多功能導航智能小車設計*

谷明信，焦志勇，王 偉，侯佳男，蔣煒彤

(重慶文理學院 機電工程學院，重慶 402160)

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多功能導航智能小車設計*

谷明信，焦志勇，王 偉，侯佳男，蔣煒彤

(重慶文理學院 機電工程學院，重慶 402160)

設計一款基于STC89C52單片機的可實現自主導航和手動控制的多功能導航智能小車。該系統(tǒng)中，紅外避障傳感器通過調節(jié)與障礙物的距離實現躲避，紅外巡線傳感器按照給定黑線實現自主導航，超聲波傳感器在避障的同時實現距離的測量。該系統(tǒng)設計為智能交通無人駕駛汽車提供支持，自動導航代替人為駕駛，減少了因人操作不當或其他因素而導致交通事故的可能。

STC89C52單片機；紅外傳感器； 超聲波傳感器；智能小車；設計

0 引言

圖1 系統(tǒng)總體結構框圖

隨著科技的發(fā)展和生活水平的提高，人們對汽車自主導航和遠程控制要求也隨之提高。汽車的智能化自動化的研制已成為必然趨勢[1-2]。智能小車是集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動行駛等功能于一體的智能化設備[3]，在軍事、民用及科學研究等領域得到了廣泛應用。20世紀50年代初，美國Barret Electronics公司開發(fā)了世界上第—臺自動引導車輛系統(tǒng)(Automated Guided Vehicle System, AGVS)，它具備了智能小車最基本的特征即無人駕駛[4]。2014年Google 首次展示了自己的新產品無人駕駛汽車[5]。清華大學對智能汽車在主動避撞、車載微機、汽車導航等方面進行了深入研究[6]。吉林大學自主研發(fā)了一種基于圖像識別新型的車輛自動引導系統(tǒng)[7]。各高校對智能小車開展了廣泛研究[8-10]，全國大學生飛思卡爾智能車大賽促進了對智能小車的進一步研究。本文設計了基于STC89C52單片機利用各種傳感器和通信技術實現小車的自動導航和手動遠程遙控，為自動駕駛提供幫助。

1 系統(tǒng)的功能與總體結構設計

本設計以STC公司生產的低功耗、高性能CMOS、8位微控制器STC89C52為小車控制核心。

RPR-220反射型光電探測器實現對小車軌跡的識別和判斷，HJ-IR2紅外電子開關進行紅外避障，HS-SR04超聲波測距模塊進行避障和障礙物距離的檢測，在LCD顯示器上顯示距離，HS-021紅外遙控器和IR 1838紅外接收頭對小車進行紅外遙控。智能手機通過HC-6藍牙模塊對小車進行手機遙控，L293D雙橋驅動電路驅動兩個HC01-48電機轉動，實現自主導航和遠程無線遙控。電源系統(tǒng)由兩節(jié)3.6 V充電電池提供，輸出電壓7.2 V，通過LM7805電源穩(wěn)壓模塊為單片機提供電能。系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

本智能小車的系統(tǒng)硬件包括STC89C52單片機、電機驅動、電機、輪胎、電池盒、電池及各種傳感器。

2.1 STC89C52單片機

主要采用40引腳DIP封裝的STC89C52單片機控制，STC89C52單片機的P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7分別接小車底盤電機驅動模塊(L293D)的IN1、IN2、EN1、EN2、IN3、IN4口。P2.0、P2.1接超聲波傳感器的ECHO回響信號輸出、TRIG觸發(fā)信號輸入。P3.2、P3.3接左邊和右邊的紅外循跡模塊。P3.4、P3.5分別接左邊和右邊的紅外避障模塊。P3.0、P3.1接藍牙模塊的RXD和TXD。P3.2也作為紅外遙控接收頭信號端。

2.2 電機驅動模塊

采用ST公司的16腳封裝L293D小電流電機驅動芯片。16引腳VCC是芯片供電引腳，接電源模塊LM7805降壓后的5 V電壓。8引腳直接接電源模塊7.2 V電壓給小車電機供電。芯片輸入端分別接STC89C52單片機的P1.2～P1.7口，用以控制電機的轉向和轉速。芯片輸出OUT1～OUT4每兩個端口接一個電機，該芯片可驅動兩個電機。

