王 靜，張江亞，董彥華

（河北科技學(xué)院 河北 保定 071100）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息化、智能化已經(jīng)離不開人們的生活。智能小車的發(fā)展是當(dāng)前研究的重點(diǎn)領(lǐng)域之一，反映了人們對(duì)安全和方便的需求，也是評(píng)估各國智能化發(fā)展進(jìn)程的一個(gè)非常有效的指標(biāo)。目前，智能車的應(yīng)用正逐步深入到工業(yè)和生活的各個(gè)層面，提升了人們的生活品質(zhì)[1]。董靖川等[2]基于STM32對(duì)智能避障小車進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過在多個(gè)方向安裝超聲波傳感器，以實(shí)現(xiàn)不同方位障礙物的距離檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)表明該方法運(yùn)行效果正常，魯棒性好。但在該設(shè)計(jì)方案中，由于使用的傳感器數(shù)目較多，會(huì)導(dǎo)致各傳感器之間易產(chǎn)生干擾。該系統(tǒng)與紅外線避障系統(tǒng)模塊而言，對(duì)光不敏感，抗干擾性良好，而且反應(yīng)速度較快，其不足之處在于只能實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。為此文本基于單片機(jī)設(shè)計(jì)一款具有循跡、自動(dòng)避障和手機(jī)藍(lán)牙控制功能的智能小車模型，通過總體方案設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件編程設(shè)計(jì)，以確保實(shí)現(xiàn)智能小車的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 智能小車總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)所用的系統(tǒng)，主要由主控制器模塊、紅外循跡模塊、紅外避障模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，以及藍(lán)牙遙控模塊組成。采用STC89C52單片機(jī)[3]作為核心器件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的控制、循跡、自動(dòng)避障和手機(jī)藍(lán)牙控制等功能；采用型號(hào)為TCRT5000的紅外反射傳感器進(jìn)行路線的探測(cè)和循跡；采用E18-D80NK紅外傳感器避障；采用MX1508RX2電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為車輪驅(qū)動(dòng)；采用JDY-31藍(lán)牙串口模塊實(shí)現(xiàn)手機(jī)藍(lán)牙控制。

2 智能小車硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器模塊

采用STC89C52RC型號(hào)單片機(jī)作為主控制器，其具有靈活方便、安全可靠、方便排查故障和維修等優(yōu)良的特性。同時(shí)，具備較高的可擴(kuò)展性，可通過擴(kuò)展I/O接口讓其實(shí)現(xiàn)更多功能。在充分研究和分析過本文智能小車的功能后，設(shè)計(jì)出主控制器模塊電路圖。

2.2 紅外循跡模塊

循跡功能是讓智能小車能夠沿著中間的黑粗線條行駛。當(dāng)紅外循跡傳感器接收到不同信息后，所對(duì)應(yīng)的操作也會(huì)不同，如：智能小車兩邊的傳感器均能接收到白色信號(hào)，智能小車就會(huì)直行；智能小車左邊傳感器接收到黑色信號(hào)，右邊傳感器接收到白色信號(hào)，那么代表左邊傳感器接收不到信號(hào)，智能小車就會(huì)左轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)循跡的效果。

采用型號(hào)為TCRT5000[4]的紅外反射傳感器進(jìn)行路線的探測(cè)和循跡，此款傳感器常被用于制作紅外循跡模塊，并且可以針對(duì)其靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)也極大地提升了設(shè)計(jì)后期在小車循跡測(cè)試時(shí)調(diào)試的效率。當(dāng)TCRT5000發(fā)出的紅外線被黑線吸收無法返回時(shí)，模塊中相應(yīng)位置的LED燈不會(huì)發(fā)光。在沒有探測(cè)到黑線的正常情況下，或者小車未進(jìn)入循跡狀態(tài)時(shí)，該模塊上的2個(gè)LED燈均保持發(fā)光狀態(tài)。循跡模塊電路圖如圖1所示。

圖1 循跡模塊電路圖

2.3 紅外避障模塊

選用E18-D80NK紅外傳感器[5]進(jìn)行避障，設(shè)置工作電壓為5 V，工作電流為10～15 mA，有效檢測(cè)距離為3～80 cm；傳感器直徑為18 mm，長度為45 mm。紅外傳感器根據(jù)接收到反射光的強(qiáng)弱來判斷距離障礙物的遠(yuǎn)近。該裝置的消耗較高，因此本設(shè)計(jì)選用3.7 V的鋰電池作為供電電源以保證紅外光電傳感器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。該紅外傳感器的紅外發(fā)射和接收電路如圖2所示。

圖2 紅外發(fā)射和接收電路圖

2.4 電源模塊

由于本文設(shè)計(jì)中用到了功率較大的紅外光電傳感器，因此需要用2節(jié)3.7 V可充電式的鋰電池作為電源。將2節(jié)電池串聯(lián)后得到1個(gè)7.4 V電壓的電源，但該電壓相對(duì)于包括單片機(jī)在內(nèi)的其他元器件的正常工作電壓又較大，因此需要將該電源接到電源調(diào)壓模塊中，調(diào)壓為5 V后，才可以作為供電電源對(duì)單片機(jī)及其他各模塊進(jìn)行供電。

