基于單片機的藍牙智能小車設計與開發

王思婷，錢奕辰

（廣東水利電力職業技術學院，廣東 廣州 510635）

單片機相關課程作為電子專業的核心課程，是電子專業學生必須熟練掌握的知識。一直以來，單片機教學的實踐環節主要基于單片機開發板和其外圍器件，實踐條件單一且內容枯燥。學生學習時苦于沒有有趣的實驗，學習積極性不高，課堂參與度不強。為了豐富學生的實踐開發經驗，拓展學生單片機應用知識，提高學生學習興趣，本文設計開發了一套基于單片機的藍牙控制智能小車。

本文設計的藍牙小車，以ATMega328p芯片作為核心控制器，包含了主控模塊、藍牙模塊、電機模塊、巡線模塊、避障模塊和供電模塊。能連接手機藍牙并響應智能手機發出的指令，能通過手機APP實現前進，后退，左轉，右轉，停止等多種動作，能通過避障模塊自主巡線或避障，具有強大的開發潛力，擴展性強，適合各種單片機實踐教學課程。

1 硬件設計

1.1 系統框圖

本設計的基于單片機的藍牙智能小車系統框圖如圖1所示。小車采用ATMEGA328P-AU芯片作為主控芯片，該芯片具有32 KB的閃存容量，2 KB的RAM容量，還具有1 KB的EEPROM容量，足夠智能小車的程序存儲及運行使用。使用HC-05藍牙模塊作為藍牙通信設備，使用紅外開關模塊作為小車的巡線裝置，使用SG90舵機和HC-SR04超聲波模塊的組合作為小車的避障模塊，使用L298N作為電機驅動，使用TT電機作為小車的執行電機，通過4節干電池作為動力電源。整套小車的成本很低，功能豐富，性價比較高。

圖1 系統框圖

1.2 藍牙模塊

本設計采用HC-05藍牙模塊作為藍牙通信設備，HC-05是一套高集成的藍牙通信模塊，可以將藍牙通信協議轉為串行通信協議，實現透明傳輸。模塊通過AT指令集進行功能設置，兼容3～5 V工作電壓，配置簡單，使用方便。

藍牙HC-05是主從一體的藍牙串口模塊，HC-05的特點是，當藍牙設備與手機配對連接成功后，在應用層，我們可以忽視藍牙內部的通信協議，直接將藍牙當作串口用。建立連接時，我們只需要將數據發送到單片機串口，數據便會從藍牙設備中傳送出去，在另一端的串口輸出。

HC-05模塊具有2種工作模式：命令響應工作模式和自動連接工作模式。在自動連接工作模式下模塊又可分為主（Master）、從（Slave）和回環（Loopback）3種工作角色。當模塊處于自動連接工作模式時，將自動根據事先設定的方式連接數據傳輸。模塊可以通過AT指令集進行設置，當模塊處于命令響應工作模式時，能執行內置的AT命令，用戶可向模塊發送各種AT指令，為模塊設定控制參數或發布控制命令。

1.3 循跡模塊

本設計使用5個紅外開關作為巡線裝置，紅外開關可調節發射功率，從而適應不同的巡線場地。根據其安裝尺寸，循跡范圍在1～40 mm，循跡時有LED燈提示。模塊接通電源后，紅色指示燈亮起，模塊內置多對紅外線發射與接收管，發射管發射出一定頻率的紅外線，當檢測方向遇到障礙物（反射面）時，紅外線反射回來被接收管接收，經過比較器LM393電路處理之后，綠色指示燈會亮起，同時信號輸出接口輸出數字信號（一個低電平信號），可通過電位器旋鈕調節檢測距離，有效距離范圍2～30 cm，檢測角度35°，工作電壓為3.3～5 V。

循跡模塊可以檢測到黑色或偏深色的循跡線，當檢測到黑線時，紅外模塊發射的紅外線被黑線吸收，傳感器接收不到反射的紅外線，因此循跡模塊燈不亮；當檢測到白色地面時，紅外模塊發射的紅外線被地面反射，傳感器接收到反射的紅外線，因此循跡模塊燈常亮。循跡模塊被安裝在車頭位置，共4個紅外開關，每個開關間距3 cm。通過判斷模塊經過黑白線時的電平變化，小車可以判斷車頭是否偏離循跡線，從而控制電機轉速，讓小車車頭保持在循跡線范圍內。

