基于单片机的智能小车设计

摘 要：本次设计主要是体现多功能小车的智能寻径、自动避障，设计中通过不断检测各个模块的传感器的输入信号。循迹模块实时检测5路循迹模块在黑线跑道上的状态，当小车跑出所设置的范围时，智能小车自主调整小车的方向位置。

关键词：循迹避障小车；STC89C52单片机；驱动芯片（L298）

一、设计构思

车体设计方面采用的是设计好的车模。购买设计的车模可以合理选取符合本次设计要求的模型，对于特殊要求也可以特殊定做，经过对本次设计小车性能的分析，我们选取的车模为两轮分别驱动，后万向轮转向的车模方案。车前两个轮分别用转速与力矩一样的两个直流电机拖动，后面安装万向轮。这样通过不同位置的电机相互作用后使小车能够原地旋转，360度原地调整方向。

主控制器是采用STC89C52单片机，作为该设计的核心处理器。对于此次设计整体分析，我们不难发现本次设计的主要问题是怎么样实现小车的自行控制，在实现小车智能控制中单片机就显示了它独特的优势。单片机虽然控制系统简单，但是控制性能非常强大，在使用时简单方便，器件易于得到，生产成本低，在我们日常生活中比较常见，在我们大学学习中接触最多，所以综合各种因素考虑，选用STC89C52单片机作为核心器件最为理想。

电源采用的是干电池。数量选择6块干电池，每块电池电压1.5V，再经过特定的电压转换装置将电压转换后供给单片机使用。干电池不仅重量轻、体积小，而且购买方便成本低，置换电池也很便利，非常适合本次的设计，也能满足系统的供电需求。

电机驱动方面取功率三极管作为驱动芯片。线性型驱动电路结构比较简单，且工作方式也不复杂，最为难得的是这种驱动方式的驱动性能很好，在加减速和方向调整中都有很好的表现，调整小车转向角比较精确，效率高，控制过程稳定，控制特性强，开关速度很快，在调速系统中被大量使用，是一种调速效果非常好的PWM调速技术，它采用由达林顿管组成的 H型桥式电路，精确控制。现今市场上有好很多这种芯片，本次设计采用的是L298N，此芯片工作电压高、电流高、工作频率高，一块芯片可以起到两个电机同时控制的效果，此芯片控制方案不仅易实现、性能稳定，而且价格不高很容易购得，在控制方面也完全满足本次寻迹避障小车的设计目标。

避障模块选取红外光电作为开关。该器件也属于主动探测器，红外光电开关向外界发出一光束，光束在传播过程中若是遇到障碍物会被障碍物阻断反射回来，发回的光再次通过红外光电开关的接收转化为一系列信息，发给单片机。该器件能够检测所有反光的物体，在我们生活中运动遇到的阻碍物也全部都是反光物体。另外，这种探测器在使用的过程中比较简单，操作难度很小。当感应器感应到反射回来的光时，器件输出为低电平；没有感应到反射光则为高。

显示模块选取LCD1602液晶。液晶显示器不仅显示的信息丰富，使用方便，而且屏幕清晰，显示速度快，显示信息也一目了然，这种显示器在很多领域都得到了广泛地应用。对于本次设计数码管显然不能很好地反映小车工作时的各种状态，LCD1602液晶显示器不仅能显示多种信息，而且其它各方面也都满足本次设计需求。

报警模块选择的元器件是蜂鸣器。如果小车和障碍物的距离过近，则蜂鸣器发出声音，开始报警。

根据此次课题的设计要求，本次设计的智能小车启动后要能够自行工作，无需人工干预和调整。通过传感器检测到黑线，使用传感器黑线作出判断，根据判断出的路线行进。通过安装在车身的红外探测器对障碍物进行躲闪，避障行驶，如果小车和障碍物的距离25cm以内，则蜂鸣器发出声音，开始报警。小车的工作状态能够通过液晶显示器显示。

