超聲波智能避障小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬鐸　黨小娟　張慧

【摘 要】隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車行業(yè)也得到快速發(fā)展，各種車輛已經(jīng)涌入各個(gè)行業(yè)和家庭。各種車輛數(shù)量的快速增加，也給道路交通帶來(lái)了巨大壓力。道路擁擠、汽車追尾、剮蹭等類似的交通事故頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響到人們的生活秩序和安全。如何杜絕或者減少此類交通肇事的出現(xiàn)，智能避障小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)就顯得尤為重要。該設(shè)計(jì)利用超聲波傳感器測(cè)量距離，用STC89C51單片機(jī)作為小車的唯一控制芯片，用Proteus軟件進(jìn)行仿真，用Keil C51進(jìn)行代碼的編寫，實(shí)現(xiàn)了小車的近距離智能避障及自動(dòng)停車等功能。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；智能避障；超聲波

【中圖分類號(hào)】TP242 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2018）09-0087-02

0 引言

自避障小車誕生以來(lái)，它在很多領(lǐng)域都有涉及，如機(jī)械、電子和交通。各種用電器都在向智能化轉(zhuǎn)變，已經(jīng)滲透到我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?。在各種高端技術(shù)的驅(qū)使下，避障小車的各種部件已經(jīng)數(shù)以萬(wàn)計(jì)，要想使避障小車自己動(dòng)起來(lái)，就要有類似于人類眼睛的傳感器感知周圍的環(huán)境。目前的傳感器，在計(jì)算機(jī)超快的計(jì)算速度配合下，也只能傻瓜式感知周圍的環(huán)境。一般的避障控制系統(tǒng)，屬于一種簡(jiǎn)單的自動(dòng)引導(dǎo)系統(tǒng)，使智能避障小車能夠自己判斷障礙物距自己的距離，在與設(shè)定值比較之后選擇較遠(yuǎn)的距離朝其駛?cè)ァ?/p>

在汶川大地震的抗震救災(zāi)工作中，很多地方人都沒(méi)有辦法到達(dá)，這就要靠避障小車來(lái)完成。這就需要避障小車具備類似于人類思考問(wèn)題的能力，避開(kāi)各種障礙物，最終到達(dá)需要自己的地方。本次設(shè)計(jì)要完成的是智能避障小車。

1 小車的設(shè)計(jì)

1.1 硬件介紹

小車運(yùn)行的控制方法多式多樣，本設(shè)計(jì)采用主流的微控制器——單片機(jī)，可以說(shuō)單片機(jī)是小車的心臟和大腦，小車運(yùn)行都依賴它的控制。本設(shè)計(jì)中主控采用我們耳熟能詳?shù)腟TC89C51單片機(jī)，它主要負(fù)責(zé)對(duì)電機(jī)的控制和距離的測(cè)量。雖然這款單片機(jī)自身沒(méi)有脈沖寬度調(diào)制模塊，但可以通過(guò)編程產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制，這樣既能將資源發(fā)揮得淋漓盡致，還能很好地滿足使用需求。

利用單片機(jī)作為該系統(tǒng)的大腦，用其指揮行進(jìn)中的小車，以實(shí)現(xiàn)智能避障功能。將系統(tǒng)剖開(kāi)來(lái)看，其致命點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)小車的智能避障，而此時(shí)單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)就體現(xiàn)出來(lái)了，控制起來(lái)比較簡(jiǎn)單，使用起來(lái)比較方便，操作起來(lái)比較敏捷。這樣一來(lái)，它就可以體現(xiàn)其可位尋址操作功能、充分發(fā)揮其資源豐富、控制功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)智能避障小車的控制起到了不可替代的作用。

1.2 軟件介紹

Proteus軟件是英國(guó)Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件，到現(xiàn)如今為止已經(jīng)有多個(gè)版本，它的功能十分強(qiáng)大，不僅可以用來(lái)仿真EDA，而且也可以自己創(chuàng)作原件，比如仿真單片機(jī)及外圍元件。Proteus的另一個(gè)強(qiáng)大之處在于它可以實(shí)現(xiàn)從原理布圖到PCB的設(shè)計(jì)，完美實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)體系。

