基于STC15單片機的智能小車監測系統設計

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）06-0051-03

Designof Intelligent Trolley Monitoring System Based on STC15 Microcontrollel

Zhu Lijuan，Zhao Mingyao，Wang Wenfan

（Henan Vocational Collge of Water Conservancy and Environment，Zhengzhou 45ooo8，China）

【Abstract】 In this paper，a smart car monitoring system based on STC15 single-chip microcomputer is designed. Thesystem combines ultrasonic sensorsand three-axisacceleration sensors，which can colect the distance andangle informationof thecarinreal time，and processthedataeficientlythrough STC15single-chipmicrocomputertocontrol the motortoperform acurate motioncontrol.The system uses thePIDcontrolalgorithm toachievetheself-balanceof the car，anduses theultrasonic sensor toachieve obstacleavoidanceto ensure stable operation in acomplex environment. The experimentalresultsshow thatthesystem has high stabilityandresponse speed，meets the technical requirementsof intelligentbalancevehicle.

【Key words】 STC15 microcontroller；intelligent vehicle；monitoring system；PID control algorithm

在物聯網技術迅猛發展的背景下，智能汽車在工業、物流、教育等領域廣泛應用于物料搬運、貨物分揀和教學實踐，培養學生的動手能力和創新思維1。高職高專物聯網專業教學注重理論與實踐相結合，幫助學生理解物聯網系統架構和運行機制，增強學生解決實際問題的能力，為職業生涯的發展奠定基礎[2]。

1總體設計

1.1 系統架構規劃

這套智能車載監控系統采用多模塊協同架構，以單片機為核心。傳感器負責收集距離和角度的數據，并傳送到STC15處理。單片機根據分析結果控制驅動模塊，調節小車運動軌跡，并操控繼電器與執行器實現燈光控制、警報觸發等功能。電源模塊提供穩定的電力，以確保各模組正常運作的系統。系統架構如圖1所示。

1.2硬件選型考量

在硬件選型中，綜合考慮性能、成本和適用性，STC15以其高速、高集成度和低功耗成為核心控制器。超聲波傳感器US-100具備高精度和強抗干擾能力，精準探測障礙物距離，保障安全行駛。三軸加速度傳感器對傾斜角度進行實時監控，提供平衡控制的關鍵數據。直流電機搭配L298N驅動芯片，實現正反轉和轉速調節，適應多種路況[4。整體設計實現最優配置，滿足智能小車高效運行需求。

1.3軟件流程設計

軟件設計采用模塊化程序設計，增強了代碼的可讀性，提高了維護的便捷性。系統初始化模塊對單片機端口、定時器、串口等進行全方位的初始化設置。傳感器數據采集模塊依循預設時間節奏，精準讀取超聲波傳感器與三軸加速度傳感器的數據，并進行數據校驗與濾波處理。控制算法模塊依據處理后的傳感器數據，運用預設算法推算電機控制參數。

2 硬件設計

2.1 控制核心模塊

STC15單片機最小系統是智能汽車監控系統的核心，包括單片機芯片、晶振電路和復位電路三大部分。晶振電路選用了為單片機提供穩定時鐘信號的 11.0592MHz 晶振。復位電路采用按鍵復位與上電復位協同模式，確保系統在啟動或異常時能及時復位，保障穩定運行。

2.2 傳感器模塊

超聲波測距傳感器由發射和接收兩部分組成，STC15單片機通過控制發射高頻超聲波脈沖的時間差測量法計算距離，接收部分通過測量范圍 2～ 400cm 的專用芯片對反射波進行處理。選用US-100傳感器，具有高精度和抗干擾能力，優化安裝位置避免盲區。傾斜角度和運動狀態通過I℃總線與單片機通信的三軸加速度傳感器實時監控，在平衡控制和智能決策方面提供數據支持。兩者協同工作，實現精準避障、路徑規劃和平衡控制，為智能小車在復雜環境中穩定運行提供保障，同時為高職院校物聯網教學提供實踐案例[。

2.3 驅動模塊

電機驅動電路選用L298N芯片，對電機進行正反控制，通過對轉速的調節來實現。繼電器控制電路通過三極管控制繼電器的吸合和釋放，并帶動輔助設備，如照明燈和報警裝置。

2.4 電源模塊

電源模塊采用鋰電池作為主電源，結合LM7805、LM1117等穩壓芯片，為各模塊提供穩定的電壓輸出。

3軟件設計

3.1 主程序流程

系統啟動后，首先進行初始化，包括單片機端口、定時器和串口設置。隨后進入主循環，持續調用傳感器數據采集函數，獲取超聲波傳感器和三軸加速度傳感器的數據。對采集的數據進行分析，通過控制算法計算電機控制參數，調用電機驅動功能，控制電機運轉，帶動小型車運轉。同時，實時監測系統狀態，一旦發現異常，立即調用異常處理函數進行處理。主流程如圖2所示。

3.2 功能模塊程序

3.2.1 傳感器數據采集程序

傳感器數據采集程序宛如一位盡職的情報員，負責從超聲波傳感器與三軸加速度傳感器讀取數據。

對于超聲波傳感器而言，通過控制I/O接口發送觸發信號，激活發射模塊，同時啟動計時器計時。當接收模塊接收到反射波后，定時器立即停止，根據計時結果計算距離；對于三軸加速度傳感器，通過 I²C 總線讀取傳感器數據，并進行數據轉換和校準。采用多次取平均值的方法，確保情報準確無誤，從而提高了數據的準確度，流程圖如圖3所示。