1.实现直流减速电机的启、停、正、反控制；

2.利用直流减速电机实现对小车的运动控制；

3.利用稳压芯片为单片机电路系统提供稳定电压；

4.利用红外线光电开关对障碍物的检测；

5.利用1602液晶的工作状态显示；

6.利用蜂鸣器进行距离报警；

7.通过编程实现系统程序的模块化设计；

二、总体方案设计

本设计采用由STC89C52单片机最小系统、电机驱动电路模块、超声波壁障模块、5路循迹模块、液晶顯示模块和电源模块块组成。单片机实时检测5路循迹模块在黑线跑道上的状态，并自主调整小车的方向。在循迹的跑道上检测前方的距离，当前方距离小于25厘米时，小车避开障碍物往回继续循迹。小车把前方障碍物的距离显示在LCD1602液晶上，小车的驱动是采用L298驱动芯片驱动循迹壁障小的行走。

三、L298电机驱动模块

L298是一款常用的驱动芯片，具有电压高和电流强等特点，最高工作电压可达45V以上，最大输出电流高达3A以上，持续工作电流在1.5A左右。L298芯片内部含有两个H型桥式驱动电路模块，驱动能力非常强大，在电机实物设计中，常用L298芯片来驱动步进电机、感应电极等负载，有时也用L298来驱动显示器模块，驱动信号都为标准型的逻辑信号。L298具有多个管脚，每个管脚工作时互不影响，芯片内置两套驱动桥式电路，可以分别执行工作过程，可以同时实现对两个步进电机的控制驱动，两个使能管脚的控制也可以任意切换，芯片VCC输入端口只能在要求电压下工作，工作时外接电阻的阻值要求非常精确。

四、STC89C52单片机

单片机的种类很多，常用的单片机设计有STC和AT系列单片机。但也可以同时把两种系列单片机归为51系列单片机，其生产厂家和生产过程都是一样的，功能和内存单元也都是一样的。即使不同的SST和Philip公司生产的单片机，也都是以51单片机为内核的。这些单片机都是同时具备51系列单片机的功能，其扩展和运行方式都是相同的。程序写入和控制方式，都很类似。

本次设计使用的STC单片机有40个管脚，4排I/O口，具有多个通信端口实现控制通信与数据传输，单片机内部含有5个中断源和多个优先级，内置定时器和计数器功能。单片机有4K内存空间，和128B存储空间。

五、电源模块

一个完整的系统设计，供电部分是整个系统工作的基础部分，是保证系统完整、有序运行的前提。51系列单片机是使用最早、稳定性较强的核心控制器，但在整个系统的工作过程中，51系列单片机面临的最大问题还是功耗大、抗干扰能力差、程序跑飞等问题，为了将这些弊端降至最低，需要设计可靠、完整的供电系统。

在本设计中，电源供电可以由计算机USB或者普通手机充电设备提供，此外，还可以用5V专用电源或者干电池供电。在电路中，设置电源指示灯，为系统工作提供了方便。

六、避障模块

壁障模块是超声波模块，其电路设计图如图3-5。超声波模块的功能非常齐全，可以用于测距、壁障、循迹等方面。感测距离在2cm-400cm之间，准确测量精度非常完美，完全符合本次设计要求。壁障模块由控制电路、发射和接收部分组成。

壁障模块的工作原理非常简单，传感器I/O触发工作，可以产生大于10us的高电平信号和多个带宽非常宽的波形，根据波形和电平信号判断是否有信号值返回到控制器中来。当检测到信号反射到系统中，系统中就会出现高电平，高电平时间就是整个模块检测到障碍物的时间。测试距离的公式非常简单，只需根据高电平时间就可以计算出。壁障模块的管脚中，VCC和GND分别为高低电平，TRIG为触发信号控制部分，ECHO为信号输出端口。

参考文献：

[1]华成英，童诗白. 模拟电子技术基础 [M]，高等教育出版社，1980，第四版：15-24.

[2]陈超超.轮式机器人的避障研究[D].南京：燕山大学，2003，35-44.

[3]曾德怀，谢存禧，张铁，黄瑞华.行走机器人的超声波测距系统的研究[M].机械科学与技术，第五版：613-616.

作者简介：冯华林（1993-12-），男，汉族，四川巴中人，本科在读，就读于西北民族大学电气工程及其自动化专业。