基于虛實(shí)結(jié)合的智能小車(chē)設(shè)計(jì)

吳蓬勃，張金燕，王拓，孫會(huì)澤，南陪鈞，于逸龍，劉慧，劉濤

（1.石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北石家莊，050021；2.河北工程技術(shù)學(xué)院，河北石家莊，050091）

0 引言

隨著疫情的常態(tài)化[1]，許多高校的實(shí)踐課程無(wú)法正常在線(xiàn)下開(kāi)展，需要在線(xiàn)上進(jìn)行或者線(xiàn)上、線(xiàn)下同步進(jìn)行。另一方面，在實(shí)踐過(guò)程中，經(jīng)常存在物品損壞的情況，影響了正常教學(xué)開(kāi)展。

本文以單片機(jī)課程為例，以智能小車(chē)為載體，論述了如何通過(guò)Proteus 虛擬仿真和實(shí)物相結(jié)合的方式進(jìn)行單片機(jī)課程教學(xué)的過(guò)程[2~4]。

1 智能小車(chē)總體設(shè)計(jì)

智能小車(chē)組成，如圖1 所示。智能小車(chē)主要面向單片機(jī)的初級(jí)入門(mén)人員，所以選擇了較為簡(jiǎn)單、經(jīng)典、可進(jìn)行軟件仿真的STC89C52。智能小車(chē)的外部設(shè)備主要包括：黑線(xiàn)循跡、紅外避障和超聲波測(cè)距傳感器；LCD 顯示單元；直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和4 路直流電機(jī)；同時(shí)，采用串口連接藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)與手機(jī)或者PC 的通信。

圖1 智能小車(chē)組成

2 硬件電路的虛實(shí)設(shè)計(jì)

■2.1 單片機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制單元

單片機(jī)最小系統(tǒng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元硬件電路圖，如圖2所示。單片機(jī)最小系統(tǒng)，包括：復(fù)位、時(shí)鐘電路、P0 口上拉電阻、用戶(hù)按鍵和串口選擇端子；其中，通過(guò)串口選擇端子實(shí)現(xiàn)了串口的復(fù)用，計(jì)算機(jī)可通過(guò)CH340（USB 轉(zhuǎn)串口芯片）與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)串口通信、串口程序燒寫(xiě)以及藍(lán)牙模塊調(diào)試。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元硬件電路圖

電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，通過(guò)L293D 實(shí)現(xiàn)四路電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。L293D 為推挽四通道驅(qū)動(dòng)器，工作電壓4.5V ～36V，電流最大600mA，內(nèi)部有2 路H 橋，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)2 路電機(jī)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)1 腳EN1 可開(kāi)啟第一路H 橋，通過(guò)2腳IN1、7 腳IN2 可控制3 腳OUT1、6 腳OUT2 的高低電平，OUT1 和OUT2 控制左側(cè)的兩路并聯(lián)直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)；通過(guò)9 腳EN2 可以開(kāi)啟第2 路H 橋，通過(guò)OUT3和OUT4 控制右側(cè)兩路并聯(lián)直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

圖3為單片機(jī)最小系統(tǒng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的Proteus仿真圖，除了單片機(jī)與L293D 驅(qū)動(dòng)電路外，還增加了四路直流電機(jī)（需設(shè)置為6V 電壓）。在編寫(xiě)好單片機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序后，可以通過(guò)Proteus 仿真電路驗(yàn)證程序的邏輯功能，為程序在實(shí)車(chē)上的正常運(yùn)行奠定基礎(chǔ)，有利于進(jìn)行軟硬件故障排查和降低車(chē)輛的電機(jī)損耗。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元仿真圖

■2.2 黑線(xiàn)循跡單元

黑線(xiàn)循跡單元硬件電路圖，如圖4 所示。智能小車(chē)包括左右2 路黑線(xiàn)循跡單元，主要采用反射型光電探測(cè)器RPR220 實(shí)現(xiàn)黑線(xiàn)和白色地面的識(shí)別。RPR220 通過(guò)砷化鎵發(fā)光二極管向外發(fā)射紅外光，通過(guò)高靈敏度硅平面光電三極管接收反射光，如遇到黑色物體，則光電三極管將接收到很少的反射光，其自身的電阻值將增加；如遇到白色或者淺色物體，則有更多的紅外光被接收到，其自身的阻值將減小。RPR220 的光電三極管與電阻R6（以左循跡為例，見(jiàn)圖4）對(duì)5V 進(jìn)行分壓，地面黑白顏色的變化，將導(dǎo)致R6 上端電壓發(fā)生變化，R6 上端電壓與電位器R1 電壓送入LM358AD 進(jìn)行電壓比較，從而向外輸出高低電平，單片機(jī)通過(guò)IO 口讀取該信號(hào)，從而判斷小車(chē)循跡傳感器下面是黑線(xiàn)還是白色地面。實(shí)際中，可通過(guò)電位器R1 和R9 調(diào)節(jié)黑線(xiàn)探測(cè)距離。

