一種多功能循跡避障智能小車的研制

陳文澄　張輝　張晉滔

摘 要：基于STC89C52為核心設計了一款多功能智能小車。硬件部分用紅外傳感器作為循跡與紅外遙控的核心器件，同時搭載超聲波模塊及WIFI模塊用以拓展智能小車的超聲波避障功能與WIFI遙控功能。軟件設計部分通過PWM程序調制控制小車姿態調整。通過了Proteus的模擬與仿真，并落地實測。實驗表明，設計方案可以很好地完成循跡，避障，遙控等功能，為進一步研制智能化程度更高的機器小車提供了參考價值。

關鍵詞：紅外傳感器；循跡；避障；遙控

中圖分類號：TP23 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）04-0032-03

Abstract： A multifunctional intelligent car is designed based on STC89C52. In the hardware part， the infrared sensor is used as the core device of tracking and infrared remote control. At the same time， the ultrasonic module and the WIFI module are used to expand the ultrasonic obstacle evading function and the WIFI remote control function of the intelligent car. The software design part uses the PWM program modulation to control the attitude adjustment of the trolley. Through the Proteus simulation， emulation and measurement， experiments show that the design can realize tracking， obstacle evading， remote control and other functions， and provide a reference value for the further development of a more intelligent machine car.

Keywords： infrared sensor； tracking； obstacle evading； remote control

當今機器人技術發展得如火如荼，其應用在國防等眾多領域得到廣泛開展。神五、神六升天、無人飛船等等無不得益于機器人技術的迅速發展。一些發達國家已把機器人制作比賽作為創新教育的戰略性手段[1]。智能電動小車系統以迅猛發展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械等多個學科。主要由路徑識別、角度控制及車速控制等功能模塊組成[2]。本文旨在體現智能小車的自動與智能，小車可以通過傳感器及串口等來獲取信息，同時將信息交由單片機處理，單片機根據不同的信息調整小車的行為，可以實現自動循跡避障等自動功能，也支持紅外和WIFI遙控等人為操控。

1 系統整體設計

系統采用STC89C52單片機作為核心控制芯片，根據智能小車所需要實現的功能將系統分成不同的模塊，用不同的傳感器模塊分別對應完成各自功能。整體設計框圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 驅動模塊

2.1.1 電機驅動芯片

L293D是驅動小型直流電機的專用驅動芯片，屬于H橋集成電路，其輸入端可以與單片機直接相接，從而很方便地接受單片機控制[3]。只需要控制輸入端的高低電平，就能實現電機正轉與反轉。實際操作中，建議使用帶減速箱的直流電機。小車運動時傳感器獲取實時信息，交由單片機處理后，經由各個IO接口輸出高低電平，從而實現前、后、左、右各個方向的轉動。圖2為電機驅動模塊L293D的引腳接線圖。

2.1.2 電機速度控制

采用脈沖寬度調制方式（PWM）從I/O口輸出不同占空比的脈沖，經濾波后獲得不同高低電平用以控制電機。本方案可以達到對速度的控制要求，且控制方法簡單易實現。

脈沖寬度調制程序如下：

void go_PWM（void） //PWM前進

{

for（i=0；i<10；i++）

{

IN1=1；IN2=0；IN3=0；IN4=1；

IN5=1；IN6=0；IN7=0；IN8=1；

ENA=ENB=ENC=END=1； //設置占空比為8/13

Delay_Ms（8）；

ENA=ENB=ENC=END=0；

Delay_Ms（14）；

}

}

2.2 紅外模塊

2.2.1 紅外傳感器

紅外傳感器是一對紅外線發射與接收對管，發射管發出一定頻率的紅外線，當被反射回來之后被接收管接收[4]，經過比較器電路后會在輸出口輸出一個高低電平的數字量，可以調節電位器來調節檢測距離，紅外傳感器控制電路圖如圖3所示。

2.2.2 紅外循跡

循跡功能采用的是紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發射紅外光，當紅外光遇到白色紙質地板時發生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據來確定黑線位置和小車的行走路線[5-6]。同時為了加強系統的穩定性及可靠性，小車加入了脈沖寬度調制（即PWM信號），通過PWM信號來控制四個電機的速度，使其四個電機速度一致，可以改變占空比實現電機的調速。

