楊傳志+初俊博+王鯤鵬+王杰+晁東伸

摘 要 紅外傳感器通過(guò)向外界發(fā)射紅外線(xiàn)及接受反射回來(lái)的紅外線(xiàn)的情況，將其傳遞給已寫(xiě)入相關(guān)程序的單片機(jī)智能小車(chē)，控制其輪胎的電機(jī)，從而控制小車(chē)的行駛狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)的避障及循跡功能。

關(guān)鍵詞 智能小車(chē)；紅外傳感器；循跡；避障

中圖分類(lèi)號(hào) G2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2017）183-0091-02

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的快速變革，使得越來(lái)越多的高科技產(chǎn)品面向世界，改善了人類(lèi)的生活。其中，單片機(jī)與傳感器領(lǐng)域的研究在我國(guó)也取得了重大突破，一些多功能機(jī)器人陸續(xù)被研發(fā)，用以解決科技、工程、實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域中人類(lèi)很難或無(wú)法完成的某些工作，效果較為顯著。

為了研制出可以實(shí)現(xiàn)多功能的智能機(jī)器人，首先要在上面實(shí)現(xiàn)一些機(jī)器人所需具備的基本功能。其中，循跡與避障功能較為普遍，也是智能機(jī)器人被稱(chēng)之為“智能”的先決條件。為實(shí)現(xiàn)上述兩種功能，需要借助文章開(kāi)頭提到的兩種器件，“單片機(jī)與傳感器”。單片機(jī)和傳感器的種類(lèi)有很多，本文中采用STC89C52RC單片機(jī)以及紅外傳感器完成智能小車(chē)的設(shè)計(jì)[1]。

1 設(shè)計(jì)思想及基本原理

1.1 基本思想

本設(shè)計(jì)中的智能小車(chē)，通過(guò)分別安裝在單片機(jī)主板上表面和下表面的兩對(duì)紅外傳感器，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界信息的感知，并將所感知的外界信息轉(zhuǎn)換為小車(chē)的控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)小車(chē)的智能化，即實(shí)現(xiàn)循跡與避障功能[2]。

1.2 紅外避障原理

小車(chē)主板上表面左右前腳各安裝一個(gè)紅外傳感器，小車(chē)正常行駛途中，前方無(wú)障礙物，則左右兩個(gè)傳感器返回給單片機(jī)的信號(hào)為高電平。若小車(chē)在行駛途中，一側(cè)的傳感器傳遞給單片機(jī)的信號(hào)為低電平，則表明這一側(cè)傳感器的前方存在某種障礙物。此時(shí)就需要根據(jù)燒寫(xiě)入單片機(jī)的程序來(lái)控制小車(chē)的運(yùn)動(dòng)，使其避開(kāi)前方的障礙物，繼續(xù)行駛。反復(fù)執(zhí)行上述操，就實(shí)現(xiàn)了避障功能。

1.3 紅外循跡原理

小車(chē)主板下面對(duì)稱(chēng)安裝兩個(gè)紅外傳感器，兩者之間的距離較避障模塊的兩個(gè)傳感器位置要近，通過(guò)發(fā)射和接受紅外線(xiàn)將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，從而控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)。

由于在紅外線(xiàn)在黑色與白色反射面上反射回的光強(qiáng)度差別很大，黑色面吸收紅外光較強(qiáng)而反射光較弱，所以單片機(jī)接收的信號(hào)為低電平。白色面反射光較強(qiáng)，單片機(jī)接收信號(hào)為高電平。正常行駛在光滑地面上，兩側(cè)均為高電平。通過(guò)相應(yīng)的程序控制小車(chē)沿著白色地面上的一條黑色軌跡線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)循跡功能。且以上情況建立在黑線(xiàn)寬度小于兩傳感器間距的假設(shè)下[3]。

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的紅外傳感器具有發(fā)射紅外光和接受紅外光的功能，其主要結(jié)構(gòu)包含一對(duì)紅外光發(fā)射裝置〔Q1，Q2〕，以及一對(duì)紅外光接收裝置〔Q3，Q4〕，具體電路連接圖如圖1所示。

圖中一對(duì)IR LED發(fā)光二極管作為紅外發(fā)射器，向外界發(fā)射紅外光。圖中一對(duì)IR DETECT為紅外接受器，用來(lái)接受從外界反射回來(lái)的紅外光。按照電路圖完成連接，通過(guò)P1_3與P3_6施加信號(hào)來(lái)控制紅外發(fā)射器的發(fā)射，通過(guò)P1_2與P3_5向單片機(jī)傳輸紅外接收器所接收的信號(hào)，圖中電阻R1-R4是負(fù)載電阻，通過(guò)改變其阻值大小用以調(diào)節(jié)紅外傳感器的靈敏度，使小車(chē)兩側(cè)傳感器的作用距離相對(duì)應(yīng)。