3.2.2 控制算法程序

控制算法程序仿若智能小車的“大腦軍師”，根據傳感器數據推算電機控制參數。在自我平衡控制中，依據三軸加速度傳感器數據，運用PID控制算法靈活調整電機轉速，使小車穩如泰山。在避障控制中，根據超聲波傳感器數據，一旦檢測到障礙物，迅速啟用避障算法規劃小車行駛路徑，控制電機轉向與速度，巧妙避開障礙。程序流程圖如圖4所示。

3.2.3 電機驅動程序

電機驅動程序使用PWM技術駕馭電機轉速與轉向。電機平均電壓通過調節PWM信號的占空比進行調節，利用單片機定時器產生PWM信號，從而實現對轉速的細微調整。通過控制L298N晶片輸入引腳電平，改變電機電流方向，從而實現正向及反向旋轉的自由控制。圖5為電機驅動程序流程圖。

開始 接收控制參數PWM轉速控制 正反轉控制初始化定時器 判斷轉向指令計算PWM占空比 正轉引腳電平設置生成PWM信號 反轉引腳電平設置驅動電機運行 結束

4系統測試

在完成硬件設計與軟件實現后，本系統進行全面的測試，以驗證其功能的實現情況、性能的穩定性及長期運行時的可靠性，測試工作主要分為功能檢驗、性能檢驗和穩定性檢驗三個環節。

4.1 功能檢驗

功能檢驗主要針對系統的基本功能進行驗證，包括傳感器數據的采集、處理與反饋控制的實時性和準確性。在測試過程中，首先對超聲波傳感器與三軸加速度傳感器的數據采集能力進行驗證。超聲波傳感器的測距精度被測得在 2～400cm 范圍內穩定且準確，符合設計要求，且其抗干擾能力良好，能夠在復雜環境下進行有效的障礙物檢測。此外，三軸加速度傳感器在監測小車的傾斜角度時，數據波動較小，能精準反饋車輛的姿態變化，為平衡控制提供可靠的數據支持。

在控制算法的驗證中，系統能夠根據實時采集到的傳感器數據通過PID控制算法計算出電機調節參數，從而實現小車的自我平衡。尤其是在斜坡和不平整的路面條件下，電機能夠準確調整轉速，確保小車在不同角度下維持平衡，避免傾覆現象的發生。避障功能同樣表現出色，當小車前方出現障礙物時，系統能快速響應，及時調整行駛方向并避開障礙物。整體功能測試表明，智能小車在執行避障與平衡控制時表現出了高效的響應能力和準確性。

4.2 性能檢驗

性能檢驗主要評估系統的響應速度、精度和處理能力。首先，在避障過程中，系統能夠在障礙物距離檢測到的瞬間啟動避障算法，通過調整電機轉速和方向，確保小車能夠順利繞過障礙物，避免碰撞。通過多次測試，系統能夠在 30cm 內精確感知障礙物，并實時調節行駛路徑。對于復雜的環境測試，系統在多障礙物場景下仍能保持良好的避障效果，證明了避障算法的準確性與實時性。其次，測距精度方面，超聲波傳感器的誤差在 ±1cm 范圍內，滿足智能小車在實際應用中的要求。角度測量精度方面，三軸加速度傳感器通過實時獲取傾斜角度并與設定閾值進行對比，能夠在不同傾斜角度下迅速做出響應，確保小車在動態環境下穩定行駛。

4.3 穩定性檢驗

穩定性檢驗的目的是驗證系統在長期運行過程中的可靠性，特別是電池供電、各模塊工作穩定性以及系統對突發異常情況的應對能力。在長時間的測試過程中，智能小車能夠在多個周期內穩定運行，并持續完成避障與自我平衡任務。系統在反復啟停過程中，電源模塊能夠為各個子模塊提供穩定的電力輸出，確保小車各個控制模塊正常運行。電池的工作時間在連續運行測試中表現出色，能夠支持系統在不間斷運行情況下持續工作超過3h，滿足日常應用的需求，系統能夠有效應對外部干擾。例如，在強光或電磁干擾環境下，超聲波傳感器與加速度傳感器的性能未受到明顯影響，避免了外界環境對傳感器數據采集的影響。

通過功能檢驗、性能檢驗和穩定性檢驗三個環節，對系統可靠性進行驗證。測試結果表明，智能小車能夠準確實現避障與自我平衡功能，測距精度與角度測量精度均滿足設計要求。

5結語

本文設計并實現了一種基于STC15單片機的智能小車監測系統，結合超聲波傳感器與三軸加速度傳感器，實現了小車的自我平衡與智能避障功能。通過對系統架構、硬件選型、軟件設計等方面的詳細分析，充分展示了該系統在智能汽車領域的應用前景與技術優勢。試驗結果表明，系統具有較高的穩定性和精度，能夠在復雜環境下穩定運行，為智能平衡車及物聯網技術的發展提供了有力支持。未來，隨著技術的進一步發展與優化，該系統有望在智能交通、物流運輸等領域得到更廣泛的應用。

注：本文為2025年度河南省高等學校重點科研項目“移動邊緣計算賦能智能網聯車的多維資源融合協作決策與優化調度研究”（25A413012）；2025年河南省科技攻關項目“數字孿生賦能車聯網多維超融合資源智能按需調度關鍵技術研究”（252102211010）的研究成果。

參考文獻

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[5]胡純.基于單片機的智能小車設計[J].現代信息科技，2024，8（14）：161-167.

（編輯楊凱麟）