ENA為使能端(電機調速PWM信號輸入端)高電平有效，若ENA置為1，IN1和IN2都置為0，則四個三極管均不導通。若ENA置為1，IN1置為1，IN2都置為0，則T1和T4兩個三極管導通，電機旋轉。若ENA置為1，IN1置為0，IN2都置為1，則T2和T3兩個三極管導通，電機反轉。如此便控制了電機的正反轉。電機速度的控制就是給ENA端輸入不同占空比的脈沖，ENB和IN3、IN4同理。

2.3 紅外循跡模塊和避障模塊

采用兩個反射型光電探測器RPR-220作為紅模塊外循跡的傳感器，HJ-IR2紅外傳感器作為避障傳感器。模塊由紅外發(fā)射管和紅外接收管、循跡可調電阻、電壓比較器、信號指示燈組成。

由發(fā)射管發(fā)射紅外線，當遇到不同發(fā)射率的材質或者有無物體時，紅外接收頭接收到不一樣的信號，紅外接收頭將信號由O口傳遞給LM324電壓比較器輸入口。比較后輸出到單片機的P3.2和P3.3口以及P3.4和P3.5口，最后單片機通過計算該值控制小車電機轉向和轉速，P1和P2為紅外循跡，FC1和FC2是紅外避障傳感器。

對具體項目完成情況的評價考核，可以采用多種方式進行，比如以小組為單位進行答辯或報告，教師根據答辯和報告的情況決定具體的得分。對于過程中學生們的貢獻，采取一些問答、考察等形式進行評價，學生得到的最后成績包括兩部分：個人成績和團隊成績。不但可以激勵學生更多投入小組的研究活動，更對成員之間的密切協(xié)作提供支持。通過這樣的設計，讓學生得到更充分的能力鍛煉和協(xié)作經歷，包括合理分配工作等，對他們未來的工作實踐有直接的幫助。

2.4 超聲波避障模塊

采用的超聲波避障模塊為HC-SR04超聲波傳感器，有效檢測距離為2～400 cm，四個引腳分別是GND、ECHO回響信號輸出接單片機P2.0、TRIG觸發(fā)信號輸入接單片機P2.1、VCC。其基本原理是：采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給至少10 μs的高電平信號，模塊自動發(fā)送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回，有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。

2.5 紅外模塊

采用HS-021型紅外遙控器。由發(fā)射和接收兩部分組成，發(fā)射部分包括鍵盤、編碼調制、LED紅外發(fā)送器，接收部分包括光電轉換放大器、解調、解碼電路。紅外接收頭IR 1838，工作電壓為4.8～5.3 V，接收頻率為38 kHz，內部含有高頻的濾波電路，濾出紅外線合成信號，送出接收到的信號，當紅外線合成信號進入紅外接收模塊時，在輸出端可得到原發(fā)射器發(fā)出的數字編碼，單片機解碼程序進行解碼后可根據按鍵做出相應的控制處理，完成紅外遙控動作。

2.6 無線藍牙模塊

采用HC-06藍牙模塊，與單片機串口通信。接口包括VCC、GND、TXD、RXD，其中TXD和RXD分別接在單片機的P3.1和P3.0口?？諘绲赜行Ь嚯x為10 m。

2.7 傳感器

采用兩個紅外循跡傳感器焊接于小車底盤下，小車紅外循跡要求地面有黑白分明軌跡，單線雙線都行。使用兩個紅外避障傳感器，焊接于小車底盤上方，紅外避障傳感器位于小車前方，可檢測并躲避障礙物。小車所用超聲波傳感器被固定插于小車底盤的超聲波接口處，位于小車前方正中間，以便檢測障礙物。