圖4 黑線(xiàn)循跡單元硬件電路圖

左右兩路黑線(xiàn)循跡單元的Proteus 仿真電路，如圖5所示。仿真圖中，采用了與實(shí)物RPR220 功能相近的仿真元件ALS-PT19 來(lái)模擬光的變化，在右側(cè)的輸出端，通過(guò)直流電壓表可觀(guān)察輸出信號(hào)的電壓值。通過(guò)圖5 可知，左循跡單元設(shè)置的光線(xiàn)較強(qiáng)，循跡電路輸出電壓為0.02V；右側(cè)循跡單元設(shè)置的光線(xiàn)較弱，循跡電路輸出電壓為5.00V。需要注意一點(diǎn)，仿真中LM358 輸出端信號(hào)較弱，需要添加2個(gè)非門(mén)增加信號(hào)強(qiáng)度，才可以被單片機(jī)正常識(shí)別。

圖5 黑線(xiàn)循跡單元仿真圖

■2.3 紅外避障單元

紅外避障單元硬件電路與黑線(xiàn)循跡（如圖4）類(lèi)似，區(qū)別在于傳感器從RPR220 更換為紅外發(fā)射管和紅外解碼器，在此不再贅述。紅外避障單元Proteus 仿真電路，如圖6所示，基本原理與黑線(xiàn)循跡相同，紅外傳感器采用了光敏電阻TORCH_LDR。在圖6 中，左側(cè)避障傳感器前方?jīng)]有障礙物，反射回來(lái)的光線(xiàn)較少，紅外避障電路輸出5.00V 電壓；右側(cè)避障傳感器前方有障礙物，紅外避障電路輸出0.00V電壓。

圖6 紅外避障單元仿真圖

■2.4 超聲波測(cè)距與LCD 顯示單元

超聲波測(cè)距與LCD 顯示單元仿真電路，如圖7 所示，主要包括：HCSR04 超聲波測(cè)距模塊和LM016L 液晶顯示模塊。通過(guò)HCSR04 的距離（單位為cm）調(diào)節(jié)按鈕，可模擬超聲波模塊到物體的距離，通過(guò)單片機(jī)的程序處理后，在LM016L 液晶模塊上顯示實(shí)際測(cè)量距離。實(shí)際中距離的測(cè)量值是存在誤差的，這一現(xiàn)象在仿真中也得到了體現(xiàn)；通過(guò)不斷優(yōu)化程序，使得仿真中距離的測(cè)量值接近實(shí)際值，從而提高了在真實(shí)小車(chē)上超聲波測(cè)距的準(zhǔn)確率。

圖7 超聲波測(cè)距與LCD 顯示仿真圖

3 軟件設(shè)計(jì)

智能小車(chē)的軟件部分包括：直流電機(jī)調(diào)速和運(yùn)動(dòng)控制、黑線(xiàn)循跡、紅外避障、超聲波測(cè)距與LCD 顯示。其中，直流電機(jī)調(diào)速通過(guò)定時(shí)器產(chǎn)生PWM 波實(shí)現(xiàn)，直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制、黑線(xiàn)循跡、紅外避障和LCD 顯示主要通過(guò)IO 口的控制與檢測(cè)實(shí)現(xiàn)。本部分重點(diǎn)對(duì)超聲波測(cè)距進(jìn)行介紹。

超聲波測(cè)距的時(shí)序圖，如圖8 所示。單片機(jī)通過(guò)IO 口向超聲波測(cè)距模塊的觸發(fā)引腳TR 發(fā)送最少10μs 的高電平脈沖，然后，超聲波測(cè)距模塊內(nèi)部的單片機(jī)會(huì)通過(guò)升壓電路向外發(fā)射8 個(gè)40kHz 的脈沖信號(hào)；超聲波遇到前方障礙物會(huì)產(chǎn)生反射回波，回波經(jīng)超聲波測(cè)距模塊處理后，通過(guò)ECHO 引腳向外輸出一定寬度的高電平脈沖。單片機(jī)通過(guò)測(cè)量ECHO 引腳輸出脈沖信號(hào)的寬度，即可計(jì)算出小車(chē)到前方障礙物的實(shí)際距離。

圖8 超聲波測(cè)距時(shí)序圖

超聲波測(cè)距軟件流程圖，如圖9 所示。首先初始化用于脈沖測(cè)量的定時(shí)器，向超聲波測(cè)距模塊的TR引腳發(fā)送15μs 的高電平脈沖；然后，判斷回波引腳ECHO 是否為高電平，如果為高電平，則證明回波脈沖開(kāi)始出現(xiàn)，此時(shí)開(kāi)啟定時(shí)器；當(dāng)ECHO 引腳變低時(shí)，說(shuō)明回波脈沖已經(jīng)結(jié)束，此時(shí)關(guān)閉定時(shí)器。根據(jù)定時(shí)器的計(jì)數(shù)值Count，結(jié)合晶振頻率Fosc 和聲波在空氣中的傳播速度，即可計(jì)算出相應(yīng)的距離。

圖9 超聲波測(cè)距軟件流程圖

4 測(cè)試

圖10為智能小車(chē)黑線(xiàn)循跡和超聲波測(cè)距的實(shí)際效果。

圖10 智能小車(chē)測(cè)試效果

5 總結(jié)

本文基于虛擬仿真與實(shí)物相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一套智能小車(chē)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真與實(shí)物硬件電路的映射；通過(guò)虛擬仿真驗(yàn)證了軟件功能，有利于線(xiàn)上教學(xué)的開(kāi)展，有利于實(shí)車(chē)驗(yàn)證時(shí)的故障排查和降低車(chē)輛的硬件損耗。為當(dāng)前疫情常態(tài)化下單片機(jī)課程的實(shí)踐教學(xué)，提出了一套切實(shí)可行的方案。