基于单片机的自动寻迹避障小车设计

2014-07-04卢庆林

机械与电子 2014年7期

卢庆林

（陕西工业职业技术学院电气工程学院，陕西咸阳712000）

0 引言

智能小车是一种可移动的轮式机器人，其内容涵盖机械、电子、汽车、计算机、传感技术和自动控制等领域［1］。随着汽车工业的快速发展，汽车的智能化必将是未来汽车产业发展的趋势，可应用于工厂自动料车、固定场地搬运车等技术领域，也可应用于复杂、恶劣的工作环境，具有良好的应用前景［2－3］。目前，超声避障实现简便、数据处理量小、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到实用的要求，因此，成为常用的避障方法［4］。在此，采用红外寻迹，使小车沿着预定路径行驶，对行驶途中障碍物，利用超声波传感器来实现小车避障，通过控制小车与障碍物的距离，实现了小车多角度检测障碍物，从而控制小车转向、后退或前进，使小车能成功躲避障碍物。

1 系统方案设计

避障小车使用STC89C52单片机作为主控芯片，采用双电机驱动，在左右后轮各安装1个直流电机，转向控制由调制舵机的转动角度来实现。小车寻迹采用红外对管，安装在小车前端，为了小车能够更好的避障，在小车的前、左、右3个方向上安装了3个超声波传感器，通过超声波测距来获取小车离障碍物的距离，并用液晶LCD显示结果。当小车与障碍物的距离大于30 cm时，小车会沿直线前进；当小车检测到障碍物并与障碍物的距离小于30 cm时，主控芯片根据距离值控制直流电机的转动，在转动的方案上将首先尝试左转，如果在0．9 s里面连续转动3次，则说明前方的障碍不能通过，就控制小车向相反的方向转动并后退一段距离，然后再前进以避开障碍物，同时蜂鸣器报警提醒。系统结构如图1所示。

图1 系统总体设计

2 硬件设计

2．1 HC－SR04测距模块

超声波传感器主要发射高频超声波，在遇到障碍物时发生像光一样的反射和散射。超声波模块采用成型的HC－SR04模块，该超声波模块测距范围为3～400 cm，测距精度可达到3 mm，其包括超声波收发探头、控制电路和驱动电路［5］。超声波测距模块工作原理：采用I／O口TRIG触发产生8个40 k Hz的方波脉冲，由发射驱动电路加在发射探头上，经被测物反射到接收探头，通过检测电路送处理器处理后，由处理器I／O口Echo产生1个持续高电平，该高电平保持时间即为超声波从发射到返回的时间。

2．2 ST188红外传感器寻迹模块

红外传感器ST188是一种反射式光电传感器，其体积小、使用方便和可靠性高［6］。光电检测电路如图2所示，主要有光电和信号处理2部分。在进行光电检测时，ST188传感器寻迹，当检测到路径时，将信号传输给集成运放μA741，构成电压比较器，得到相关TTL电平信号，送给 STC89C53单片机处理，从而断定小车是否沿规定路径行驶。在预定路径运行过程中，若检测到路径中黑色部分，接收管产生0．5 V低电平信号；若检测到路径中白色部分，接收管产生4．8 V高电平信号。电压比较器完成信号初步处理，30 kΩ的电位器调节其基准电压［7］。系统为了能准确定位行驶方向及路径，在小车底盘装设4个红外ST188探测头，从左右2个方向上纠正控制，提高循迹的可靠性。

图2 光电检测电路

2．3 电机驱动设计

电机驱动部分主要由STC89C52单片机和L298N构成，其电路如图3所示。L298N芯片单列直插式，共15个管脚。其中，IN1，IN2，IN3和IN4为输入端；OUT1，OUT2，OUT3和 OUT4为输出端；SA和SB为反馈端；ENA和ENB为使能端；GND为接地端；VSS为电源电压输入端；VS为功率电源电压输入端。L298N芯片响应频率高、输出功率大，可同时驱动2个电机。AT 89C52的PB4，PB5端口直接分别与L298N的2个使能端ENA，ENB相连，通过对单片机编程就可实现2个直流电机的PWM调速控制［8］。单片机的PD0～PD3端口分别与L298N的引脚IN1，IN2，IN3，IN4相连，通过电平变化控制电机在持续高速状态下的转向。L298N的4个输出端直接与2个电机相连，以驱动电机。

图3 L298N电机驱动电路

2．4 主控系统设计

主控系统主要采用STC89C52单片机作为中央处理器，主要包含ISP下载端口、超声波连接端口、L298N连接端口和各类指示灯等。

STC89C52单片机是8位单片机系统，具有低功耗、性能稳定、可靠性高和支持在线编程等优点。另外，STC89C52还有2个8位可编程计数定时器，4 KB的RAM，32个I／O口［9］。由其构成单片机最小系统如图4所示。系统采用外部时钟，振荡频率为12 MHz，复位采用按键控制。

图4 时钟电路和复位电路

2．5 显示及报警电路

显示模块采用LM016L液晶模块，内部带有控制器，具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符闪烁、移动等功能［10］。LM016L与单片机通讯可采用8位或4位并行传输2种方式。显示电路如图5所示。系统报警电路采用的是三极管驱动的蜂鸣器，其工作电压为3～15 V，驱动电流为10 m A。蜂鸣器由三极管和电阻组成的驱动电路来驱动，STC89C52单片机的P3．5口接三极管基极输入端，通过P3．5输出高电平使电路产生报警。

图5 LM016L显示电路

3 软件设计

3．1 小车红外寻迹设计

小车寻迹流程如图6所示。STC89C52单片机定时器预置的初值，使其P0．4和P0．5端口产生不同占空比的方波信号，来控制电机两端的电压值，进而控制小车运行速度。小车沿规定路径行驶时，系统处理器不间断地扫描单片机与红外探测器的接口，判断是否有信号输入，检测到就进行相应判断处理，并传送给电机，使小车沿预定路径行驶。

图6 小车循迹流程

3．2 超声波测距设计

在超声波探测模块中，I／O口触发，给Trig口至少10μs的高电平，启动测量；模块自动发送8个40 k Hz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，则通过I／O口Echo输出1个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，测试距离＝（高电平时间×340）／2，单位为m。超声波测距流程如图7所示。

图7 超声波测距流程

程序中测试功能主要由2个函数完成，即measure（）负责启动1次模块的测距，然后由Should Turn（）确定前方是否有障碍物。根据车体大小及系统的反应，经过测试，取30 cm的反应距离效果较为明显。另外，HC－SR04超声波探测模块探测的间隔周期推荐值是64 ms，经过试验，小车系统中取125 ms较为适宜，使主程序有足够的时间来驱动小车前进。实现中采用定时器0进行定时测量，8分频，TCNTT0预设值0XCE，当timer0溢出中断发生2 500次时为125 ms。