基于單片機的自動尋跡避障小車設計

盧慶林

（陜西工業職業技術學院電氣工程學院，陜西 咸陽712000）

0 引言

智能小車是一種可移動的輪式機器人，其內容涵蓋機械、電子、汽車、計算機、傳感技術和自動控制等領域［1］。隨著汽車工業的快速發展，汽車的智能化必將是未來汽車產業發展的趨勢，可應用于工廠自動料車、固定場地搬運車等技術領域，也可應用于復雜、惡劣的工作環境，具有良好的應用前景［2－3］。目前，超聲避障實現簡便、數據處理量小、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到實用的要求，因此，成為常用的避障方法［4］。在此，采用紅外尋跡，使小車沿著預定路徑行駛，對行駛途中障礙物，利用超聲波傳感器來實現小車避障，通過控制小車與障礙物的距離，實現了小車多角度檢測障礙物，從而控制小車轉向、后退或前進，使小車能成功躲避障礙物。

1 系統方案設計

避障小車使用STC89C52單片機作為主控芯片，采用雙電機驅動，在左右后輪各安裝1個直流電機，轉向控制由調制舵機的轉動角度來實現。小車尋跡采用紅外對管，安裝在小車前端，為了小車能夠更好的避障，在小車的前、左、右3個方向上安裝了3個超聲波傳感器，通過超聲波測距來獲取小車離障礙物的距離，并用液晶LCD顯示結果。當小車與障礙物的距離大于30 cm時，小車會沿直線前進；當小車檢測到障礙物并與障礙物的距離小于30 cm時，主控芯片根據距離值控制直流電機的轉動，在轉動的方案上將首先嘗試左轉，如果在0．9 s里面連續轉動3次，則說明前方的障礙不能通過，就控制小車向相反的方向轉動并后退一段距離，然后再前進以避開障礙物，同時蜂鳴器報警提醒。系統結構如圖1所示。

圖1 系統總體設計

2 硬件設計

2．1 HC－SR04測距模塊

超聲波傳感器主要發射高頻超聲波，在遇到障礙物時發生像光一樣的反射和散射。超聲波模塊采用成型的HC－SR04模塊，該超聲波模塊測距范圍為3～400 cm，測距精度可達到3 mm，其包括超聲波收發探頭、控制電路和驅動電路［5］。超聲波測距模塊工作原理：采用I／O口TRIG觸發產生8個40 k Hz的方波脈沖，由發射驅動電路加在發射探頭上，經被測物反射到接收探頭，通過檢測電路送處理器處理后，由處理器I／O口Echo產生1個持續高電平，該高電平保持時間即為超聲波從發射到返回的時間。

2．2 ST188紅外傳感器尋跡模塊

紅外傳感器ST188是一種反射式光電傳感器，其體積小、使用方便和可靠性高［6］。光電檢測電路如圖2所示，主要有光電和信號處理2部分。在進行光電檢測時，ST188傳感器尋跡，當檢測到路徑時，將信號傳輸給集成運放μA741，構成電壓比較器，得到相關TTL電平信號，送 給 STC89C53單片機處理，從而斷定小車是否沿規定路徑行駛。在預定路徑運行過程中，若檢測到路徑中黑色部分，接收管產生0．5 V低電平信號；若檢測到路徑中白色部分，接收管產生4．8 V高電平信號。電壓比較器完成信號初步處理，30 kΩ的電位器調節其基準電壓［7］。系統為了能準確定位行駛方向及路徑，在小車底盤裝設4個紅外ST188探測頭，從左右2個方向上糾正控制，提高循跡的可靠性。

圖2 光電檢測電路

2．3 電機驅動設計

電機驅動部分主要由STC89C52單片機和L298N構成，其電路如圖3所示。L298N芯片單列直插式，共15個管腳。其中，IN1，IN2，IN3和IN4為輸入端；OUT1，OUT2，OUT3和 OUT4為輸出端；SA和SB為反饋端；ENA和ENB為使能端；GND為接地端；VSS為電源電壓輸入端；VS為功率電源電壓輸入端。L298N芯片響應頻率高、輸出功率大，可同時驅動2個電機。AT 89C52的PB4，PB5端口直接分別與L298N的2個使能端ENA，ENB相連，通過對單片機編程就可實現2個直流電機的PWM調速 控 制［8］。 單 片 機 的PD0～PD3端口分別與L298N的引腳IN1，IN2，IN3，IN4相連，通過電平變化控制電機在持續高速狀態下的轉向。L298N的4個輸出端直接與2個電機相連，以驅動電機。

