李曉娟,王雅慧,秦國(guó)慶

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

基于藍(lán)牙的智能小車循跡避障設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李曉娟,王雅慧,秦國(guó)慶

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

基于STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種智能循跡避障小車,由手機(jī)通過藍(lán)牙發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)循跡或避障.整體設(shè)計(jì)以STC89C52作為主控制器,同時(shí)車載HC-06藍(lán)牙通信模塊、兩路循跡模塊、兩路紅外避障模塊、舵機(jī)和超聲波模塊、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,并通過LCD1602液晶對(duì)小車與前方障礙物距離實(shí)時(shí)顯示.測(cè)試表明,小車能夠按照既定路線前進(jìn),在遇到障礙物時(shí)能夠自動(dòng)避障.

STC89C52；HC-06藍(lán)牙；HC-SR04超聲波傳感器；SG90舵機(jī)；LCD1602

智能小車廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、煙草、化工、醫(yī)藥及一些危險(xiǎn)場(chǎng)所,給人們的生活提供了諸多便利,同時(shí)也降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度.但目前來說,多采用專用的遙控器,控制方式單一,一旦遙控器損壞,若沒有相匹配的,小車便無(wú)法工作.本文給出的基于藍(lán)牙的智能小車以手機(jī)為平臺(tái),借助于藍(lán)牙技術(shù)[1-2],實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)循跡或正常運(yùn)行,如小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能小車,車體采用四輪結(jié)構(gòu)提高其平衡性；將兩路紅外避障模塊分別安裝在車頭和車尾,這樣當(dāng)小車在運(yùn)行過程,與前后方障礙物距離達(dá)到避障模塊檢測(cè)范圍時(shí),給單片機(jī)發(fā)送信號(hào),控制小車停止；車體底部前端裝有兩對(duì)紅外對(duì)管實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)循跡.整個(gè)控制系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)[3]為核心,手機(jī)藍(lán)牙APP作為客戶端,小車上的藍(lán)牙模塊HC-06[2,4]作為服務(wù)端,通過手機(jī)上的按鈕發(fā)送指令, HC-06模塊通過藍(lán)牙接收指令,并轉(zhuǎn)串口傳遞給單片機(jī),主控器根據(jù)控制要求調(diào)用不同的子程序?qū)崿F(xiàn)小車的各種控制功能.循跡模式開啟時(shí)通過向單片機(jī)發(fā)送信號(hào)使小車沿著特定軌跡運(yùn)行.正常運(yùn)行時(shí),通過PWM信號(hào)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)帶動(dòng)超聲波傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量小車與前、左、右方障礙物的距離,并由液晶屏實(shí)時(shí)顯示.整體設(shè)計(jì)如圖1所示.

圖1 整體設(shè)計(jì)Fig.1 The structure of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控系統(tǒng)選擇STC公司生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī),該機(jī)是一種低功耗、高性能的8位單片機(jī),有8 K的Flash,512字節(jié)RAM,32位I/O口線,內(nèi)置4 KB EEPROM,3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,全雙工串行口.單片機(jī)最小系統(tǒng)選用1個(gè)11.059 2 MHz的晶振,2個(gè)22 pF的電容器構(gòu)成晶振電路,機(jī)器周期為1 μs；復(fù)位電路采用10 μF的電容和1.5 kΩ的電阻構(gòu)成.

2.2 HC-06藍(lán)牙模塊

設(shè)計(jì)采用主從一體的HC-06藍(lán)牙模塊,該模塊內(nèi)置CSR藍(lán)牙通信芯片,可以與手機(jī)端上的藍(lán)牙進(jìn)行匹配.由手機(jī)APP上的按鈕發(fā)送控制指令,HC-06模塊通過藍(lán)牙接收指令,并轉(zhuǎn)串口傳遞給單片機(jī)控制器,主控器根據(jù)控制要求調(diào)用不同的子程序來驅(qū)動(dòng)電機(jī),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小車的各種控制功能.

2.3 循跡傳感器模塊

循跡模塊由兩路紅外反射式光電傳感器構(gòu)成,發(fā)射管發(fā)射紅外線,經(jīng)地面反射后被接收管接收并產(chǎn)生電信號(hào)（黑線和白線的反射強(qiáng)度不同）,單片機(jī)通過傳感器檢測(cè)到的不同信號(hào)調(diào)用循跡程序控制小車左右兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向,從而改變小車的速度和方向,最終自助完成循跡功能.

