基于STC89C51RC單片機的智能遙感避障小車的系統設計

劉彥戎

（陜西國際商貿學院 商學院 商務系，陜西 咸陽712046）

基于STC89C51RC單片機的智能遙感避障小車的系統設計

劉彥戎

（陜西國際商貿學院 商學院 商務系，陜西 咸陽712046）

該智能系統應用STC89C51RC單片機和紅外傳感器及超聲波傳感器實現小車的自主避障功能，系統在小車行進驅動的基礎上，加裝光電、紅外光電、超聲波傳感器及wifi無線控制模塊，實現對小車的電源電壓、位置、運行狀況、周邊環境的實時測量，并將測量數據傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據所檢測的各種數據實現對小車的智能自主控制。整個系統的電路結構簡單，可靠性能高，易于推廣和移植，具有廣闊的應用前景。

STC89C51RC單片機；智能小車；紅外感應

隨著計算機科學技術與嵌入式技術的迅速發展，關于汽車智能方面的研究也就越來越受人關注。目前，在科技技術不斷提高、對自動化技術要求不斷加深的環境下，智能車輛以及在智能車輛基礎上開發出來的產品已成為自動化物流運輸、柔性生產組織等系統的關鍵設備。世界上許多國家都在積極進行智能車輛的研究和開發設計。智能小車，是一個集環境感知、規劃決策，自動行駛等功能于一體的綜合系統，它集中地運用了計算機、傳感 、信息、通信、導航及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體。智能車輛也叫無人車輛，是一個集環境感知、規劃決策和多級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統。它具有道路障礙自動識別、自動報警、自動控制、自動保持安全距離、車速和巡航控制等功能，智能車輛的主要特點是在復雜的道路情況下能自動地操縱和駕駛車輛繞開障礙物并沿預定的道路行進。

1 總體方案設計

1.1 系統總體設計

智能避障小車以STC89C51RC單片機為核心控制芯片，采用模塊化設計，模塊化設計可分為紅外循跡/避障模塊、超聲波測距模塊、電機驅動模塊、Wifi無線模塊和顯示電路模塊。其硬件系統的總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計圖

1.2 工作模式

小車只要通過遙控進行控制，通過遙控‘6’鍵控制小車工作狀態的切換，有以下兩種工作模式：

1）遙控模式：打開電源即進入遙控模式。在此狀態下小車通過無線遙控（藍牙）的控制，在每個按鍵的控制下逐一實現其相應的操作功能。

2）自動功能：通過遙控‘6’鍵轉換模式后，小車依靠避障功能實現自動化。進入自動狀態后，可以人工選擇要實現的各種操作等工作狀態，增加了設計的人性化，方便了用戶在各種環境下對智能小車狀態的實際控制，真正體現了智能小車的智能性。

2 硬件設計

2.1 電機驅動模塊

本系統采用四驅型小車，4個車輪都有驅動電機，因此需要4個電機控制輸出端口，同時小車無方向舵，所以在小車的左右轉向，是以左、右兩組電機逆向轉動來實現。電機驅動模塊的核心是電機的驅動芯片及電機，電機選擇了直流電機，這樣可以方便控制，而電機的驅動芯片L293D可以同時控制兩個直流電機，其中芯片A用于控制左前、左后兩個電機，而芯片B用于控制右前、右后兩個電機。從而可以控制4個電機，當Wifi模塊接收到指令之后，主控芯片進行數據解析，將指令分發到電機驅動芯片A和電機驅動芯片B，從而控制電機的前、后運動和左、右轉向運動。當左右4個電機同時正向運轉時，小車前進，反之則為后退；左電機正向轉動，右電機反向轉動，則為右轉向，反之為左轉向。如圖2所示。

2.2 紅外感應模塊

本系統采用反射式紅外光電傳感器用于檢測路面的起始、終點（2 cm寬的黑線），小車車底盤上沿黑線放置一套，以適應起始的記數開始和終點的停車的需要。利用光線跟蹤，采用光敏三極管接收燈泡發出的光線，當感受到光線照射時，其c-e間的阻值下降，檢測電路輸出高電平，經LM393電壓比較器和74LS14施密特觸發器整形后送單片機控制。如圖3所示。

