劉萌萌 苗煒麗 余彥瓊

摘要：設(shè)計了一款基于單片機AT89C52的循跡避障小車，可在危險環(huán)境下發(fā)揮重要作用。硬件控制系統(tǒng)以單片機AT89C52為控制核心，采用紅外探測法實現(xiàn)對路況的檢測，通過紅外對管來完成循跡、避障功能，并將相關(guān)信號傳送給單片機，經(jīng)單片機分析處理后，控制驅(qū)動芯片LG9110驅(qū)動直流電機實現(xiàn)智能小車前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止。軟件采用C語言編程，實現(xiàn)對小車運動控制。通過多次試驗測試，智能小車能實現(xiàn)無線遙控、避障、循跡功能。

關(guān)鍵詞：單片機AT89C52;智能小車;循跡;避障

0? 引言

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

人們在不斷探討、改造、認識自然的過程中，研制出能替代人勞動的機器一直是人類夢想[2]。智能小車能代替人類，在諸如爆破、有毒氣體、易燃易爆、陰暗潮濕等場所工作。智能小車在快遞包裹分揀行業(yè)、無人工廠都也有著較好的應(yīng)用前景。一些發(fā)達國家已把機器人制作比賽作為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段[3]。全國、省內(nèi)電子大賽幾乎每年都有智能小車題目，全國各大高校均很重視該方面的研究[4]。在此背景下設(shè)計了一款基于單片機的智能小車。小車通過紅外檢測技術(shù)識別黑線軌跡，探測障礙物，能在固定路線行駛和避障。

1? 總體方案設(shè)計構(gòu)成

智能小車有遙控、自動兩種工作模式。遙控模式：外部紅外遙控系統(tǒng)通過特定的編解碼集成芯片對智能小車實現(xiàn)遙控操作，實現(xiàn)前進、后退、轉(zhuǎn)彎等功能;自動模式：智能小車在單片機控制下能自主實現(xiàn)循跡避障功能。使用者可根據(jù)外部具體環(huán)境選擇小車工作模式。智能小車由控制模塊、紅外遙控模塊、避障模塊、循跡模塊、電源模塊等構(gòu)成。圖1為智能小車硬件設(shè)計框圖。

本設(shè)計的智能小車由控制模塊、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。智能小車能沿著給定路線（黑線）前進，當(dāng)遇到障礙物時，紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線，經(jīng)反射后被紅外接收管接收，傳感器檢測到這一信號就可確認前方有障礙物，并將信號傳給單片機，單片機經(jīng)分析處理后，由內(nèi)部程序控制小車前進，后退，轉(zhuǎn)向，停止，從而實現(xiàn)避障功能。當(dāng)前方無障礙時，紅外線隨傳播距離增加而逐漸衰弱，小車繼續(xù)沿線路前進。

2? 系統(tǒng)硬件組成與實現(xiàn)設(shè)計

2.1 控制模塊

本設(shè)計采用單片機AT89C52作為控制芯片。AT89C52芯片具有方便快捷、易于操作等優(yōu)點，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，單片機根據(jù)是否收到外部遙控信號，判斷小車工作模式。如是遙控模式，控制驅(qū)動芯片執(zhí)行相應(yīng)操作;如是自動運行模式，通過紅外傳感器檢測當(dāng)前路況，控制驅(qū)動模式，完成小車在制定路線運行。

2.2 電機驅(qū)動模塊

智能小車電機選擇重量輕、體積小、轉(zhuǎn)動力矩大、方便的直流減速電機。電機優(yōu)點：重量輕、轉(zhuǎn)動力矩大、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現(xiàn)調(diào)節(jié)直流減速電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向功能[5]。

單片機管腳輸出高電平信號電壓較弱，不足以驅(qū)動直流電機，因此需選擇專用電機驅(qū)動芯片來驅(qū)動電機運行?？紤]到小車重量因數(shù)、電壓，選擇了抗干擾性好，易于控制的電機驅(qū)動芯片LG9110。智能小車采用左后輪和右后輪兩輪驅(qū)動。單片機通過控制P0.1∽P0.3端口電平，對直流電機M1、M2的控制。當(dāng)P0.0∽P0.3=“1010”時，M1、M2正轉(zhuǎn)，小車前進;P0.0∽P0.3=“0101”時，M1、M2反轉(zhuǎn)，小車后退;P0.0∽P0.3=“1001”時，M1正轉(zhuǎn)M2反轉(zhuǎn)，小車右轉(zhuǎn);P0.0∽P0.3=“0110”時，M1反轉(zhuǎn)M2正轉(zhuǎn)，小車左轉(zhuǎn)。

2.3 傳感器模塊

智能小車通過傳感器模塊實現(xiàn)循跡、避障功能。傳感器模塊采用紅外光電傳感器檢測路況[6]。因黑色、白色對紅外線吸收系數(shù)不同，根據(jù)紅外接收管接收到的紅外線信號強弱來判斷“道路情況”，以及前方是否存在障礙物。圖3為路況檢測設(shè)計原理圖。三對紅外裝置分別裝在車體左、中、右。循跡路線為白色地面的黑色跑道，寬度約2CM左右，大于車體左右兩個紅外對管的距離，保證小車正常運行。

2.3.1 循跡模塊

單片機根據(jù)反射回來的紅外光來確定黑線位置和小車的行走路線[7-8]。舉例：當(dāng)小車左側(cè)跑出黑線，小車左側(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），單片機控制小車右轉(zhuǎn);當(dāng)小車右側(cè)跑出黑線，右側(cè)V5導(dǎo)通，P3.6置低電平，小車左轉(zhuǎn)。

2.3.2 避障報警模塊

目前主流避障方案有超聲波、紅外線避障。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。紅外線避障使用簡便，成本低，性能穩(wěn)定，能在空氣中傳播較遠的距離。智能小車選擇紅外線避障。

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

2.4 電源模塊

本系統(tǒng)單片機AT89C52、電機驅(qū)動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，既能滿足系統(tǒng)正常運行，干電池更換也非常方便。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

單片機上電后，對各個模塊進行初始化。首先檢測是否有遙控信號，之后對信號進行解碼，執(zhí)行相關(guān)操作。

3.1 循跡流程圖

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

3.2 防撞報警流程圖

系統(tǒng)運行中，主程序一旦檢測到遙控器發(fā)出“防撞”信號后，直接調(diào)用防撞報警函數(shù)，完成防撞報警功能。

智能小車在行進中，會檢測前方是否有障礙，如果正前方有障礙，小車會后退轉(zhuǎn)向報警。如果左側(cè)有障礙，單片機接收信號后控制小車右轉(zhuǎn)，避開障礙并報警;如果右側(cè)有障礙，單片機接收信號后控制小車左轉(zhuǎn)，避開障礙并報警。

4? 測試

測試場所包括起點、直線區(qū)、行駛區(qū)、循跡區(qū)、避障區(qū)。實際測試20次，在直線區(qū)小車位置調(diào)整次數(shù)為1次，碰觸障礙物次數(shù)為1次。

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

5? 結(jié)論

本系統(tǒng)以單片機AT89C52為控制核心，通過接收紅外遙控信號，驅(qū)動直流減速電機實現(xiàn)小車前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等運行模式。經(jīng)過反復(fù)測試，智能小車能在黑色預(yù)設(shè)直線軌道、弧形軌道上行駛，如有偏離，可自動糾正到預(yù)設(shè)軌道;行駛中遇到障礙物，通過自行調(diào)整，能躲避障礙并報警提醒，繼續(xù)循跡。智能小車運行安全、穩(wěn)定、操作簡單，達到預(yù)期要求。

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