基于單片機(jī)的智能小車設(shè)計

摘 要：本次設(shè)計主要是體現(xiàn)多功能小車的智能尋徑、自動避障，設(shè)計中通過不斷檢測各個模塊的傳感器的輸入信號。循跡模塊實(shí)時檢測5路循跡模塊在黑線跑道上的狀態(tài)，當(dāng)小車跑出所設(shè)置的范圍時，智能小車自主調(diào)整小車的方向位置。

關(guān)鍵詞：循跡避障小車；STC89C52單片機(jī)；驅(qū)動芯片（L298）

一、設(shè)計構(gòu)思

車體設(shè)計方面采用的是設(shè)計好的車模。購買設(shè)計的車?？梢院侠磉x取符合本次設(shè)計要求的模型，對于特殊要求也可以特殊定做，經(jīng)過對本次設(shè)計小車性能的分析，我們選取的車模為兩輪分別驅(qū)動，后萬向輪轉(zhuǎn)向的車模方案。車前兩個輪分別用轉(zhuǎn)速與力矩一樣的兩個直流電機(jī)拖動，后面安裝萬向輪。這樣通過不同位置的電機(jī)相互作用后使小車能夠原地旋轉(zhuǎn)，360度原地調(diào)整方向。

主控制器是采用STC89C52單片機(jī)，作為該設(shè)計的核心處理器。對于此次設(shè)計整體分析，我們不難發(fā)現(xiàn)本次設(shè)計的主要問題是怎么樣實(shí)現(xiàn)小車的自行控制，在實(shí)現(xiàn)小車智能控制中單片機(jī)就顯示了它獨(dú)特的優(yōu)勢。單片機(jī)雖然控制系統(tǒng)簡單，但是控制性能非常強(qiáng)大，在使用時簡單方便，器件易于得到，生產(chǎn)成本低，在我們?nèi)粘Ｉ钪斜容^常見，在我們大學(xué)學(xué)習(xí)中接觸最多，所以綜合各種因素考慮，選用STC89C52單片機(jī)作為核心器件最為理想。

電源采用的是干電池。數(shù)量選擇6塊干電池，每塊電池電壓1.5V，再經(jīng)過特定的電壓轉(zhuǎn)換裝置將電壓轉(zhuǎn)換后供給單片機(jī)使用。干電池不僅重量輕、體積小，而且購買方便成本低，置換電池也很便利，非常適合本次的設(shè)計，也能滿足系統(tǒng)的供電需求。

電機(jī)驅(qū)動方面取功率三極管作為驅(qū)動芯片。線性型驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)比較簡單，且工作方式也不復(fù)雜，最為難得的是這種驅(qū)動方式的驅(qū)動性能很好，在加減速和方向調(diào)整中都有很好的表現(xiàn)，調(diào)整小車轉(zhuǎn)向角比較精確，效率高，控制過程穩(wěn)定，控制特性強(qiáng)，開關(guān)速度很快，在調(diào)速系統(tǒng)中被大量使用，是一種調(diào)速效果非常好的PWM調(diào)速技術(shù)，它采用由達(dá)林頓管組成的 H型橋式電路，精確控制?，F(xiàn)今市場上有好很多這種芯片，本次設(shè)計采用的是L298N，此芯片工作電壓高、電流高、工作頻率高，一塊芯片可以起到兩個電機(jī)同時控制的效果，此芯片控制方案不僅易實(shí)現(xiàn)、性能穩(wěn)定，而且價格不高很容易購得，在控制方面也完全滿足本次尋跡避障小車的設(shè)計目標(biāo)。

避障模塊選取紅外光電作為開關(guān)。該器件也屬于主動探測器，紅外光電開關(guān)向外界發(fā)出一光束，光束在傳播過程中若是遇到障礙物會被障礙物阻斷反射回來，發(fā)回的光再次通過紅外光電開關(guān)的接收轉(zhuǎn)化為一系列信息，發(fā)給單片機(jī)。該器件能夠檢測所有反光的物體，在我們生活中運(yùn)動遇到的阻礙物也全部都是反光物體。另外，這種探測器在使用的過程中比較簡單，操作難度很小。當(dāng)感應(yīng)器感應(yīng)到反射回來的光時，器件輸出為低電平；沒有感應(yīng)到反射光則為高。

顯示模塊選取LCD1602液晶。液晶顯示器不僅顯示的信息豐富，使用方便，而且屏幕清晰，顯示速度快，顯示信息也一目了然，這種顯示器在很多領(lǐng)域都得到了廣泛地應(yīng)用。對于本次設(shè)計數(shù)碼管顯然不能很好地反映小車工作時的各種狀態(tài)，LCD1602液晶顯示器不僅能顯示多種信息，而且其它各方面也都滿足本次設(shè)計需求。

報警模塊選擇的元器件是蜂鳴器。如果小車和障礙物的距離過近，則蜂鳴器發(fā)出聲音，開始報警。

根據(jù)此次課題的設(shè)計要求，本次設(shè)計的智能小車啟動后要能夠自行工作，無需人工干預(yù)和調(diào)整。通過傳感器檢測到黑線，使用傳感器黑線作出判斷，根據(jù)判斷出的路線行進(jìn)。通過安裝在車身的紅外探測器對障礙物進(jìn)行躲閃，避障行駛，如果小車和障礙物的距離25cm以內(nèi)，則蜂鳴器發(fā)出聲音，開始報警。小車的工作狀態(tài)能夠通過液晶顯示器顯示。

