基于A(yíng)T89C52單片機(jī)的智能小車(chē)設(shè)計(jì)

劉萌萌 苗煒麗 余彥瓊

摘要：設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)AT89C52的循跡避障小車(chē)，可在危險(xiǎn)環(huán)境下發(fā)揮重要作用。硬件控制系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C52為控制核心，采用紅外探測(cè)法實(shí)現(xiàn)對(duì)路況的檢測(cè)，通過(guò)紅外對(duì)管來(lái)完成循跡、避障功能，并將相關(guān)信號(hào)傳送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)分析處理后，控制驅(qū)動(dòng)芯片LG9110驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止。軟件采用C語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制。通過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)試，智能小車(chē)能實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)遙控、避障、循跡功能。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89C52;智能小車(chē);循跡;避障

0? 引言

傳感器、自動(dòng)化控制技術(shù)的飛速發(fā)展[1]，不但改善人類(lèi)生活方式，也促進(jìn)人工智能產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。智能小車(chē)是人工智能領(lǐng)域一個(gè)研究熱點(diǎn)，也是生活中應(yīng)用最廣泛一個(gè)方向。

人們?cè)诓粩嗵接憽⒏脑?、認(rèn)識(shí)自然的過(guò)程中，研制出能替代人勞動(dòng)的機(jī)器一直是人類(lèi)夢(mèng)想[2]。智能小車(chē)能代替人類(lèi)，在諸如爆破、有毒氣體、易燃易爆、陰暗潮濕等場(chǎng)所工作。智能小車(chē)在快遞包裹分揀行業(yè)、無(wú)人工廠(chǎng)都也有著較好的應(yīng)用前景。一些發(fā)達(dá)國(guó)家已把機(jī)器人制作比賽作為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段[3]。全國(guó)、省內(nèi)電子大賽幾乎每年都有智能小車(chē)題目，全國(guó)各大高校均很重視該方面的研究[4]。在此背景下設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的智能小車(chē)。小車(chē)通過(guò)紅外檢測(cè)技術(shù)識(shí)別黑線(xiàn)軌跡，探測(cè)障礙物，能在固定路線(xiàn)行駛和避障。

1? 總體方案設(shè)計(jì)構(gòu)成

智能小車(chē)有遙控、自動(dòng)兩種工作模式。遙控模式：外部紅外遙控系統(tǒng)通過(guò)特定的編解碼集成芯片對(duì)智能小車(chē)實(shí)現(xiàn)遙控操作，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等功能;自動(dòng)模式：智能小車(chē)在單片機(jī)控制下能自主實(shí)現(xiàn)循跡避障功能。使用者可根據(jù)外部具體環(huán)境選擇小車(chē)工作模式。智能小車(chē)由控制模塊、紅外遙控模塊、避障模塊、循跡模塊、電源模塊等構(gòu)成。圖1為智能小車(chē)硬件設(shè)計(jì)框圖。

本設(shè)計(jì)的智能小車(chē)由控制模塊、紅外遙控模塊、避障模塊、循跡模塊、電源模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。智能小車(chē)能沿著給定路線(xiàn)（黑線(xiàn)）前進(jìn)，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線(xiàn)，經(jīng)反射后被紅外接收管接收，傳感器檢測(cè)到這一信號(hào)就可確認(rèn)前方有障礙物，并將信號(hào)傳給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)分析處理后，由內(nèi)部程序控制小車(chē)前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)向，停止，從而實(shí)現(xiàn)避障功能。當(dāng)前方無(wú)障礙時(shí)，紅外線(xiàn)隨傳播距離增加而逐漸衰弱，小車(chē)?yán)^續(xù)沿線(xiàn)路前進(jìn)。

2? 系統(tǒng)硬件組成與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)AT89C52作為控制芯片。AT89C52芯片具有方便快捷、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器。具有8K可編程可擦除Flash存儲(chǔ)器，片內(nèi)有8位CPU和可編程Flash，適用于多種嵌入式控制系統(tǒng)。