圖2 電機驅動原理圖

圖3 紅外光電傳感器原理圖

2.3 小車超聲波測距模塊

使用的是HC-SR04超聲波模塊。基本原理：經發射器發射出長約6 mm，頻率為40 kHz的超聲波信號。此信號被物體反射回來由接收頭接收，接收頭實質上是一種壓電效應的換能器。它接收到信號后產生mV級的微弱電壓信號。超聲波測距是借助于超聲脈沖回波渡越時間法來實現的。如圖4所示。設超聲波脈沖由傳感器發出到接收所經歷的時間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為c，則從傳感器到目標物體的距離D可用公式（1）求出：

基本工作原理：

1）采用I/O口TRIG觸發測距，給出至少10 μs的高電平信號；

2）模塊自動發送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；

3）有信號返回，則通過I/O口ECHO輸出一個高電平，高電平信號持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。

測試距離=（高電平時間*聲速（340 M/s））/2（1）

2.4 顯示電路模塊

本系統設計中用兩片4位八段數碼管作顯示器，并具有雙重功能，其中一片顯示超聲波測距得出的距離，另一片顯示當前電源電壓。當小車上電之后，分別顯示實測距離和當前電源電壓。

圖4 超聲波模塊原理圖

其中引腳1、2、3、4為位選引腳，A-H為段選引腳，當小車未接入聲波探測塊時，該模塊只顯示當前電壓，假設當前電壓為7.89 V時，則位選2、3、4位，即 2引腳顯示 7和“.”，3、4引腳顯示“8”和“9”，而A-H則進行段選，選擇當前LED數碼管的那一段發光，從而組成我們需要的數字。如圖5所示。

圖5 顯示電路原理圖

3 軟件設計

在該系統研究中，主要用到了Keil，Protues和STC_ISP_V4.7.9軟件。

Keil C51是美國 Keil Software公司出品的 51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。Keil C51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，全Windows界面。多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發大型軟件時更能體現高級語言的優勢。

使用Keil軟件優點在于：

1）Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發大型軟件時更能體現高級語言的優勢。

2）與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發，體會更加深刻。

Protues軟件是英國Lab center electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。Protues軟件具有其他EDA工具軟件（例：multisim）的原理布圖、PCB自動或人工布線和SPICE電路仿真等主要功能。

4 內部程序實現

4.1 主程序

主程序中主要包括主控芯片對各個功能部件的初始化操作。其中的自定義文件包含了單片機的各引腳功能初始化、定時器的設置、wifi模塊功能初始化、電源電壓顯示模塊初始化、電機控制模塊初始化、紅外及超聲波模塊初始化。

4.2 電機驅動程序模塊

電機驅動程序，主要功能是驅動4個電機，從而實現小車的前進、后退、左轉、右轉。其中以小車前進為例，根據小車的電路接法，如果驅動小車前進，則讓4個電機同時正向轉動，則拉高每個電機的正極引腳電平，拉低負極引腳電平，從而促使電機正向轉動，使小車向前驅動4.3紅外避障程序模塊

使用的是紅外光電傳感器對光線的感應原理而實現的功能，紅外光電傳感器中黑色部分為感應模塊，透明部分為光線發生器，當發射的光線未反射回至感應頭，或者感應頭接收到的光線未達到要求強度，則紅外光電傳感器傳給主控芯片未遇到障礙的信息，如若左傳感器接收到反射光線，或者反射光線達到一定強度，則提示主控芯片，小車左前方遇到障礙物，主控芯片則調用小車電機驅動程序的右轉程序，直到左傳感器不再接收到反射光線或光線強度不再高于要求強度，則停止右轉，繼續向前行進。

4.3 Wifi控制模塊

構建TCP/IP數據包，將攝像頭、小車當前狀態等數據文件，以數據包的形式，通過Wifi路由器發送至控制端。本項目使用的無線模塊是已經分裝好的路由模塊，僅僅是使用了無線路由的數據傳輸功能，只是將單片機中的數據進行TCP/IP數據包構建，再將數據包發送給無線路由器，由上位機通過路由器進行數據的提取和解析。