1.實(shí)現(xiàn)直流減速電機(jī)的啟、停、正、反控制；

2.利用直流減速電機(jī)實(shí)現(xiàn)對小車的運(yùn)動控制；

3.利用穩(wěn)壓芯片為單片機(jī)電路系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓；

4.利用紅外線光電開關(guān)對障礙物的檢測；

5.利用1602液晶的工作狀態(tài)顯示；

6.利用蜂鳴器進(jìn)行距離報警；

7.通過編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序的模塊化設(shè)計；

二、總體方案設(shè)計

本設(shè)計采用由STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動電路模塊、超聲波壁障模塊、5路循跡模塊、液晶顯示模塊和電源模塊塊組成。單片機(jī)實(shí)時檢測5路循跡模塊在黑線跑道上的狀態(tài)，并自主調(diào)整小車的方向。在循跡的跑道上檢測前方的距離，當(dāng)前方距離小于25厘米時，小車避開障礙物往回繼續(xù)循跡。小車把前方障礙物的距離顯示在LCD1602液晶上，小車的驅(qū)動是采用L298驅(qū)動芯片驅(qū)動循跡壁障小的行走。

三、L298電機(jī)驅(qū)動模塊

L298是一款常用的驅(qū)動芯片，具有電壓高和電流強(qiáng)等特點(diǎn)，最高工作電壓可達(dá)45V以上，最大輸出電流高達(dá)3A以上，持續(xù)工作電流在1.5A左右。L298芯片內(nèi)部含有兩個H型橋式驅(qū)動電路模塊，驅(qū)動能力非常強(qiáng)大，在電機(jī)實(shí)物設(shè)計中，常用L298芯片來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)、感應(yīng)電極等負(fù)載，有時也用L298來驅(qū)動顯示器模塊，驅(qū)動信號都為標(biāo)準(zhǔn)型的邏輯信號。L298具有多個管腳，每個管腳工作時互不影響，芯片內(nèi)置兩套驅(qū)動橋式電路，可以分別執(zhí)行工作過程，可以同時實(shí)現(xiàn)對兩個步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動，兩個使能管腳的控制也可以任意切換，芯片VCC輸入端口只能在要求電壓下工作，工作時外接電阻的阻值要求非常精確。

四、STC89C52單片機(jī)

單片機(jī)的種類很多，常用的單片機(jī)設(shè)計有STC和AT系列單片機(jī)。但也可以同時把兩種系列單片機(jī)歸為51系列單片機(jī)，其生產(chǎn)廠家和生產(chǎn)過程都是一樣的，功能和內(nèi)存單元也都是一樣的。即使不同的SST和Philip公司生產(chǎn)的單片機(jī)，也都是以51單片機(jī)為內(nèi)核的。這些單片機(jī)都是同時具備51系列單片機(jī)的功能，其擴(kuò)展和運(yùn)行方式都是相同的。程序?qū)懭牒涂刂品绞?，都很類似?/p>

本次設(shè)計使用的STC單片機(jī)有40個管腳，4排I/O口，具有多個通信端口實(shí)現(xiàn)控制通信與數(shù)據(jù)傳輸，單片機(jī)內(nèi)部含有5個中斷源和多個優(yōu)先級，內(nèi)置定時器和計數(shù)器功能。單片機(jī)有4K內(nèi)存空間，和128B存儲空間。

五、電源模塊

一個完整的系統(tǒng)設(shè)計，供電部分是整個系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)部分，是保證系統(tǒng)完整、有序運(yùn)行的前提。51系列單片機(jī)是使用最早、穩(wěn)定性較強(qiáng)的核心控制器，但在整個系統(tǒng)的工作過程中，51系列單片機(jī)面臨的最大問題還是功耗大、抗干擾能力差、程序跑飛等問題，為了將這些弊端降至最低，需要設(shè)計可靠、完整的供電系統(tǒng)。

在本設(shè)計中，電源供電可以由計算機(jī)USB或者普通手機(jī)充電設(shè)備提供，此外，還可以用5V專用電源或者干電池供電。在電路中，設(shè)置電源指示燈，為系統(tǒng)工作提供了方便。

六、避障模塊

壁障模塊是超聲波模塊，其電路設(shè)計圖如圖3-5。超聲波模塊的功能非常齊全，可以用于測距、壁障、循跡等方面。感測距離在2cm-400cm之間，準(zhǔn)確測量精度非常完美，完全符合本次設(shè)計要求。壁障模塊由控制電路、發(fā)射和接收部分組成。

壁障模塊的工作原理非常簡單，傳感器I/O觸發(fā)工作，可以產(chǎn)生大于10us的高電平信號和多個帶寬非常寬的波形，根據(jù)波形和電平信號判斷是否有信號值返回到控制器中來。當(dāng)檢測到信號反射到系統(tǒng)中，系統(tǒng)中就會出現(xiàn)高電平，高電平時間就是整個模塊檢測到障礙物的時間。測試距離的公式非常簡單，只需根據(jù)高電平時間就可以計算出。壁障模塊的管腳中，VCC和GND分別為高低電平，TRIG為觸發(fā)信號控制部分，ECHO為信號輸出端口。

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作者簡介：馮華林（1993-12-），男，漢族，四川巴中人，本科在讀，就讀于西北民族大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)。