董香麗 李 圳 孟偉霞 吳 倩 于申鵬/山東協(xié)和學(xué)院

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基于單片機(jī)多功能智能小車設(shè)計(jì)

董香麗 李 圳 孟偉霞 吳 倩 于申鵬/山東協(xié)和學(xué)院

【摘 要】該多功能智能小車?yán)?1系列單片機(jī)STC89C52RC為主控芯片，采用超聲波和紅外光電傳感器對障礙物的識(shí)別。采用步進(jìn)電機(jī)對車的轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制等，實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、后退、自動(dòng)規(guī)避、檢測溫濕度等的功能。

【關(guān)鍵詞】智能小車；51單片機(jī)

引言

智能小車作為輪式機(jī)器人的一個(gè)重要分支，隨著機(jī)器人研究的深入受到越來越多人的關(guān)注。國內(nèi)很多高校和研究院所在機(jī)器人小車項(xiàng)目上都取得了成績，也有很多家公司在開發(fā)和研制教學(xué)及比賽用機(jī)器人小車。[1]本設(shè)計(jì)以利用51系列單片機(jī)STC89C52為主控芯片，采用超聲波和紅外光電傳感器進(jìn)行障礙物的識(shí)別與測距定位。采用步進(jìn)電機(jī)對車的轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制等，實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、后退、自動(dòng)規(guī)避、檢測溫度、濕度等多種功能。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體方框圖1所示。[2]總體設(shè)計(jì)控制電路板以STC89C52RC為控制核心；循跡模塊可以沿白底黑線或者黑底白線智能前進(jìn)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)、超聲波和紅外可以按照設(shè)定程序智能地實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、后退、自動(dòng)規(guī)避、檢測溫濕度等的功能；整個(gè)過程由電源供電；小車底盤部件包括了底盤本體、電池盒、左右輪子和尾輪等部件。選用三輪結(jié)構(gòu)車體，車體前方兩側(cè)為驅(qū)動(dòng)輪，后方中心裝有尾輪，起支撐作用，這樣可以保證小車能夠靈活循跡。[2]整個(gè)設(shè)計(jì)在保證實(shí)現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)上，盡可能多的降低系統(tǒng)花銷。

圖1　系統(tǒng)總體方框

二、系統(tǒng)硬件

1.循跡模塊。

通過對IO端口加以信號輸入電路，控制電路，執(zhí)行電路共同完成循跡。本智能小車采用紅外循跡模塊，通過調(diào)節(jié)電位器來改變傳感器的靈敏度，智能識(shí)別小車行走的白色地面上黑線。當(dāng)小車的一邊下方的紅外對管放在黑線上，LED燈就會(huì)變黑，反之，LED變亮，也就是說，如果小車左側(cè)LCD燈亮，右側(cè)lCD燈不亮，則說明小車左轉(zhuǎn)，如果右側(cè)lCD燈亮，左側(cè)LCD燈不亮，則說明小車右轉(zhuǎn)，如果左側(cè)右側(cè)LCD燈都亮，則說明小車前進(jìn)。電路圖如圖2所示。這樣我們就可以很方便的根據(jù)小車是否沿著黑線行駛來判定小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

由電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)由電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)來完成機(jī)器人的前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，遇障礙物繞行，避開邊沿等基本動(dòng)作。L293D是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、小電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用16腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)36V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)2A，持續(xù)工作電流為1A。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和繼電器線圈等感性負(fù)載；該芯片可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。

圖2　識(shí)別黑線原理圖

3.超聲波模塊。

在小車前進(jìn)的時(shí)候會(huì)通過超聲波不斷地進(jìn)行測距，如果手離小車的距離小于10厘米，小車就會(huì)后退，如果手離小車的距離大于15厘米，小車就會(huì)前進(jìn)；如果手里小車的距離大于10厘米而小于15厘米，小車就會(huì)停止。從而，小車會(huì)智能識(shí)別手的距離來相應(yīng)做出動(dòng)作。

