基于51單片機(jī)的多功能智能小車的探討

摘? 要：本次設(shè)計(jì)一個(gè)具備紅外循跡、超聲波避障及紅外遙控智能小車。選擇四輪驅(qū)動(dòng)方式，以STC89C52RC芯片為核心控制。采用L298D集成電路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，用單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩{(diào)速，通過(guò)超聲波實(shí)現(xiàn)避障，返回距離數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上接入紅外控制，單片機(jī)解碼后，自動(dòng)選擇小車功能。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較容易實(shí)現(xiàn)，但具有高度的智能化、人性化，一定程度上體現(xiàn)了智能屬性。

關(guān)鍵詞：智能車;STC89C52RC;PWM控制;紅外循跡;超聲波避障;紅外遙控

中圖分類號(hào)：TP23;TP368.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）23-0025-05

Discussion on Multifunctional Intelligent Car Based on 51 Single Chip Microcomputer

CHEN Wenxin

（Sichuan Agricultural University，Ya’an? 625014，China）

Abstract：An intelligent car with infrared tracking，ultrasonic obstacle avoidance and infrared remote control is designed. Four wheel drive mode is selected，and STC89C52RCchip is used as the core control. L298D integrated circuit is used to drive DC motor，PWM signal is generated by single chip microcomputer to control motor speed so as to adjust speed. Obstacle avoidance and distance data are realized by ultrasonic wave. On this basis，access infrared control. After decoding by single chip microcomputer，the car function is automatically selected. The structure of the design is simple and easy to realize，but it has a high degree of intelligence and humanization，reflecting intelligence to a certain extent.

Keywords：smart car;STC89C52RC;PWM control;infrared tracking;ultrasonic obstacle avoidance;infrared remote control

1? 硬件電路原理及設(shè)計(jì)

1.1? STC89C52RC最小系統(tǒng)

本文的設(shè)計(jì)中采用了一款十分常用的51系列單片機(jī)作為處理器，其特點(diǎn)是價(jià)格低廉、使用方便，且可與其他處理器進(jìn)行通訊。

系統(tǒng)時(shí)鐘：晶振頻率/12，本設(shè)計(jì)采用11.0592M晶振，因此系統(tǒng)時(shí)鐘為0.9216us，約為1us。

I/O口資源：4個(gè)通用8位準(zhǔn)雙向I/O口（P0、P1、P2、P3，其中P3為特殊功能口）。

通訊：一對(duì)全雙工串行通訊口（P3.0、P3.1），可與其他單片機(jī)或上位機(jī)進(jìn)行通訊。

中斷：2個(gè)外部中斷（/INT0、/INT1），2個(gè)定時(shí)器中斷（T0、T1），1個(gè)串行通訊中斷，共5個(gè)中斷資源并有2級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)可供配置。

程序存儲(chǔ)：該單片機(jī)提供8K的Flash程序存儲(chǔ)器供用戶編寫程序。

STC89C52RC最小系統(tǒng)電路圖如圖1所示。

1.2? 電源供電穩(wěn)壓模塊

1.2.1? 原理

7805三端穩(wěn)壓集成電路對(duì)先對(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣，之后反饋回調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)輸出級(jí)的阻抗。當(dāng)輸出電壓偏低時(shí)，調(diào)節(jié)輸出級(jí)的阻抗變小，從而減小輸出管壓降;當(dāng)輸出電壓偏高時(shí)，調(diào)節(jié)輸出級(jí)的阻抗變大，從而增大調(diào)整管壓降，這樣就維持了輸出電壓的穩(wěn)定。在應(yīng)用7805時(shí)最好是在旁邊增加一個(gè)散熱片進(jìn)行散熱，因?yàn)樵诠β蚀蟮臅r(shí)候發(fā)熱量很大，容易燒壞芯片。

兩節(jié)18650充電電池串聯(lián)提供約7.4V的電壓，作為7805的輸入，穩(wěn)壓后輸出5V電壓給單片機(jī)最小系統(tǒng)，L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，超聲波模塊，舵機(jī)，紅外循跡模塊供電。

1.2.2? 電路圖

電源驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

1.3? 循跡模塊

1.3.1? 原理

反射式紅外發(fā)射-接收器采用了紅外發(fā)射管代替普通可見(jiàn)光管，排除了除紅外光以外的其他光源干擾，減小了環(huán)境光源導(dǎo)致的誤判的概率。應(yīng)用時(shí)為避免其他光源的紅外線干擾，可以在接收管上纏繞黑膠布，從而保證接收的是反射回來(lái)的紅外線。

循跡電路是在小車前面從左至右安裝5個(gè)紅外發(fā)射接收器，循跡是通過(guò)辨別黑白色來(lái)行走。工作中紅外發(fā)射管發(fā)出紅外光，當(dāng)遇到黑色時(shí)不反射紅外光，比較器輸出為低電平;當(dāng)遇到白色時(shí)，反射紅外光，比較器為高電平。小車就根據(jù)各個(gè)比較器的高低電平改變車輪的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)循跡功能。

