基于51單片機的WiFi智能小車設計

姜嬋

（西安職業技術學院，陜西西安，710077）

0 引言

隨著人工智能技術的快速發展，已逐漸滲透到人們生活的各個領域，當下人工智能技術廣泛應用于各種領域，人們對智能化設備的需求也越來越多。原本很多由人來完成的工作正逐漸被各種智能化設備所代替，我們的工作、生活也變得越來越方便。智能小車也屬于人工智能當中的一員，隨著無人駕駛技術的推廣，智能小車成為近年來被廣泛研究的對象。目前，世界上許多國家都在積極進行智能車輛的研究和開發設計，智能車輛已成為環境探測、軍事偵察、排除險情以及自動化物流運輸等領域的關鍵設備[1]。智能車輛的主要特點是能夠通過傳感器感知環境和自身狀態，沿著預先設定好的軌跡自主行進，并且在復雜的道路情況下還可以實現自動操控車輛繞開障礙物[2]。智能小車是智能車輛眾多研究方向當中的一個分支，是典型的集多種高新技術為一體的綜合體。本次設計的智能小車能夠實現實時視頻采集傳輸，具有自動循跡避障功能，可實時顯示時間、速度、里程，并且可以使用軟件系統調控行駛速度，使小車自動保持安全距前行，而且可以使用電腦客戶端或手機APP通過WiFi對其進行控制，操作方便。

1 智能小車硬件設計

對于智能小車的整體設計而言，控制系統是設計的重點環節，控制系統優良與否，關系著智能小車的智能化水平。控制系統的設計方案也決定了智能小車的功能以及后續的功能擴展。在保障系統良好運行的前提下，考慮到實驗成本等現實情況，本設計采用比較常用且價格低廉的STC89C52單片機作為控制核心，控制各個模塊統一協調工作。本系統的可移植性較好，若選用性能更優的芯片作為控制芯片，也能夠更好地實現系統功能。其中超聲波傳感器可以用來檢測道路上是否有障礙，通過對小車與障礙物之間距離的測量以實現避障，而紅外傳感器則可以使小車實現自動循跡。利用L298N模塊作為電機驅動模塊驅動電機轉動，進而使整個車體運動。通過WiFi模塊進行無線信號的傳遞和處理，實現上位機對下位機的無線遙控功。通過電源電路是為整個小車系統供電；路由器輸出的3.3V串口電平則通過電平轉換電路轉換為單片機能識別的高低電平信號；視頻信號的實時采集則由攝像頭來完成；報警提示功能由蜂鳴器電路完成；小車在夜間行駛時所需要的燈光由照明電路提供。各個子模塊之間通過控制系統協調配合，使整個系統可以平穩運行，進而使小車具有較高的自適應能力。本系統的原理框圖如圖1所示。

1.1 控制模塊

STC89C52采用經典的MCS-51內核，是STC公司生產的一種低功耗、高性能微控制器。相對于傳統的51單片機，STC89C52做了一定的改進，使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。STC89C52作為微控制器，具有性能穩定可靠，執行速度快，易于開發等特點，適宜作為小車的主控制芯片。

1.2 驅動模塊

智能小車的運動是依靠電機帶動來完成的。直流電機的應用非常廣泛，采用單片機與直流電機相互配合而構成的控制系統可以完成對智能小車的控制[3]。單片機根據傳感器采集到的路況信息發出控制指令，控制電機的正向轉動和反向轉動，進而達到控制小車運動方向的目的。本文所描述的智能小車采用雙直流電機驅動方式，小車的轉動轉向由左右兩側的兩個直流電機來控制，其中小車左側的兩個車輪的運行由左側電機來控制，右側兩個車輪的運行則由右側電機來控制，每個電機都經過變速齒輪與軸相連，從而控制相應一側前后輪的轉動。小車的轉向控制可通過調節左右電機轉速的不一致來實現。直流電機采用直流電機驅動芯片L298N。L298N是一款單片集成的高電壓、高電流的驅動器，可以用來驅動直流電機和步進電機，應用非常廣泛，另外，L289N 還具有過溫保護和高噪聲抑制比，因此對于驅動控制智能小車十分適用。由于L298N芯片無法實現對電機轉速的控制，所以驅動電機PWM信號的調整需要通過控制程序來實現，以達到改變電機的輸出功率的目的，進而控制左右電機的轉速[4]。

1.3 電源模塊

電源模塊是整個小車系統當中必不可少的一部分，對小車整個系統的性能影響非常大。其作用是為整個小車系統供電，是小車的動力來源[5]。為保障整個小車系統正常運行，需要通過電源模塊為系統提供穩定、可靠的電壓。電源模塊需要分別為控制電路和電機驅動電路供電。因電機驅動所需的電壓更高些，設計時考慮到系統供電系統的穩定性，本設計采用雙電源，分別給電機驅動系統和單片機控制系統供電[6]。

1.4 WiFi模塊

相對于有線網絡受地理位置和布線的限制，應用范圍較小的缺點而言，WiFi網絡具有覆蓋范圍廣，布線成本低，結構簡單等特點。而且WiFi信號強度高，不容易被空間環境限制，其安全性和可靠性也比較高。當前WiFi網絡作為人們工作生活中的一部分，隨處可見，對人們工作生活的影響也越來越大。WiFi模塊作為計算機和單片機之間的通信中介，兩端都通過WiFi模塊進行數據的傳輸與交換[7]。本系統以電腦或手機作為上位機，小車作為下位機，上位機和下位機同時連接到WiFi模塊獲取相應的WiFi信號，上位機和作為下位機的小車可獲取相同的IP地址，從而實現上位機與下位機的連接，然后使用電腦或手機上的控制軟件，以WiFi網絡信號為載體發送相關信號，WiFi模塊將接收的PC或手機發送的相關信號，分析轉換為單片機能夠識別的TTL電平信號，然后發送到單片機。單片機再將接收到的電平信號處理后發送到電機驅動模塊，實現汽車前進、后退、左右轉彎等功能。

