基于單片機的智能避障實訓車教學設備的研制*

王 敏，王 輝※，陳金陽，張朝晶

（1.盤錦職業技術學院，遼寧盤錦 124000；2.盤錦市教育裝備工程技術研究中心，遼寧盤錦 124000）

0 引言

隨著中國科學技術的飛速發展，工業生產向智能化和自動化的方向發展，單片機作為一個嵌入式系統，由于體積小、能耗低、可靠性高、集成度高的特點廣泛應用在通訊、儀表儀器、工業控制、醫療等領域，單片機已成為人們生產、生活的必需品，社會對單片機技術高技能復合型人才的需求日益增長，迫切需要高職院校對單片機技術深入研究[1]。為此，本文研制一種適合高職學生學習單片機技術的智能避障實訓車教學設備非常重要，通過自主研制智能避障實訓車教學設備，使學生熟悉單片機在機電一體化技術的綜合應用，熟練掌握開發復雜單片機系統的一般方法，將教學緊密與企業生產實踐結合，培養學生一線工程實踐能力、科技創新能力[2]。

1 教學設備總體設計

智能避障實訓車設備的研制過程可以看成一個完整的實際工程項目實施流程。以“雙元制”教學模式中的培訓模塊的設定就是通過一個實際的工程項目為實訓載體，將工作中所涉及的各專業課程理論和所需的專業技能有機融合并充分體現在實踐行動的各個環節，讓學生在“做中學，學中做”有利于學生盡早適應崗位環境[3]。智能避障實訓車教學裝置主要由電源模塊、紅外檢測模塊、聲光報警模塊、主控模塊、電機驅動模塊，實訓車車身選用鋁材作為車體材料，采用AT89C51單片機作為控制器，以直流電機作為驅動，傳感器作為檢測并搭配避障、聲光報警、運行指示、短路過載保護的功能，從車身設計制作到電路控制功能的實現涉及到機械制圖、機械加工、單片機技術、電氣控制、C語言程序編程、電子焊接等多個學習領域知識和技能，從制定工作計劃、完善工作頁到整理數據、交付技術資料旨在培養學生的職業素養，系統的總體設計方案如圖1所示。

圖1 系統總體設計方案

2 系統硬件設計

2.1 機械單元設計

制作智能避障實訓車車體結構的材料選用鋁材合金，鋁型材具有很高的塑性，易于加工，可制成各種型材、板材，抗腐蝕性能好，利用車床、銑床等機床設計并制作智能避障機器人的車身。車體的外觀仿照實際汽車結構，機械部分制作的部件主要有：底座、擋板、側板、車窗、頂蓋、保險杠、減震塊、橫梁、4個輪胎位等，嚴格按照工件的機械加工常規技術要求進行硬件原理圖的設計與零部件加工，同時考慮絕緣、美觀、適應等性能，設計實訓車外觀如圖2所示，頂蓋機械加工圖紙如圖3所示，實訓車實物如圖4所示。

圖2 智能避障實訓車車體外觀圖

圖3 頂蓋機械加工圖紙

圖4 實訓車實物圖

2.2 電子單元設計

2.2.1 電源模塊

系統采用的DC-DC的供電方式，考慮到5 V空心杯直流電機對電源的要求，選用12 V，3 000 mA的鋰電池供電，系統其他模塊供電的5 V電源由降壓模塊LM2 596轉換供給。

2.2.2 紅外避障模塊

智能避障實訓車安全避障的方法主要有超聲波避障、紅外傳感器避障、激光雷達避障等方法，對于本文研究的機器人來說，只需完成較近距離的正面阻擋物躲避任務即可，所以選擇漫反射式紅外光電傳感器。在車頭處按照“棕正藍負黑信號”的接線方式[4]，安裝4個傳感器，控制器接收傳感器發送來的信號，若前方路況良好，信號也為低電平，小車正常行駛；若前方由障礙物阻擋，電壓信號為高電平，小車減速或轉彎行進。

2.2.3 聲光報警模塊

聲光報警電路在控制器的控制下，在前方遇到障礙物后發出3 s的聲光報警，單片機I/O口配合放大電路的驅動蜂鳴器工作，燈光報警靠發光二極管實現，工作電流相對較小，直接靠單片機的端口驅動，當相應輸出口為高電平時，LED點亮，發出光報警；當輸出口為低電平時，LED熄滅，光報警解除。

2.2.4 電機驅動模塊

系統采用5 V空心杯直流電機控制小車，電機驅動模塊采用“H”橋大功率雙路驅動模塊（3～53 V電壓可調）[5]，空心杯電機專用驅動器，配合空心杯電機十分理想。空心杯直流電機一般需要60 kHz的PWM頻率，此款驅動器已經設計到200 kHz的超高開關速度。驅動器單電源輸入電壓范圍是3～53 V可調，此驅動器還具有的剎車功能可迅速將電機剎住，剎車迅速，制動明顯，實現此功能操作簡單。以上電路模塊的實物圖如圖5所示。

圖5 電路模塊實訓圖

3 系統軟件設計

該設計以智能避障實訓車為對象，要求其能夠實現以下功能：按下單片機處理器啟動按鈕后，如果前方沒有障礙物，智能避障小車開始運行，運行時，傳感器實時檢測前方信號，當檢測到前方有物體有信號返回時，傳感器將輸出信號發送給單片機處理器，智能避障小車發出3 s音樂提示操作者，并且發出PWM信號給電機驅動模塊使小車轉彎避開障礙物[6]；按下單片機處理器停止按鈕，單片機處理器PWM停止輸出，電機驅動模塊輸出0 V，智能避障小車停止運行，實訓車軟件系統靠C語言編程語言實現，主要思路是將每個功能的程序驅動寫成相應的子函數，上述具體動作靠主函數調用相應的子函數實現，系統的程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序設計流程圖

4 結束語

本文介紹了一種在“雙元制”教學模式下，遵從“咨詢—計劃—實施—運行”模式[7]，基于單片機技術的智能避障實訓車教學設備的設計。經過多次調試，智能避障實訓車能夠完成控制要求的相應動作，能夠進行正常行進，并且實現智能躲避障礙物進行聲光報警的功能，設計達到預期效果。目前，該實訓設備已經運用在機電一體化專業培訓模塊的教學實施中，學生以小組討論、團隊合作的方式，完成資料收集、任務計劃、任務實施、行動記錄等任務，該實訓車將機械加工技術、單片機技術、信息通信技術及傳感器技術有效地融合在一起，基本實現在整個學習過程中能夠培養學生職業素養、團隊精神以及嚴謹的工作態度。學生在本項目學習后掌握了理論知識練就了專業技能。同時，培養了大學生自主學習和解決工程問題的能力，也提高了大學生創新創業的質量，為學生今后的就業奠定堅實的基礎。