3 系統(tǒng)程序設計

本小車使用Keil uVision4程序設計軟件，將寫好的單片機控制C語言代碼編譯為HEX文件。通過程序燒寫軟件STC-ISP將HEX文件寫入單片機。

3.2 程序以及流程圖

3.2.1 電機PWM調速程序

采用的L293D電機驅動器驅動電動機轉動。根據電機驅動器的特性可知，輸入驅動器EN1和EN2兩端口不同的占空比脈沖即可控制電機的轉動速度。利用STC89C52單片機計數器T0中斷產生占空比可調的PWM脈沖信號。在T0進行1 ms定時中斷，對基準PWM和預期PWM進行比較，產生預期的PWM信號。該程序設定單片機每1 ms進行一次比較，最多比較20次，產生的PWM信號0最小，20最大，PWM信號產生程序流程圖如圖2所示。

3.2.2 小車紅外巡線程序

巡線該模塊利用白色物體和黑色物體對紅外光反射率的不同，反饋分別為“0”和“1” 的信號。單片機對反饋引腳的“0”和“1”進行判斷來執(zhí)行相應的程序，左側檢測到黑線小車左轉，右側檢測到黑線小車右轉，兩邊都未檢測到時前進。圖3為小車實現巡線功能的程序流程圖。

圖2 PWM信號產生程序流程圖

圖3 小車巡線程序流程圖

3.2.3 小車超聲波避障程序

采用超聲波傳感器檢測小車與障礙物之間的距離，并將該距離值反饋回單片機處理，顯示于LCD1602上。經過調試當小車距離物體350 mm時蜂鳴器發(fā)出警報并且停止和右轉。最初程序的右轉是讓左側輪子向前右側輪子靜止不動來實現，這樣小車會由于轉動遲緩而一直右轉，改進后讓小車左側車輪向前轉的同時右側車輪向后轉，小車便能迅速右轉，跳出后執(zhí)行向前走的程序。小車超聲避障程序流程如圖4所示。

4 總結

本設計選用體積小、功耗低、穩(wěn)定可靠、響應快的傳感器，以及性能穩(wěn)定的STC89C52單片機為控制核心，可實現巡線、避障、紅外遙控、藍牙遙控、自主導航和手動控制等功能?？蔀槲磥淼臒o人駕駛提供技術支持。

[1] 彭一準,姜小寶,莊明加,等.一種基于80C51單片機控制的循跡小車設計[J].天津科技大學學報,2011,26(1):55-59.

[2] 田拓,郭中華,丁帥華,等.基于AT89C52單片機智能小車的設計[J].寧夏工程技術,2005，4(4):334-336.

[3] 陳懂,金世俊.智能小車的多傳感器數據融合[J].現代電子技術,2005,28(6):3-5.

[4] 張國權.基于視覺導航的智能車輛目標檢測關鍵技術研究[D].蘭州:蘭州理工大學,2012.

[5] 鄭楊,李美蓮,李偉.基于單片機控制的智能尋跡小車[J].科技信息,2009(36):532.

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[10] 紀金水，劉彩虹.基于SoPC的智能尋跡小車的設計[J].電子技術應用,2013,39(7):47-53.

Design of multifunctional navigation intelligent car

Gu Mingxin, Jiao Zhiyong, Wang Wei, Hou Jianan, Jiang Weitong

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Chognqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160, China)

This paper designs a multifunctional intelligent car which can realize autonomous navigation and manual control based on STC89C52 microcontroller. In this system, infrared obstacle avoidance sensor achieves escape by adjusting the distance and obstacles, infrared transmission line sensor achieves autonomous navigation and obstacle avoidance according to the given line, the ultrasonic sensor realizes distance measurement. The system is designed to provide support for the intelligent transportation of unmanned vehicles, automatic navigation instead of artificial driving, reducing the improper operation or other factors caused by traffic accidents.

STC89C52 microcontrolor; sensor; ultrasonic transducer; intelligent car; design

重慶文理學院學生科研項目(XSKY2014044)

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.12.010

谷明信，焦志勇，王偉，等.多功能導航智能小車設計[J].微型機與應用，2017,36(12)：33-35.

2016-11-29)

谷明信(1986-)，男，碩士研究生，助教，主要研究方向：機器人技術及視覺傳感技術。

焦志勇(1994-)，男，本科生，主要研究方向：機械工程及自動化。

王偉(1994-)，男，本科生，主要研究方向：機械工程及自動化。