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

設(shè)計(jì)選用SGS公司生產(chǎn)的電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L298N[5],L298N是一個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)芯片,其內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路,由它驅(qū)動(dòng)兩個(gè)12 V的直流電動(dòng)機(jī).VS端接+5 V電源,VCC端采用兩塊手機(jī)鋰電池串聯(lián)供電,GND接地,OUT1、OUT2之間接左電動(dòng)機(jī),OUT3、OUT4之間接右電動(dòng)機(jī).5、7、10、12腳與單片機(jī)的p1.0—p1.3連接,由單片機(jī)給出控制電平,控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)；ENA,ENB腳接控制使能端,控制電機(jī)的停轉(zhuǎn).小車運(yùn)動(dòng)邏輯見表1.

表1 小車運(yùn)動(dòng)邏輯Tab.1 The logical of the car movement

2.5 舵機(jī)和超聲波模塊

設(shè)計(jì)使用SG90舵機(jī)[7]帶動(dòng)超聲波模塊轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小車與前方及左右障礙物的距離,并通過液晶顯示屏顯示距離.其中SG90舵機(jī)使用PWM信號(hào)控制,舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度在180°內(nèi),由定時(shí)器2定時(shí)產(chǎn)生周期為20 ms、脈沖寬度為0.5～2.5 ms的PWM方波脈沖信號(hào),與舵機(jī)產(chǎn)生的周期為20 ms,脈沖寬度1.5 ms的PWM信號(hào)基準(zhǔn)電路比較,由此控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向.

超聲波模塊采用HC-SR04[6],使用時(shí),由控制端口Trig發(fā)一個(gè)10 μs以上的高電平,然后在Echo接收端等待高電平輸出,當(dāng)Echo端為高電平時(shí)開啟定時(shí)器0,當(dāng)Echo端變?yōu)榈碗娖綍r(shí)讀出定時(shí)器的值,該時(shí)間為測(cè)距的時(shí)間然后通過計(jì)算得出距離.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

程序采用C語(yǔ)言編寫,主程序有由初始化系統(tǒng)、藍(lán)牙通信模塊、超聲波處理函數(shù)、紅外避障及循跡程序、LCD1602液晶顯示程序組成.主程序的功能是對(duì)各個(gè)功能模塊初始化,同時(shí)對(duì)單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器及標(biāo)志位初始化,然后根據(jù)上位機(jī)的控制命令對(duì)各個(gè)功能模塊的函數(shù)進(jìn)行調(diào)用,完成數(shù)據(jù)處理的任務(wù).主程序流程圖如圖2所示.

圖2 主程序流程Fig.2 The flow chart of the main program

3.2 循跡模塊程序設(shè)計(jì)

當(dāng)手機(jī)控制端向單片機(jī)發(fā)送循跡指令時(shí),FLAG標(biāo)志位置1,小車進(jìn)入循跡模式,循跡模式下電機(jī)采用PWM調(diào)速,設(shè)置占空比為14.3%.為了節(jié)省功耗通過設(shè)置標(biāo)志位使超聲波模塊與紅外避障模塊不工作,當(dāng)上位機(jī)再次向單片機(jī)發(fā)送循跡指令時(shí),FLAG標(biāo)志位清0,小車退出循跡模式.循跡模式流程如圖3所示.

圖3 循跡模式流程Fig.3 The flow chart of the tracking mode

3.3 舵機(jī)模塊程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用定時(shí)器2中斷產(chǎn)生占空比不同的PWM脈沖信號(hào)來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向,單片機(jī)上電之后,變量初始化,定時(shí)器2初始化,當(dāng)上位機(jī)向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送舵機(jī)轉(zhuǎn)向指令時(shí),變量的值隨指令的不同而變化,同時(shí)改變PWM脈沖信號(hào)的占空比從而控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向,為了提高舵機(jī)的實(shí)用性,設(shè)計(jì)舵機(jī)轉(zhuǎn)向的角度為0°、90°和180°.

4 系統(tǒng)測(cè)試

在測(cè)試階段,需要事先在手機(jī)上安裝上位機(jī)軟件.給小車上電后,HC-06藍(lán)牙通信模塊工作指示燈亮,經(jīng)過短暫延時(shí)（約1 min）,用手機(jī)搜索藍(lán)牙信號(hào)并進(jìn)行連接,成功連接后,通過點(diǎn)擊上位機(jī)軟件的相關(guān)選項(xiàng)來測(cè)試小車的性能.

