謝菁

【摘要】隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，智能化小車逐漸被應用到更多領(lǐng)域。本設(shè)計的智能小車采用STC12C5A60S2單片機為主控芯片，以Keil μVision4軟件為開發(fā)平臺，經(jīng)過軟、硬件綜合設(shè)計，小車可以實現(xiàn)紅外遙控、紅外循跡和超聲波避障等功能。

【關(guān)鍵詞】STC12C5A60S2單片機;紅外遙控;直流電機;Keil μVision4

引言

目前，智能車發(fā)展速度迅猛，是融合了計算機、造型技術(shù)、傳感技術(shù)、電子、機械、控制、人工智能等多個學科交叉的科技創(chuàng)新技術(shù)，在各個領(lǐng)域扮演著重要角色。同時，在國家級、省級電子設(shè)計競賽以及其它創(chuàng)新設(shè)計競賽中幾乎每次都能找到智能車類型題目的蹤影，并且全國各類高校對該方向的題目研究也非常重視。因此，具有廣闊的應用前景和較大的研究意義。在實踐過程中，熟悉以單片機為核心控制芯片，采用智能控制算法實現(xiàn)小車的遙控、循跡和避障等功能。

一、總體方案設(shè)計

本次設(shè)計采取的主控芯片是宏晶科技公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機。硬件電路主要由五部分組成，分別為：單片機主控模塊，電源模塊、電機驅(qū)動模塊、紅外遙控模塊、循跡檢測模塊和超聲波避障模塊。如圖1所示。

通過紅外遙控系統(tǒng)的編/解碼專用集成電路芯片來進行遙控操作;利用紅外收發(fā)管，根據(jù)紅外信號對不同顏色產(chǎn)生不同反射系數(shù)的原理，根據(jù)接收管輸出電壓的變化，單片機驅(qū)動直流電機來確定小車行走方向，進而實現(xiàn)循跡功能;利用超聲波測量小車與障礙物之間的距離，再通過舵機控制超聲波模塊對不同方向的障礙物進行探測，將測試數(shù)據(jù)傳送給單片機，單片機就可以根據(jù)傳感器發(fā)來的信號發(fā)出命令讓小車開始改變原始的方向，從而實現(xiàn)避障功能。

二、系統(tǒng)硬件部分

（1）單片機控制模塊

由STC12C5A60S2單片機構(gòu)成的最小應用系統(tǒng)如圖2所示，主要由電源電路、復位電路、振蕩電路和單片機4個部分組成。

（2）電源模塊

本設(shè)計中我們將單片機及其外圍電路和直流電機分開供電，使兩者互相不影響，實現(xiàn)穩(wěn)定供電。采用5V蓄電池直接給單片機及其外圍邏輯電路供電，用2節(jié)4.2V鋰電池串聯(lián)的方式給直流電機供電。蓄電池具有較長的續(xù)航能力以及電壓輸出的值基本不怎么變化，外圍邏輯電路穩(wěn)定運行，2節(jié)鋰電池電量較足，大大增強小車續(xù)航能力并且也可重復利用。

（3）電機驅(qū)動模塊

為提高小車運行的穩(wěn)定性，本設(shè)計為四驅(qū)智能小車，采用集成雙H橋集成電機驅(qū)動芯片L298N來驅(qū)動直流電機。L298是全橋驅(qū)動芯片，具備高電壓、大電流的特點，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。一個L298芯片可以兩個直流電機。L298N功率部分的供電電壓在2.5～48V，一般情況需要大于6V才能正常工作，邏輯部分需要5V電壓供電，可以接受TTL電平，輸出電流可達2.5 A，可驅(qū)動電感性負載。左側(cè)電路原理圖如圖3所示，右側(cè)與之相同。

（4）紅外遙控模塊

紅外遙控系統(tǒng)主要由發(fā)射和接收兩部分構(gòu)成，應用編碼/解碼專用集成電路芯片來進行控制操作。發(fā)射部分包括鍵盤矩陣、編碼調(diào)制、LED 紅外發(fā)送器;接收部分包括光、電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路。本設(shè)計采用的是車載MP3遙控器HS-021和1838紅外接收頭組成紅外遙控模塊對小車進行控制。設(shè)計中考慮到一個1838紅外接收器接受角度范圍有限只有+/-35°在某些角度上存在明顯的檢測盲區(qū)。故選用四個1838接收器結(jié)合構(gòu)成一個全方位紅外接收器。

