基于STC89C52智能小車的實現(xiàn)

高英英

（西安信息職業(yè)大學，陜西 西安 710125）

0 引 言

智能小車在當今社會上發(fā)展得很快，從智能玩具到其他各行業(yè)上都有了實質(zhì)性的發(fā)展成果[1,2]。智能遙控小車是20世紀提出的一種新型小車，它可以開發(fā)幼兒的智力，提高小朋友的反應能力與左右手協(xié)調(diào)能力，在很大程度上可以代替人們的工作，由無線遙控操作在軍事偵察、反恐以及防污染等其他高風險環(huán)境中，且具有低成本、體積小以及強大的生存能力等特點，因此應用前景廣闊[3-5]。由于各個企業(yè)的生產(chǎn)技術都在不斷提高進步，人們對自動化和智能化等的要求也在不斷深化，單片機的應用領域也越來越廣泛，無論是在生活中還是在生產(chǎn)上，單片機都是隨處可見。自20世紀70年代單片機出現(xiàn)以來，就廣泛地應用于工業(yè)自動控制化、智能儀表儀器、機電一體化設備、通信設備以及汽車電子等各個領域[6,7]。STC89C52是單片機領域的主流商品，其應用非常廣泛，所以有必要去學習和應用，既滿足了實際產(chǎn)品開發(fā)的需要，也適應了社會智能化和自動化的趨勢[8,9]。通過無線藍牙串口在手機端以觸摸屏按鍵的形式控制，具有簡單、直觀、方便以及易操作等特點[10]。如今，人們對智能化的需求與依賴越來越大，隨著無人汽車、無人超市以及5G網(wǎng)絡等智能領域的發(fā)展，智能信息化已逐漸走進人們的生活[11]。本文所設計小車的功能塑造性較強，不局限在單一場景，日后通過不斷擴展和改進，可用于日常生活。

1 總體設計方案

本系統(tǒng)可以實現(xiàn)小車的循跡、避障、跟隨及藍牙遙控的功能，主要是由單片機控制模塊、電機驅(qū)動模塊、紅外避障模塊、紅外循跡模塊、藍牙模塊以及電源模塊組成，具體如圖1所示。

圖1 小車的系統(tǒng)總功能框架圖

1.1 避障、循跡、跟隨功能設計

通過對周圍信號環(huán)境的檢測，傳感器生成信號，通過LM393比較電路輸出高電平或者低電平給單片機引腳。單片機通過程序設計對引腳電平變化做出設計好的電路反應，傳輸信號波形給電機驅(qū)動電路進行調(diào)節(jié)小車的運行情況。功能設計如圖2 所示。

圖2 功能設計框圖

1.2 藍牙遙控功能設計

通過串口將手機終端與小車的藍牙配對，單片機接收到手機端按鍵命令傳輸?shù)牟ㄐ涡盘枺搭A設的程序設計對引腳電平做出電路反應，小車的電機驅(qū)動電路按指令運行。藍牙遙控設計如圖3所示。

圖3 藍牙遙控設計框圖

本文設計了智能小車系統(tǒng)，系統(tǒng)分為小車和手機串口應用程序遙控終端兩部分，具有自動避障、循跡、跟隨及藍牙遙控的功能。設計選用了52系列單片機作為控制端進行控制，機械平臺則是采用了常見的電機模型車，利用所學的電機控制技術和傳感器技術的相關知識，實現(xiàn)小車的前進后退、轉(zhuǎn)向駕駛、檢測、避障、跟蹤以及藍牙遙控等功能。

2 硬件模塊設計方案

2.1 主控制模塊設計

本系統(tǒng)采用STC89C52單片機為控制核心，在5 V供電下支持80 MHz晶振，且內(nèi)部有512B的RAM數(shù)據(jù)儲存器，片內(nèi)含8K空間可反復擦寫1 000次的Flash只讀儲存器，1K的EEPROM、8個中斷源、4個優(yōu)先級、3個定時器以及32位I/O口線，另外自帶看門狗定時器、雙數(shù)據(jù)指針、全雙工串行口、片內(nèi)晶振及時鐘電路等。單片機最小系統(tǒng)與電機驅(qū)動模塊、紅外避障模塊、紅外循跡模塊以及藍牙模塊組合成硬件系統(tǒng)，通過紅外傳感實現(xiàn)小車智能循跡、避障、跟隨及藍牙無線遙控等功能，并通過STC89C52單片機整合處理全車各類信息，使系統(tǒng)正常工作。