紅外循跡程序如下：

if（MODE_2==0） ///////進入循跡模式

{

while（1）

{ // 循跡模塊邊有信號為1（白線） 沒有信號為0（黑線）

if（Left_X_led==1&&Right_X_led==1） ////沒有碰線

go_PWM（）；}

if（Left_X_led==1&&Right_X_led==0） //右邊碰黑線

rightrun_PWM（）；

if（Right_X_led==1&&Left_X_led==0） //左邊碰黑線

leftrun_PWM（）；

if（Left_B_led==0&&Right_B_led==0） //正對障礙物

{

zhuangxiang（）； //轉向

zhuangxiang（）；

delay（30）；

}

}

}

2.2.3 紅外遙控

紅外遙控系統由發射和接收兩大部分組成，紅外遙控系統框圖如圖4所示，應用編/解碼專用集成電路芯片來進行控制。發射部分包括鍵盤、編碼調制、LED紅外發送器；接收部分包括光、電轉換放大器、解調、解碼電路。通過紅外遙控器和與單片機相連的紅外接收管實現對小車的紅外遙控。

2.3 超聲波模塊

2.3.1 超聲波測距原理

超聲波模塊部分使用的是HC-SR04測距模塊，可以提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達3mm[7]。模塊由超聲波發射器，接收器和控制電路組成。采用單片機I/O口來觸發測距，模塊自動發送8個40kHz的方波，同時檢測是否有信號返回，然后通過I/O口輸出高低電平，高電平持續的時間為超聲波從發射到返回的時間，根據聲音傳播的公式[8]：距離=（時間*聲速（340m/S））/2可得：測試距離=（高電平時間*聲速（340m/S））/2。在控制口發出高電平，等待接收口接收到高電平時即打開計時器定時，當接收到低電平時讀取定時器的值，取兩者的差值即為本次測量的時間，不斷進行周期測量，再通過上述的公式即可達到超聲波測距的功能。

超聲波測距程序如下：

void Conut（void） //計算距離

{

while（！ECHO）； //當RX為零時等待

TR0=1； //開啟計數

while（ECHO）； //當RX為1計數并等待

TR0=0； //關閉計數

time=TH0*256+TL0； //讀取脈寬長度

TH0=0；

TL0=0；

S=（time*1.7）/100； //算出來是cm

}

2.3.2 超聲波避障

通過在車上搭載的超聲波測距模塊可以實現超聲波避障功能。當小車啟動時同時啟動超聲波模塊，舵機歸中以確保超聲波模塊正對小車前方，在程序中給超聲波測距模塊設定一個閾值開始工作，如設定的閾值為10cm，那么當檢測到前方障礙物小于該值（10cm）時，小車停止并運用舵機配合超聲波測量小車左方和右方離障礙物的距離，同時將這兩個距離送由單片機作比較，如果左邊離障礙物的距離大于右邊的測量值小車左轉，反則同理。

2.4 WIFI模塊

通過WIFI模塊作為上位機和單片機溝通的橋梁，用C#編寫上位機與單片機的通信軟件，軟件界面如圖5所示，通過串口通信功能將指令發送到單片機的串口，單片機根據接收到的指令輸出I/O口的高低電平來驅動電機的轉動，從而實現通過WIFI在電腦和手機終端遙控智能小車。在小車上搭載一個攝像頭并對視頻進行編碼，將所拍攝的畫面經由WIFI返回上位機，從而實現對智能小車的實時監控。

2.5 按鍵模塊

設計了四個獨立按鍵來組成功能鍵，每按下一個按鍵智能小車會進入到對應的模式，如按鍵一對應循跡模式，按鍵二實現避障功能等，通過設立功能鍵實現智能小車功能的快速切換。

3 程序設計

智能小車的程序使用C語言編寫，具有明顯的可讀性與可維護性，方便閱讀與修改，易于理解。整體設計流程圖如圖6所示。通過下載線將程序燒錄到單片機，經過落地實測，各種模塊功能穩定可靠。最后的成品如圖7所示。

4 結束語

本設計使用了模塊化設計的方法，將不同的功能分模塊實現，每個模塊對應的功能均經過多次調試，最后將各部分模塊的功能組合在一起。該智能小車能實現多種的功能，電源啟動后進入到初始化，等待按下功能鍵選擇不同的功能。循跡模式下小車通過紅外傳感器來不斷修正路徑，實現黑白線循跡；避障模式下小車通過超聲波避障，實現當前方遇到障礙物，小車會自動轉向從而實現避障；紅外遙控模式下，小車可以通過車上的紅外對接收管來接收紅外遙控器發出的指令進而實現紅外遙控；WIFI遙控模式下，開啟車上的WIFI模塊，可以通過電腦上的上位機軟件實現對小車的操控，同時可以在軟件中獲取小車攝像頭所拍攝的實時影像。所有這些功能組合成一個有機的整體，實現了一臺有一定智能功能的小車，為實現更具有智能化的機器人研制打下了基礎。

參考文獻：

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[5]楊睿，路雪松，金亞玲.智能小車的避障控制系統的單片機設計研究[J].時代農機，2018（09）：248.

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[8]張冬昌，賀子懿，張冬梅.智能小車的單片機控制設計實現[J].中國新通信，2018，20（01）：230.