智能探測小車的設計與實現

李龍，鄧兆強，龔聰，金宇健，周建華（指導老師）

（邵陽學院信息工程學院，湖南邵陽，422000）

0 引言

智能小車集成了多種高新技術，因此在國內外都深受重視。就目前高校來看，智能小車大多采用C51系列作為控制模塊，外加紅外避障模塊、尋跡傳感器模塊、電源模塊、直流電機及其驅動模塊構成[1]，控制器將傳感器模塊發出的數據進行處理后發給驅動模塊，從而控制整個小車的運動。但傳感器受環境影響大，工作不穩定，本文將用STC89C52單片機外加各個模塊，提高精度及實時性，設計并實現智能小車循跡避障的優化。

1 智能小車的總體設計

1.1 設計思路

智能探測小車采用前輪驅動，有左轉、右轉、直行、停止四種狀態。利用紅外對管對路面信號進行檢測，將信號傳輸到比較器處理之后送給STC89S52控制模塊進行實時控制，輸出相應的信號驅動直流電機，通過調結兩個電機的轉速選擇不同的狀態[2]，從而達到循跡避障的目的，模塊設計圖如圖1所示。

圖1 模塊設計圖

1.2 系統硬件設計

1.2.1 控制模塊

STC89C52微處理器，工作電壓5V、DC電流50mA、晶振頻率11.0592MHz，輸出電壓為5VDC或3.3VDC，接上USB時無須外部供電或外部12VDC輸入低電壓，高性能，時鐘速度穩定，外部接口豐富，可外接各類型的傳感器模塊[3]，非常適合用作本次小車的控制模塊。

1.2.2 驅動模塊

直流電機是能實現直流電能和機械能互相轉換的旋轉電機[4]。在智能小車上我們主要的運用其直流電能轉換成機械能的作用，來帶動輪子的轉動。直流電機調速性能好、控制簡單、過載能力較強、受電磁干擾影響小。為了小車的平穩行駛，本次設計選擇三個輪子，前面兩個輪子使用同類型額定電壓12V的直流電機接單片機的5V輸出驅動，后輪使用的是小滑輪起支撐作用來平穩運行。

1.2.3 紅外循跡避障模塊

本次采用的紅外循跡避障模塊（如圖2所示）由紅外發射與接收管和比較器組成，發射管發射出一定頻率的紅外線，當前方有物體時，根據物體的顏色不同反射出不同強度的紅外線被接收管接收，經過比較器電路處理之后，根據事先調節的判斷范圍輸出接口輸出高電平或低電平。可通過調節光敏感度改變檢測距離，有效距離范圍2~60cm，工作電壓為3.3~5V。該模塊可調范圍廣、工作穩定、反應迅速、模塊小巧便于安裝，適用于小車循跡避障、測量儀器等場所[5]。

1.2.4 電源模塊

因為AT89C52處理器的特性，我們只需要對其供電，保證其穩定的工作電壓就能運行整輛小車。在初步調試過程中，將單片機的USB口接主機就能正常工作，還能方便檢查。在完成拼裝，接入程序調試校準時，可以使用充電寶。整個硬件系統的電路圖如圖3所示。

圖3 智能探測小車電路圖

1.3 系統軟件設計

智能小車的各個模塊在連接完成后，還需要軟件對單片機進行控制，在即將偏離軌道或前方有障礙物時，傳感器將信號發送給單片機，單片機通過循跡避障程序控制驅動模塊，從而真正的實現小車循跡避障的功能。本系統由主函數、循跡函數、避障函數及延遲函數構成，以此達到模塊化控制[6]。在軟件開發環境上使用的是Keil 4，編程語言使用C語言，通過STC-ISP將hex文件下載到單片機來實現對各個模塊的控制，邏輯功能如表1所示。

表1 邏輯功能表

1.3.1 延時程序

單片機的延時程序通過執行指令來達到延時效果，這個時間等于執行的指令需要的時間，而一個指令需要的時間叫做指令周期，這個時間等于若干個機器周期。因為我們使用的為C語言，就需要將其轉化為等步驟的機器周期[7]，而本單片機的機器周期=12*(1/11.0592)。

1.3.2 循跡程序

因為直流電機與單片機接了兩個接口：正向供電01和反向供電10，分別對應正轉和反轉。當一側的紅外對管感應到黑色軌跡時，就會通過循跡避障模塊將信號1傳輸給單片機，此時單片機所對這一側直流電機的兩個接口由01變為10，即對直流電機反向供電，另一側則保持不變，這樣可以讓小車在較高速度下能夠及時轉向，而不會在遇到幅度較大的彎道時因為轉向慢而偏離軌道，循跡流程如圖4所示。

圖4 循跡流程圖

1.3.3 避障程序

當中間的紅外對管前方檢測到障礙物時，就會通過循跡避障模塊將信號1傳給單片機，控制直流電機轉向，避障流程如圖5所示。考慮到障礙有不同的大小形狀，本次設計遇到障礙時一律右轉90°，并且障礙物的顏色也會對反應產生影響。同時，為避免循跡與避障發生沖突導致行駛異常，循跡時軌道上出現障礙時我們將情況1避障程序的優先級設置高于循跡程序，對于優先級我們可以通過改變代碼判斷順序或發生條件來實現[9]。

圖5 避障流程圖

2 系統的調試

首先燒入電機控制小程序，控制電機正反轉、停止均無誤。接著檢測循跡避障模塊，檢查紅外燈是否能正常亮燈，測試靈敏度是否能達到要求，兩個用于循跡的紅外對管分別位于小車的車頭兩側，垂直朝下，便于及時對路面進行判斷，之間的間隔應大于軌道寬度，具體位置以對軌跡的敏感度要使遇到黑線立即做出反應，同時又不會使小車憑空行駛為佳；一個用于避障的紅外對管位于小車車頭并朝向正前方，敏感度根據需要與障礙物相隔距離多遠轉彎來調節，并且因為轉向為90°，就需要我們調用延時函數，不斷觀測延時在多少時轉向會在90°左右。軟件調節上，我們利用PWM調速原理[10]，兩側電機在相同時間里，短暫時間停止較快的一側電機,多次校準來達到兩邊轉速近乎一致來達到直行，這樣就避免因為速度不匹配而發生不必要的偏轉。調試中的小車如圖6所示。

圖6 循跡中的小車

3 結束語

本文實現了基于AT89S52的智能探測小車硬件和軟件的設計及優化，相較于普通的智能小車更加靈活、可靠，功能穩定，精度高，可滿足對系統的各項要求，同時使用硬件少，功耗、成本低，綠色環保，達到了預期效果。