基于單片機(jī)的無(wú)線遙控智能小車的設(shè)計(jì)與制作

李建成 王功喆 劉春瑞

（濰坊科技學(xué)院，山東 濰坊262700）

無(wú)線遙控小車的研發(fā)雖然起始于上世紀(jì)，但是其發(fā)展應(yīng)用速度極快，已經(jīng)在反恐、防爆、防核及防污染等技術(shù)上得到應(yīng)用，其顯著的特點(diǎn)為體積小、成本低，同時(shí)具有一定的應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境的能力。本文設(shè)計(jì)與制作的智能小車是基于單片機(jī)原理的無(wú)線遙控智能小車，設(shè)計(jì)體現(xiàn)的主要為其智能性，可在1.5km 范圍內(nèi)通過無(wú)線遙控器指揮其前進(jìn)和后退，主要應(yīng)用在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘探、交通事故勘測(cè)以及危險(xiǎn)氣體現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)上。

1 無(wú)線遙控智能小車系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線智能遙控小車組成系統(tǒng)分為兩部分，即手持設(shè)備與車體。手持部分主要是遙控裝置，包含了單片機(jī)模塊、供電電路、顯示模塊、晶振電路、復(fù)位電路等，其系統(tǒng)的工作流程如下圖1 所示：

圖1 手持設(shè)備設(shè)計(jì)流程圖

車體部分主要由無(wú)線管理模塊、整體信息顯示模塊、測(cè)距管制模塊、直流電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊以及小車障礙物檢測(cè)模塊組成，系統(tǒng)的工作流程如下圖2 所示：

圖2 車體設(shè)備設(shè)計(jì)流程圖

2 基于單片機(jī)的智能小車系統(tǒng)架構(gòu)原理

2.1 智能系統(tǒng)采用無(wú)線管理模式

無(wú)線智能模式是提高智能小車運(yùn)動(dòng)性的前提，在設(shè)計(jì)與制作中，優(yōu)化了各個(gè)疏導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，比如采用了雙工交流模式與APC220 模塊對(duì)智能系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，從而讓指令與協(xié)調(diào)坐標(biāo)的制作更加靈活和簡(jiǎn)單。利用智能無(wú)線管理的模式，可以實(shí)現(xiàn)在固定波特率空間內(nèi)對(duì)小車發(fā)送的無(wú)線數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，而且過渡交接的質(zhì)量比較穩(wěn)固，小車整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程耗電量水平較低。很多無(wú)線管理系統(tǒng)內(nèi)部存在數(shù)據(jù)積累嚴(yán)重的弊端，為了可以解決該類問題，可以在終端設(shè)置疏通流程中對(duì)小車進(jìn)行100 字節(jié)的間隔調(diào)試，為了保證小車運(yùn)動(dòng)的靈活性，頻率不得低于360ms。當(dāng)小車系統(tǒng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，直接將數(shù)據(jù)傳輸給SNUF 寄存器，無(wú)線模塊APC220 引腳P30 位置則接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)APC 的自動(dòng)發(fā)送，接收端同樣的將接受到的數(shù)據(jù)從引腳P31位置輸入給單片機(jī)，程序通過SBUF 寄存器讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2.2 整體信息顯示模塊

設(shè)置整體信息顯示模塊，可以避免數(shù)據(jù)源產(chǎn)生偏差，實(shí)現(xiàn)整機(jī)運(yùn)行的高效性。在模塊設(shè)計(jì)中，可以將小車中的液晶顯示接口與驅(qū)動(dòng)媒介進(jìn)行協(xié)調(diào)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各種管制數(shù)據(jù)進(jìn)行近端和遠(yuǎn)端的直接測(cè)量。為了保證單片機(jī)的工作效率，可以將設(shè)備引腳位置與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)精密連接，在電平脈沖搭配上，單片機(jī)也可以與另一復(fù)位模式引腳進(jìn)行配合，這樣就能保證小車運(yùn)行整體信息的顯示。在整體的復(fù)位操控過程中，要按照設(shè)置的模組進(jìn)行10ms 的電平灌輸，并對(duì)模組的功能進(jìn)行重組，保證小車現(xiàn)場(chǎng)串行接口輸入質(zhì)量的效力，減少數(shù)據(jù)源的偏差。本設(shè)計(jì)利用MzLH03-12864 的串行接口搭配媒介資源，小車機(jī)理運(yùn)行的最高時(shí)頻效率整體維持在了4.4MHz 范圍之下，整體性能較高。該模塊的外圍電路原理圖如下圖3 所示。

