基于AVR單片機的GPS導航小車設計

黃睿

摘 要： 首先對基于單片機的GPS導航小車進行了整體結構設計，說明了小車模型的意義，實現自動行駛功能；其次分別介紹了單片機控制器、GPS模塊、無線傳輸模塊和小車模型等硬件部分；再次對系統軟件設計做了詳細說明；最后對設計做了總結，實現了預期目標。

關鍵詞： GPS導航； AVR單片機； 無線傳輸； 自動行駛

中圖分類號： TP 967.1 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2016）02-0086-03

0 引 言

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統）的簡稱，起源于美國并廣泛應用于軍事戰爭。近年來隨著GPS技術的發展，其應用領域逐漸多元化[1]，在國民經濟生產中也發揮著重要作用，對于GPS技術在汽車方面的應用也成為了目前熱門研究方向之一。隨著家用汽車的普及、大氣污染的日益加劇、惡劣環境下的自動駕駛功能就格外重要，而利用GPS導航恰恰可以解決這一難題。本文以自動導航小車為研究模型，探討了車輛監控、自動駕駛的可行性，旨為工業化應用提供借鑒。

1 系統設計

本系統從功能上可以分為三個部分：定位、通訊和監控。在對小車GPS定位以后，通過無線網絡進行數據傳輸，獲取有效數據，即坐標和運行狀態。GPS信號發送至GPS接收機，然后通過硬件實現信號處理，將處理后的信號發送到單片機控制端，提取數據，經過與預設值的比對和算法控制，實現小車的自動導航行駛。系統設計框圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 AVR單片機控制器

AVR是美國Atmel公司生產的增強RISC內在Flash的高性能8位單片機[2]，它的串口可以同時與多模塊通信，片內Flash程序存儲器集成度非常高，可以大大減少外圍元器件的使用，提高系統性能。這里選用AVR系列中性能最強大的ATmega128芯片[3]，該芯片是一種性能高、功耗低的處理器，擁有64個引腳，可重復編程的Flash空間為128kb，4kb EEPROM，4kb內部SRAM[4]。具有優秀的RISC結構，內部有易失性的數據存儲器和程序存儲器、8路10位ADC，含有2個8位定時器/計數器、2個16位定時器/計數器、2路8位PWM和SPI，JTAG，USART等數據接口。

2.2 GPS模塊

GPS模塊采用環天BR-355，它具特殊輕巧造型及100%防水設計，使用SiRF Star III 芯片組加上內建的主動型陶瓷天線讓定位更為精準，特別適合配合各種戶外活動時使用，防滑的底部可方便運用在各種車輛、船只及航空器。小車通過GPS模塊實現定位功能，GPS模塊中核心單元為GPS接收機，GPS接收機在工作狀態時會持續接收GPS導航定位信息，并將數據計算后通過串口上傳到計算機中。GPS接收機包括主機和外設兩部分。主機主要由射頻RF、通信信道、數據存儲與計算三大部分組成。外接設備主要包括電源、GPS天線、前置放大器和顯示器。其結構框圖如圖2所示。

圖2中，GPS模塊通過天線接收衛星定位信號[5]，提供對應數據，起到實時監控小車狀態的作用，并把數據送給單片機控制器，通過程序的編譯進行數據處理。

2.3 無線傳輸系統

整個監控系統中，上位機和單片機控制器以無線通信的方式傳輸數據。上位機通過無線傳輸模塊給單片機發送控制指令，以及完成數據交換。系統框圖如圖3所示。

本系統采用AVR單片機和nRF24L01無線芯片，nRF24L01是一款工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM頻段的單片機無線收發器芯片，其具有數據傳送量大、抗干擾能力強、穩定性好、耗能低等優點。通過單片機的10個I/O接口直接與nRF24L01相連。AVR單片機主要完成數據的采集和處理，向nRF24L01發送數據并且接收上位機通過nRF24L01傳送過來的數據。無線芯片電源使用3.3 V供電，決定nRF24L01模塊工作模式的引腳分別與單片機的相應I/O控制口相連，保證正常工作狀態下，nRF24L01的工作模式可以由單片機內實時運行的程序來決定。

2.4 導航小車

本研究采用小車為自主組裝模型，根據實驗需求將車載模塊安裝在前驅小車模型內，通過單片機對集成芯片L298N的控制。L298N是一種雙H橋電機驅動芯片，其中每個H橋可以提供2A的電流，由IN1～IN4引腳接收單片機的高低電平控制信號，ENA和ENB為使能端。用兩個小電機分別連接小車的左前輪和右前輪，單片機指令控制電機的正傳與反轉，實現小車的運行狀態調整。兩個電機采用的是普通直流電機，其結構簡單、調速性能好、過載能力強、可調范圍寬，能夠滿足頻繁切換電動機運行狀態的實驗需求。

3 軟件設計

通過GPS模塊來采集小車運行信息，根據參數對比，判斷小車運行狀態是否正常：如果符合預設值，保存數據并繼續監控；反之，檢查無線通信模塊是否正常，如果有問題，返回初始狀態，如果通訊無問題，報告給控制端進行調節。具體流程圖如圖4所示。

系統初始化主要包括控制器串行通信端口重點初始化、顯示器初始化、GPS模塊和無線模塊初始化等。GPS數據先后經過接收、解析和顯示三個處理階段。系統采用的調試軟件為ATMEL AVR Studio，該軟件具有語言編譯、程序下載、軟件仿真和硬件仿真等功能，是與AVR單片機配套的集成環境匯編與開發調試軟件。

系統的軟件部分在自動控制原理中可視為一個閉環系統，根據小車實時的信息控制小車的運行狀態，每次調整后會運行一個周期，然后進行第二輪的數據采集，判定以及小車的控制，直至達到系統平衡狀態。

4 結束語

本文以GPS自動導航小車為模型，探索了車輛監控、自動駕駛的可行性。設計結果基本實現預期目標，但是在系統的精確性和快速性還有待改善。在以后的實驗中，將會以多點監控為目標，實現群體控制。

參考文獻：

[1] 白雪，徐雷鈞，劉國海，等. 基于單片機的GPS定位信息采集系統[J]. 微計算機信息，2008，24（8）：228-229.

[2] 宋建國. AVR單片機原理及應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，1998.

[3] 劉海成. AVR單片機原理及測控工程應用[M]. 北京航空航天大學出版社，2008：4-5，72—75.

[4] 王勇. 基于AVR單片機的一體化GPS接收機設計[J].自動化儀表，2008（29）：65-67.

[5] CHADIL N，RUSSAMEESAWANG A.KEERATIWINTAKORN PHONGSAK.Real-time tracking management system using GPS，GPRS and Google Earth[R]. 5th International Conference on Electrical Engineering/Electronics，Telecommunications and Information Technology，Thailand，2008：393-395.

（責任編輯：徐興華）