基于單片機(jī)的藍(lán)牙智能小車設(shè)計(jì)與開發(fā)

王思婷，錢奕辰

（廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510635）

單片機(jī)相關(guān)課程作為電子專業(yè)的核心課程，是電子專業(yè)學(xué)生必須熟練掌握的知識(shí)。一直以來(lái)，單片機(jī)教學(xué)的實(shí)踐環(huán)節(jié)主要基于單片機(jī)開發(fā)板和其外圍器件，實(shí)踐條件單一且內(nèi)容枯燥。學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)苦于沒有有趣的實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)積極性不高，課堂參與度不強(qiáng)。為了豐富學(xué)生的實(shí)踐開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，拓展學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用知識(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于單片機(jī)的藍(lán)牙控制智能小車。

本文設(shè)計(jì)的藍(lán)牙小車，以ATMega328p芯片作為核心控制器，包含了主控模塊、藍(lán)牙模塊、電機(jī)模塊、巡線模塊、避障模塊和供電模塊。能連接手機(jī)藍(lán)牙并響應(yīng)智能手機(jī)發(fā)出的指令，能通過(guò)手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，停止等多種動(dòng)作，能通過(guò)避障模塊自主巡線或避障，具有強(qiáng)大的開發(fā)潛力，擴(kuò)展性強(qiáng)，適合各種單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)課程。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框圖

本設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的藍(lán)牙智能小車系統(tǒng)框圖如圖1所示。小車采用ATMEGA328P-AU芯片作為主控芯片，該芯片具有32 KB的閃存容量，2 KB的RAM容量，還具有1 KB的EEPROM容量，足夠智能小車的程序存儲(chǔ)及運(yùn)行使用。使用HC-05藍(lán)牙模塊作為藍(lán)牙通信設(shè)備，使用紅外開關(guān)模塊作為小車的巡線裝置，使用SG90舵機(jī)和HC-SR04超聲波模塊的組合作為小車的避障模塊，使用L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用TT電機(jī)作為小車的執(zhí)行電機(jī)，通過(guò)4節(jié)干電池作為動(dòng)力電源。整套小車的成本很低，功能豐富，性價(jià)比較高。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 藍(lán)牙模塊

本設(shè)計(jì)采用HC-05藍(lán)牙模塊作為藍(lán)牙通信設(shè)備，HC-05是一套高集成的藍(lán)牙通信模塊，可以將藍(lán)牙通信協(xié)議轉(zhuǎn)為串行通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)透明傳輸。模塊通過(guò)AT指令集進(jìn)行功能設(shè)置，兼容3～5 V工作電壓，配置簡(jiǎn)單，使用方便。

藍(lán)牙HC-05是主從一體的藍(lán)牙串口模塊，HC-05的特點(diǎn)是，當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備與手機(jī)配對(duì)連接成功后，在應(yīng)用層，我們可以忽視藍(lán)牙內(nèi)部的通信協(xié)議，直接將藍(lán)牙當(dāng)作串口用。建立連接時(shí)，我們只需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)串口，數(shù)據(jù)便會(huì)從藍(lán)牙設(shè)備中傳送出去，在另一端的串口輸出。

HC-05模塊具有2種工作模式：命令響應(yīng)工作模式和自動(dòng)連接工作模式。在自動(dòng)連接工作模式下模塊又可分為主（Master）、從（Slave）和回環(huán)（Loopback）3種工作角色。當(dāng)模塊處于自動(dòng)連接工作模式時(shí)，將自動(dòng)根據(jù)事先設(shè)定的方式連接數(shù)據(jù)傳輸。模塊可以通過(guò)AT指令集進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時(shí)，能執(zhí)行內(nèi)置的AT命令，用戶可向模塊發(fā)送各種AT指令，為模塊設(shè)定控制參數(shù)或發(fā)布控制命令。