圖3 整體信息顯示模塊外圍電路圖

2.3 利用超聲格式設(shè)置測(cè)距管制單位

小車實(shí)際物理距離計(jì)算是智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要內(nèi)容，本設(shè)計(jì)主要采用的模塊系統(tǒng)是DYP-ME007 模塊，可以實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)各個(gè)障礙點(diǎn)的距離測(cè)試和計(jì)算，而測(cè)量的物理手段是采用超聲波的形式，對(duì)目標(biāo)聲源的空間進(jìn)行全部覆蓋測(cè)量。

2.4 直流電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊

直流電動(dòng)驅(qū)動(dòng)是本設(shè)計(jì)智能小車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在具體的操控中，技術(shù)人員可執(zhí)行特定的電機(jī)管制任務(wù)，將小車內(nèi)的主控芯片與思路輸出節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匹配，為了保證運(yùn)行的暢通性，可以聯(lián)合8 個(gè)二極管對(duì)小車進(jìn)行續(xù)流渠道的保護(hù)。在該種驅(qū)動(dòng)模塊下，任何形式的二進(jìn)制編碼過程可讓電機(jī)處在不同的工作狀態(tài)下，結(jié)合濾波處理相關(guān)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)空間的調(diào)停，有助于完善現(xiàn)場(chǎng)工序搭接的穩(wěn)定性。該模塊的外圍電路原理圖如圖4 所示。

圖4 直流電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊外圍電路圖

2.5 電子指南針模塊

在設(shè)置后坐標(biāo)自動(dòng)讓小車運(yùn)行時(shí)，可以每隔一定的時(shí)間讓指南針去修正超聲波傳感器的位置，這樣就能用超聲波傳感器測(cè)量定位小車的位置，及時(shí)將數(shù)據(jù)回傳給單片機(jī)。電子指南針模塊采用的是GY-26，屬于低成本平面數(shù)字羅盤，其優(yōu)勢(shì)是輸入電壓低、功效較小。工作原理為：利用磁傳感器中的兩個(gè)相互垂直軸同時(shí)感應(yīng)地球磁場(chǎng)的磁分量，從而得出方位的具體角度，該指南針模塊采用RS 協(xié)議和IIC 協(xié)議與其它設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信。將該電子指南針模塊用于小車主體中，不僅具有標(biāo)定位置的功能，而且能夠在任何位置找到合適的方位角，輸出的波特率為9600bps，可以連續(xù)輸出，也可以詢問輸出，同時(shí)也具備了磁偏角補(bǔ)償功能，可以滿足小車不同的工作環(huán)境。

2.6 小車障礙物檢測(cè)模塊

本模塊主要是利用反射式光耦對(duì)現(xiàn)場(chǎng)空間進(jìn)行改造。檢測(cè)模塊采用了LM324 電壓比較設(shè)備，在疏導(dǎo)的過程中，當(dāng)三腳位置電平超過二腳位置的電平數(shù)量時(shí)，那么單片機(jī)就會(huì)自動(dòng)在二腳位置輸出高電平，相反則是輸出穩(wěn)固的低電平。在設(shè)置電平的取值范圍時(shí)，要結(jié)合LM324 兩腳電平數(shù)值對(duì)單片機(jī)設(shè)置的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的檢定，為了保證檢定的準(zhǔn)確性，可將電位器與后續(xù)節(jié)點(diǎn)的兩腳電壓統(tǒng)一設(shè)置為3V。在避障電路的設(shè)置中，主要集中在小車前部左右的兩端，這樣做可以將小車四周的障礙物進(jìn)行全面的檢測(cè)。該模塊具體的工作原理為：運(yùn)行中未出現(xiàn)障礙物時(shí)，不激發(fā)紅外線反射功能，光敏三極管也起到截止作用，LM324 的3 腳在R16 的作用下會(huì)出現(xiàn)上拉效應(yīng)，使得高電平（5V）高于2 腳電壓（3V），及時(shí)的將高電平輸出。如果小車在運(yùn)行中遇到障礙物，這個(gè)時(shí)候紅外線就會(huì)產(chǎn)生發(fā)射作用，光敏三極管實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候進(jìn)行3 腳接地質(zhì)量檢測(cè)，將會(huì)小于2 腳電壓（3V），從而輸出低電平。因此，該模塊主要是利用單片機(jī)根據(jù)電平的變化來(lái)判斷小車周邊有無(wú)障礙物，左右兩邊遇到障礙物時(shí)，小車都會(huì)向相反的方向轉(zhuǎn)向，從而保證運(yùn)行的安全性。

