具有避障及循跡功能的智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭登峰

(湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,湖北孝感 432000)

0 引言

隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展,各種關(guān)于智能小車的研究也就備受關(guān)注。文中以四驅(qū)小車為結(jié)構(gòu)載體,設(shè)計(jì)了一款能夠自動(dòng)避障及循跡功能的四驅(qū)智能小車。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示,本系統(tǒng)由單片機(jī)控制模塊、電源及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、循跡模塊及超聲波模塊組成。

電源及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,由電源電路及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成。

循跡模塊采用8路循跡,通過(guò)8個(gè)反射式紅外光電傳感器對(duì)循跡線(黑線)進(jìn)行檢測(cè),實(shí)現(xiàn)四驅(qū)小車循跡功能。

避障模塊利用超聲波測(cè)距模塊測(cè)距,可檢測(cè)前方是否存在障礙物以及障礙物的距離,由單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)向和速度,可實(shí)現(xiàn)避障功能。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制模塊原理圖

單片機(jī)控制模塊由STC12C5A60S2單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、USB轉(zhuǎn)串口通信電路、電源開關(guān)及指示電路、液晶顯示接口電路、聲光報(bào)警電路、超聲波傳感器接口等組成。

2.1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)包括STC12C5A60S2單片機(jī)電路及時(shí)鐘與復(fù)位電路。STC12C5A60S2單片機(jī)具有兩路可編程計(jì)數(shù)器陣列(PCA)模塊,通過(guò)編程可用作脈寬調(diào)制(PWM)輸出。本設(shè)計(jì)中,智能小車的速度控制就是通過(guò)改變單片機(jī)輸出兩路P W M 信號(hào)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.1.2 USB轉(zhuǎn)串口通訊電路

單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通訊口,為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信,在電路設(shè)計(jì)中采用USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340T[1]。如圖2所示,通過(guò)USB接口,可以實(shí)現(xiàn)程序的在線下載,方便單片機(jī)程序下載與調(diào)試。

2.1.3 液晶顯示電路

本模塊采用LCD1602液晶作為顯示器。單片機(jī)與LCD顯示模塊數(shù)據(jù)傳輸形式可分為8位和4位。本設(shè)計(jì)中采用4位連接方式,如圖3所示:單片機(jī)的P1.0-P1.3與液晶顯示器的4條數(shù)據(jù)線連接,P2.6、P2.5、P2.4分別于液晶的3個(gè)控制端RS、R/W、E連接。LCD1602的3腳為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端,將第3腳接入一個(gè)10K的電位器,用來(lái)調(diào)整液晶顯示器對(duì)比度。

2.1.4 發(fā)光二極管及蜂鳴器電路

本設(shè)計(jì)中,采用發(fā)光二極管來(lái)顯示小車的各種運(yùn)行狀態(tài),如前進(jìn)、后退等,狀態(tài)指示可根據(jù)需要自行設(shè)定。蜂鳴器發(fā)聲,可用于起步、停車,或報(bào)警提示等。發(fā)光二極管及蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

2.2 小車循跡模塊電路原理

循跡傳感器采用TCRT5000紅外光電傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。本設(shè)計(jì)中,共有8路循跡模塊,采用8個(gè)紅外對(duì)管對(duì)循跡線(黑線)進(jìn)行檢測(cè),8路檢測(cè)信號(hào)接到單片機(jī)P0口的8個(gè)I/O口。8路循跡電路完全相同,以其中一路為例進(jìn)行說(shuō)明。

某一路四驅(qū)小車循跡模塊電路原理圖如圖5所示,當(dāng)施加電源后,光電發(fā)射二極管由R3限流后導(dǎo)通,不斷發(fā)射紅外光。當(dāng)循跡傳感器檢測(cè)到黑線時(shí),由于黑色吸光,光電晶體管因接收不到光線而截止,傳感器輸出高電平, 此時(shí),比較器LM339的“+”端電壓大于“-”端電壓,比較器輸出高電平。當(dāng)紅外光照射到非黑線時(shí),光電晶體管因接收到反射光線而導(dǎo)通,傳感器輸出低電平。此時(shí),比較器LM339的“+”端電壓小于“-”端電壓,比較器輸出低電平。調(diào)節(jié)電位器Rp1,可以調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度。

單片機(jī)對(duì)8路傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行接收和處理,判斷四驅(qū)小車是否沿黑色循跡線行駛,實(shí)時(shí)調(diào)整小車的運(yùn)行方向,可以實(shí)現(xiàn)循跡功能。

2.3 電源及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖

2.3.1 電源電路原理圖

系統(tǒng)電池提供的電源為+12V,考慮到為單片機(jī)提供穩(wěn)定的+5V電源,并為循跡模塊提供電源,利用LM2596設(shè)計(jì)了如圖6所示的電源電路。

電源電路由開關(guān)型電源芯片LM2596構(gòu)成,并由12V可充電鋰電池提供電源。LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器具有良好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。其5V固定輸出端,能穩(wěn)定的輸出5V直流電壓,為其他模塊提供5V電壓。

2.3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖7所示,整個(gè)電路以L298N為核心。STC12C5A60S2單片機(jī)P1.3、P1.4引腳輸出兩路PW M信號(hào)控制L 29 8N 的使能端實(shí)現(xiàn)兩路電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制;P1.1、P1.2、P1.5、P1.6輸出四路開關(guān)量信號(hào)實(shí)現(xiàn)兩路電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行控制。

圖2 USB 轉(zhuǎn)串口電路

圖3 液晶顯示電路

圖4 發(fā)光二極管及蜂鳴器電路

圖5 某一路小車循跡模塊電路原理圖

圖6 電源模塊電路原理圖

2.4 超聲波測(cè)距傳感器

避障模塊采用超聲波測(cè)距傳感器HC-SR04。超聲波測(cè)距傳感器與單片機(jī)的接口電路如圖8所示:超聲波測(cè)距傳感器的TRIG端(2腳)與ECHO端(3腳)與單片機(jī)的P3.4、P3.3連接。利用超聲波測(cè)距模塊測(cè)距,可檢測(cè)前方是否存在障礙物以及障礙物的距離,由單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)向和速度,可實(shí)現(xiàn)避障功能[3]。

圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路原理

圖8 超聲波測(cè)距傳感器與單片機(jī)的接口

圖9 主程序流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)循跡及避障功能的智能小車主程序流程圖如圖9所示,系統(tǒng)上電后,執(zhí)行PWM模塊、液晶顯示及定時(shí)器初始化處理,然后進(jìn)入主循環(huán)。在主循環(huán)中,60ms執(zhí)行一次超聲波測(cè)距,以判讀前方是否存在障礙物,若存在障礙物,則進(jìn)行避障處理。若無(wú)障礙物,則采集循跡模塊信號(hào)執(zhí)行循跡動(dòng)作。程序設(shè)計(jì)中,可根據(jù)小車循跡線(黑線)及行駛路線要求,調(diào)整控制程序。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了具有避障及循跡功能的智能小車硬件電路及軟件設(shè)計(jì)方案,硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,程序下載及調(diào)試方便,電機(jī)運(yùn)行速度及方向控制容易實(shí)現(xiàn),能夠?qū)崿F(xiàn)避障及循跡功能。在此基礎(chǔ)上,可增加其他功能的傳感器,如聲音傳感器、溫濕度傳感器,顏色傳感器等,可設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的智能小車控制系統(tǒng)。