4.紅外避障模塊。

本小車采用兩路紅外避障模塊，智能識(shí)別左前方和右前方的障礙，通過調(diào)節(jié)電位器來改變傳感器的靈敏度，當(dāng)前方?jīng)]有障礙物時(shí)，左前方和右前方對應(yīng)的位置的LED燈會(huì)亮。當(dāng)左前方有障礙物時(shí)，左前方的LED燈會(huì)熄滅，小車暫停一會(huì)兒，后退一點(diǎn)，右轉(zhuǎn)彎。當(dāng)右前方有障礙物時(shí)，右前方的LED等會(huì)熄滅，小車暫停一會(huì)兒，后退一點(diǎn)，左轉(zhuǎn)彎，當(dāng)正前方有障礙時(shí)一點(diǎn)，左轉(zhuǎn)彎，自主避開障礙物，從而實(shí)現(xiàn)智能避障。

5.溫濕度模塊。

該模塊采用DHT11傳感器，它是一個(gè)含有已校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和長期穩(wěn)定性。該傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與高性能8位單片機(jī)STC89C52RC連接。該傳感器已在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，單線制串行接口，比較適合在智能小車上應(yīng)用。該傳感器溫度測量范圍在0度～50度，溫度測量誤差在2度左右。濕度測量范圍在20%～95%，濕度測量誤差在5%左右。

6.紅外遙控模塊。

本智能小車配套的遙控器上每一個(gè)按鍵都對應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)碼。遙控器上的按鍵很多，根據(jù)小車運(yùn)動(dòng)的需要，選擇其中的五個(gè)按鍵來控制小車的巡航動(dòng)作（前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止）。比方說我們想讓小車左轉(zhuǎn)，按下按鍵后小車左轉(zhuǎn)后會(huì)繼續(xù)向前走。這樣就實(shí)現(xiàn)了使用遙控器來控制小車的運(yùn)動(dòng)情況。

7.電源模塊。

兩節(jié)干電池或者直接插到電源上供電。這里就不多贅述了，但需要注意的是小車在不用時(shí)要去除電池，這樣對小車，對電池都有安全保障。

了解了這幾個(gè)模塊后，我們就可以用底盤本體、單片機(jī)，電機(jī)、電池盒、萬向輪、左右輪子和尾輪等材料組裝小車了。

三、系統(tǒng)軟件

對于微機(jī)控制系統(tǒng)而言，在設(shè)計(jì)過程中硬件系統(tǒng)只是其中一部分，軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是另外舉足輕重的一部分，它的主要內(nèi)容就是如何根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)出應(yīng)用程序。[3]必須要有：CH340驅(qū)動(dòng)，是一種黑色的連接線驅(qū)動(dòng)即usb轉(zhuǎn)rs232驅(qū)動(dòng)；KeilC51，是美國Keil Software公司（ARM公司之一）出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)；燒錄工具STC-ISP-V4.83，用于往單片機(jī)內(nèi)燒寫程序。當(dāng)然，為了方便設(shè)計(jì)還可以使用其他一些軟件。

四、結(jié)束語

該智能小車以單片機(jī)為核心，采用以上多種模塊成功實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、后退、自動(dòng)規(guī)避、檢測溫度、濕度等多種功能。在設(shè)計(jì)制作完成后著重對數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行測試，該系統(tǒng)控制下的小車具有很好的識(shí)別能力，可靠，穩(wěn)定，并且易于功能進(jìn)一步擴(kuò)展完善。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王琰，郭燕.基于C51單片機(jī)的智能循跡小車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電一體化，2013:72-76.

[2] 史洪宇.基于單片機(jī)的多功能智能小車的設(shè)計(jì)[[J].儀表技術(shù)，2010(12):16-18.

[3] 葉偉慧.80C51單片機(jī)智能小車設(shè)計(jì)分析[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2012(7):182-183.

基金項(xiàng)目：

國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃基于單片機(jī)多功能智能小車設(shè)計(jì)，編號：201410825043。