基于單片機的智能小車設計

王 靜，張江亞，董彥華

（河北科技學院 河北 保定 071100）

0 引言

隨著科學技術的發展，信息化、智能化已經離不開人們的生活。智能小車的發展是當前研究的重點領域之一，反映了人們對安全和方便的需求，也是評估各國智能化發展進程的一個非常有效的指標。目前，智能車的應用正逐步深入到工業和生活的各個層面，提升了人們的生活品質[1]。董靖川等[2]基于STM32對智能避障小車進行了設計，通過在多個方向安裝超聲波傳感器，以實現不同方位障礙物的距離檢測，實驗表明該方法運行效果正常，魯棒性好。但在該設計方案中，由于使用的傳感器數目較多，會導致各傳感器之間易產生干擾。該系統與紅外線避障系統模塊而言，對光不敏感，抗干擾性良好，而且反應速度較快，其不足之處在于只能實現報警功能，無法實現自動避障。為此文本基于單片機設計一款具有循跡、自動避障和手機藍牙控制功能的智能小車模型，通過總體方案設計、硬件電路設計、軟件編程設計，以確保實現智能小車的正常運轉。

1 智能小車總體設計

本文設計所用的系統，主要由主控制器模塊、紅外循跡模塊、紅外避障模塊、電源模塊、電機驅動模塊，以及藍牙遙控模塊組成。采用STC89C52單片機[3]作為核心器件，以實現對小車的控制、循跡、自動避障和手機藍牙控制等功能；采用型號為TCRT5000的紅外反射傳感器進行路線的探測和循跡；采用E18-D80NK紅外傳感器避障；采用MX1508RX2電機驅動芯片為車輪驅動；采用JDY-31藍牙串口模塊實現手機藍牙控制。

2 智能小車硬件設計

2.1 主控制器模塊

采用STC89C52RC型號單片機作為主控制器，其具有靈活方便、安全可靠、方便排查故障和維修等優良的特性。同時，具備較高的可擴展性，可通過擴展I/O接口讓其實現更多功能。在充分研究和分析過本文智能小車的功能后，設計出主控制器模塊電路圖。

2.2 紅外循跡模塊

循跡功能是讓智能小車能夠沿著中間的黑粗線條行駛。當紅外循跡傳感器接收到不同信息后，所對應的操作也會不同，如：智能小車兩邊的傳感器均能接收到白色信號，智能小車就會直行；智能小車左邊傳感器接收到黑色信號，右邊傳感器接收到白色信號，那么代表左邊傳感器接收不到信號，智能小車就會左轉，實現循跡的效果。

采用型號為TCRT5000[4]的紅外反射傳感器進行路線的探測和循跡，此款傳感器常被用于制作紅外循跡模塊，并且可以針對其靈敏度進行調節，同時也極大地提升了設計后期在小車循跡測試時調試的效率。當TCRT5000發出的紅外線被黑線吸收無法返回時，模塊中相應位置的LED燈不會發光。在沒有探測到黑線的正常情況下，或者小車未進入循跡狀態時，該模塊上的2個LED燈均保持發光狀態。循跡模塊電路圖如圖1所示。

圖1 循跡模塊電路圖

2.3 紅外避障模塊

選用E18-D80NK紅外傳感器[5]進行避障，設置工作電壓為5 V，工作電流為10～15 mA，有效檢測距離為3～80 cm；傳感器直徑為18 mm，長度為45 mm。紅外傳感器根據接收到反射光的強弱來判斷距離障礙物的遠近。該裝置的消耗較高，因此本設計選用3.7 V的鋰電池作為供電電源以保證紅外光電傳感器的正常運轉。該紅外傳感器的紅外發射和接收電路如圖2所示。

