基于單片機(jī)的智能紅外避障小車設(shè)計

彭美定　鄧鵬

摘要：智能紅外避障小車?yán)眉t外傳感器對障礙物和行駛的路況進(jìn)行判斷，從而使小車能順利地繞過障礙物。文章提出了一種基于STC89C52單片機(jī)的智能紅外避障小車的設(shè)計與實現(xiàn)方法。該設(shè)計以兩個直流電動機(jī)為主動力源進(jìn)行驅(qū)動。電機(jī)驅(qū)動電路采用TL298N驅(qū)動芯片，通過紅外傳感器來采集信息，并送入主控單片機(jī)（STC89C52）進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理完成后執(zhí)行相應(yīng)動作，以達(dá)到自動控制的目的。本設(shè)計中避障模塊采用紅外線收發(fā)來完成，由控制單元處理數(shù)據(jù)后執(zhí)行相應(yīng)動作，實現(xiàn)了無人干預(yù)也可完成一系列動作的功能。 關(guān)鍵詞：避障；單片機(jī)；紅外傳感器；脈沖寬度調(diào)制 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們生活水平的提高，人們對生活中的許多事物都提出了更高的要求，同時汽車工業(yè)的快速發(fā)展，使得智能汽車研究也越來越受人們的關(guān)注。智能汽車概念的提出給汽車產(chǎn)業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)，汽車的智能化必將是未來汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢。由于傳感器的應(yīng)用與發(fā)展，使小車自動避開障礙物成為一種可能，這無異于給小車增添了一雙眼睛；自動避障小車可以作為地域探索機(jī)器人和緊急搶險機(jī)器人的運動系統(tǒng)，通過這雙眼睛，它可以巧妙地避開障礙物，再加上其他的一些功能，就可以完成人們指定的任務(wù)。本設(shè)計以基于紅外的智能小車為研究對象，當(dāng)小車遇到障礙物時，如果離障礙物的距離小于所設(shè)定值時，小車采取相應(yīng)的避障措施。通過紅外避障模塊和單片機(jī)的程序進(jìn)行校準(zhǔn)優(yōu)化可以消除外部物理條件造成的誤差從而達(dá)到對障礙物較準(zhǔn)確定位的目的。 1.總體方案設(shè)計 本系統(tǒng)大體可以分為以下幾個部分：微控制器模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、避障模塊、電源模塊、直流電機(jī)模塊等。本系統(tǒng)的方框圖如圖1所示，采用STC89C52作為微控制器來接收輸入信息并對輸入信息進(jìn)行處理，然后將結(jié)果輸出到電機(jī)驅(qū)動模塊控制直流電機(jī)運行，采用通用型1602液晶屏作為顯示器，顯示小車的各種運行狀態(tài)和參數(shù)，并通過接收控制器產(chǎn)生的信號來驅(qū)動電機(jī)的運行，從而控制小車的方向和速度。發(fā)射管發(fā)射出波長為940nm的紅外線，當(dāng)檢測到前方有障礙（反射面）時，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較電路處理后，將該輸出信號送到微控制器。本系統(tǒng)采取12v電源為電機(jī)驅(qū)動模塊提供較大的電流，以保證直流電機(jī)正常運行。 2.主要單元模塊設(shè)計 2.1單片機(jī)主控制電路設(shè)計 本模塊主要用于信號的采集并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時輸出高低電平來控制電機(jī)速度，從而控制小車前進(jìn)轉(zhuǎn)彎等動作，此處采用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖2所示。 2.2電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計 該模塊采用了L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動芯片，L298N可采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，VCC可接4.5～7V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍2.5～46v，輸出電流可達(dá)到2.5A，可驅(qū)動電感負(fù)載。本系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)部分vIN采用12v直流電源供電，小車運行時通過單片機(jī)向該模塊INl，IN2，IN3，IN4腳輸入控制信息來控制小車電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過單片機(jī)向該模塊ENA，ENB腳輸入脈沖寬度調(diào)制（Pulse WidthModulation，PWM）信息，從而控制小車電機(jī)的速度。電機(jī)驅(qū)動模塊電路如圖3所示。

2.3紅外避障模塊設(shè)計 本設(shè)計利用紅外發(fā)射接收管及其處理模塊進(jìn)行避障。紅外發(fā)射接收管廣泛用于各種家用電器的遙控接收器中，如音響、彩色電視機(jī)、空調(diào)器、VCD視盤機(jī)、DVD視盤機(jī)以及錄像機(jī)等。紅外接收管能很好地接收紅外發(fā)射管發(fā)射的波長為940nm的紅外光信號，而對其他波長的光線則不能接收，從而保證了接收的準(zhǔn)確性和靈敏度。當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強(qiáng)度不夠大時，紅外接收管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時模塊的TTL輸出端為高電平，相應(yīng)的指示發(fā)光二極管一直為熄滅狀態(tài)；當(dāng)被測物體出現(xiàn)在檢測范圍內(nèi)時，紅外線被反射回來，且強(qiáng)度足夠大，紅外接收管導(dǎo)通，此時模塊的TTL輸出端為低電平，相應(yīng)的指示發(fā)光二極管被點亮。單片機(jī)接收到信號后進(jìn)行判斷執(zhí)行相應(yīng)動作避開障礙物。避障模塊電路如圖4所示。 3.軟件系統(tǒng)設(shè)計 利用紅外傳感器檢測道路前方的障礙物，單片機(jī)通過檢測各傳感器的工作狀態(tài)，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理后，產(chǎn)生高低電平控制電機(jī)驅(qū)動模塊工作，實現(xiàn)對小車方向和速度的控制，從而實現(xiàn)電動小車自動避障的功能。系統(tǒng)程序流程如圖5所示。

線沒有被反射回來或被反射回來但強(qiáng)度不夠大時，紅外接收管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，經(jīng)過比較電路處理后，將該輸出信號送到微控制器，然后由微控制器產(chǎn)生高低電平控制電機(jī)驅(qū)動模塊工作，實現(xiàn)對小車的方向和速度的控制，從而實現(xiàn)電動小車自動避障的功能。 4.主要設(shè)計參數(shù)

電機(jī)驅(qū)動模塊采用了L298NT2H橋直流電機(jī)驅(qū)動芯片，L298N可采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，VSs可接4.5～7v電壓。4腳Vs接電源電壓，VS電壓范圍2.5～46V，輸出電流可達(dá)到2.5A，可驅(qū)動電感負(fù)載。本系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)部分VIN采用12v直流電源供電，小車運行時通過單片機(jī)向該模塊INl，IN2，IN3，IN4腳輸入控制信息來控制小車電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過單片機(jī)向該模塊ENA，ENB腳輸入脈沖寬度調(diào)制信息從而控制小車電機(jī)的速度。電機(jī)驅(qū)動模塊的實際輸入輸出電壓參數(shù)如表1所示。 5.結(jié)語 本設(shè)計以STC89C52單片機(jī)為控制核心，利用紅外傳感器檢測道路前方的障礙物，單片機(jī)通過檢測各傳感器的工作狀態(tài)，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理后，產(chǎn)生高低電平控制電機(jī)驅(qū)動模塊，實現(xiàn)對小車的方向和速度的控制，從而實現(xiàn)電動小車自動避障的功能。