1.3 循跡模塊

本設(shè)計(jì)使用5個(gè)紅外開關(guān)作為巡線裝置，紅外開關(guān)可調(diào)節(jié)發(fā)射功率，從而適應(yīng)不同的巡線場(chǎng)地。根據(jù)其安裝尺寸，循跡范圍在1～40 mm，循跡時(shí)有LED燈提示。模塊接通電源后，紅色指示燈亮起，模塊內(nèi)置多對(duì)紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測(cè)方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外線反射回來(lái)被接收管接收，經(jīng)過(guò)比較器LM393電路處理之后，綠色指示燈會(huì)亮起，同時(shí)信號(hào)輸出接口輸出數(shù)字信號(hào)（一個(gè)低電平信號(hào)），可通過(guò)電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測(cè)距離，有效距離范圍2～30 cm，檢測(cè)角度35°，工作電壓為3.3～5 V。

循跡模塊可以檢測(cè)到黑色或偏深色的循跡線，當(dāng)檢測(cè)到黑線時(shí)，紅外模塊發(fā)射的紅外線被黑線吸收，傳感器接收不到反射的紅外線，因此循跡模塊燈不亮；當(dāng)檢測(cè)到白色地面時(shí)，紅外模塊發(fā)射的紅外線被地面反射，傳感器接收到反射的紅外線，因此循跡模塊燈常亮。循跡模塊被安裝在車頭位置，共4個(gè)紅外開關(guān)，每個(gè)開關(guān)間距3 cm。通過(guò)判斷模塊經(jīng)過(guò)黑白線時(shí)的電平變化，小車可以判斷車頭是否偏離循跡線，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，讓小車車頭保持在循跡線范圍內(nèi)。

1.4 避障模塊

小車還使用了舵機(jī)和超聲波的組合作為避障模塊，可以有效探測(cè)小車前方180°的障礙物。此外，通過(guò)超聲波模塊還可以實(shí)現(xiàn)智能跟隨等功能。超聲波模塊采用HC-SR04模塊，模塊可提供2～400 cm的距離感測(cè)功能，測(cè)量精度可以達(dá)到3 mm。模塊包括超聲波發(fā)射器，接收器與控制電路。采用Trig引腳觸發(fā)，給至少10μs的高電平脈沖信號(hào)。模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。當(dāng)有信號(hào)返回，通過(guò)Echo引腳輸出一個(gè)高電平脈沖，高電平脈沖持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到反射返回的時(shí)間。通過(guò)如下公式可以計(jì)算出超聲波模塊離前方障礙物的距離。其中340表示超聲波在空氣中的傳輸速率。

避障模塊除了可以規(guī)避障礙物外，還可以進(jìn)行跟隨。當(dāng)小車進(jìn)入跟隨模式時(shí)，若有一個(gè)物體放在超聲波探測(cè)范圍內(nèi)，超聲波會(huì)控制小車電機(jī)前進(jìn)或后退，以保證小車離物體始終保持在10 cm范圍內(nèi)。當(dāng)物體緩慢移動(dòng)時(shí)，小車也會(huì)一直跟隨物體移動(dòng)。

2 軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的藍(lán)牙小車具有4種工作模式，分別是藍(lán)牙模式、循跡模式、避障模式和跟隨模式，程序流程如圖2和圖3所示。

圖2 藍(lán)牙模式和循跡模式程序流程圖

圖3 循跡模式和跟隨模式程序流程圖

在藍(lán)牙模式下，小車會(huì)不斷掃描串行緩沖區(qū)，如果收到串行數(shù)據(jù)，小車會(huì)自動(dòng)解析數(shù)據(jù)判斷是什么指令，然后根據(jù)指令進(jìn)行動(dòng)作。收到字符“F”，小車左右輪都會(huì)正轉(zhuǎn)，控制小車前進(jìn)；收到字符“B”，小車左右輪都會(huì)反轉(zhuǎn)，控制小車后退；收到字符“L”，小車左輪反轉(zhuǎn)，右輪正轉(zhuǎn)，控制小車左轉(zhuǎn)；收到字符“R”，小車左正轉(zhuǎn)，右輪反轉(zhuǎn)，控制小車右轉(zhuǎn)。小車每收到一次指令會(huì)控制小車執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作一段時(shí)間，然后停止，當(dāng)需要小車連續(xù)執(zhí)行某動(dòng)作時(shí)，需要通過(guò)藍(lán)牙模塊連續(xù)發(fā)送相應(yīng)的指令字符到小車。