該設(shè)計(jì)采用的是Keil C51開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的。Keil C51是美國(guó)Keil Software出品的，主要用于51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件的開(kāi)發(fā)。C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言作比較，優(yōu)勢(shì)非常明顯，用戶非常容易學(xué)懂。Keil軟件也有完整的環(huán)境，其中包括C語(yǔ)言的編譯環(huán)境、define、連接器、庫(kù)管理、仿真調(diào)試器等。用一個(gè)集成的環(huán)境把這些部分組合在了一起。

1.3 功能分析

本設(shè)計(jì)大體上可以分為以下幾個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、超聲波測(cè)距系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)。它們之間的聯(lián)系如圖1所示。

超聲波用于測(cè)量小車和障礙物之間的距離，并通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)，單片機(jī)控制超聲波和電機(jī)模塊共同實(shí)現(xiàn)小車的智能避障。

1.3.1 驅(qū)動(dòng)功能分析

在小車的4個(gè)輪子上安裝有直流電機(jī)，能夠驅(qū)動(dòng)智能避障小車前進(jìn)，使用芯片L293D讓直流電機(jī)轉(zhuǎn)起來(lái)，通過(guò)使用電平信號(hào)，通過(guò)信號(hào)的高低，把單片機(jī)的輸出信號(hào)傳給智能小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，然后通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)電機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制。該部分用STC89C51單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)主要控制，以L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為輔助，驅(qū)動(dòng)智能避障小車直線行駛和轉(zhuǎn)彎。L293D四個(gè)引腳（OUT1、OUT2、OUT3、OUT4）可以分別接電機(jī)，完全驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)。剩下的2個(gè)En1和En2為使能端，可以通過(guò)電壓控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1.3.2 檢測(cè)功能分析

本設(shè)計(jì)中，當(dāng)單片機(jī)輸出一個(gè)高電平，然后將該電平給超聲波電路中的穩(wěn)壓器時(shí)，穩(wěn)壓器將輸出電壓，并將該電壓提供給超聲信號(hào)的發(fā)射部分電路。此時(shí)，微處理器定時(shí)器T0，將以中斷方式產(chǎn)生脈沖序列，由軟件觸發(fā)一個(gè)超聲波信號(hào)。該震蕩信號(hào)，通過(guò)兩個(gè)10位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，輸出一個(gè)100級(jí)分頻的信號(hào)，若該信號(hào)變高，則說(shuō)明定時(shí)器T0中斷，然后通過(guò)鎖存器級(jí)反相器后，發(fā)射該超聲波信號(hào)。

1.4 單片機(jī)的選擇

本課題使用的是STC89C51系列單片機(jī)，用它作為該智能避障小車的控制模塊主要部分，通過(guò)STC89C51系列的單片機(jī)，應(yīng)用相關(guān)程序來(lái)控制小車運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)小車運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化控制。常見(jiàn)的相關(guān)系列單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。

2 小車的實(shí)現(xiàn)

超聲波智能避障小車如圖3所示。

3 結(jié)語(yǔ)

在完成小車的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)后，對(duì)小車的整體進(jìn)行了測(cè)試，以保證小車能夠正常運(yùn)行。調(diào)試是不可缺少的步驟，在調(diào)試中，先擬出調(diào)試思路，按照調(diào)試思路嚴(yán)格測(cè)試。在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，直至達(dá)到理想效果。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]顧志華，戈惠梅，徐曉慧，等.基于多傳感器的智能小車避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)：工程技術(shù)版，2014，14（1）：12-17.

[2]李志宜，帥江華.尋跡和避障智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（36）：39.

[3]董胡，馬振中.基于單片機(jī)的智能玩具小車設(shè)計(jì)[J].微型電腦應(yīng)用，2014，30（9）：14-16.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]