上電后，單片機(jī)根據(jù)是否收到外部遙控信號(hào)，判斷小車(chē)工作模式。如是遙控模式，控制驅(qū)動(dòng)芯片執(zhí)行相應(yīng)操作;如是自動(dòng)運(yùn)行模式，通過(guò)紅外傳感器檢測(cè)當(dāng)前路況，控制驅(qū)動(dòng)模式，完成小車(chē)在制定路線(xiàn)運(yùn)行。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

智能小車(chē)電機(jī)選擇重量輕、體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大、方便的直流減速電機(jī)。電機(jī)優(yōu)點(diǎn)：重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大、易組裝、方便等。內(nèi)置減速齒輪組，可直接利用內(nèi)部齒輪組的相互配合實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)直流減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向功能[5]。

單片機(jī)管腳輸出高電平信號(hào)電壓較弱，不足以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，因此需選擇專(zhuān)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行?？紤]到小車(chē)重量因數(shù)、電壓，選擇了抗干擾性好，易于控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片LG9110。智能小車(chē)采用左后輪和右后輪兩輪驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)通過(guò)控制P0.1∽P0.3端口電平，對(duì)直流電機(jī)M1、M2的控制。當(dāng)P0.0∽P0.3=“1010”時(shí)，M1、M2正轉(zhuǎn)，小車(chē)前進(jìn);P0.0∽P0.3=“0101”時(shí)，M1、M2反轉(zhuǎn)，小車(chē)后退;P0.0∽P0.3=“1001”時(shí)，M1正轉(zhuǎn)M2反轉(zhuǎn)，小車(chē)右轉(zhuǎn);P0.0∽P0.3=“0110”時(shí)，M1反轉(zhuǎn)M2正轉(zhuǎn)，小車(chē)左轉(zhuǎn)。

2.3 傳感器模塊

智能小車(chē)通過(guò)傳感器模塊實(shí)現(xiàn)循跡、避障功能。傳感器模塊采用紅外光電傳感器檢測(cè)路況[6]。因黑色、白色對(duì)紅外線(xiàn)吸收系數(shù)不同，根據(jù)紅外接收管接收到的紅外線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)弱來(lái)判斷“道路情況”，以及前方是否存在障礙物。圖3為路況檢測(cè)設(shè)計(jì)原理圖。三對(duì)紅外裝置分別裝在車(chē)體左、中、右。循跡路線(xiàn)為白色地面的黑色跑道，寬度約2CM左右，大于車(chē)體左右兩個(gè)紅外對(duì)管的距離，保證小車(chē)正常運(yùn)行。

2.3.1 循跡模塊

單片機(jī)根據(jù)反射回來(lái)的紅外光來(lái)確定黑線(xiàn)位置和小車(chē)的行走路線(xiàn)[7-8]。舉例：當(dāng)小車(chē)左側(cè)跑出黑線(xiàn)，小車(chē)左側(cè)的紅外接收管V4導(dǎo)通，P3.5置低電平（注：P3.5為左側(cè)紅外探頭），單片機(jī)控制小車(chē)右轉(zhuǎn);當(dāng)小車(chē)右側(cè)跑出黑線(xiàn)，右側(cè)V5導(dǎo)通，P3.6置低電平，小車(chē)左轉(zhuǎn)。

2.3.2 避障報(bào)警模塊

目前主流避障方案有超聲波、紅外線(xiàn)避障。超聲波傳播的方向存在一定誤差[9]，且硬件電路復(fù)雜，成本高。紅外線(xiàn)避障使用簡(jiǎn)便，成本低，性能穩(wěn)定，能在空氣中傳播較遠(yuǎn)的距離。智能小車(chē)選擇紅外線(xiàn)避障。

小車(chē)前端、向下探頭能感應(yīng)前方是否有障礙，當(dāng)無(wú)障礙物時(shí)，接收探頭收不到紅外信號(hào);當(dāng)有障礙物時(shí)，接收探頭接收到被反射回來(lái)的紅外線(xiàn)，其相應(yīng)管腳為低電平，單片機(jī)接收到低電平信號(hào)后，將P0.6置為高電平信號(hào)，三極管V1導(dǎo)通，蜂鳴器SB1導(dǎo)通，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2.4 電源模塊