在循跡模式下，小車會(huì)自行前進(jìn)，在前進(jìn)過(guò)程中不斷檢測(cè)循跡模塊的情況。當(dāng)循跡模塊碰到循跡線左邊界時(shí)，小車會(huì)向左轉(zhuǎn)動(dòng)一點(diǎn)；同理，當(dāng)循跡模塊碰到循跡線右邊界時(shí)，小車會(huì)向右轉(zhuǎn)動(dòng)一點(diǎn)，以保持循跡線在小車中間。在調(diào)整小車轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，我們通過(guò)調(diào)節(jié)左右輪的PWM信號(hào)來(lái)控制左右輪的轉(zhuǎn)速。例如，當(dāng)小車向左偏，右邊的循跡模塊碰到循跡線右邊界時(shí)，小車會(huì)自動(dòng)降低右輪的轉(zhuǎn)速，以幫助小車向右偏轉(zhuǎn)，直到右邊的循跡模塊離開循跡線右邊界；同理，當(dāng)小車向右偏時(shí)，小車會(huì)自動(dòng)降低左輪的轉(zhuǎn)速，以幫助小車向左偏轉(zhuǎn)，直到左邊的循跡模塊離開循跡線左邊界。

在避障模式下，小車會(huì)優(yōu)先檢測(cè)正前方的障礙物，當(dāng)距離大于10 cm時(shí)，小車認(rèn)為前方無(wú)障礙，小車前進(jìn)。當(dāng)正前方障礙物離超聲波距離小于10 cm時(shí)，小車會(huì)認(rèn)為前方遇到障礙物。此時(shí)，小車會(huì)停止前進(jìn)，并控制舵機(jī)左轉(zhuǎn)90°，通過(guò)超聲波模塊檢測(cè)小車左邊是否有障礙物，若小車左邊障礙物離超聲波距離大于10 cm，則小車認(rèn)為左邊沒有障礙物，小車左轉(zhuǎn)90°后繼續(xù)前進(jìn)。若小車左邊障礙物離超聲波距離小于10 cm，則小車認(rèn)為左邊有障礙物，則會(huì)控制舵機(jī)向右轉(zhuǎn)90°，繼續(xù)檢查右邊是否有障礙物。若小車檢查到左前右三個(gè)方向都有障礙物，小車會(huì)原地掉頭，即原地轉(zhuǎn)180°后繼續(xù)前進(jìn)。

在跟隨模式下，小車會(huì)先判斷超聲波離前方物體的距離，當(dāng)距離小于1 m時(shí)，才會(huì)開啟跟隨模式功能。此時(shí)，當(dāng)物體離超聲波模塊大于10 cm時(shí)，小車會(huì)自動(dòng)前進(jìn)，直到物體離超聲波模塊小于10 cm，小車停止。

3 實(shí)物制作

本文設(shè)計(jì)的智能小車采用亞克力底盤，方便學(xué)生后續(xù)進(jìn)行改造（如圖4所示）。底盤采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)差速控制進(jìn)行轉(zhuǎn)向。后輪采用萬(wàn)向輪，轉(zhuǎn)向靈活，不影響車身姿態(tài)。車頭前方預(yù)留了循跡模塊安裝孔和超聲波舵機(jī)安裝位置，可以方便地安裝各種循跡模塊和避障模塊。小車全長(zhǎng)21 cm，可以放下單片機(jī)控制板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電池盒，還可以通過(guò)銅柱安裝第二層底盤，用來(lái)安裝其他擴(kuò)展模塊。

圖4 智能小車底盤實(shí)物圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套基于單片機(jī)的藍(lán)牙控制的智能小車，可實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP控制小車移動(dòng)、自主巡線和避障，功能豐富，擴(kuò)展性強(qiáng)，價(jià)格實(shí)惠，性價(jià)比高。經(jīng)過(guò)課堂實(shí)踐，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性明顯提高，配合安排比賽等任務(wù)，學(xué)生課堂參與度很高，具有一定推廣性。