基于單片機的智能小車避障系統的設計與實現

馬宏斌，畢建興，趙家瑩

（河北農業大學 機電工程學院 河北 保定 071000）

1 引言

伴隨著科學技術的迅速發展，人工智能化已成為現在大家的關注的重點，基于此項技術無人駕駛技術已成為未來汽車發展的重點，面向未來無人駕駛汽車應該具有極強的自動控制能力，不需人為控制，就可完成預期所定目標，并且極大地降低交通事故率，其具有極強的現實應用意義。目前市場大量出售的轎車沒有普便應用推廣避障系統，據現有資料顯示大多數交通事故是因車距過小而造成的追尾、碰撞事故。本文提出的采用傳感技術實現的避障系統可利用利用STC89C52單片機在智能小車上進行仿真設計實驗。

2 基于智能小車避障的系統的設計方案

（1）本設計中采用單片機STC89C52作為路況信息的檢測、傳感器輸入信號的處理、驅動電機控制和提供+5V電源的核心器件。

（2）采用超聲波傳感器模塊來探測全方位360度的障礙物，當檢測道傳感器前方存在的障礙物與小車的實時距離小于設定值時，通過單片機控制驅動車輪停轉或反轉，以此來規避前方障礙物，實現避障作用。

（3）小車的自動循跡主要由紅外傳感模塊檢測信號，當小車在鋪設好的軌道上行駛時通過紅外模塊的信號讀入可通過控制車輪的轉動方向，實現按規定的軌道前進的目標。

3 系統硬件設計

硬件電路由直流電源、STC89C52單片機開發板、超聲波傳感器模塊、紅外傳感器模塊、L298N電機驅動模塊、直流電機構成。

3.1 直流電源

利用直流穩壓源為單片機、直流電機進行供電極大地為調試提供了便利，但其也存在著穩壓電源體積相對過大，供電線路較短不適合較長軌道的電源提供。因為考慮到小車電機的靈活工作需要并且單片機采用5V電壓供電即可，干電池組合使用也會代替直流穩壓源的作用，其存在體積小，電壓穩定的優點，但我們在選用直流電機時便固定了只能選用恒壓為5V直流電機的電機，太大的電機電壓等級會存在供電不足停止轉動的情況。

3.2 STC89C52單片機開發板

該系統設計中單片機是信號采集、信息處理、電機控制的核心器件。綜合考慮比較市場單片機的性能、成本等方面，選用宏晶公司生產的STC89C52單片機作為中央處理器。其實時收集和處理小車再前行過程中的傳感模塊采集回來的信息數據，來驅動控制小車的行進速度與方向。

3.3 超聲波傳感器模塊

超聲波測距離傳感器模塊，采用超聲波回波測距原理，運用精確的時差測量技術，檢測傳感器與目標物之間的距離，采用小角度、小盲區超聲波傳感器，具有測量精度高，穩定性能好、無直接接觸的優點。通過軟件編程可以設置最短距離來實現智能小車的自動避障功能。

3.4 紅外傳感器模塊

該設計采用的紅外傳感器模塊采用紅外避障模塊，其由一對紅外線的發射與接收管組成，當此管發射出一定頻率的紅外線光波遇到反射面時變會反射被接收管接收，經過比較處理電路處理變會產生信號輸出，其輸出信號為高低電平，并且其還能根據實際需求來反射距離,但是其容易受強太陽光等多種含有紅外線的外來光源干擾。在進行實驗因對其進行遮光處理，并在實際軌道上進行調試其檢測距離已達到要求。

3.5 L298N電機驅動模塊

電機驅動模塊作為單片機與電機的中間聯絡器件，將單片機IO口輸出的信號轉化為電機正轉、反轉、與停止的實際控制。電機驅動模塊對電機驅動系統具有寬調速范圍、高轉矩重量比、高可靠性等要求。

4 系統的電路設計

4.1 循跡電路

用紅外避障模塊作為小車循跡傳感器，循跡電路結構比較簡單而且工作穩定實用，在經過遮光處理后便能不中斷的向地面發射和接收紅外光，從而判斷實時路況。軌道是由黑白兩種顏色組成的平板制成，黑色為板子的底面，白線代表著軌道的走向。當紅外光線照射到白線上就會發生漫反射，則反射光被接收管接收的光線就相對較弱，從而經過模塊內部的比較計算給單片機的IO口輸入一個低電平，同理當紅外光照射到黑色板面時給IO口輸入一個高電平。通過單片機內部的程序判斷小車當前的行駛狀況，并作出相應處理以保證小車能繼續沿軌道前行。在調試過程中應注意兩個紅外避障的相對距離，否則會出現小車在循跡時沿直線而到處拐動。

從簡單、可靠的角度出發，同時應用5個紅外避障的傳感模塊可大大提高循跡的穩定性。

4.2 避障電路

應用超聲波傳感器進行避障，其工作原理是根據超聲波的測距原理來判斷障礙物與小車當前位止的距離及方向，把超聲波測距傳感器實時測取的數據讀入單片機中與設定的數值進行對比。當檢測到的距離小于設定值時單片機便輸出相應電信號促使電機驅動器緊急制動，避免小車與障礙物的碰撞，從而實現避障功能。

在小車的車體前后左右分別安裝超聲波傳感器，可實現小車全方位緊急避障的功能。

5 系統軟件設置

系統軟件程序采用C語言編寫，其程序流程圖如下所示，該系統在小車下方采用5個紅外避障模塊來完成小車的循跡電路，從該傳感模塊讀入的數據與單片機程序中設定的數據值比較完成相應的邏輯電路控制，系統應用4個超聲波傳感器來進行避障電路的設計，檢測到循跡存在障礙物時馬上執行避障程序，防止小車與障礙物進行碰撞。

圖1

6 結語

該設計中的智能循跡避障小車，采用STC89C52單片機作為信息綜合處理核心，其IO口通過紅外避障模塊和超聲波測速傳感器讀入電信號數值，在與單片機中設定程序進行比較完成后按照已定程序輸出高低電平控制L298N電機驅動模塊，改變小車的運行狀況。此設計使小車系統簡潔，響應快，使其及時根據軌道路況信息進行自動調節行駛狀態，經過測試小車順暢的實現全方位避障循跡功能。今后還可為小車增添自動識別、車速檢測、自動報警和遠程控制等功能使其更加智能化，人性化。