3 對(duì)小車運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)管制程序設(shè)計(jì)

在小車整體程序設(shè)計(jì)中，主要包含了手持裝備和運(yùn)動(dòng)機(jī)械兩種工序。單片機(jī)可以利用無(wú)線連接媒介對(duì)電化初始數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示處理，同時(shí)利用此種功能穩(wěn)固串行接口，之后則是聯(lián)合主動(dòng)管制軟體對(duì)按鍵功能進(jìn)行循環(huán)的監(jiān)測(cè)，保證手持設(shè)備運(yùn)行的持續(xù)性。在這里需要特別提醒的是，若是再調(diào)試流程中對(duì)按鍵部分的功能進(jìn)行激發(fā)，那么有關(guān)串行口的數(shù)據(jù)就會(huì)得到重新的調(diào)用，將小車運(yùn)行的數(shù)據(jù)直接的整合，將其顯示在計(jì)算機(jī)終端上。單片機(jī)經(jīng)過了電化工藝的調(diào)整后，其特定的無(wú)線模塊與超聲波裝置會(huì)跟隨串行接口調(diào)試基準(zhǔn)進(jìn)行遠(yuǎn)程的信息管理，使小車前進(jìn)與后退動(dòng)作順利的執(zhí)行。單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合之后會(huì)與無(wú)線終端進(jìn)行溝通，等到小車的整體操控性達(dá)到要求時(shí)，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)或者后退。

4 對(duì)測(cè)試結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析

4.1 應(yīng)用到的測(cè)試媒介

對(duì)小車進(jìn)行功能性測(cè)試，用到的歸控工具包括：刻度尺、秒表、卷尺等。

4.2 測(cè)試方法

為了保證測(cè)試過程的準(zhǔn)確性，該流程測(cè)試方法的運(yùn)用包括：一是，當(dāng)小車運(yùn)行在空曠的區(qū)域時(shí)，可以開啟控制電源，利用無(wú)線手持設(shè)備對(duì)小車進(jìn)行控制，一直達(dá)到小車定位信號(hào)響應(yīng)為止。二是，將小車放在130cm×130cm 面積大小的平整木板上，在木板中間設(shè)置X 軸和Y 軸，設(shè)置好坐標(biāo)后，讓小車自動(dòng)運(yùn)行到該位置上，利用這種方法檢定終點(diǎn)位置上小車精確管控的效果。

4.3 測(cè)試結(jié)果和結(jié)論

經(jīng)過多次的反復(fù)測(cè)試，無(wú)線遙控器可以在1.5km 內(nèi)對(duì)小車進(jìn)行操控，小車運(yùn)行狀態(tài)良好，未發(fā)生碰撞和路線偏移情況，在遇到障礙物是能夠及時(shí)左右掉頭，在既定區(qū)域坐標(biāo)檢定范圍與顯示媒介的交流輔助下，無(wú)線遙感裝置能夠非常方便的穩(wěn)定消除行駛路線，操作誤差在可控的范圍之內(nèi)。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，智能機(jī)器人在各領(lǐng)域應(yīng)用的逐漸增多，提高了生產(chǎn)生活效率。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線遙控智能小車在反恐、防爆以及防污染等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越多，滿足了多樣化的需求。通過設(shè)計(jì)相關(guān)的小車運(yùn)行模塊和反復(fù)的測(cè)試，無(wú)線遙控小車在1.5mk 內(nèi)運(yùn)行情況較好，手持遙控器在給定坐標(biāo)之后，小車能夠快速的找到目標(biāo)地并到達(dá)指定的地點(diǎn)，定點(diǎn)的誤差同樣較小。此外，通過設(shè)置障礙物檢測(cè)模塊，小車可以完成行駛、反饋和尋找目標(biāo)的多種功能，定位和防撞效果非常好，最終實(shí)現(xiàn)了在多種環(huán)境下的高效運(yùn)行的目標(biāo)。