（5）循跡檢測模塊

本次采用的紅外收發(fā)管，利用比較芯片LM339根據(jù)四路接收管的電壓和四路滑動變阻器輸出的參考電壓分別進行比較后輸出相應電平。當小車進入循跡模式后，單片機開始不停掃描I/O口，利用紅外信號對白色地板和黑線不同的反射系數(shù)，一旦檢測到某個I/O口有有效信號，單片機對紅外傳感器檢測到的數(shù)據(jù)進入判斷程序進行處理，進而控制小車的走向，最終完成循跡功能。

（6）超聲波避障模塊

本次設(shè)計選用HC-SR04超聲波模塊，由超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路組成。HC-SR04超聲波模塊能提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可高達3mm，盲區(qū)2cm左右。利用單片機給控制口（Trig）發(fā)一個10μs以上的高電平觸發(fā)超聲波模塊自動發(fā)送8個40khz 的方波。在40khz發(fā)出后，接收口（Echo）自動輸出高電平的回響信號。當單片機檢測到接收口高電平的時候定時器開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物后返回。接收口檢測到回波信號時停止輸出回響信號，該端口變?yōu)榈碗娖胶髥纹瑱C就立即停止計時。讀取定時器的值就是一次測距的時間，根據(jù)超聲波運動的時間t和速度v就可以算出發(fā)射點距障礙物的距離S，即：S=vt/2，如此不斷的周期測，就可以移動測量距離，將測試數(shù)據(jù)傳送給單片機，單片機就可以根據(jù)傳感器發(fā)來的信號發(fā)出命令讓小車開始改變原始的方向，從而實現(xiàn)避障功能。

三、系統(tǒng)軟件部分

對于單片機控制系統(tǒng)來說，不僅僅需要系統(tǒng)硬件方面的設(shè)計，同時與需要軟件設(shè)計來支撐。因此，智能小車不同功能的實現(xiàn)也需要相應程序設(shè)計來完成。因此，在設(shè)計過程中軟件設(shè)計同樣有重要的地位。本設(shè)計軟件部分是以Keil μVision4為平臺開發(fā)完成的，該軟件是美國Keil Software公司出品的，兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上，相比與匯編語言具有明顯的優(yōu)勢，故易學易用，在國內(nèi)外得到廣泛使用。

本設(shè)計在軟件編程方面，沒有采用傳統(tǒng)的整體代碼編寫，而是將整體分割成n個不同的部分，每一個部分都可以被稱作是一個模塊。其實這些所謂的模塊都只是單獨的程序代碼，它們都對應著相關(guān)的功能，為每個功能程序的實現(xiàn)模塊，這樣的設(shè)計方法可以稱之為模塊化程序設(shè)計。

該設(shè)計法有以下的一些優(yōu)點：

（1）每個模塊都很容易去編寫，并且單獨的去調(diào)試更為方便;

（2）這些模塊單獨實現(xiàn)自己的功能，不會互相影響和沖突;

（3）模塊的程序代碼更易被調(diào)用，可以隨時利用現(xiàn)有的程序。

軟件部分主要由主程序、紅外遙控子程序、循跡子程序、超聲波避障子程序等構(gòu)成。主程序流程圖如圖4所示。

系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機為核心器件，在Keil μVision4軟件平臺上進行C語言編程，利用燒錄軟件將生成的.hex文件下載到單片機，定時器作為系統(tǒng)的時鐘單元，根據(jù)系統(tǒng)主程序執(zhí)行順序，分別設(shè)定紅外遙控、紅外循跡和超聲波避障三個模塊的任務時間，在不同任務中主程序分別調(diào)用各個子程序函數(shù)從而實現(xiàn)具體功能。

四、結(jié)束語

本次設(shè)計基于單片機的智能小車系統(tǒng)可以用遙控來控制小車的啟停、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進、倒退，小車能自動沿著黑線行駛，遇到障礙時能夠自動躲避障礙，基本上實現(xiàn)了各項功能，達到了預期的目標。

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