基于STC89C52單片機的智能小車的設計

 0 引言

自第一臺工業(yè)機器人誕生以來，機器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機械、電子、冶金、交通、宇航、國防、探索等領域。近年來機器人的智能水平不斷提高，并迅速改變著人們的生活方式。人們在不斷探索、改造、認識自然的過程中，制造能代替人勞動的機器人，一直是人類的夢想。智能小車，也就是輪式機器人，最適合在那些人類無法工作的環(huán)境中工作，該技術可應用于無人駕駛機動車、無人生產(chǎn)線、倉庫等領域。小車也可以作為玩具的發(fā)展對象，為中國玩具市場技術含量的缺乏進行一定的彌補，實現(xiàn)經(jīng)濟收益，形成商業(yè)價值。

本設計完成以由單片機最小系統(tǒng)、紅外遙控、智能尋跡、自動避障以及液晶顯示組成的硬件模塊，結合軟件設計組成多功能智能小車，共同實現(xiàn)小車的前進、倒退、轉向行駛，根據(jù)地面黑線智能尋跡，檢測障礙物后轉向等功能，實現(xiàn)智能控制。

1 智能小車硬件系統(tǒng)設計

小車的硬件系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、尋跡系統(tǒng)、避障系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成。

1.1 控制系統(tǒng)

選用具有內部看門狗的宏晶系列STC89C52RC單片機作為核心控制器件，最小系統(tǒng)包括單片機、MAX232串口通信電路、復位電路、上拉電阻和晶振電路(晶振為12MHz)。

1.2 驅動系統(tǒng)

本小車采用四輪驅動，驅動電機的控制由L298N來實現(xiàn)。L298N內部包含4通道邏輯驅動電路，可驅動46V、2A以下的2個電機。由L298N構成的PWM功率放大器的工作形式為單極可逆模式，2個H橋的下側橋晶體管發(fā)射極連在一起。根據(jù)L298N的輸入輸出關系，使控制端ENA接高電平時，通過PWM信號輸入端IN1和IN2可以控制電動機的正反轉(輸入端IN1為PWM信號，輸入端IN2為低電平，電動機正轉;輸入端IN2為PWM信號，輸入端IN1為低電平，電動機反轉);當控制端ENA為低電平時，驅動橋路上的4個晶體管全部截止，使正在運行的電動機電樞電流反向，電動機停止。

電動機的轉速由單片機調節(jié)PWM信號的占空比來實現(xiàn)。PWM即脈沖寬度調制，它是指將輸出信號的基本周期固定，通過調整基本周期內工作周期的大小來控制輸出功率的方法。占空比是指高電平持續(xù)時間在一個周期時間內的百分比?？刂齐姍C的轉速時，占空比越大，速度越快，如果全為高電平，占空比為100%，速度達到最快。

1.3 遙控系統(tǒng)

紅外遙控系統(tǒng)主要由遙控發(fā)射器、紅外接收器兩部分組成。紅外遙控器產(chǎn)生遙控編碼脈沖，驅動紅外發(fā)射管輸出紅外遙控信號，遙控接收器接收發(fā)射器發(fā)出的紅外信號，并完成對信號的放大、檢波、整形、解調出遙控編碼脈沖，輸入到單片機，完成對遙控指令解碼，并執(zhí)行相應的遙控功能。如圖3，接收器選用VS1838B，out是解調信號輸出端，直接與單片機相連。利用紅外遙控可代替手動開關控制小車的啟動、停止、左轉、右轉、前進、后退等功能。

1.4 尋跡系統(tǒng)

在智能車系統(tǒng)中，紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線，當紅外線照射到白色地面時會有較大的反射，紅外接收管接收到反射回的紅外線強度就較大;如果紅外線照射到黑色標志線，黑色標志線會吸收大部分紅外光，紅外接收管接收到的紅外線強度就很弱。這樣，利用紅外光電傳感器檢測智能車行駛道路上的黑色標志線，就可以實現(xiàn)智能車的智能尋跡。本智能小車探測的傳感器選用TCRT5000反射紅外傳感器，該傳感器封裝形狀規(guī)則，便于安裝。如圖4，在使用約40mA的發(fā)射電流，沒有強烈日光干擾(在有日光燈的房間里)探測距離能達8cm，完全能滿足探測距離要求。這是一種自帶發(fā)光二極管和光敏三極管的器件，當檢測到黑線時，由于反射率不高，三極管截止而輸出高電平。當檢測到白色地面時，由于反射率較高，三極管飽和而輸出低電平，從而實現(xiàn)了黑線的檢測。

1.5 避障系統(tǒng)

本設計采用超聲波測距。超聲波頻率高、波長短、定向性好、能量集中，適合于距離測量，且不易受光線干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性，另外，還可以對障礙物的位置進行定位。通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在傳播途中碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波立即停止計時，根據(jù)時間差就可以知道距離了，這就是時間測距法(超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離s，即：s=340t/2)。超聲波傳感器為非接觸式傳感器，HC-SR04傳感器測量距離為2～400cm，測量精度為3mm。避障系統(tǒng)包括：超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。

1.6 顯示系統(tǒng)

本設計采用1602液晶顯示，也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊，它有若干個5×7或者5×11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。它具有功耗低、壽命長、顯示內容多的特點，可以直接接單片機數(shù)據(jù)端使用。

1.7 小車供電系統(tǒng)

小車供電系統(tǒng)有兩路：一路是VSS直流減速電機供電電源，由兩塊3.7V電壓1200mAh容量的手機鋰電池串聯(lián)而成，電壓在7.4V左右;另一路是VCC電路板供電電源，由VSS電源經(jīng)穩(wěn)壓芯片7805輸出5V的電壓，為傳感器和控制板供電。

2 智能小車軟件系統(tǒng)設計

設計中的應用軟件包括：硬件電路設計軟件、程序設計軟件和服務軟件。

本設計使用Protel 99SE軟件，繪制原理圖，并生成PCB電路板，完成硬件電路軟件設計;采用混合編程的方法，即高級語言C編寫主程序，用匯編編寫硬件有關的程序，編寫源程序，并生成hex格式文件，完成程序軟件設計，程序流程圖如圖6所示;還使用了STC-ISP-V4.83程序燒錄軟件和USB轉串口驅動軟件等服務軟件。

3 結論

智能小車，行駛的不是凝固的軌跡，而是踐行著流動的思想。所謂智能就是將思想賦予機器，使之完成既定的任務。本次設計智能小車實現(xiàn)了如下功能：智能小車按下電源開關，1602液晶顯示“zhineng che”并停在原地，然后可以在遙控的控制下進行前進、后退、左轉、右轉、剎停等運轉，并且可以進行尋跡模式和避障模式的切換。尋跡模式下小車可以在做好的跑道上，沿紅外線傳感器感應到1.5cm寬的黑色引導線，沿線前進并轉彎，并在終點線停止前進。在避障模式下小車可以經(jīng)過超聲波傳感器測量出障礙物距離，并在10cm處做出反應，左轉躲避障礙物。