2.2 電機驅(qū)動模塊

L298電機1腳是使能腳，前端控制，輸出高電平有效；2腳是控制接口；2、3腳接左電機輸出端；4、5腳接地；7腳控制左電機信號；8腳驅(qū)動電機，電壓輸出到電機決定電機的速度，13、14腳接右電機。電機驅(qū)動模塊原理圖如圖4所示，其中雙驅(qū)動ENA調(diào)速，4個二極管抗干擾，保護電路左邊接口接左電機，右邊接口接右電機，協(xié)調(diào)運行。

圖4 電機驅(qū)動模塊原理圖

2.3 紅外避障模塊

小車避障模塊采用紅外傳感器，紅外發(fā)射V1通過限流電阻加與電壓，發(fā)出紅外光，紅外接收頭V3接收紅外光，其阻值降低，電壓降低，輸出低電平。通過電位器W1改變參考電壓、靈敏度以及芯片的比較電壓，右邊電路與左邊電路相對稱。若前方有障礙物則D3亮，信號由P34傳到單片機。避障模塊原理如圖5所示。

圖5 避障模塊原理圖

2.4 紅外循跡模塊

循跡電路與避障電路相似，V2，V4為循跡探頭，循跡功能由循跡探頭實現(xiàn)，黑色燈為接收，白色燈為發(fā)射。當左邊紅外黑色傳感器接收到紅外信號時，證明地上沒有黑線，接收不到紅外信號時，則地上有黑線，小車由此來左右判別黑線的位置，從而做出反應，沿著黑線走。循跡模塊原理如圖6所示。

圖6 循跡模塊原理圖

2.5 藍牙模塊

藍牙模塊采用HC-05安裝于小車端，通過藍牙串口與手機端連接，從而實時接收遙控發(fā)送的新指令。HC-05是主從一體的藍牙模塊，輸入電壓為3.6～6 V。運用藍牙V2.0協(xié)議標準和CSR主流藍牙芯片，用戶可根據(jù)需要設置特定波特率，性能穩(wěn)定，在開闊環(huán)境且無干擾情況下傳輸距離可達10 m以上。藍牙的TXD和RXD是相對其本身來說的，即藍牙的TXD要接外部設備（如單片機）的RXD，藍牙的RXD要接外部設備的TXD。

3 軟件系統(tǒng)的設計

本次設計的程序編寫和編譯是采用的Keil Software公司開發(fā)的Keil 4，該軟件包含了C51編譯器和鏈接器等一系列集成工具，使用起來比較方便。程序下載軟件采用的是宏晶科技提供的stc-isp-15xxv6.86C，大部分STC系列的51單片機都采用該軟件下載程序。

3.1 主程序設計

main主程序中主要對定時器0進行了初始化，定時器0中斷用于產(chǎn)生PWM，驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)，還初始化了串口，波特率為9 600 b/s，串口用于和藍牙通信，使得能夠用手機控制小車。接著進入了主循環(huán)，該小車共有4種工作模式，分別是循跡、避障、跟隨及藍牙控制，主循環(huán)中先判斷有沒有按下模式切換按鍵，如果按下了該按鍵則切換工作模式，最后進入各個模式的子函數(shù)。主程序流程如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

3.2 子程序設計

主函數(shù)在調(diào)用循跡子程序時，子程序先判斷檢測黑線的兩個紅外，當兩個紅外僅有一邊檢測到黑線時，就往黑線那邊轉(zhuǎn)彎，當兩個紅外都檢測到黑線時停車，否則就前進。循跡子程序流程如圖8所示。

圖8 循跡子程序流程圖

避障子程序跟循跡的判斷邏輯相同，某一側(cè)的紅外檢測到物體時視為障礙物，小車會往另一個方向走，從而達到避障的目的。避障子程序流程如圖9所示。

圖9 避障子程序流程圖

跟隨子程序跟循跡的判斷邏輯相同，只不過這時檢測的紅外是用于檢測物體的紅外，跟前面的檢測黑線的紅外不是同一個。跟隨子程序流程如圖10所示。

圖10 跟隨子程序

藍牙控制子程序是根據(jù)小車的狀態(tài)來控制小車，而小車的狀態(tài)又是根據(jù)接收到的藍牙指令來設置的，當用手機藍牙向小車的藍牙發(fā)送指令時，串口就會產(chǎn)生中斷，接收藍牙發(fā)來的指令，并根據(jù)這些指令去設置小車的狀態(tài)，藍牙控制子程序就會根據(jù)這些狀態(tài)來調(diào)用相應的函數(shù)。另外用手機藍牙向小車發(fā)送指令是采用一個名為SPP的藍牙調(diào)試助手，該App允許用戶編輯按鍵和按下按鍵時發(fā)送的指令，非常適合藍牙小車的調(diào)試與制作。藍牙控制子程序流程如圖11所示。