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

采用MX1508RX2電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為電機(jī)，該芯片是專門為遙控玩具類小車而設(shè)計(jì)的，其將具有解碼功能的芯片和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)芯片合并成了一整塊芯片。該芯片有著工作電壓范圍為2～8 V的優(yōu)點(diǎn)，由于本文設(shè)計(jì)中需要較高的供電電壓，其工作電壓范圍恰好符合本文智能小車設(shè)計(jì)中的2節(jié)鋰電池串聯(lián)的供電電壓，因此優(yōu)先考慮了該芯片。除此以外該芯片還具有待機(jī)電流低、功率開關(guān)管導(dǎo)通內(nèi)阻低、集成度高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，其相較于L298N、MX1508RX2的體積更小，調(diào)試安裝過程也會(huì)相對(duì)方便。

2.6 藍(lán)牙遙控模塊

為了方便用戶使用手機(jī)和智能小車通信，加裝了以JDY-31為藍(lán)牙的串口模塊。該串口模塊是基于藍(lán)牙3.0 SPP設(shè)計(jì)出來的，能夠支持多種平臺(tái)的數(shù)據(jù)透?jìng)?。其?yīng)用的范圍較廣，性能良好，發(fā)射功率最高可達(dá)到約8 dB，且經(jīng)過測(cè)試，信號(hào)的發(fā)射距離也能達(dá)到20 m以上。因此該模塊可完全滿足本文設(shè)計(jì)的使用需求，并且還具備一些相當(dāng)人性化的設(shè)計(jì)，使用起來十分靈活、便利，如：可以讓用戶自愿通過AT命令對(duì)連接的藍(lán)牙設(shè)備名稱進(jìn)行修改；可以對(duì)設(shè)備的波特率進(jìn)行設(shè)置。

3 智能小車軟件設(shè)計(jì)

主程序主要起到一個(gè)想到和決策的功能，決定什么時(shí)候小車該做什么。小車各種功能的實(shí)現(xiàn)通過調(diào)用具體的子程序予以實(shí)現(xiàn)[6]。

3.1 智能循跡避障子程序

采用差動(dòng)轉(zhuǎn)向作為智能小車的轉(zhuǎn)向方式，后輪是一個(gè)萬向輪，作為小車的支撐及基本運(yùn)動(dòng)的輔助。前輪為2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，并且每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪均由其連接的驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)控制，彼此之間不會(huì)互相影響。循跡模式程序函數(shù)流程圖如圖3所示?？梢钥闯?，智能小車的避障模塊選擇的是2個(gè)紅外傳感器，假如左右兩側(cè)的傳感器中，有一側(cè)檢測(cè)到了障礙物體的存在，那么智能小車的車頭將自動(dòng)朝向遠(yuǎn)離障礙物的一側(cè)進(jìn)行角度調(diào)整。如果3個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)到有障礙物存在于安全距離內(nèi)，小車會(huì)立即停止運(yùn)動(dòng)。避障設(shè)計(jì)的部分程序如下。

圖3 循跡模式程序函數(shù)流程圖

if(flag_time == 1) //計(jì)時(shí)開始

{

timer0_count ++;

if(timer0_count >= 1000) //定時(shí)1.0秒

{

timer0_count = 0;

flag_ok = 1;

flag_time = 0;

}

}

switch(flag_direction)

{

case 1: //小車停止

MOTOR_IN1 = 0; MOTOR_IN2 = 0; MOTOR_IN0 = 0; MOTOR_IN3 = 0;

break;

case 2: //小車左轉(zhuǎn)

if(motor_count < motor_speed)

{

MOTOR_IN0 = 1; MOTOR_IN1 = 0;MOTOR_IN2 = 1;MOTOR_IN3 = 0;

}

else

{

MOTOR_IN0 = 0;MOTOR_IN1 = 0;MOTOR_IN2 = 0; MOTOR_IN3 = 0;

}

break;

case 3: //小車右轉(zhuǎn)

if(motor_count < motor_speed)

{

MOTOR_IN0 = 0; MOTOR_IN2 = 0;MOTOR_IN3 = 1; MOTOR_IN1 = 1;

}

else

{

MOTOR_IN1 = 0;MOTOR_IN2 = 0;MOTOR_IN3 = 0; MOTOR_IN0 = 0;

}

break;

case 4: //小車直行

if(motor_count < motor_speed)

{

MOTOR_IN1 = 0;MOTOR_IN2 = 0;MOTOR_IN3 = 1; MOTOR_IN0 = 1;

}

else

{

MOTOR_IN0 = 0;MOTOR_IN1 = 0;MOTOR_IN2 = 0;MOTOR_IN3 = 0;

}

break;

case 5: //小車后退

if(motor_count < motor_speed)

