基于單片機(jī)的智能尋光小車設(shè)計(jì)

岳煒茗，鄭鵬輝，李 廣，何英昊

（1.大連理工大學(xué)城市學(xué)院，遼寧 大連 116600；2.西安大醫(yī)集團(tuán)，陜西 西安 710018；3.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110000）

0 引 言

近年來，隨著時(shí)代的快速發(fā)展與科技水平的日益騰飛，現(xiàn)代儀器正朝著微小化、集成化的方向發(fā)展，這一現(xiàn)象促使單片機(jī)的應(yīng)用場景愈加全面與廣泛，單片機(jī)儀器與傳感器在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)與生活中隨處可見。特別是隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展和逐漸成熟，以單片機(jī)為主的智能小車在巡查、倉儲(chǔ)、探險(xiǎn)及國防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。論文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的智能尋光小車。設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，由尋光模塊、超聲波傳感器模塊、顯示模塊、藍(lán)牙控制模塊組成，可以根據(jù)光敏傳感器所傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行光源感知，從而采取相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的追尋。若前方遇到障礙物將自動(dòng)避障，同時(shí)通過LCD1602顯示間距。小車也可以通過藍(lán)牙控制。該小車是一套以智能控制和自動(dòng)化為主題、多種學(xué)科相交融的集成化產(chǎn)品，在方便生產(chǎn)生活的同時(shí)還為自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域的研究提供思路與理論支持。因此，此設(shè)計(jì)對(duì)改進(jìn)生產(chǎn)方式、促進(jìn)智能控制領(lǐng)域研究具有一定的意義。

1 智能尋光小車的設(shè)計(jì)方案

智能尋光小車尋光時(shí)，由于光源外各個(gè)位置光照強(qiáng)度不同，使得所采用的光敏傳感器對(duì)不同位置光照強(qiáng)度的反應(yīng)不同。此時(shí)光敏傳感器會(huì)產(chǎn)生不同的電信號(hào)，并將所采集的信號(hào)發(fā)送至單片機(jī)進(jìn)行處理，從而達(dá)到尋光的目標(biāo)。在尋光的同時(shí)如遇障礙則觸發(fā)避障功能，超聲波傳感器對(duì)遇障返回的信號(hào)進(jìn)行分析，再將信號(hào)傳入單片機(jī)內(nèi)；通過單片機(jī)操控進(jìn)行轉(zhuǎn)向等操作達(dá)到避障要求，在避障的同時(shí)由單片機(jī)將信號(hào)傳入顯示模塊，由液晶顯示器顯示與障礙物之間的距離；也可以使用藍(lán)牙進(jìn)行連接，通過手動(dòng)操控使得小車抵達(dá)所需位置。圖1為系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊以STC89C52為核心，包含電源、復(fù)位、時(shí)鐘電路。電源為5 V直流供電，完成對(duì)最小系統(tǒng)所有模塊的供電。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 尋光模塊

尋光模塊采用GY-30數(shù)字光模塊芯片。該芯片采用ROHM原裝BH1750FVI芯片，使用5 V電壓進(jìn)行供電，芯片集成度高，無需額外元件，受到的干擾小，并且光譜范圍廣，與人眼相近。電路如圖3所示。模塊2、3引腳分別為IC總線時(shí)鐘和IC總線數(shù)據(jù)線。

圖3 尋光模塊電路

2.3 避障模塊

HY-SRF05超聲波測距模塊為避障功能實(shí)現(xiàn)的核心。圖4為HY-SRF05芯片電路原理。超聲波傳感器發(fā)現(xiàn)障礙測距后，將信號(hào)反饋給單片機(jī)，然后由單片機(jī)控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)避障。圖5為設(shè)計(jì)所用電機(jī)電路原理。

圖4 HY-SRF05芯片電路原理

圖5 L239D電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理

2.4 藍(lán)牙控制模塊

藍(lán)牙控制由HC-05芯片完成。該芯片采用集成封裝模式，可以完成雙向（全雙工）無線功能，用于兩個(gè)具有串行功能的微控制器之間的通信。圖6為芯片電路原理。

圖6 HC-05藍(lán)牙芯片電路原理

2.5 顯示模塊

顯示模塊使用LCD1602液晶顯示器實(shí)現(xiàn)功能。圖7為LCD1602顯示電路原理。

圖7 LCD1602顯示電路原理

2.6 電源模塊

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓，從而保證系統(tǒng)有穩(wěn)定供電，確保小車可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)采用直流穩(wěn)壓電源模塊為小車提供整體的供給電壓。電源模塊原理如圖8所示。

圖8 電源模塊原理

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主程序是單片機(jī)系統(tǒng)程序的核心，通過程序控制單片機(jī)運(yùn)行。在上電后運(yùn)行系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行初始化。通過設(shè)置單片機(jī)的特殊寄存器、定時(shí)器，對(duì)每個(gè)端口的操作完成初始化設(shè)置。系統(tǒng)啟動(dòng)后，智能尋光、自動(dòng)避障及避障顯示等任務(wù)通過不同的子程序控制所對(duì)應(yīng)的外部硬件，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。程序在Keil環(huán)境下采用C語言編程實(shí)現(xiàn)，圖9為主程序設(shè)計(jì)流程。

圖9 主程序設(shè)計(jì)流程

4 系統(tǒng)測試

小車設(shè)計(jì)完成后需要對(duì)各部分模塊進(jìn)行測試。表1給出了需要測試的模塊及要求。表2為模塊測試時(shí)遇到的問題及解決方案，其中避障模塊在測試時(shí)順利實(shí)現(xiàn)避障功能。最后通過最終調(diào)試及測試，設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)功能。

表1 測試模塊及要求

表2 測試問題及解決方案

5 結(jié) 語

基于單片機(jī)的智能尋光小車設(shè)計(jì)以STC89C52RC芯片為核心，運(yùn)用GY-30、超聲波模塊、HC-05芯片等器件，利用提前燒寫進(jìn)單片機(jī)中的程序操控小車，實(shí)現(xiàn)智能尋光、自動(dòng)避障、避障顯示、藍(lán)牙遙控等功能。本產(chǎn)品是在智能控制與自動(dòng)化方面的研究基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，該設(shè)計(jì)操作簡單、抗干擾能力強(qiáng)，可應(yīng)用于無人駕駛、輔助救援等領(lǐng)域。

注：本文通訊作者為何英昊。