智能測控小車運動控制系統的設計與實現

唐佐俠，孫春志

(1.商丘工學院 計算機工程學院，河南 商丘 476000；2.商丘師范學院 電子電氣工程學院，河南 商丘 476000)

智能測控小車運動控制系統的設計與實現

唐佐俠1，孫春志2

(1.商丘工學院 計算機工程學院，河南 商丘 476000；2.商丘師范學院 電子電氣工程學院，河南 商丘 476000)

研究了智能測控小車的運動控制系統設計與實現方法，本設計采用STC12C5A60S2作為整個系統的主控芯片，搭載多種用于數據采集的傳感裝置，通過無線傳輸方式把采集到的數據發送給無線接收端，小車采用履帶式底盤解決了爬坡問題，車上安裝了可旋轉高清攝像頭用于對環境實時監控.文中給出了部分硬件電路設計以及軟件設計和小車制作實物圖，通過實際測試小車運行穩定.

智能小車；環境；傳感器裝置；硬件

0 引 言

當今社會的發展越來越趨向于智能化，智能產品逐漸被應用在社會的各個領域，并在不斷進一步推廣，智能產品大到太空中航空航天器，小到智能玩具.近些年，加上物聯網的出現和相關技術不斷發展，車輛智能控制系統逐漸進入人們的視野，無人駕駛系統就是最為鮮明的代表[1].智能作為現代社會的新產物，是今后發展的重要方向，智能微型車輛在給我們生活帶來舒適和便利的同時，也被應用在很多重要領域，在工農業生產上也極大提高了生產效率和產品質量；在一些特殊環境下同樣也得到了應用，它可以按照預先設定的模式或者無線控制的模式在一個特定的環境里運行，可以完成很多我們人類無法完成的事情[2].

本設計是一套以智能小車作為承載體，可以搭載各種測量和檢測裝置，對一些不適合人進入的復雜環境實時測量或檢測，并把檢測數據通過無線方式傳輸給外界.智能小車有兩種不同的運行模式，一種是自動模式，完全不需要人控制；另一種是通過無線遠程遙控操作[3].在設計系統過程中，掌握了主控制器的最小系統設計，同時在外圍電路的設計也不斷優化，最終完成了小車檢測電路設計、驅動和顯示電路設計以及尋跡和避障電路的設計[4].

圖1 系統結構框圖

1 系統硬件詳細設計

系統以目前較為主流的8051作為主控制器，主要因為這種控制器廉價，工作穩定等優點.在原有小車基礎上加裝避障模塊、循跡模塊和紅外接收模塊以及數據傳輸模塊，使系統增加了多種工作模式和功能[5].且可以與現有筆記本電腦、手機等設備互聯互通，使其方便的實現藍牙或nRF24l01遙控功能和顯示功能.系統結構框圖如圖1所示.

2 系統硬件電路的設計

2.1 主控制器

本設計主控制器采用加強型51單片機STC12C5A60S2單片機，這種單片機不但可以和市場中的51系列的指令兼容，而且和現有51單片機的管腳完全兼容.內部可以有高達60 K閃存空間，支持常用的串口燒寫程序功能.最為重要的是這種控制器對開發設備要求非常低，還可以對各種程序實現加密功能.除了具有52單片機的全部功能外，還有豐富的外設，使用非常方便.單片機共有7路外部中斷接口，一般中斷方式采用的是上升沿中斷，本處理器支持中斷的PCA模塊，內部包含8路10位精度A/D轉換模塊，具有250K/S轉換速度，共有4個16位定時器同時具有外部掉電檢測功能.

2.2 避障及電機驅動單元

由于在進入障礙區后，只要判斷小車的前方和偏左、偏右的方向有無障礙即可，所以障礙物的檢測采用反射式光電傳感器，該傳感器的原理與循跡模塊大致相同，不同的是：當檢測到沒有障礙物，傳感器檢測不到信號時傳感器輸出為高電平，當檢測到有障礙物，傳感器檢測到信號時傳感器輸出為低電平.在本設計中障礙物的檢測也采用兩只光電傳感器[6].

采用L298N專用驅動芯片.用單片機控制占空比即產生可調的PWM波，從而精確控制電機的轉速.L298N內含兩個H橋的高電壓大電流全橋驅動器，這種電路效率非常高；并可方便地實現轉速和方向的控制.穩定性高，是一種應用廣泛的PWM調速技術.

圖2 LCD1602液晶顯示驅動電路

2.3 顯示模塊

本系統的液晶顯示的驅動電路，為LCD1602型號字符液晶顯示器，供電電壓為DC5V.LCD字符液晶顯示器選用顯示容量為16*2個字符，LCD1602分為帶背光和不帶背光兩種，其控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應用中并無差別，在電路中連接有10 kΩ的電位器，通過電位器可以調節顯示字符的亮度[7].

由于此處液晶顯示的是實時溫度和狀態信息，所以本系統采用的是LCD1602型號的靜態顯示器.液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效.要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符.LCD1602液晶顯示驅動電路原理圖如圖2所示.

2.4 循跡模塊

系統在尋跡電路設計時采用了四路TRCT5000紅外對管，主要安裝在小車兩側，利用一對光電開關來接受黑色線和白色線的反射光線不同使系統自動調整小車的運行軌跡，進過實際測試表明，只要把光電傳感器位置安裝合適，就完全可以實現尋跡功能，本系統所使用的尋跡部分硬件電路原理圖如圖3所示.