1.3.2? 電路圖

循跡電路圖如圖3所示。

1.3.3? 紅外遙控模塊

原理：采用HS-021紅外遙控器和1838一體化紅外接收頭，1838紅外接頭用于接收38KHz紅外信號(hào)，當(dāng)接收到紅外編碼信號(hào)時(shí)，整流成高低電平的方波信號(hào)，單片機(jī)對(duì)應(yīng)I/O口按照高低電平執(zhí)行相應(yīng)的功能。發(fā)射部分包括鍵盤、調(diào)制、紅外發(fā)送器;接收部分包括光、電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路。

紅外遙控器是將紅外遙控信號(hào)（二進(jìn)制脈沖碼）調(diào)制在38KHz的載波上，經(jīng)緩沖放大后由紅外發(fā)光二極管轉(zhuǎn)化為紅外信號(hào)發(fā)射出去。二進(jìn)制脈沖碼的形式有多種，其中最為常用的是PWM碼（脈沖寬度調(diào)制碼）和PPM碼（脈沖位置調(diào)制碼）。這里采用PPM碼作為遙控信號(hào)。解碼流程圖如圖4所示。

1.4? 避障模塊

1.4.1? 原理

采用超聲波傳感器和舵機(jī)配合實(shí)現(xiàn)前方180°避障。將超聲波傳感器和舵機(jī)安裝于小車正前方，超聲波發(fā)射后經(jīng)障礙物反射，由接收頭接收，判斷與障礙物的相對(duì)距離。同時(shí)舵機(jī)控制超聲波傳感器左右各旋轉(zhuǎn)90°，判斷小車左右兩邊與障礙物的相對(duì)距離，以此選擇最合適的行駛方向。

超聲波測(cè)距是借助超聲脈沖回波渡越時(shí)間法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)超聲波脈沖由發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時(shí)間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為v，則從傳感器到目標(biāo)物體的距離D可用下式求出：

D=v*t/2

超聲波發(fā)射器發(fā)射出長(zhǎng)約6mm，頻率為40Hz的超聲波信號(hào)，此信號(hào)被物體反射回來(lái)，由接收頭接收。接收頭實(shí)質(zhì)上是一種壓電效應(yīng)的換能器，它接收到信號(hào)后產(chǎn)生mV級(jí)的微弱電壓信號(hào)。

但超聲波在比較狹窄的柱狀障礙物（如：桌腳）或者凹凸不平的墻壁面前避障效果不理想，為適應(yīng)更復(fù)雜的地形，使小車能更有效地避障，在車頭和車尾的左右兩側(cè)分別安裝兩個(gè)反射式紅外發(fā)射接收傳感器，輔助超聲波傳感器，完善小車的避障功能。超聲波工作流程如圖5所示。

1.4.2? 電路圖

超聲波電路圖如圖6所示。

1.5? 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控速模塊

將直流電壓通過(guò)一個(gè)可頻繁通斷的開(kāi)關(guān)，輸出端將產(chǎn)生脈沖信號(hào)，改變開(kāi)關(guān)通斷的頻率，則可改變脈沖信號(hào)的占空比。在PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，改變?cè)谑寄芏薊NA和ENB上輸入方波的占空比就能改變加在電機(jī)兩端的電壓大小，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)是使用定時(shí)器T0控制PWM信號(hào)的頻率，定時(shí)器T1控制PWM信號(hào)的占空比。程序中，T0工作于方式1（16位定時(shí)器），因?yàn)榉绞?能夠通過(guò)修改定時(shí)器初值得到較寬頻率范圍的信號(hào)，T0定時(shí)器初值的計(jì)算公式如下：

X=65536-f/12*f

上式中為f單片機(jī)晶振頻率，f為PWM信號(hào)的頻率。

使用定時(shí)器T1控制PWM信號(hào)的占空比，采用查詢方式嵌套在T0定時(shí)器中斷服務(wù)子程序中，在T1定時(shí)器時(shí)段使輸出端口為高電平，其他時(shí)段輸出低電平。T1定時(shí)器初值的計(jì)算公式如下：

X=65536-f*D/12*f

上式中Dw為占空比。

輸出為高電平時(shí)，電機(jī)使能;輸出為低電平時(shí)，電機(jī)停止。根據(jù)此方式可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)控制小車的速度控制。

2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1? 控速設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用兩個(gè)定時(shí)器中斷，定時(shí)器T0用來(lái)控制PWM的周期，定時(shí)器T1用來(lái)控制高電平的持續(xù)時(shí)間。平時(shí)單片機(jī)執(zhí)行主程序，當(dāng)T1中斷到來(lái)時(shí)，單片機(jī)輸出一個(gè)高電平給電機(jī)并持續(xù)一小段時(shí)間;其余時(shí)間單片機(jī)輸出一個(gè)低電平給電機(jī)，如此反復(fù)。由于定時(shí)器的引入，使PWM調(diào)速的頻率恒定，且節(jié)省CPU，使其能夠在有PWM控速的情況下仍能夠?qū)崿F(xiàn)其他的功能，而不用采取雙CPU模式，節(jié)省了資源。