圖3 L298N電機驅動電路

2．4 主控系統設計

主控系統主要采用STC89C52單片機作為中央處理器，主要包含ISP下載端口、超聲波連接端口、L298N連接端口和各類指示燈等。

STC89C52單片機是8位單片機系統，具有低功耗、性能穩定、可靠性高和支持在線編程等優點。另外，STC89C52還有2個8位可編程計數定時器，4 KB的RAM，32個I／O口［9］。由其構成單片機最小系統如圖4所示。系統采用外部時鐘，振蕩頻率為12 MHz，復位采用按鍵控制。

圖4 時鐘電路和復位電路

2．5 顯示及報警電路

顯示模塊采用LM016L液晶模塊，內部帶有控制器，具有簡單而功能較強的指令集，可以實現字符閃爍、移動等功能［10］。LM016L與單片機通訊可采用8位或4位并行傳輸2種方式。顯示電路如圖5所示。系統報警電路采用的是三極管驅動的蜂鳴器，其工作電壓為3～15 V，驅動電流為10 m A。蜂鳴器由三極管和電阻組成的驅動電路來驅動，STC89C52單片機的P3．5口接三極管基極輸入端，通過P3．5輸出高電平使電路產生報警。

圖5 LM016L顯示電路

3 軟件設計

3．1 小車紅外尋跡設計

小車尋跡流程如圖6所示。STC89C52單片機定時器預置的初值，使其P0．4和P0．5端口產生不同占空比的方波信號，來控制電機兩端的電壓值，進而控制小車運行速度。小車沿規定路徑行駛時，系統處理器不間斷地掃描單片機與紅外探測器的接口，判斷是否有信號輸入，檢測到就進行相應判斷處理，并傳送給電機，使小車沿預定路徑行駛。

圖6 小車循跡流程

3．2 超聲波測距設計

在超聲波探測模塊中，I／O口觸發，給Trig口至少10μs的高電平，啟動測量；模塊自動發送8個40 k Hz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，則通過I／O口Echo輸出1個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間，測試距離＝（高電平時間×340）／2，單位為m。超聲波測距流程如圖7所示。

圖7 超聲波測距流程

程序中測試功能主要由2個函數完成，即measure（）負責啟動1次模塊的測距，然后由Should Turn（）確定前方是否有障礙物。根據車體大小及系統的反應，經過測試，取30 cm的反應距離效果較為明顯。另外，HC－SR04超聲波探測模塊探測的間隔周期推薦值是64 ms，經過試驗，小車系統中取125 ms較為適宜，使主程序有足夠的時間來驅動小車前進。實現中采用定時器0進行定時測量，8分頻，TCNTT0預設值0XCE，當timer0溢出中斷發生2 500次時為125 ms。

4 結束語

在自動尋跡避障小車中，采用功能單元模塊化的設計，使得系統響應快、性能穩定、簡潔。經測試表明，小車實現了預期設定的循跡功能，并在規定的時間內，沿設定路徑完成循跡，對于行駛路徑中的障礙物，如小于30 cm，可自動轉向避讓。為了使小車更加智能化，還可為小車增加自動巡航、識別、車速檢測和制動等功能。

［1］ 夏 鯤，張振國．電動車蹺蹺板自平衡系統設計［J］．電子測量與儀器學報，2010，24（2）：179－183．

［2］ 蘭 羽．基于紅外傳感器ST188的自動循跡小車設計［J］．電子設計工程，2013，21（3）：64－66．

［3］ 簡 盈，王躍科，潘仲明．超聲換能器驅動電路及回波接收電路的設計［J］．電子技術應用，2004，30（11）：31－34．

［4］ 董 濤，劉進英，蔣 蘇．基于單片機的智能小車的設計與制作［J］．計算機測量與控制，2009，17（2）：380－382．

［5］ 蘇 煒，龔壁建，潘 笑．超聲波測距誤差分析［J］．傳感器技術，2004，23（6）：8－11．

［6］ 蘭 羽．具有溫度補償功能超聲波測距系統的設計［J］．電子測量技術，2013，36（2）：85－87．

［7］ 蘭 羽．基于40 k Hz超聲波測距系統的設計［J］．機械與電子，2013（8）：66－69．

［8］ 蔣緯洋，鄧 遲，肖曉萍．兩輪自平衡小車系統制作研究［J］．國外電子測量技術，2012，31（6）：76－79．

［9］ 蘭 羽，萬可順．基于AT89C51的無線溫度采集系統的設計［J］．國外電子測量技術，2013，32（6）：83－85．

［10］ 王 剛，喬純捷，王躍科．基于時鐘同步的分布式實時系統監控［J］．電子測量與儀器學報，2010，24（3）：274－278．