基于單片機的智能避障小車

張開翔

摘要：本文設(shè)計一款基于紅外避障、超聲波測距的原理，檢測并計算小車距離周圍障礙物的距離，通過控制小車后輪兩電機的差速調(diào)速來實現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向控制。經(jīng)實際測試，智能避障小車取得了良好的實驗效果。

關(guān)鍵詞：單片機；避障小車；超聲波測距

中圖分類號：TP242.6 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）09-0001-02

智能避障小車作為智能移動機器人一種，具有行動靈活，操作方便等優(yōu)點，避障小車上可以裝載各種功能的傳感器及數(shù)據(jù)處理模塊，其中避障功能是保證智能小車在行進過程中行進方向自行調(diào)節(jié)，避免發(fā)生碰撞是智能小車重要組成部分。自動避障功能的小車設(shè)計包括小車的機械結(jié)構(gòu)、傳感器、L298N電機驅(qū)動模塊以及AT89S52單片機軟件設(shè)計等。目前很多小車都采用單個傳感器實現(xiàn)單面避障，存在探測速度慢，避障成功率低等問題[1]。因此設(shè)計了一款全方位避障的智能小車系統(tǒng)，采用紅外單點避障和超聲波避障相結(jié)合的模式來實現(xiàn)全方位探測，有效提高避障的效率和成功率。

1 系統(tǒng)設(shè)計

智能避障小車模型主要由AT89S52單片機控制板、小車底板、傳感器模塊、電機驅(qū)動和電機模塊、LCD顯示模塊等構(gòu)成。智能避障小車采用亞克力作為底盤，小車的前輪為萬向輪，小車后輪分別由一個電機控制。通過對后輪兩個電機轉(zhuǎn)速的差速控制來實現(xiàn)小車運動的控制。小車核心控制模塊采用AT89S52單片機最小系統(tǒng)板用來接收和處理紅外傳感器、超聲波傳感器信號數(shù)據(jù)[2]。從而發(fā)出小車相關(guān)執(zhí)行操作指令，系統(tǒng)功能如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 單片機控制模塊

智能避障小車主控芯片采用了ATMEL公司的AT89S52芯片，該單片機負責(zé)小車傳感器數(shù)據(jù)的采集、讀取，并控制小車電機驅(qū)動實現(xiàn)小車行動方向等控制。

2.2 傳感器模塊

智能小車傳感器分為紅外傳感器和超聲波傳感器。紅外傳感器發(fā)射和接受紅外光，用于對近處物體的探測和識別，將探測到的物體信號通過電平信號送給單片機；超聲波模塊發(fā)射和接受超聲波，用于測量障礙物的距離，并且輔助避開障礙物。超聲波測距原理：使換能器向介質(zhì)發(fā)射脈沖，聲波遇到被測物體后反射回來接收，若聲速為c，第一個回波到達時刻與發(fā)射脈沖時刻相差為t，則小車與目標(biāo)之間的距離s=c*t/2[3]。電路設(shè)計如圖2所示。

2.3 顯示模塊

LCD顯示屏，負責(zé)顯示處理器處理的超聲波信號，并且將距離顯示，采用了1602 LCD顯示模塊。

2.4 電機驅(qū)動模塊

智能小車的前進驅(qū)動主要是通過步進電機驅(qū)動的，驅(qū)動模塊設(shè)計采用L298N芯片，該芯片是一款高電壓，大電流電機驅(qū)動芯片。可以驅(qū)動直流電動機和步進電動機，采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制。具有兩個使能控制端。驅(qū)動電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止。

3 軟件設(shè)計及實現(xiàn)

3.1 超聲測距程序設(shè)計

如圖3所示，根據(jù)超聲波模塊時序圖，單片機IO口設(shè)計輸出脈沖觸發(fā)信號（TTL信號高電平10us以上），超聲波模塊將循環(huán)產(chǎn)生8個40KHZ的周期脈沖電平信號，單片機檢測連接檢測回波的引腳，一旦該引腳檢測到信號上升沿，單片機內(nèi)部啟動定時器計算高電平的時間。高電平的寬度與所測的距離成正比[4]。距離=高電平時間*聲速/2。

3.2 系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)軟件流程圖4所示，智能避障小車上電后直行，單片機AT89S52采集紅外傳感器數(shù)據(jù)和超聲波檢測的數(shù)據(jù)，判斷前方是否有障礙物，如果沒有障礙物可以左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、倒車和直行。如果遇到障礙物就停止前進并啟動蜂鳴器報警[5]。

3.3 實驗結(jié)果

通過進行測試，成功實現(xiàn)了小車的智能避障功能，超聲波的距離可以達到80cm，根據(jù)超聲波所測的距離，小車能夠探測到是否存在障礙物，實現(xiàn)判斷暫停、后退、前進或轉(zhuǎn)向等操作，達到預(yù)期目標(biāo)。小車實物如圖5所示。

4 結(jié)語

本文設(shè)計實現(xiàn)了一種實用的智能避障小車系統(tǒng)設(shè)計方法，完成了智能小車結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路硬件的設(shè)計及控制軟件代碼的開發(fā)，成功實現(xiàn)避障的功能，該系統(tǒng)有控制過程簡單、成本低、抗干擾能力強等特點。可以廣泛用于智能自動物流車、智能車玩具等領(lǐng)域，在工業(yè)智能機器人領(lǐng)域也有一定的實用價值。

參考文獻

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[2]宋戈，黃鶴松，員玉良，蔣海峰.51單片機應(yīng)用開發(fā)范例大全[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[3]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，1998.

[4]劉伏文，王春華.MCS-51單片機存儲器結(jié)構(gòu)詳解[J].電子制作，2007，（10）：56-59.

[5]安巖.自動循跡智能小車的設(shè)計[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報：工程技術(shù)版，2010，（1）：72-75.endprint