1.5 實時視頻采集模塊

當前，圖像采集技術已逐漸成熟，為保證傳輸視頻的清晰程度，本系統采用具有USB接口的高清720p數字化攝像頭采集視頻圖像信息。此攝像頭具有畫質清晰，開發簡單的特點，使用時只需要配置USB驅動即可，很大程度上降低了硬件設計的復雜性。同時利用兩個舵機做成一個云臺，將攝像頭固定在云臺上，通過STC89C52單片機控制舵機旋轉角度，使攝像頭可實現上下、水平方向180度旋轉，把我們需要采集的視頻圖像信息通過攝像頭傳送到電腦等終端設備，并在其應用軟件中顯示攝像頭采集到的視頻圖像信號。本系統設有照明電路，可為小車在夜間行駛提供照明，這樣也可以方便小車進行夜間圖像信息的采集。

1.6 循跡、避障模塊[8]

小車采用紅外對射式傳感器完成循跡功能，此傳感器具有非接觸檢測的特點，且具有高發射功率和高靈敏度的特點。根據紅外對射式傳感器工作原理可知，紅外接收管是否截止，取決于紅外發射管的紅外線能否被遇到的顏色吸收掉，若被吸收，則紅外接收管截止，同時在輸出端將得到低電平。而紅外接收管是否導通，取決于其發出的紅外線能否被遇到的顏色反射，接收管接收到反射信號后，則紅外接收管導通，同時輸出端得到高電平，通過檢測電平變化來得到需要的信號[9]。

避障系統需要考慮環境監測，智能控制等功能，另外，小車在躲避障礙物的過程中，會偏離既定行駛路線，這就需要根據實際情況來調整行駛路線，這還需要避障系統具有路線規劃的功能。超聲波測量距離是目前比較成熟的一種技術，應用比較廣泛。準確度高是超聲波傳感器的特點，因此采用超聲波傳感器來完成避障功能。單片機通過指令控制超聲波傳感器發射超聲波，超聲波遇到障礙物會被反射回來，單片機利用內部定時器記錄超聲波從發射到反射回來所需要的時間，通過相應的計算就可以判斷出小車與障礙物的距離。超聲波傳感器的探測范圍有限，需要在其探測范圍內，才能準確檢測出小車與障礙物的距離。當探測到障礙物接近智能小車時，單片機將作出判斷，并將相應的信號傳遞給小車，控制小車做出相應的執行動作，改變運動軌跡，以避免發生碰撞。

2 控制系統軟件設計

智能小車的主控系統需要對各模塊進行控制，這就需要軟件的設計和硬件系統相匹配[10]，軟件設計也是智能小車設計過程中很重要的一部分，軟件編寫得好壞直接影響系統的可靠性。為方便后續的系統軟件升級，本設計采用模塊化編程的方法。主控程序的主要任務是系統初始化，控制各硬件子模塊運行，根據接收到的外部指令執行相應的子程序。小車主程序流程圖如圖2所示。

2.1 循跡模塊軟件設計

循跡模塊的主要作用是讓小車沿著既定的路線行進，小車在行進的過程中需要識別地面規劃路線的顏色，所以程序編寫的過程當中要考慮數據的處理，比如數據的采集和傳遞等，其軟件部分的設計流程如圖3所示[11]。

2.2 避障模塊軟件設計

避障系統的作用是判斷障礙物與小車的距離，調整小車的運行軌跡。模塊運行后，系統初始化，小車開始行進，超聲波傳感器判斷行進途中是否有障礙物，若有障礙物，小車暫停行進，同時調整前進角度，再判斷是否有障礙物，然后確定是繼續行進還是繼續調整角度。當然，小車在行進的過程當中，障礙物的大小以及小車和障礙物之間的距離遠近都會影響小車響應的時間，如圖4所示。

3 結論

本設計以實驗組裝小車為基礎，重點是設計智能小車的WiFi控制模塊，循跡避障模塊以及實時視頻采集模塊，周圍環境的探測采用紅外傳感器和超聲波傳感器來完成，同時對采集到的數據信息進行分析綜合。并取得以下成果：（1）在無外部環境影響或改變時，小車可以實現按照預定標記路線運動，小車的這個功能可以應用在自動化物流運輸環境當中。（2）為提高小車在轉彎處的速度，需要對循跡傳感器的布局做一定的優化，經反復實驗發現，當傳感器不在同一直線布局時，安裝在小車左右兩邊以及后面的傳感器具有更大的采樣空間，而安裝在前面的傳感器則具有更好的視線，因此，當需要檢測多彎道軌跡時，循跡傳感器采用M型布局更加合理[12]。（3）小車具有一定的擴展功能。循跡小車在完成預先設計的前提下，為了降低成本，便于后續進一步開發以及功能擴展，保留了相應的程序接口和硬件接口，從設計方面來講，這樣做的要求并不高，沒有將車體結構的設計復雜化，同時也沒有增加冗余的電路功能。（4）小車能夠實時采集圖像信息，并且具有可移動的特點，在智能家居應用中，可利用小車隨時巡視查看屋內各個位置的情況，避免存在視覺死角的問題。另外，還可以用智能小車遠程控制家中的家用電器，室內溫度等。當然，小車還需要在夜間環境信息采集的清晰度和避障功能的精確性和靈活度方面再做進一步的研究。