圖3 四路循跡程序圖

2.5 數據采集及發送

數據采集的目的是為了測量電壓、電流、溫度、壓力或聲音等物理現象.基于多種傳感器：光強、氣體、溫度、空氣濕度等多種傳感器對陌生環境或者人不能到達的區域進行實地勘察測量，把數據直接傳回到控制器.傳感器所采集的數據很多都是瞬態值，通過一些計算方法可以轉化成一些特征值[8].對于很多數據測量都會采用直接測量和間接測量兩種方法，設計系統時要根據具體測量的物理量不同去選擇合適的傳感器.通過采集非電量或者電量信號，送到單片機中進行分析，處理，可通過pcf8591進行模擬量與數字量的相互轉化，所得數據通過nRF24l01實時把傳輸到移動終端.數據采集電路如圖4所示.

圖4 數據采集電路

2.6 數據接收及控制部分

數據接收板一方面用于控制小車的行駛，另一方面作為數據接收的終端，便于觀察和記錄，其中用藍牙和nRF24l01兩種方式去實現這一目的，在距離短的情況下可以用手機通過藍牙來控制小車，用24l01進行數據的接收.由于nRF24l01本身具有五路數據傳輸部分，如果在長遠距離時可以用nRF24l01的一路通道實現對小車的控制用其他四路進行信息的接收，另外如果對nRF24l01加裝天線之后可以在幾公里范圍內進行數據傳輸.而且24l01具有自動重發功能，自動檢測和重發丟失的數據包，重發時間及重發次數可軟件控制，內置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制[9].數據接收之后通過單片機的進一步細化處理用1602顯示屏或LCD12864顯示屏實現信息的顯示，1602比較輕巧，可滿足幾種信息的顯示，在數據很多的情況下可選擇LCD12864液晶屏.數據接收電路圖如圖5所示.

圖5 數據接收板電路圖

3 軟件設計

整個系統再設計過程中，硬件電路設計是在進行微機控制系統設計時，硬件電路的設計算是整個系統的骨架，系統要想正常運行還要有與之配套的軟件支撐.在整個系統運行過程中大量的數據處理都由程序完成，但凡涉及到微機控制系統的產品都會涉及到軟件設計，本設計中軟件設計占有非常重要的地位.

本設計過程中軟件設計采用的方法主要是模塊化設計，所謂的模塊化設計是指系統要完成一個功能中，可以拆分成很多的子系統，每一個子系統就成為一個模塊，每個模塊都可以獨立運行，在進行整體系統設計過程中主要分過程控制和數據處理兩個方面.其中，數據處理主要是實現濾波變換功能，而過程控制主要是讓控制器按照一定的算法實現計算.

4 結 語

設計制作測控小車實物圖如圖7所示.

圖6 程序流程圖

圖7 測控小車實物圖

通過對最終的測試，實現了對一些數據的采集及傳輸和智能藍牙小車的自主行駛和人為控制，預期的結果和現有的結果仍然存在著少許差距.智能測控小車在功能方面有了很大的改善，成功實現了藍牙遙控小車和迷你化設計.小車各個功能的實現都采用集成化模塊，在實現更多功能的同時有效地減少了小車的體積.

[1]杜云，魏雅.基于單片機的智能小車設計制作與應用[J].自動化與儀器儀表，2016(1):67-68.

[2]姜寶華，齊強.基于單片機的無線遙控智能小車的設計與制作[J].電子世界，2013(3):24-25.

[3]孫春志，吳晨光.基于nRF24L01車輛集中管理及防盜系統的設計[J].商丘師范學院學報，2016，32(3):29-32.

[4]徐瑩，孫春志，等.基于LD3320的智能家居一體化聲控系統的設計[J].商丘師范學院學報，2016，32(6):37-41.

[5]趙學浩，錢衛國.基于單片機的無線智能小車設計[J].常熟理工學院學報，2016(4):93-96.

[6]顧群，蒲雙雷.基于單片機的智能小車避障循跡系統設計[J].數字技術與應用，2012(5):23.

[7]宋戈，黃鶴松，員玉良，等.51單片機應用開發范例大全[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[8]閻石.數字電子技術基礎(第四版)[M].北京：高等教育出版社，1998.

[9]劉伏文，王春華.MCS-51單片機存儲器結構詳解[J].電子制作，2007(10).

[責任編輯：徐明忠]

Thedesignandimplementationofthemotioncontrolsystemoftheintelligentmeasurementandcontrolsystem

TANG Zuoxia1，SUN Chunzhi2

(1.College of Computer Science and Technology，Shangqiu Institute of Technology，Shangqiu 476000，China；2.School of Electronic and Electrical Engineering，Shangqiu Normal University，Shangqiu 476000，China)

This paper studies the intelligent car’s motion control system design and implementation method，this design uses STC12C5A60S2 as the main control chip of the whole system，equipped with a variety of sensor device for data acquisition，through the wireless transmission of the collected data is transmitted to the wireless receiver，the car uses crawler chassis to solve the problem of climbing on the car to install.The rotatable high-definition camera for real-time monitoring of the environment.Some hardware circuit design and software design are given in this paper.The system is stable through the actual test.

smart car；environment；sensor device；hardware

2016-10-02；

2016-11-08

河南省科技廳項目(142300410322)；河南省自然科學基金資助項目(152102410057)

唐佐俠(1986—)，女，河南商丘人，商丘工學院助教，碩士，主要從事嵌入式研究.

TM571

A

1672-3600(2017)12-0019-05