本系統(tǒng)單片機(jī)AT89C52、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片及其他芯片均需要+5V工作電壓，故采用4節(jié)1.5V干電池為系統(tǒng)提供6V電源，既能滿(mǎn)足系統(tǒng)正常運(yùn)行，干電池更換也非常方便。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序編寫(xiě)采用的是移植性較高、結(jié)構(gòu)清晰的C語(yǔ)言[10]。本設(shè)計(jì)采用模塊化編程，以下主要介紹循跡模塊、避障模塊。

單片機(jī)上電后，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化。首先檢測(cè)是否有遙控信號(hào)，之后對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，執(zhí)行相關(guān)操作。

3.1 循跡流程圖

系統(tǒng)運(yùn)行中，主程序一旦檢測(cè)到遙控器發(fā)出“循跡”信號(hào)后，直接調(diào)用循跡函數(shù)，完成循跡功能。車(chē)體正前方的兩個(gè)紅外接收管，如果左側(cè)紅外傳感器檢測(cè)到黑線(xiàn)，則說(shuō)明小車(chē)已經(jīng)向右偏離軌道，需要向左行駛進(jìn)行糾正。同理，如果右側(cè)紅外傳感器檢測(cè)到黑線(xiàn)，則說(shuō)明小車(chē)已經(jīng)向左偏離軌道，需要向右行駛進(jìn)行糾正。單片機(jī)通過(guò)掃描兩個(gè)紅外傳感器的信號(hào)，控制小車(chē)始終沿正確軌道行駛。

3.2 防撞報(bào)警流程圖

系統(tǒng)運(yùn)行中，主程序一旦檢測(cè)到遙控器發(fā)出“防撞”信號(hào)后，直接調(diào)用防撞報(bào)警函數(shù)，完成防撞報(bào)警功能。

智能小車(chē)在行進(jìn)中，會(huì)檢測(cè)前方是否有障礙，如果正前方有障礙，小車(chē)會(huì)后退轉(zhuǎn)向報(bào)警。如果左側(cè)有障礙，單片機(jī)接收信號(hào)后控制小車(chē)右轉(zhuǎn)，避開(kāi)障礙并報(bào)警;如果右側(cè)有障礙，單片機(jī)接收信號(hào)后控制小車(chē)左轉(zhuǎn)，避開(kāi)障礙并報(bào)警。

4? 測(cè)試

測(cè)試場(chǎng)所包括起點(diǎn)、直線(xiàn)區(qū)、行駛區(qū)、循跡區(qū)、避障區(qū)。實(shí)際測(cè)試20次，在直線(xiàn)區(qū)小車(chē)位置調(diào)整次數(shù)為1次，碰觸障礙物次數(shù)為1次。

經(jīng)多次測(cè)試，智能小車(chē)能在5s內(nèi)完成直線(xiàn)行駛。在循跡區(qū)，小車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)轉(zhuǎn)彎，車(chē)身行駛在賽道、中央，基本能做10內(nèi)完成循跡。在避障區(qū)，小車(chē)能順利完成避障功能，車(chē)身基本不偏離，觸碰障礙物次數(shù)僅為1次。整體看來(lái)，小車(chē)能較好完成預(yù)期功能。

5? 結(jié)論

本系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C52為控制核心，通過(guò)接收紅外遙控信號(hào)，驅(qū)動(dòng)直流減速電機(jī)實(shí)現(xiàn)小車(chē)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等運(yùn)行模式。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，智能小車(chē)能在黑色預(yù)設(shè)直線(xiàn)軌道、弧形軌道上行駛，如有偏離，可自動(dòng)糾正到預(yù)設(shè)軌道;行駛中遇到障礙物，通過(guò)自行調(diào)整，能躲避障礙并報(bào)警提醒，繼續(xù)循跡。智能小車(chē)運(yùn)行安全、穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單，達(dá)到預(yù)期要求。

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