智能测控小车运动控制系统的设计与实现

唐佐侠，孙春志

(1.商丘工学院 计算机工程学院，河南 商丘 476000；2.商丘师范学院 电子电气工程学院，河南 商丘 476000)

智能测控小车运动控制系统的设计与实现

唐佐侠1，孙春志2

(1.商丘工学院 计算机工程学院，河南 商丘 476000；2.商丘师范学院 电子电气工程学院，河南 商丘 476000)

研究了智能测控小车的运动控制系统设计与实现方法，本设计采用STC12C5A60S2作为整个系统的主控芯片，搭载多种用于数据采集的传感装置，通过无线传输方式把采集到的数据发送给无线接收端，小车采用履带式底盘解决了爬坡问题，车上安装了可旋转高清摄像头用于对环境实时监控.文中给出了部分硬件电路设计以及软件设计和小车制作实物图，通过实际测试小车运行稳定.

智能小车；环境；传感器装置；硬件

0 引 言

当今社会的发展越来越趋向于智能化，智能产品逐渐被应用在社会的各个领域，并在不断进一步推广，智能产品大到太空中航空航天器，小到智能玩具.近些年，加上物联网的出现和相关技术不断发展，车辆智能控制系统逐渐进入人们的视野，无人驾驶系统就是最为鲜明的代表[1].智能作为现代社会的新产物，是今后发展的重要方向，智能微型车辆在给我们生活带来舒适和便利的同时，也被应用在很多重要领域，在工农业生产上也极大提高了生产效率和产品质量；在一些特殊环境下同样也得到了应用，它可以按照预先设定的模式或者无线控制的模式在一个特定的环境里运行，可以完成很多我们人类无法完成的事情[2].

本设计是一套以智能小车作为承载体，可以搭载各种测量和检测装置，对一些不适合人进入的复杂环境实时测量或检测，并把检测数据通过无线方式传输给外界.智能小车有两种不同的运行模式，一种是自动模式，完全不需要人控制；另一种是通过无线远程遥控操作[3].在设计系统过程中，掌握了主控制器的最小系统设计，同时在外围电路的设计也不断优化，最终完成了小车检测电路设计、驱动和显示电路设计以及寻迹和避障电路的设计[4].

图1 系统结构框图

1 系统硬件详细设计

系统以目前较为主流的8051作为主控制器，主要因为这种控制器廉价，工作稳定等优点.在原有小车基础上加装避障模块、循迹模块和红外接收模块以及数据传输模块，使系统增加了多种工作模式和功能[5].且可以与现有笔记本电脑、手机等设备互联互通，使其方便的实现蓝牙或nRF24l01遥控功能和显示功能.系统结构框图如图1所示.

2 系统硬件电路的设计

2.1 主控制器

本设计主控制器采用加强型51单片机STC12C5A60S2单片机，这种单片机不但可以和市场中的51系列的指令兼容，而且和现有51单片机的管脚完全兼容.内部可以有高达60 K闪存空间，支持常用的串口烧写程序功能.最为重要的是这种控制器对开发设备要求非常低，还可以对各种程序实现加密功能.除了具有52单片机的全部功能外，还有丰富的外设，使用非常方便.单片机共有7路外部中断接口，一般中断方式采用的是上升沿中断，本处理器支持中断的PCA模块，内部包含8路10位精度A/D转换模块，具有250K/S转换速度，共有4个16位定时器同时具有外部掉电检测功能.

2.2 避障及电机驱动单元

由于在进入障碍区后，只要判断小车的前方和偏左、偏右的方向有无障碍即可，所以障碍物的检测采用反射式光电传感器，该传感器的原理与循迹模块大致相同，不同的是：当检测到没有障碍物，传感器检测不到信号时传感器输出为高电平，当检测到有障碍物，传感器检测到信号时传感器输出为低电平.在本设计中障碍物的检测也采用两只光电传感器[6].

采用L298N专用驱动芯片.用单片机控制占空比即产生可调的PWM波，从而精确控制电机的转速.L298N内含两个H桥的高电压大电流全桥驱动器，这种电路效率非常高；并可方便地实现转速和方向的控制.稳定性高，是一种应用广泛的PWM调速技术.

图2 LCD1602液晶显示驱动电路

2.3 显示模块

本系统的液晶显示的驱动电路，为LCD1602型号字符液晶显示器，供电电压为DC5V.LCD字符液晶显示器选用显示容量为16*2个字符，LCD1602分为带背光和不带背光两种，其控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，在电路中连接有10 kΩ的电位器，通过电位器可以调节显示字符的亮度[7].

由于此处液晶显示的是实时温度和状态信息，所以本系统采用的是LCD1602型号的静态显示器.液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效.要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符.LCD1602液晶显示驱动电路原理图如图2所示.

2.4 循迹模块

系统在寻迹电路设计时采用了四路TRCT5000红外对管，主要安装在小车两侧，利用一对光电开关来接受黑色线和白色线的反射光线不同使系统自动调整小车的运行轨迹，进过实际测试表明，只要把光电传感器位置安装合适，就完全可以实现寻迹功能，本系统所使用的寻迹部分硬件电路原理图如图3所示.

