智能尋跡小車在智能家居系統中的應用

石禮綱++王浩南++侯書今++李瑞++張禹堯

摘 要 本文介紹了基于AT89C52單片機的智能小車的尋跡實現過程。采用紅外線傳感器作為小車的尋跡模塊來識別路面信息與障礙物位置；使用路由器接收由小車攝像頭采集的圖像信息，通過電子PC設備來顯示出來；采用H型橋式電路直接驅動直流電機控制電機的正反轉，同時加入了舵機，使得小車的轉向更加趨于穩定。該小車結構簡單，易于實現，具有較高的可靠性。

【關鍵詞】單片機控制 紅外線傳感器 尋跡小車 舵機

隨著科學技術的不斷進步，智能小車技術得到普遍的應用，主要涉及到汽車行業、工業企業和智能家居等領域。本論文是基于大學生創新創業訓練項目下的智能尋跡小車系統的設計，其中包括硬件設計和軟件設計兩部分。硬件電路的設計主要包括微處理器的設計，傳感器的設計，驅動電路部分的設計，避障電路部分的設計，尋跡模塊的設計以及轉向控制電路的設計等；軟件電路的設計主要包括控制算法的設計。設計中在玩具電動車模型的基礎上，增加光電檢測器，實現對電動車模型的速度、位置和運行狀況的實時檢測，并將檢測數據傳送至單片機進行處理，再由單片機根據所檢測的各種數據實現對電動車模型的智能控制。

1 系統總體方案

采用AT89C52單片機作為整機的控制單元，通過模塊化的設計方案，采用紅外光電檢測傳感器和紅外蔽障傳感器組成不同的檢測電路，檢測小車的各種運動狀態和數據。將測量數據傳送到單片機進行處理，由單片機實現對電動小車的智能化控制。采用直流電機專用驅動芯片L298驅動直流電機。通過小車的智能尋跡功能，可以在很大的范圍內收集各個終端節點的環境信息。

2 硬件電路的實現

2.1 微處理器的設計（即單片機）

2.1.1 AT89C52單片機選擇

本設計采用AT89C52單片機，它是一個低電壓、高性能的CMOS 8位單片機。該單片機片內含8kb的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器、256b的隨機存取數據存儲器，該器件采用ATMEL公司生產的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準為MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元。經市場調研，AT89C52單片機在電子行業中有著廣泛的應用。

2.1.2 微處理器最小系統設計

AT89C52 單片機片內帶有程序存儲器，因此只需在芯片上外接復位電路和晶振電路便構成了處理器最小系統。在AT89C52單片機中，X1和 X2引腳連接晶振電路，X1接外部晶振和微調電容的一端，作為內部時鐘工作電路和振蕩器的放大器的反向輸入端； X2 接外部晶振和微調電容的另一端，作為振蕩器放大器的的反向輸出端。RST為單片機的復位端， 連接復位電路，該引腳為高電平時可使單片機復位，回到初始狀態。

2.2 傳感器電路設計

本設計采用RPR220型紅外反射式光電傳感器來對道路軌跡進行。當遇到反光性較強的物體（表面為白色或近白色）時，紅外發射管發出的紅外光被折回，并被光電三極管所接收， 將光電三極管光生電流的增大轉為電壓信號，被處理器接收并處理，即可實現黑白等反光性差別較大的兩種顏色識別。

2.3 驅動電路的設計

直流電機使用專用驅動芯片L298驅動直流電機。作為專門用來驅動電機的芯片，L298內部集成了一個H橋電路和保護電路，這樣在連接時第1，29，30腳必須通過10K電阻接地，第8腳必須直接接地，第11，12腳或27，18腳任意一組接電源即可。作為驅動步進電機的L298N的驅動芯片，其相線必須連接正確，否則電機不能正常工作，當連接測試時，不能用手接觸MMC芯片的任何引腳，否則不能輸出信號。如果過流保護被啟動，芯片需要重新通電后才能恢復正常工作。當手碰到MMC的第1，29，30腳時，過流保護將立即啟動。

2.4 避障電路的設計

利用SM0038只能接收38KHz的紅外光的原理，當紅外發射管D2發射紅外光遇到前方障礙物，將反射回來的光送給SM0038，其中也含有38KHz頻率的紅外光，接收管接收到信號1號腳將輸出高電平，使Q4導通，P36將原來的高電平變為低電平，將信號送給單片機然后控制小車避開障礙物。

2.5 尋跡模塊的設計

利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點，本電路的核心器件選擇紅外對管ST178。小車行駛過程中不斷地向地面發射紅外光，當紅外光遇到白色紙質地板時發生漫反射，小車上的接收管及時接收反射光；當接收管處于飽和導通狀態時，LM358的同相端由高電平變為低電平，LM358在這里作為比較器使用，則此時輸出端由高電平變為低電平，將信號送給主控制器，再發出信號達到控制小車轉向的目的。

2.6 轉向控制電路的設計

該智能小車通過舵機轉動來實現轉向，通過PWM調速脈沖實現舵機的轉動（舵機的輸出轉角與脈沖寬度成正比），當脈沖寬度在0.5～2.5ms之間變化時，相應的舵機的轉角在0～180°之間變化。

3 其他部分的設計處理

通訊模塊通過在小車上安裝攝像頭來進行小車周圍環境信息的采集，然后使用無線路由來接受采集到的信息，通過電子設備來查看收集到的信息，從而實現家居的智能化。

選用USB接口的數字攝像頭，將攝像頭連接在路由器的USB接口上，通過路由器上的攝像頭驅動軟件使攝像頭工作，并由路由器將視頻信號發送出去。電腦等終端接收設備，接收到視頻信號后顯示圖像。

選取兩個舵機來實現攝像頭的穩定，同時通過AT89C52單片機控制舵機旋轉一定的角度，把我們想要的圖像傳到電子設備上。

采用3節4.2V鋰電池串聯的方式共直接給步進電機供電，然后經過由穩壓芯片構成的穩壓電路將電壓降至5V后給單片機及其外圍邏輯電路供電。

4 軟件設計

在單片機應用系統的開發過程中，采用C語言進行編程。

流程分析：主程序主要起到一個導向和決策的功能。根據小車所處位置的不同，確定小車的任務。當小車在黑線軌道上走直線時，程序對傳感器的信號進行及時判斷，左邊信號為零時控制電機向左轉，右邊信號為零時控制電機向右轉；在彎道時，為了不沖出軌道，保持左輪一直打偏，直到檢測到右邊信號為零時控制電機向右轉，當右邊信號為1時，繼續使左輪一直打偏。當檢測到障礙物時，控制小車先后退向左轉一定時間，再向右轉一定時間，然后判斷前方是否還有障礙物，一直到不能檢測到障礙物的信號小車才能繼續前進。

5 結語

本文設計的小車以AT89C52單片機為控制中心，并以紅外線反射式傳感器作為尋跡過程，從而來進行小車的避障，以LM298來控制和驅動電機的工作，并對小車的速度和方向控制方面進行了改進，加入舵機使得方向控制上有了很大改進，采集方面使用了攝像頭進行采集，通過無線漏油將信息傳到電子設備，從而實現了小車相對快速準確的尋跡與避障.該設計較為簡單，成本低，并易于實現.在現代智能家居中可以起到很顯著的作用，由于技術方面還是不夠完善，所以在速度和方向控制上進行了多次改進，但還是不太理想，有待進一步研究。

參考文獻

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作者簡介

石禮綱，電氣工程及其自動化專業14級學生，大學生創新創業訓練計劃項目負責人。

作者單位

沈陽城市建設學院信息與控制工程系 遼寧省沈陽市 110167