4.1 循跡測(cè)試

在循跡模式工作時(shí),用3～5 cm的黑色電工膠布作為小車的循跡線.因?yàn)槭莾陕芳t外循跡,將紅外對(duì)管裝在車體底部時(shí),紅外探測(cè)器的距離不應(yīng)超過15 cm.若兩路之間距離過寬,要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎必須將速度降得很低,否則小車會(huì)直接沖出跑道；如果兩路對(duì)管之間距離過窄,小車還沒通過90°的轉(zhuǎn)彎,兩個(gè)模塊都檢測(cè)到黑線,小車會(huì)停止,設(shè)計(jì)通過降低PWM占空比調(diào)速,最終使小車能夠按照既定路線前進(jìn).循跡模式工作實(shí)物圖如圖4所示.

圖4 循跡模式實(shí)物Fig.4 The physical map of tracking mode

4.2 避障測(cè)試

小車的正常行走是通過手機(jī)上的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止選項(xiàng)來控制.由于在車頭和車尾安裝有兩路紅外避障模塊,這樣當(dāng)小車與前后方障礙物距離達(dá)到避障模塊檢測(cè)范圍時(shí),模塊給單片機(jī)發(fā)送信號(hào),這樣小車就不能前進(jìn)或后退,以此來實(shí)現(xiàn)小車前后兩個(gè)方向的避障,并通過液晶實(shí)時(shí)顯示.其中避障模塊與液晶顯示模塊用16根杜邦線焊接完成的,避障模式工作實(shí)物圖如圖5所示.

圖5 避障模式實(shí)物Fig.5 The physical map of avoidance mode

5 小結(jié)

本文完成了通過手機(jī)上的藍(lán)牙功能來控制小車行走的軟、硬件設(shè)計(jì).測(cè)試結(jié)果表明,該小車能夠沿設(shè)定路徑完成循跡,具有很好的識(shí)別能力；在正常行走時(shí),小車可以接收手機(jī)遙控信號(hào)靈活地前行、倒退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止,并通過液晶實(shí)時(shí)顯示與障礙物的距離且能夠自動(dòng)避障.以手機(jī)作為手持終端,通過藍(lán)牙傳輸指令控制的智能小車,攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉,具有廣闊的應(yīng)用前景.

[1]符強(qiáng),任風(fēng)華.基于手機(jī)藍(lán)牙的遙控小車的設(shè)計(jì)[D].北海：桂林電子科技大學(xué),2010.

[2]王桂坤,吳承達(dá),蔡謹(jǐn)民,等.基于藍(lán)牙控制技術(shù)的智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中山大學(xué)研究生學(xué)刊,2015,36（2）：50-61.

[3]盧慶林.基于單片機(jī)的自動(dòng)尋跡避障小車設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子,2014（7）：75-55.

[4]廖建文,彭永杰,珣屈.多功能多操作WiFi智能小車的設(shè)計(jì)[J].魯東大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2015,31（3）：217-220.

[5]張?zhí)禊i,徐磊.L298N控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)[J].工業(yè)設(shè)計(jì),2011（3）：98-99.

[6]蘭羽.基于40 kHz超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子,2013（8）：66-69.

[7]任志敏.基于AVR單片機(jī)的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路研究[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2008,27（6）：85-87.

（責(zé)任編輯：盧奇）

The design and implementation of the intelligent obstacle avoidance tracking car based on bluetooth

LI Xiaojuan,WANG Yahui,QIN Guoqing
（Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China）

An intelligent obstacle avoidance tracking car based on single-chip microcomputer STC89C52 was designed in this paper,it send instructions to achieve the car's automatic tracking and obstacle avoidance via bluetooth on the phone.The overall system based on STC89C52 as control core,using the HC-06 bluetooth communication module,two tracking module,two infrared obstacle avoidance module,servo motor and ultrasonic module,motor driver based on L298N module,and display the distance between the car and the front obstacle by liquid crystal LCD1602 in real-time at the same time.The test showed that the car could automatically along path aprescribed,and automatic avoidance obstacle when encountered obstacles.

STC89C52；HC-06 bluetooth；HC-SR04 ultrasonic sensor；SG90 servo motor；LCD1602

TP273

A

1008-7516（2016）02-0063-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.02.015

2016-01-09

河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目（142102210112）

李曉娟（1986―）,女,河南汝州人,碩士,助教.主要從事模式識(shí)別與智能控制研究.