圖11 藍牙控制子程序

本設計將手機端App輸出的串口數(shù)據(jù)通過藍牙無線模塊傳輸相給小車上的主控芯片上，計算并判斷X，Y的角度值，輸出相應占空比的方波發(fā)送給電機驅(qū)動模塊，從而達到對小車進行前進、后退、左轉(zhuǎn)以及右轉(zhuǎn)的無線遙控功能。主控芯片將接收到的紅外傳感模塊的電平信號進行處理和分析，判斷小車左右側(cè)有無障礙物和黑線，從而輸出相應占空比的方波發(fā)送給電機驅(qū)動模塊以實現(xiàn)小車的智能避障、跟隨及循跡功能。

4 功能調(diào)試

接通電源，切換至循跡模式，數(shù)碼管顯示“1”，小車執(zhí)行循跡功能。在地面事先貼好黑膠布軌跡，黑膠布既有直線的，又有轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)右的，此外有小角度的轉(zhuǎn)向也有大角度的轉(zhuǎn)向。調(diào)節(jié)電位器至適中，觀察小車循跡，調(diào)節(jié)小車速度達到最好循跡效果。測試結(jié)果如表1。分析可知，小車在黑線軌跡寬度區(qū)間為10～25 mm時能正常循跡行駛，在軌道彎道大于90°時能正常拐彎。

表1 循跡功能測試表

切換至紅外避障模式，數(shù)碼管顯示“2”，小車執(zhí)行避障功能。用手擋在紅外傳感器前面，觀察電機變化是不是程序設計的結(jié)果。調(diào)節(jié)電位器至紅外檢測適中距離，將小車放地上，接通電源，在小車前進的時候用擋板擋在避障傳感器前面，測試小車反應，調(diào)節(jié)小車速度到適中檔位。經(jīng)觀察，小車在距離障礙物約80 mm時，對應的紅外檢測二極管會發(fā)亮，但由于小車行駛慣性，避障的距離會相應減小。

切換至跟隨模式，數(shù)碼管顯示“3”，小車執(zhí)行跟隨功能。經(jīng)觀察，當物體在距離小車約50 mm以內(nèi)時，其對應的紅外檢測二極管就會發(fā)亮，小車會跟著物體行駛。

藍牙遙控模式，數(shù)碼管顯示“4”，小車執(zhí)行藍牙遙控功能。打開手機端藍牙串口進入連接狀態(tài)，設置手機端控制鍵盤，然后在手機終端對小車進行前后左右各方位的遙控，計算小車最遠遙控距離，觀察小車的反應，修改速度，也可以根據(jù)需要添加或減少控制功能。通過手機端向小車藍牙發(fā)送指令，在開闊且無干擾的環(huán)境下其傳輸距離可達10 m，即當小車在10 m以內(nèi)的范圍均可受手機端控制行駛。

小車的避障功能使小車在行駛過程中不發(fā)生碰撞，跟隨功能讓小車根據(jù)牽引者的指導行駛，藍牙遙控功能則可以隨意操控小車的行駛狀態(tài)。但由于使用的是紅外傳感器，所以在調(diào)試過程中也要考慮光對各功能的影響。小車的模型實物如圖12所示。

圖12 小車模型實物

5 結(jié) 論

本文設計的多功能小車以STC89C52為控制核心，以四輪模型車為機械平臺，通過傳感器、串口連接以及電機控制等實現(xiàn)了跟蹤、循跡、避障及藍牙遙控功能。小車分為硬件和軟件兩個部分，硬件部分主要有紅外模塊、藍牙模塊、驅(qū)動模塊以及電源，軟件部分則是通過程序控制單片機實現(xiàn)小車的功能。智能小車自動識別路線、障礙物并智能避障和藍牙遙控的研究是基于自動引導機器人系統(tǒng)，用以實現(xiàn)小車自動識別周圍環(huán)境，并做出相應的控制系統(tǒng)反應，是智能小車研究領域的重要組成部分，初步實現(xiàn)了多學科領域的綜合研究。