圖2 紅外發射和接收電路圖

2.4 電源模塊

由于本文設計中用到了功率較大的紅外光電傳感器，因此需要用2節3.7 V可充電式的鋰電池作為電源。將2節電池串聯后得到1個7.4 V電壓的電源，但該電壓相對于包括單片機在內的其他元器件的正常工作電壓又較大，因此需要將該電源接到電源調壓模塊中，調壓為5 V后，才可以作為供電電源對單片機及其他各模塊進行供電。

2.5 電機驅動模塊

采用MX1508RX2電機驅動芯片為電機，該芯片是專門為遙控玩具類小車而設計的，其將具有解碼功能的芯片和驅動馬達運轉的驅動芯片合并成了一整塊芯片。該芯片有著工作電壓范圍為2～8 V的優點，由于本文設計中需要較高的供電電壓，其工作電壓范圍恰好符合本文智能小車設計中的2節鋰電池串聯的供電電壓，因此優先考慮了該芯片。除此以外該芯片還具有待機電流低、功率開關管導通內阻低、集成度高等優點。同時，其相較于L298N、MX1508RX2的體積更小，調試安裝過程也會相對方便。

2.6 藍牙遙控模塊

為了方便用戶使用手機和智能小車通信，加裝了以JDY-31為藍牙的串口模塊。該串口模塊是基于藍牙3.0 SPP設計出來的，能夠支持多種平臺的數據透傳。其應用的范圍較廣，性能良好，發射功率最高可達到約8 dB，且經過測試，信號的發射距離也能達到20 m以上。因此該模塊可完全滿足本文設計的使用需求，并且還具備一些相當人性化的設計，使用起來十分靈活、便利，如：可以讓用戶自愿通過AT命令對連接的藍牙設備名稱進行修改；可以對設備的波特率進行設置。

3 智能小車軟件設計

主程序主要起到一個想到和決策的功能，決定什么時候小車該做什么。小車各種功能的實現通過調用具體的子程序予以實現[6]。

3.1 智能循跡避障子程序

采用差動轉向作為智能小車的轉向方式，后輪是一個萬向輪，作為小車的支撐及基本運動的輔助。前輪為2個驅動輪，并且每個驅動輪均由其連接的驅動電機單獨控制，彼此之間不會互相影響。循跡模式程序函數流程圖如圖3所示。可以看出，智能小車的避障模塊選擇的是2個紅外傳感器，假如左右兩側的傳感器中，有一側檢測到了障礙物體的存在，那么智能小車的車頭將自動朝向遠離障礙物的一側進行角度調整。如果3個傳感器同時檢測到有障礙物存在于安全距離內，小車會立即停止運動。避障設計的部分程序如下。

圖3 循跡模式程序函數流程圖

if(flag_time == 1) //計時開始

{

timer0_count ++;

if(timer0_count >= 1000) //定時1.0秒

{

timer0_count = 0;

flag_ok = 1;

flag_time = 0;

}

}

switch(flag_direction)

{

case 1: //小車停止

MOTOR_IN1 = 0; MOTOR_IN2 = 0; MOTOR_IN0 = 0; MOTOR_IN3 = 0;

break;

case 2: //小車左轉

if(motor_count < motor_speed)

{

MOTOR_IN0 = 1; MOTOR_IN1 = 0;MOTOR_IN2 = 1;MOTOR_IN3 = 0;

}

else

{

MOTOR_IN0 = 0;MOTOR_IN1 = 0;MOTOR_IN2 = 0; MOTOR_IN3 = 0;

}

break;

case 3: //小車右轉

if(motor_count < motor_speed)

{

MOTOR_IN0 = 0; MOTOR_IN2 = 0;MOTOR_IN3 = 1; MOTOR_IN1 = 1;

}

else

{

MOTOR_IN1 = 0;MOTOR_IN2 = 0;MOTOR_IN3 = 0; MOTOR_IN0 = 0;

}

break;

case 4: //小車直行

if(motor_count < motor_speed)

{

MOTOR_IN1 = 0;MOTOR_IN2 = 0;MOTOR_IN3 = 1; MOTOR_IN0 = 1;