4.4 超聲波測距模塊

超聲波模塊在目前很多領域都有使用，包括測距、工業探傷等用途，本項目中使用的為HC-SR04超聲波模塊。其中SR04的VCC引腳為5 V電源引腳，為該模塊運行提供電源；GND引腳為地線引腳；TRIG為觸發控制信號輸入引腳；ECHO為回響信號輸出引腳。當小車運行時，VCC引腳為超聲波模塊提供電源支持，如果主控芯片需要進行測距時，將會產生一個10μs的TTL觸發信號傳入TRIG引腳，當模塊接收到該觸發信號后，該模塊產生8個40 kHz周期電平并發出聲波信號，如果檢測到有回波信號，同時ECHO引腳則會向主控芯片發送高電平回響信號，回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。

5 測 試

1）安卓手機2.0以上，使用手機終端，連接小車無線路由SSID:Smart Car，密鑰：wy123456。測試小車視頻采集及其他控制功能。

2）貼有引導黑線的模擬場地（經典8字場地），將小車放置到黑線上（黑色部分），前下方的兩個光電傳感器分別位于黑線兩邊，上電查看小車自動走黑線的狀況。

3）障礙物場地，在預定區域內設置障礙物（黑色部分），將小車放置其中，查看小車是否能自動避障行駛。

5.2 測試方法

1）無線控制功能測試

①小車通上電，初始化Wifi之后，使用手機連接小車自帶Wifi。

②設置小車各部件操作地址，設置連接IP及端口號。

③操作小車前進、后退、左轉、右轉。

她看到何美寧用手擦眼睛，淚水沒擦干，眼眶又紅了；她看了一眼雷紅，兩行長淚掛在雷紅臉上；自己也忍不住要流淚了，她一再提醒自己，不要被何美寧感動了，最后，還是被感動了，看得出，雷紅比她還感動。

④觀察小車攝像頭采集的數據是否為前方景象。

2）走黑線測試

①將小車放置與8字黑線上。

②上電，查看小車是否沿著黑線行進、行進中是否能自動校準路徑。

3）避障測試

①將小車放置于障礙物場地中。

②上電，查看小車是否能在場地中自動行進，遇到障礙物時能否自動避障行進。

5.3 測試數據及測試結果分析

1）小車前方攝像頭采集數據無誤，但容易出現卡頻現象，分析為本項目采用的是web端視頻，網絡信號延遲造成。

2）小車Wifi初始化后，手機第一次連接小車，視頻顯示無問題，但無法控制小車運動，需重啟后方可恢復，分析為小車TCP/IP數據封包存在問題。

6 結束語

文中提出了一種經濟實用的智能避障小車的設計方法，給出了從硬件電路設計到軟件設計的一系列步驟。硬件設計中采用STC89C51RC單片機為控制核心，利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙，控制電動小汽車的自動避障，快慢速行駛，以及自動停車，并可以自動記錄時間、里程和速度，自動尋跡和尋光功能。也可以使用安卓手機客戶端通過Wifi信號控制小車的行進方向，并且將小車前部的攝像頭采集到的數據，以實時視頻的方式發回并顯示到控制端。通過小車前部和下部的紅外感應模塊，使得小車可以進行光線的感應，進而實現走黑線的功能。軟件設計中主要用到了Keil，Protues和STC_ISP_V4.7.9軟件完成了小車避障功能的實現。整個系統的電路結構簡單，可靠性能高，易于推廣和移植，具有廣闊的應用前景。

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Design of intelligent obstacle avoidance car remote sensing system based on STC89C51RC microcontroller

LIU Yan-rong
（School Business Department of Shaanxi Institute of International Trade Business，Xianyang 712046，China）

the intelligent system applications STC89C51RC microcontroller and infrared sensors and ultrasonic sensors on the car of the autonomous obstacle avoidance function，the system on the basis of the car drive travel，equipped with photoelectric，electrcal，ultrasonic sensors and wifi wireless control module，the voltage of power supply for the car，location，operation condition，surrounding environment of real time measurement，and will measure data transfer to the single chip microcomputer for processing，then the detection by the microcontroller based on various data to realize the intelligent autonomous control of the car.The circuit of the whole system has simple structure，high reliability，easy extension and transplant，has broad application prospects.

STC89C51RC microcontroller；smart car；infrared induction

TN876

：A

：1674－6236（2017）03-0045-04

2016-01-20稿件編號：201601168

陜西省教育廳自然科學基金項目（14JK2018）

劉彥戎（1980—），女，陜西咸陽人，碩士，講師。研究方向：計算機網絡及計算機智能控制。