李曉娟,王雅慧,秦國慶

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

基于藍牙的智能小車循跡避障設(shè)計與實現(xiàn)

李曉娟,王雅慧,秦國慶

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

基于STC89C52單片機設(shè)計了一種智能循跡避障小車,由手機通過藍牙發(fā)送指令實現(xiàn)小車的自動循跡或避障.整體設(shè)計以STC89C52作為主控制器,同時車載HC-06藍牙通信模塊、兩路循跡模塊、兩路紅外避障模塊、舵機和超聲波模塊、L298N電機驅(qū)動模塊,并通過LCD1602液晶對小車與前方障礙物距離實時顯示.測試表明,小車能夠按照既定路線前進,在遇到障礙物時能夠自動避障.

STC89C52；HC-06藍牙；HC-SR04超聲波傳感器；SG90舵機；LCD1602

智能小車廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、煙草、化工、醫(yī)藥及一些危險場所,給人們的生活提供了諸多便利,同時也降低了工人的勞動強度.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,小車便無法工作.本文給出的基于藍牙的智能小車以手機為平臺,借助于藍牙技術(shù)[1-2],實現(xiàn)小車的自動循跡或正常運行,如小車的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計的智能小車,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)小車在運行過程,與前后方障礙物距離達到避障模塊檢測范圍時,給單片機發(fā)送信號,控制小車停止；車體底部前端裝有兩對紅外對管實現(xiàn)小車的自動循跡.整個控制系統(tǒng)以STC89C52單片機[3]為核心,手機藍牙APP作為客戶端,小車上的藍牙模塊HC-06[2,4]作為服務(wù)端,通過手機上的按鈕發(fā)送指令, HC-06模塊通過藍牙接收指令,并轉(zhuǎn)串口傳遞給單片機,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.循跡模式開啟時通過向單片機發(fā)送信號使小車沿著特定軌跡運行.正常運行時,通過PWM信號控制舵機轉(zhuǎn)動同時帶動超聲波傳感器轉(zhuǎn)動測量小車與前、左、右方障礙物的距離,并由液晶屏實時顯示.整體設(shè)計如圖1所示.

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

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控系統(tǒng)設(shè)計

主控系統(tǒng)選擇STC公司生產(chǎn)的STC89C52單片機,該機是一種低功耗、高性能的8位單片機,有8 K的Flash,512字節(jié)RAM,32位I/O口線,內(nèi)置4 KB EEPROM,3個16位定時器/計數(shù)器,全雙工串行口.單片機最小系統(tǒng)選用1個11.059 2 MHz的晶振,2個22 pF的電容器構(gòu)成晶振電路,機器周期為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藍牙模塊

設(shè)計采用主從一體的HC-06藍牙模塊,該模塊內(nèi)置CSR藍牙通信芯片,可以與手機端上的藍牙進行匹配.由手機APP上的按鈕發(fā)送控制指令,HC-06模塊通過藍牙接收指令,并轉(zhuǎn)串口傳遞給單片機控制器,主控器根據(jù)控制要求調(diào)用不同的子程序來驅(qū)動電機,進而實現(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（黑線和白線的反射強度不同）,單片機通過傳感器檢測到的不同信號調(diào)用循跡程序控制小車左右兩個電機的轉(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 電機驅(qū)動電路

設(shè)計選用SGS公司生產(chǎn)的電機專用驅(qū)動芯片L298N[5],L298N是一個H橋驅(qū)動芯片,其內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路,由它驅(qū)動兩個12 V的直流電動機.VS端接+5 V電源,VCC端采用兩塊手機鋰電池串聯(lián)供電,GND接地,OUT1、OUT2之間接左電動機,OUT3、OUT4之間接右電動機.5、7、10、12腳與單片機的p1.0—p1.3連接,由單片機給出控制電平,控制電機正反轉(zhuǎn)；ENA,ENB腳接控制使能端,控制電機的停轉(zhuǎn).小車運動邏輯見表1.

表1 小車運動邏輯Tab.1 The logical of the car movement

2.5 舵機和超聲波模塊

設(shè)計使用SG90舵機[7]帶動超聲波模塊轉(zhuǎn)動,從而實時監(jiān)測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舵機使用PWM信號控制,舵機的轉(zhuǎn)動角度在180°內(nèi),由定時器2定時產(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,與舵機產(chǎn)生的周期為20 ms,脈沖寬度1.5 ms的PWM信號基準(zhǔn)電路比較,由此控制舵機的轉(zhuǎn)向.

超聲波模塊采用HC-SR04[6],使用時,由控制端口Trig發(fā)一個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端為高電平時開啟定時器0,當(dāng)Echo端變?yōu)榈碗娖綍r讀出定時器的值,該時間為測距的時間然后通過計算得出距離.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

程序采用C語言編寫,主程序有由初始化系統(tǒng)、藍牙通信模塊、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.主程序的功能是對各個功能模塊初始化,同時對單片機內(nèi)部定時器及標(biāo)志位初始化,然后根據(jù)上位機的控制命令對各個功能模塊的函數(shù)進行調(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

當(dāng)手機控制端向單片機發(fā)送循跡指令時,FLAG標(biāo)志位置1,小車進入循跡模式,循跡模式下電機采用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)上位機再次向單片機發(fā)送循跡指令時,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 舵機模塊程序設(shè)計

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

4 系統(tǒng)測試

在測試階段,需要事先在手機上安裝上位機軟件.給小車上電后,HC-06藍牙通信模塊工作指示燈亮,經(jīng)過短暫延時（約1 min）,用手機搜索藍牙信號并進行連接,成功連接后,通過點擊上位機軟件的相關(guān)選項來測試小車的性能.

4.1 循跡測試

在循跡模式工作時,用3～5 cm的黑色電工膠布作為小車的循跡線.因為是兩路紅外循跡,將紅外對管裝在車體底部時,紅外探測器的距離不應(yīng)超過15 cm.若兩路之間距離過寬,要實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎必須將速度降得很低,否則小車會直接沖出跑道；如果兩路對管之間距離過窄,小車還沒通過90°的轉(zhuǎn)彎,兩個模塊都檢測到黑線,小車會停止,設(shè)計通過降低PWM占空比調(diào)速,最終使小車能夠按照既定路線前進.循跡模式工作實物圖如圖4所示.

圖4 循跡模式實物Fig.4 The physical map of tracking mode

4.2 避障測試

小車的正常行走是通過手機上的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止選項來控制.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到避障模塊檢測范圍時,模塊給單片機發(fā)送信號,這樣小車就不能前進或后退,以此來實現(xiàn)小車前后兩個方向的避障,并通過液晶實時顯示.其中避障模塊與液晶顯示模塊用16根杜邦線焊接完成的,避障模式工作實物圖如圖5所示.

圖5 避障模式實物Fig.5 The physical map of avoidance mode

5 小結(jié)

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

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

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

[3]盧慶林.基于單片機的自動尋跡避障小車設(shè)計[J].機械與電子,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[J].魯東大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2015,31（3）：217-220.

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

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

[7]任志敏.基于AVR單片機的舵機驅(qū)動電路研究[J].自動化技術(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)項目（142102210112）

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