基于单片机的红外遥控智能小车的设计

（张家港沙洲工学院，江苏 张家港 215600）

1.引言

利用红外遥控器代替开关按键控制小车的启动和停止，能够轻松自如的实现小车的启动停止、左转右转和前进后退等功能，假如我们希望小车运行到黑线上来检测是否有循迹功能，就可以用遥控器控制小车行驶到有黑线的地方，当小车遇到有黑线时，会自动启动循迹功能模块，让小车沿着黑线跑，当遇到障碍物时会自动启动超声波蔽障测距并报警模块，每个模块都是相互独立又相互协调配合，真正实现了小车的智能控制：本设计采用模块化设计结构，各个功能相互不受影响，具有较高的智能化、人性化。

2.红外遥控模块的组成

红外遥控模块主要由遥控发射器、红外接收头、接口电路组成，如图1所示。红外遥控器用来产生遥控编码脉冲，驱动红外发射管输出红外遥控信号，遥控接收头完成对遥控信号的放大、检波、整形、解调出遥控编码脉冲。遥控编码脉冲是一组串行二进制码，此串行码输入到单片机，由其内部CPU完成对遥控指令解码，并执行相应的遥控功能。使用红外遥控器作为控制系统的输入，需要解决如下几个关键问题：如何接收红外遥控信号；如何识别红外遥控信号以及解码软件的设计、控制程序的设计。

图1 红外遥控系统组成方框图

2.1 红外遥控的实现原理

红外遥控的实现主要是如何用程序去分析位0和位1。位0和位1所不同之处就是在高电平脉冲后的低电平脉宽不一样，采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”，其波形如图3所示。

图2 遥控码的“0”和“1”

这里有一点要注意的是，遥控芯片输出的波形，接收端在接收到信号时是取反的，如上图所示，也就是说接收端输出波形正好和遥控芯片输出的相反。图2就是其中一段引导码和自定义码发射端和接收端的波形[3]。

图3和图4就是其中一段引导码和自定义码遥控信号的编码波形图。

遥控编码是连续的32位二进制码组，其中前16位为用户识别码，能区别不同的电器设备，防止不同机种遥控码互相干扰。芯片厂商把用户识别码固定为十六进制的一组数；后16位为8位操作码（功能码）及其反码。

解码的关键也是如何识别“0”和“1”，从位的定义我们可以发现“0”、“1”均以0.56ms的低电平开始，不同的是高电平的宽度不同，“0”为0.56ms,“1”为1.68ms,所以必须根据高电平的宽度区别“0”和“1”。如果从0.56ms低电平过后，开始延时，0.56ms以后，若读到的电平为低，说明该位为“0”，反之则为“1”，为了可靠起见，延时必须比0.56ms长些，但又不能超过1.12ms,否则如果该位为“0”，读到的已是下一位的高电平，因此取（1.12ms+0.56ms）/2=0.84ms最为可靠，一般取0.84ms左右均可。 根据码的格式，应该等待9ms的起始码和4.5ms的结果码完成后才能读码。

图5 红外接收硬件图

2.2 红外接收模块

该模块使用红外接收头1838，其电路如图5所示。瓷片电容104为去耦电容，1端即解调信号的输出端，直接与单片机的P3.2口相连。有红外编码信号发射时，输出为检波整形后的方波信号，并直接提供给单片机。

2.3 红外遥控的软件设计流程及思路

解码方法如下：

·设外部中断0(或者1)为下降沿中断，定时器0(或者1)为16位计时器．初始值均为O。

·第一次进入遥控中断后，开始计时。

·从第二次进入遥控中断起，先停止计时。并将计时值保存后，再重新计时。如果计时值等于前导码的时间，设立前导码标志。准备接收下面的一帧遥控数据，如果计时值不等于前导码的时间，但前面已接收到前导码，则判断是遥控数据的O还是1。

·继续接收下面的地址码、数据码、数据反码。

·当接收到32位数据时，说明一帧数据接收完毕。此时可停止定时器的计时，并判断本次接收是否有效，如果两次地址码相同且等于本系统的地址，数据码与数据反码之和等于0FFH，则接收的本帧数据码有效。否则丢弃本次接收到的数据。

