基于單片機控制的紅外線與超聲波混合避障智能小車

唐淵，周汝，段武斌，劉臻

（湖南工業大學電氣與信息工程學院， 湖南 株洲 412000）

1 混合避障智能小車的原理

本文設計的混合避障智能小車主要由單片機控制模塊、紅外線與超聲波混合避障模塊、電機驅動模塊等組成。系統的總體框圖如圖1所示。

圖1

基于單片機AT89S52設計的智能避障小車，需提供+12V和+5V電源，DC+5CV由直流+12V經7805轉換得到，為單片機及其他電路提供工作電壓，DC+12V由市電直接轉化，主要為電機提供驅動電壓。超聲波避障模塊、紅外避障模塊采用購買的現成的產品。本模塊設計擬以超聲波、紅外線避障系統為核心，配合超聲波和紅外線避障的優缺點，利用超聲波探測工作環境中的固定障礙物同時使用紅外線來探測小車周圍的運動物體，裝上超聲波、紅外線傳感器完成小車對四周環境實時測距。電機及電機驅動模塊采用L298N電機驅動模塊來控制直流減速電機即可。智能小車采用前輪驅動，前輪左右兩邊各用一個電機驅動，分別控制兩個輪子的轉動從而達到轉向的目的，后輪是萬向輪，起支撐的作用。傳感器分布圖如圖2所示。

圖2

AT89S52單片機主控芯片根據避障傳感器接受的信號做出判斷，分析小車的動作要求，發送相應的動作命令給電機驅動模塊，控制小車實現轉向，同時發送至顯示屏，并執行命令完成相應動作，達到避障的目的。當車的左邊的紅外傳感器檢測到運動障礙物時，主控芯片控制右輪電機停止左輪轉動，車向右方轉向，當車的右邊傳感器檢測到運動障礙物時，主控芯片控制左輪電機停止轉動，車向左方轉向，當前面后面有運動障礙物時規定車右轉。同時，四個角的超聲波傳感器檢測到固定障礙物時，單片機根據反饋的信息判斷距離，主控芯片控制車輪及時做出相應調整，重新規劃小車運動軌跡，以達到避障的目的。模擬圖如圖3所示。

圖3

2 系統硬件組成

2.1 單片機主控制電路

選用AT89S52單片機作為主控芯片，本模塊主要用于信號的采集并對數據進行分析處理，同時輸出高低電平來控制電機速度，從而控制小車前進轉彎等動作。

2.2 紅外避障模塊

本文采用E18-D80NK-N紅外線傳感器。前方無障礙輸出高電平，有障礙輸出口電平會從高電平變成低電平，傳感器檢測到這一信號就可以確認正前方有障礙物，并傳送給單片機，單片機通過輸入內部的算法，協調小車兩輪工作，從而完成躲避障礙物的動作。

2.3 超聲波避障模塊

本文采用現成的US－100超聲波避障模塊。通過超聲波發射裝置發出超聲波，根據接收器接到超聲波時的時間差就可以測算距離。超聲波發射端在單片機前置電路的驅動下工作，接收端的信號放大、整形后在單片機的中斷口產生中斷，通過發射和接收的時間差計算出小車與障礙物的相對距離。

2.4 電機驅動模塊

驅動采用L298N驅動芯片，此芯片可直接由單片機的IO端口來提供模擬時序信，第1腳和第15腳可與電流偵測用電阻連接來控制負載的電路。OUTPUT1、OUTPUT2和OUTPUT3、OUTPUT4 之間分別接2個直流電機；INPUT1～INPUT4輸入控制電位來控制電機的正反轉；Enable則控制電機停轉，特別是其輸入端可以與單片機直接連接，從而很方便的受單片機控制。

電機驅動模塊主要功能是將主控芯片發出的信號通過電機控制芯片轉化為小車實際的動作。當驅動直流電機時，可以直接控制步進電機并可以實現電機正轉與反轉，實現此功能只需改變輸入端的邏輯電平。模塊的四個輸出分別接在兩個獨立的電機上。

3 系統軟件設計

本文的主要程序設計部分圍繞紅外線超聲波混合避障模塊展開，主要編寫單片機內部執行程序，首先分析紅外線超聲波避障的基本流程。單片機將采集的信號進行分析與計算，并將分析后的數據傳入控制模塊，實現當小車現行速度小于閥值時進行加速，當小車現行速度大于等于閥值時進行減速，保證小車在工作中保持一定距離。針對小車在目標轉彎時同步轉彎的動作，路徑的每個轉角處設置一個傳感器，當目標經過傳感器時，傳感器對小車發射信號使小車向目標轉彎處轉向。

4 結語

本文的障礙物檢測單元的核心部件選擇了紅外線傳感器，超聲波傳感器。紅外探頭傳感器具有精度高、成本低、體積小、接口簡單等優點；超聲波傳感器具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點；AT89S52單片機與電機驅動芯片的結合，既降低了系統成本也提高了系統的可靠性和穩定性，實現了智能小車的避障功能。最終編寫相應的程序，進行測試，確保了系統的準確性，穩定性。

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