循跡與避障功能雖然都是利用紅外傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是卻是兩對(duì)安裝在不同位置的傳感器，用以實(shí)現(xiàn)不同的功能。小車(chē)主板上表面安裝的一對(duì)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)避障功能的傳感器，小車(chē)主板下表面安裝的一對(duì)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)循跡功能的傳感器，其安裝分布圖如下圖2所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

首先設(shè)計(jì)基本的軟件流程圖，根據(jù)已經(jīng)構(gòu)造好的流程圖，通過(guò)Keil uVision4軟件來(lái)編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的程序，運(yùn)行成功后，通過(guò)STC-ISP將已編寫(xiě)好的程序燒寫(xiě)入單片機(jī)。

為實(shí)現(xiàn)避障功能，首先要控制兩個(gè)紅外傳感器持續(xù)不斷地向外界發(fā)射紅外光，之后才可以通過(guò)反射光的情況來(lái)進(jìn)行隨后的操作。若兩個(gè)傳感器都未接收到信號(hào)，說(shuō)明前方無(wú)障礙物，則控制小車(chē)直行；若只有左側(cè)傳感器接收到信號(hào)，說(shuō)明小車(chē)左側(cè)存在障礙物，則需控制小車(chē)左側(cè)兩個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，右側(cè)兩個(gè)電機(jī)停轉(zhuǎn)，即小車(chē)整體向右轉(zhuǎn)；若只有右側(cè)傳感器接收到信號(hào)，與上述操作相反。若兩個(gè)傳感器均接收到信號(hào)，則說(shuō)明小車(chē)進(jìn)入“死區(qū)”，則需控制小車(chē)先做后退運(yùn)動(dòng)，再進(jìn)行向左或向右轉(zhuǎn)向，從而駛出“死區(qū)”。

實(shí)現(xiàn)循跡功能，也同樣需要控制底部?jī)蓚€(gè)傳感器不斷發(fā)射紅外光。若兩個(gè)紅外傳感器均接收到信號(hào)則說(shuō)明黑線(xiàn)處于兩傳感器之間，即車(chē)輪之間，此時(shí)小車(chē)保持直線(xiàn)行駛。若左側(cè)傳感器未接收到返回的信號(hào)，則說(shuō)明此時(shí)左側(cè)車(chē)輪已駛出黑線(xiàn)外，此時(shí)需控制小車(chē)左側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)停轉(zhuǎn)，即小車(chē)向右轉(zhuǎn)彎，直至兩傳感器再次均接收到信號(hào)時(shí)，小車(chē)恢復(fù)直行狀態(tài)。若右側(cè)傳感器未接收到返回的信號(hào)，與上述操作同理，方向相反。

4 結(jié)論

基于單片機(jī)智能小車(chē)的循跡與避障功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)智能機(jī)器人的基本功能，但是現(xiàn)實(shí)社會(huì)領(lǐng)域中，往往存在各種各樣的復(fù)雜情況，只依靠基本功能是不能夠完成某些難度較大且對(duì)細(xì)節(jié)要求較高的任務(wù)，還需要更先進(jìn)的技術(shù)與元器件以及更加尖端的控制程序。

然而通過(guò)本次設(shè)計(jì)可以使實(shí)踐者對(duì)于此領(lǐng)域有個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，打開(kāi)科技創(chuàng)新的大門(mén)，但是相比于當(dāng)今社會(huì)的高新技術(shù)領(lǐng)域，還是有很大的發(fā)展空間的。并且從現(xiàn)在起乃至不久的將來(lái)，這一領(lǐng)域?qū)?huì)迅猛發(fā)展，更加廣泛地應(yīng)用于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域。此外，本次設(shè)計(jì)中存在很多不足，仍有很多部分需要改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]索南尖措，楊建.基于STC89C52單片機(jī)的智能小車(chē)的設(shè)計(jì)[J].信息安全與技術(shù)，2016，7（4）：67-69.

[2]董濤，劉進(jìn)英.基于單片機(jī)的智能小車(chē)的設(shè)計(jì)與制作[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，17（2）：380-382.

[3]張巖，裴曉敏.基于單片機(jī)的智能循跡小車(chē)設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2014，33（3）：51-54.