1.4 避障模塊

小車還使用了舵機和超聲波的組合作為避障模塊，可以有效探測小車前方180°的障礙物。此外，通過超聲波模塊還可以實現智能跟隨等功能。超聲波模塊采用HC-SR04模塊，模塊可提供2～400 cm的距離感測功能，測量精度可以達到3 mm。模塊包括超聲波發射器，接收器與控制電路。采用Trig引腳觸發，給至少10μs的高電平脈沖信號。模塊自動發送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回。當有信號返回，通過Echo引腳輸出一個高電平脈沖，高電平脈沖持續的時間就是超聲波從發射到反射返回的時間。通過如下公式可以計算出超聲波模塊離前方障礙物的距離。其中340表示超聲波在空氣中的傳輸速率。

避障模塊除了可以規避障礙物外，還可以進行跟隨。當小車進入跟隨模式時，若有一個物體放在超聲波探測范圍內，超聲波會控制小車電機前進或后退，以保證小車離物體始終保持在10 cm范圍內。當物體緩慢移動時，小車也會一直跟隨物體移動。

2 軟件設計

本文設計的藍牙小車具有4種工作模式，分別是藍牙模式、循跡模式、避障模式和跟隨模式，程序流程如圖2和圖3所示。

圖2 藍牙模式和循跡模式程序流程圖

圖3 循跡模式和跟隨模式程序流程圖

在藍牙模式下，小車會不斷掃描串行緩沖區，如果收到串行數據，小車會自動解析數據判斷是什么指令，然后根據指令進行動作。收到字符“F”，小車左右輪都會正轉，控制小車前進；收到字符“B”，小車左右輪都會反轉，控制小車后退；收到字符“L”，小車左輪反轉，右輪正轉，控制小車左轉；收到字符“R”，小車左正轉，右輪反轉，控制小車右轉。小車每收到一次指令會控制小車執行相應動作一段時間，然后停止，當需要小車連續執行某動作時，需要通過藍牙模塊連續發送相應的指令字符到小車。

在循跡模式下，小車會自行前進，在前進過程中不斷檢測循跡模塊的情況。當循跡模塊碰到循跡線左邊界時，小車會向左轉動一點；同理，當循跡模塊碰到循跡線右邊界時，小車會向右轉動一點，以保持循跡線在小車中間。在調整小車轉動時，我們通過調節左右輪的PWM信號來控制左右輪的轉速。例如，當小車向左偏，右邊的循跡模塊碰到循跡線右邊界時，小車會自動降低右輪的轉速，以幫助小車向右偏轉，直到右邊的循跡模塊離開循跡線右邊界；同理，當小車向右偏時，小車會自動降低左輪的轉速，以幫助小車向左偏轉，直到左邊的循跡模塊離開循跡線左邊界。

在避障模式下，小車會優先檢測正前方的障礙物，當距離大于10 cm時，小車認為前方無障礙，小車前進。當正前方障礙物離超聲波距離小于10 cm時，小車會認為前方遇到障礙物。此時，小車會停止前進，并控制舵機左轉90°，通過超聲波模塊檢測小車左邊是否有障礙物，若小車左邊障礙物離超聲波距離大于10 cm，則小車認為左邊沒有障礙物，小車左轉90°后繼續前進。若小車左邊障礙物離超聲波距離小于10 cm，則小車認為左邊有障礙物，則會控制舵機向右轉90°，繼續檢查右邊是否有障礙物。若小車檢查到左前右三個方向都有障礙物，小車會原地掉頭，即原地轉180°后繼續前進。

在跟隨模式下，小車會先判斷超聲波離前方物體的距離，當距離小于1 m時，才會開啟跟隨模式功能。此時，當物體離超聲波模塊大于10 cm時，小車會自動前進，直到物體離超聲波模塊小于10 cm，小車停止。

3 實物制作

本文設計的智能小車采用亞克力底盤，方便學生后續進行改造（如圖4所示）。底盤采用雙電機驅動，通過差速控制進行轉向。后輪采用萬向輪，轉向靈活，不影響車身姿態。車頭前方預留了循跡模塊安裝孔和超聲波舵機安裝位置，可以方便地安裝各種循跡模塊和避障模塊。小車全長21 cm，可以放下單片機控制板、電機驅動和電池盒，還可以通過銅柱安裝第二層底盤，用來安裝其他擴展模塊。

圖4 智能小車底盤實物圖

4 結束語

本文設計了一套基于單片機的藍牙控制的智能小車，可實現手機APP控制小車移動、自主巡線和避障，功能豐富，擴展性強，價格實惠，性價比高。經過課堂實踐，學生學習積極性明顯提高，配合安排比賽等任務，學生課堂參與度很高，具有一定推廣性。