·接收完毕，初始化本次接收的数据，准备下一次遥控接收。

图6 主程序流程图

3.直流电机的驱动

用单片机控制直流电机时，需要加驱动电路，为直流电机提供足够大的驱动电流，如图7所示：本次设计我们选择了达林顿驱动器，它实际上是一块集成芯片，单块芯片同时可驱动多个电机，每个电机由单片机的一个I/O口控制，当需要调节直流电机转速时，使单片机的相应I/O口输出不同占空比的PWM波形即可。占空比是指高电平持续时间在一个周期时间内的百分比。控制电机的转速时，占空比越大，速度越快，如果全为高电平，占空比为100%时，速度达到最快。

当用单片机I/O口输出PWM信号时，可采用以下两种方法：[7]

·利用软件延时。当高电平延时时间到时，对I/O口电平取反变成低电平，然后再延时；当低电平延时时间到时，再对I/O口电平取反，如此循环就可得到PWM信号。

图7 直流电机的驱动电路

图8 直流电机的H桥控制图

图9 超声波蔽障流程图

·利用定时器。控制方法同上，只是在这里利用单片机的定时器来定时进行高、低电平的翻转，而不用软件延时。

电机驱动还可以用如图8方式。该电路工作的原理为：当Q5与Q8同时导通时，电机会顺时针的转动，当Q6与Q7同时导通时电机会逆时针的旋转，这样我们就可以实现电机的正传与反转的控制了，单片机的控制引脚只用了两个，一个接Q5和Q8的基级这样可以实现电机的正传，另一个接Q6与Q7的基级实现电机的反转。如果用PWM波控制该电机，那PWM波就可以从基级直接输入，但是对于三极管的选型特别要注意，第一，要看管子的耐压特性，第二，要看管子的频率特性，如果频率特性不太好，那PWM控制电机就失去了意义。

4.小车的寻线功能

小车的寻线功能采用的是GP2A25传感器，该传感器检测黑线的灵敏度非常的高，一般在工业上用来探测纸张比较多，利用此功能，我们也可以用他来检测黑线，只是取的电平刚好和测纸张的电平相反。GP2A25探测的距离有一个要求，一般在1.5厘米的空度是最为灵敏的，所以在小车上安装此传感器比较有精度要求。

在小车的左边和右边各安装一个GP2A25传感器。当小车左边检测到黑线，证明小车尾部向右歪了，这时候单片机输出相应的代码来纠正小车的位置，左电机转动右电机静止，这样小车就能摆正位置，同理，当右边传感器检测到黑线，小车尾部向左倾斜，右电机转动，左电机静止。这样小车就能在黑线上稳定的前进了。

5.超声波测距原理 （40KHZ）

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

测距的公式表示为：L=C×T

式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)[10]。

·用户通过从TX脚输出40KH的方波信号，即就是从单片机的IO口连续发出高低电平，产生方波，方波的个数一般为10个左右，发出后启动定时器，开始计时，此时，超声波发射头开始发出超声波，当发出的超声波被前方的障碍物返射回来，返射回来的超声波被接收探头接收到，此时，模块的RX引脚会产生一个从高电平到低电平的跳变，此时，停止计时，通过计时的时间，根据以下公式计算测量距离

测量距离=[时间×声速(340M/S)]/2具体流程图如图9。

6.结束语

本文设计的红外遥控小车具有操作简单，稳定可靠，易扩展升级，在小车的主板上预留了多个扩展端口，比如还可以再增加金属传感器TL-Q5MC来检测路上感应到的铁片，从而来来测量小车在行进的过程中所遇到的铁片数量，通过霍尔元件感应磁铁来产生脉冲，计算一秒所得的脉冲数，从而计算出一秒小车轮子转动圈数，再测量出小车车轮周长即可计算出小车当前速度，累加可得到当前路程；或者通过语音芯片来控制小车的运行等等。

[1]郭天祥.新概念51单片机C语言教程:入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京:电子工业出版社,2009,1.

[2]孙贤安,等.基于51单片机的小车蔽障电路实现[J].电气技术与自动化,2006,1

[3]裴彦纯,陈志超.基于单片机系统的红外遥控器应用[J].现代仪器,2004.

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[5]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例[M].北京:电子工业出版社,2010.

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[10]赵广涛,程荫杭.基于超声波传感器的测距系统设计[J].传感器与仪器仪表,2006.