{

MOTOR_IN0 = 0;MOTOR_IN1 = 1;MOTOR_IN2 = 1;MOTOR_IN3 = 0;

}

else

{

MOTOR_IN0 = 0;MOTOR_IN1 = 0;MOTOR_IN2 = 0;MOTOR_IN3 = 0;

}

break;

}

}

3.2 藍(lán)牙模式子程序

在智能小車進(jìn)入藍(lán)牙模式的正常狀態(tài)下，若車身左側(cè)的紅外光電傳感器檢測(cè)到了前方存在障礙物體時(shí)，程序會(huì)控制小車向右轉(zhuǎn)，以此來避免碰撞。反之，若右側(cè)檢測(cè)到障礙物，則車頭向左偏轉(zhuǎn)以躲避障礙；兩邊側(cè)均有障礙物，即前方無路可走時(shí)，智能小車停止前進(jìn)，原地待命；如果收到前進(jìn)指令，且前方有障礙物，智能小車會(huì)在程序自行判斷后選擇原地待命，直到前方障礙物消失后，才會(huì)受到遙控的指令控制，從而開始向前運(yùn)動(dòng)。同理，在藍(lán)牙模式下，向左轉(zhuǎn)和向右轉(zhuǎn)的指令也會(huì)受到障礙物的影響，但由于智能小車后方未裝有傳感器，因此后退指令不會(huì)受影響，在收到后退的藍(lán)牙遙控指令后，則直接后退。

4 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試

4.1 系統(tǒng)仿真過程及結(jié)果

智能小車控制系統(tǒng)的仿真過程，基本可以概括以下幾步：首先，將智能小車控制系統(tǒng)的原理圖繪制好；然后，在keil c51兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)中，按照程序流程圖進(jìn)行完整的編譯；最后，再將原理圖與單片機(jī)程序置入仿真軟件中進(jìn)行仿真。系統(tǒng)仿真圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)仿真圖

仿真實(shí)驗(yàn)過程中，在原理圖中的各模塊連接為整體后，使用開關(guān)來進(jìn)行等效替代軟件中無法仿真的部分器件，如，紅外光電傳感器等。將.hex文件載入其中，并點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，觀察仿真結(jié)果。仿真結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)小車預(yù)期的自動(dòng)循跡及自動(dòng)避障功能。

4.2 小車實(shí)物測(cè)試

在通過軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真之后，為進(jìn)一步確認(rèn)本文設(shè)計(jì)的實(shí)際可行性，對(duì)智能小車控制系統(tǒng)的實(shí)物進(jìn)行制作、組裝與測(cè)試，實(shí)物和測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 實(shí)物和測(cè)試結(jié)果

1）對(duì)智能小車的藍(lán)牙遙控功能和基本運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行測(cè)試。按下智能小車主板的電源開關(guān)后，進(jìn)入藍(lán)牙連接模式，打開手機(jī)中的藍(lán)牙調(diào)試程序進(jìn)行藍(lán)牙連接，在正常連接后，依次測(cè)試智能小車前、后、左、右的遙控指令和停止指令。經(jīng)測(cè)試，智能小車藍(lán)牙遙控功能和基本運(yùn)動(dòng)功能運(yùn)行正常。

2）對(duì)智能小車的循跡功能進(jìn)行測(cè)試。使用多張A4紙打印并拼接出循跡所需的黑色引導(dǎo)線條，經(jīng)過多次測(cè)試，智能小車均可以準(zhǔn)確識(shí)別出黑色引導(dǎo)線，并按此路徑行駛，即智能小車的自動(dòng)循跡功能可以實(shí)現(xiàn)。

3）對(duì)智能小車的進(jìn)行自動(dòng)避障功能測(cè)試。在智能小車前進(jìn)狀態(tài)下，用手依次遮擋前方的3個(gè)紅外光電傳感器，觀察其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何變化。經(jīng)測(cè)試，智能小車前3個(gè)紅外傳感器均可檢測(cè)到有效距離內(nèi)的障礙物，并且可以依據(jù)傳感器探測(cè)的結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)向或停止運(yùn)動(dòng)，從而有效避免了碰撞障礙物。

實(shí)際測(cè)試表明，智能小車傳感器工作狀態(tài)下均可正常運(yùn)轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)所預(yù)期的自動(dòng)循跡和自動(dòng)避障功能，同時(shí)藍(lán)牙遙控模塊也運(yùn)行正常，可通過手機(jī)端的藍(lán)牙調(diào)試軟件對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的智能小車模型以STC89C52單片機(jī)作為主控核心，對(duì)外設(shè)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、藍(lán)牙及傳感器等模塊進(jìn)行控制，經(jīng)過多次調(diào)試和測(cè)試驗(yàn)證后，成功實(shí)現(xiàn)了自主循跡避障、手機(jī)軟件控制等功能。后期加以完善，即可投入市場(chǎng)，應(yīng)用于勘探、消防、無人駕駛及環(huán)境探測(cè)等領(lǐng)域。