2.2? 循跡設(shè)計(jì)

2.2.1? 方向判別程序

采用計(jì)數(shù)方式給每一個(gè)紅外循跡傳感器定一個(gè)值，每掃描一次根據(jù)不同路況返回的數(shù)值不同，小車根據(jù)數(shù)值改變行駛速度和方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜路況的循跡。該方式相比起一般的循跡程序執(zhí)行更快更穩(wěn)定，能滿足十字、T字路口、直角等各種路況。5路循跡傳感器從左到右賦值依次為10，2，1，4，20。例如，當(dāng)小車檢測(cè)到左直角時(shí)，左邊賦值為10和2的傳感器會(huì)收到信號(hào)，最后累加得到數(shù)值12，傳給單片機(jī)，控制小車90度左轉(zhuǎn);同理，當(dāng)檢測(cè)到右直角時(shí)，右邊賦值為20和4的傳感器會(huì)收到信號(hào)，累加得到數(shù)值24，傳給單片機(jī)，控制小車90度右轉(zhuǎn)。方向判別如表1和圖7所示。

由于37這種情況和36有時(shí)會(huì)重疊，導(dǎo)致十字和T字判斷錯(cuò)誤，可以采用延時(shí)來(lái)進(jìn)行判別。在36時(shí)延時(shí)一個(gè)線寬的時(shí)間，然后判斷燈1的情況，若1掃描到黑線，則為十字路;反之則為T字路。

2.2.2? 方向調(diào)節(jié)程序

PWM脈沖寬度調(diào)制的實(shí)現(xiàn)：其中各種轉(zhuǎn)向方式的PWM占空比分配如表2所示（具體占空比和延遲時(shí)間應(yīng)根據(jù)小車性能而定，占空比太小可能導(dǎo)致電壓過(guò)低不能驅(qū)動(dòng)電機(jī)）。

2.3? 避障設(shè)計(jì)

紅外輔助避障。考慮到單一的超聲波避障存在局限性，因此在小車的車頭和車尾左右兩側(cè)安裝紅外傳感器，輔助避障。當(dāng)紅外傳感器接收到反射回的紅外線時(shí)，表明此時(shí)超聲波對(duì)于障礙物沒(méi)有反應(yīng)，不能即時(shí)避障，屬于緊急情況，進(jìn)入外部中斷，立即執(zhí)行避障程序，直到紅外傳感器不能接收到反射回的紅外線時(shí)，退出中斷，繼續(xù)執(zhí)行超聲波避障。避障功能如表3所示。

2.4? 功能選擇設(shè)計(jì)

單片機(jī)解碼紅外信號(hào)，進(jìn)入外部中斷，選擇執(zhí)行各功能。當(dāng)對(duì)應(yīng)方向鍵按下時(shí)，小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。當(dāng)遙控器上分檔按鍵按下時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速分檔加快或減慢，3個(gè)按鍵通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的3種速度控制。當(dāng)按下功能選擇鍵時(shí)，小車執(zhí)行對(duì)應(yīng)功能，直到按下其他功能為止。

為避免各功能沖突，導(dǎo)致小車失控，程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在主程序、中斷、定時(shí)器中分別設(shè)置獨(dú)立的功能選擇程序，并在每次選擇時(shí)清空之前的數(shù)據(jù)，方能保證小車的功能切換穩(wěn)定可靠。

3? 程序框圖

按下啟動(dòng)鍵后使用遙控器選擇模式，選擇速度，選擇完成后小車按照指定功能運(yùn)行，為節(jié)約電量，LCD1602在行進(jìn)時(shí)背光關(guān)，停止讀取參數(shù)時(shí)背光開(kāi)，按停止鍵后小車停止進(jìn)入模式選擇狀態(tài)。小車整體運(yùn)行程序流程圖如圖8所示。

4? 結(jié)? 論

硬件方面利用STC89C52RC單片機(jī)能夠完整實(shí)現(xiàn)以上功能控制，在此基礎(chǔ)上仍保留有一些I/O用于功能擴(kuò)展，但單個(gè)51單片機(jī)資源與其他單片機(jī)相比相對(duì)較少，不能實(shí)現(xiàn)更多更復(fù)雜的功能的集成，此時(shí)需考慮多CPU、多主機(jī)通信共同控制。軟件方面采用模塊化編程，其程序可讀性移植性強(qiáng)，便于進(jìn)一步小車功能的開(kāi)發(fā)和完善。

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作者簡(jiǎn)介：陳文鑫（1998-），男，漢族，四川成都人，本科在讀，研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制。