器與三軸加速度傳感器讀取數(shù)據(jù)。

對于超聲波傳感器而言，通過控制I/O接口發(fā)送觸發(fā)信號，激活發(fā)射模塊，同時啟動計時器計時。當(dāng)接收模塊接收到反射波后，定時器立即停止，根據(jù)計時結(jié)果計算距離；對于三軸加速度傳感器，通過 I²C 總線讀取傳感器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和校準(zhǔn)。采用多次取平均值的方法，確保情報準(zhǔn)確無誤，從而提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，流程圖如圖3所示。

3.2.2 控制算法程序

控制算法程序仿若智能小車的“大腦軍師”，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)推算電機(jī)控制參數(shù)。在自我平衡控制中，依據(jù)三軸加速度傳感器數(shù)據(jù)，運(yùn)用PID控制算法靈活調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，使小車穩(wěn)如泰山。在避障控制中，根據(jù)超聲波傳感器數(shù)據(jù)，一旦檢測到障礙物，迅速啟用避障算法規(guī)劃小車行駛路徑，控制電機(jī)轉(zhuǎn)向與速度，巧妙避開障礙。程序流程圖如圖4所示。

3.2.3 電機(jī)驅(qū)動程序

電機(jī)驅(qū)動程序使用PWM技術(shù)駕馭電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。電機(jī)平均電壓通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，利用單片機(jī)定時器產(chǎn)生PWM信號，從而實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的細(xì)微調(diào)整。通過控制L298N晶片輸入引腳電平，改變電機(jī)電流方向，從而實(shí)現(xiàn)正向及反向旋轉(zhuǎn)的自由控制。圖5為電機(jī)驅(qū)動程序流程圖。

開始 接收控制參數(shù)PWM轉(zhuǎn)速控制 正反轉(zhuǎn)控制初始化定時器 判斷轉(zhuǎn)向指令計算PWM占空比 正轉(zhuǎn)引腳電平設(shè)置生成PWM信號 反轉(zhuǎn)引腳電平設(shè)置驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行 結(jié)束

4系統(tǒng)測試

在完成硬件設(shè)計與軟件實(shí)現(xiàn)后，本系統(tǒng)進(jìn)行全面的測試，以驗(yàn)證其功能的實(shí)現(xiàn)情況、性能的穩(wěn)定性及長期運(yùn)行時的可靠性，測試工作主要分為功能檢驗(yàn)、性能檢驗(yàn)和穩(wěn)定性檢驗(yàn)三個環(huán)節(jié)。

4.1 功能檢驗(yàn)

功能檢驗(yàn)主要針對系統(tǒng)的基本功能進(jìn)行驗(yàn)證，包括傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理與反饋控制的實(shí)時性和準(zhǔn)確性。在測試過程中，首先對超聲波傳感器與三軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)采集能力進(jìn)行驗(yàn)證。超聲波傳感器的測距精度被測得在 2～400cm 范圍內(nèi)穩(wěn)定且準(zhǔn)確，符合設(shè)計要求，且其抗干擾能力良好，能夠在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行有效的障礙物檢測。此外，三軸加速度傳感器在監(jiān)測小車的傾斜角度時，數(shù)據(jù)波動較小，能精準(zhǔn)反饋車輛的姿態(tài)變化，為平衡控制提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

在控制算法的驗(yàn)證中，系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過PID控制算法計算出電機(jī)調(diào)節(jié)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)小車的自我平衡。尤其是在斜坡和不平整的路面條件下，電機(jī)能夠準(zhǔn)確調(diào)整轉(zhuǎn)速，確保小車在不同角度下維持平衡，避免傾覆現(xiàn)象的發(fā)生。避障功能同樣表現(xiàn)出色，當(dāng)小車前方出現(xiàn)障礙物時，系統(tǒng)能快速響應(yīng)，及時調(diào)整行駛方向并避開障礙物。整體功能測試表明，智能小車在執(zhí)行避障與平衡控制時表現(xiàn)出了高效的響應(yīng)能力和準(zhǔn)確性。

4.2 性能檢驗(yàn)

性能檢驗(yàn)主要評估系統(tǒng)的響應(yīng)速度、精度和處理能力。首先，在避障過程中，系統(tǒng)能夠在障礙物距離檢測到的瞬間啟動避障算法，通過調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向，確保小車能夠順利繞過障礙物，避免碰撞。通過多次測試，系統(tǒng)能夠在 30cm 內(nèi)精確感知障礙物，并實(shí)時調(diào)節(jié)行駛路徑。對于復(fù)雜的環(huán)境測試，系統(tǒng)在多障礙物場景下仍能保持良好的避障效果，證明了避障算法的準(zhǔn)確性與實(shí)時性。其次，測距精度方面，超聲波傳感器的誤差在 ±1cm 范圍內(nèi)，滿足智能小車在實(shí)際應(yīng)用中的要求。角度測量精度方面，三軸加速度傳感器通過實(shí)時獲取傾斜角度并與設(shè)定閾值進(jìn)行對比，能夠在不同傾斜角度下迅速做出響應(yīng)，確保小車在動態(tài)環(huán)境下穩(wěn)定行駛。

4.3 穩(wěn)定性檢驗(yàn)

穩(wěn)定性檢驗(yàn)的目的是驗(yàn)證系統(tǒng)在長期運(yùn)行過程中的可靠性，特別是電池供電、各模塊工作穩(wěn)定性以及系統(tǒng)對突發(fā)異常情況的應(yīng)對能力。在長時間的測試過程中，智能小車能夠在多個周期內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，并持續(xù)完成避障與自我平衡任務(wù)。系統(tǒng)在反復(fù)啟停過程中，電源模塊能夠?yàn)楦鱾€子模塊提供穩(wěn)定的電力輸出，確保小車各個控制模塊正常運(yùn)行。電池的工作時間在連續(xù)運(yùn)行測試中表現(xiàn)出色，能夠支持系統(tǒng)在不間斷運(yùn)行情況下持續(xù)工作超過3h，滿足日常應(yīng)用的需求，系統(tǒng)能夠有效應(yīng)對外部干擾。例如，在強(qiáng)光或電磁干擾環(huán)境下，超聲波傳感器與加速度傳感器的性能未受到明顯影響，避免了外界環(huán)境對傳感器數(shù)據(jù)采集的影響。

通過功能檢驗(yàn)、性能檢驗(yàn)和穩(wěn)定性檢驗(yàn)三個環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。測試結(jié)果表明，智能小車能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)避障與自我平衡功能，測距精度與角度測量精度均滿足設(shè)計要求。

5結(jié)語

本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種基于STC15單片機(jī)的智能小車監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合超聲波傳感器與三軸加速度傳感器，實(shí)現(xiàn)了小車的自我平衡與智能避障功能。通過對系統(tǒng)架構(gòu)、硬件選型、軟件設(shè)計等方面的詳細(xì)分析，充分展示了該系統(tǒng)在智能汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景與技術(shù)優(yōu)勢。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和精度，能夠在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，為智能平衡車及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展提供了有力支持。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與優(yōu)化，該系統(tǒng)有望在智能交通、物流運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

注：本文為2025年度河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目“移動邊緣計算賦能智能網(wǎng)聯(lián)車的多維資源融合協(xié)作決策與優(yōu)化調(diào)度研究”（25A413012）；2025年河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目“數(shù)字孿生賦能車聯(lián)網(wǎng)多維超融合資源智能按需調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)研究”（252102211010）的研究成果。

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（編輯楊凱麟）