}

else

{

MOTOR_IN0 = 0;MOTOR_IN1 = 0;MOTOR_IN2 = 0;MOTOR_IN3 = 0;

}

break;

case 5: //小車后退

if(motor_count < motor_speed)

{

MOTOR_IN0 = 0;MOTOR_IN1 = 1;MOTOR_IN2 = 1;MOTOR_IN3 = 0;

}

else

{

MOTOR_IN0 = 0;MOTOR_IN1 = 0;MOTOR_IN2 = 0;MOTOR_IN3 = 0;

}

break;

}

}

3.2 藍牙模式子程序

在智能小車進入藍牙模式的正常狀態下，若車身左側的紅外光電傳感器檢測到了前方存在障礙物體時，程序會控制小車向右轉，以此來避免碰撞。反之，若右側檢測到障礙物，則車頭向左偏轉以躲避障礙；兩邊側均有障礙物，即前方無路可走時，智能小車停止前進，原地待命；如果收到前進指令，且前方有障礙物，智能小車會在程序自行判斷后選擇原地待命，直到前方障礙物消失后，才會受到遙控的指令控制，從而開始向前運動。同理，在藍牙模式下，向左轉和向右轉的指令也會受到障礙物的影響，但由于智能小車后方未裝有傳感器，因此后退指令不會受影響，在收到后退的藍牙遙控指令后，則直接后退。

4 系統調試與測試

4.1 系統仿真過程及結果

智能小車控制系統的仿真過程，基本可以概括以下幾步：首先，將智能小車控制系統的原理圖繪制好；然后，在keil c51兼容單片機C語言軟件開發系統中，按照程序流程圖進行完整的編譯；最后，再將原理圖與單片機程序置入仿真軟件中進行仿真。系統仿真圖如圖4所示。

圖4 系統仿真圖

仿真實驗過程中，在原理圖中的各模塊連接為整體后，使用開關來進行等效替代軟件中無法仿真的部分器件，如，紅外光電傳感器等。將.hex文件載入其中，并點擊運行按鈕，觀察仿真結果。仿真結果顯示，本文設計的控制系統，能夠實現小車預期的自動循跡及自動避障功能。

4.2 小車實物測試

在通過軟件對系統進行仿真之后，為進一步確認本文設計的實際可行性，對智能小車控制系統的實物進行制作、組裝與測試，實物和測試結果如圖5所示。

圖5 實物和測試結果

1）對智能小車的藍牙遙控功能和基本運動功能進行測試。按下智能小車主板的電源開關后，進入藍牙連接模式，打開手機中的藍牙調試程序進行藍牙連接，在正常連接后，依次測試智能小車前、后、左、右的遙控指令和停止指令。經測試，智能小車藍牙遙控功能和基本運動功能運行正常。

2）對智能小車的循跡功能進行測試。使用多張A4紙打印并拼接出循跡所需的黑色引導線條，經過多次測試，智能小車均可以準確識別出黑色引導線，并按此路徑行駛，即智能小車的自動循跡功能可以實現。

3）對智能小車的進行自動避障功能測試。在智能小車前進狀態下，用手依次遮擋前方的3個紅外光電傳感器，觀察其運動狀態如何變化。經測試，智能小車前3個紅外傳感器均可檢測到有效距離內的障礙物，并且可以依據傳感器探測的結果進行轉向或停止運動，從而有效避免了碰撞障礙物。

實際測試表明，智能小車傳感器工作狀態下均可正常運轉，可以實現所預期的自動循跡和自動避障功能，同時藍牙遙控模塊也運行正常，可通過手機端的藍牙調試軟件對其運動進行控制。

5 結論

本文設計的智能小車模型以STC89C52單片機作為主控核心，對外設的驅動電機、藍牙及傳感器等模塊進行控制，經過多次調試和測試驗證后，成功實現了自主循跡避障、手機軟件控制等功能。后期加以完善，即可投入市場，應用于勘探、消防、無人駕駛及環境探測等領域。