图3 四路循迹程序图

2.5 数据采集及发送

数据采集的目的是为了测量电压、电流、温度、压力或声音等物理现象.基于多种传感器：光强、气体、温度、空气湿度等多种传感器对陌生环境或者人不能到达的区域进行实地勘察测量，把数据直接传回到控制器.传感器所采集的数据很多都是瞬态值，通过一些计算方法可以转化成一些特征值[8].对于很多数据测量都会采用直接测量和间接测量两种方法，设计系统时要根据具体测量的物理量不同去选择合适的传感器.通过采集非电量或者电量信号，送到单片机中进行分析，处理，可通过pcf8591进行模拟量与数字量的相互转化，所得数据通过nRF24l01实时把传输到移动终端.数据采集电路如图4所示.

图4 数据采集电路

2.6 数据接收及控制部分

数据接收板一方面用于控制小车的行驶，另一方面作为数据接收的终端，便于观察和记录，其中用蓝牙和nRF24l01两种方式去实现这一目的，在距离短的情况下可以用手机通过蓝牙来控制小车，用24l01进行数据的接收.由于nRF24l01本身具有五路数据传输部分，如果在长远距离时可以用nRF24l01的一路通道实现对小车的控制用其他四路进行信息的接收，另外如果对nRF24l01加装天线之后可以在几公里范围内进行数据传输.而且24l01具有自动重发功能，自动检测和重发丢失的数据包，重发时间及重发次数可软件控制，内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制[9].数据接收之后通过单片机的进一步细化处理用1602显示屏或LCD12864显示屏实现信息的显示，1602比较轻巧，可满足几种信息的显示，在数据很多的情况下可选择LCD12864液晶屏.数据接收电路图如图5所示.

图5 数据接收板电路图

3 软件设计

整个系统再设计过程中，硬件电路设计是在进行微机控制系统设计时，硬件电路的设计算是整个系统的骨架，系统要想正常运行还要有与之配套的软件支撑.在整个系统运行过程中大量的数据处理都由程序完成，但凡涉及到微机控制系统的产品都会涉及到软件设计，本设计中软件设计占有非常重要的地位.

本设计过程中软件设计采用的方法主要是模块化设计，所谓的模块化设计是指系统要完成一个功能中，可以拆分成很多的子系统，每一个子系统就成为一个模块，每个模块都可以独立运行，在进行整体系统设计过程中主要分过程控制和数据处理两个方面.其中，数据处理主要是实现滤波变换功能，而过程控制主要是让控制器按照一定的算法实现计算.

4 结 语

设计制作测控小车实物图如图7所示.

图6 程序流程图

图7 测控小车实物图

通过对最终的测试，实现了对一些数据的采集及传输和智能蓝牙小车的自主行驶和人为控制，预期的结果和现有的结果仍然存在着少许差距.智能测控小车在功能方面有了很大的改善，成功实现了蓝牙遥控小车和迷你化设计.小车各个功能的实现都采用集成化模块，在实现更多功能的同时有效地减少了小车的体积.

[1]杜云，魏雅.基于单片机的智能小车设计制作与应用[J].自动化与仪器仪表，2016(1):67-68.

[2]姜宝华，齐强.基于单片机的无线遥控智能小车的设计与制作[J].电子世界，2013(3):24-25.

[3]孙春志，吴晨光.基于nRF24L01车辆集中管理及防盗系统的设计[J].商丘师范学院学报，2016，32(3):29-32.

[4]徐莹，孙春志，等.基于LD3320的智能家居一体化声控系统的设计[J].商丘师范学院学报，2016，32(6):37-41.

[5]赵学浩，钱卫国.基于单片机的无线智能小车设计[J].常熟理工学院学报，2016(4):93-96.

[6]顾群，蒲双雷.基于单片机的智能小车避障循迹系统设计[J].数字技术与应用，2012(5):23.

[7]宋戈，黄鹤松，员玉良，等.51单片机应用开发范例大全[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[8]阎石.数字电子技术基础(第四版)[M].北京：高等教育出版社，1998.

[9]刘伏文，王春华.MCS-51单片机存储器结构详解[J].电子制作，2007(10).

[责任编辑：徐明忠]

Thedesignandimplementationofthemotioncontrolsystemoftheintelligentmeasurementandcontrolsystem

TANG Zuoxia1，SUN Chunzhi2

(1.College of Computer Science and Technology，Shangqiu Institute of Technology，Shangqiu 476000，China；2.School of Electronic and Electrical Engineering，Shangqiu Normal University，Shangqiu 476000，China)

This paper studies the intelligent car’s motion control system design and implementation method，this design uses STC12C5A60S2 as the main control chip of the whole system，equipped with a variety of sensor device for data acquisition，through the wireless transmission of the collected data is transmitted to the wireless receiver，the car uses crawler chassis to solve the problem of climbing on the car to install.The rotatable high-definition camera for real-time monitoring of the environment.Some hardware circuit design and software design are given in this paper.The system is stable through the actual test.

smart car；environment；sensor device；hardware

2016-10-02；

2016-11-08

河南省科技厅项目(142300410322)；河南省自然科学基金资助项目(152102410057)

唐佐侠(1986—)，女，河南商丘人，商丘工学院助教，硕士，主要从事嵌入式研究.

TM571

A

1672-3600(2017)12-0019-05