具有避障及循迹功能的智能小车系统设计

2020-12-28彭登峰

数字技术与应用 2020年11期

关键词：循迹原理图测距

彭登峰

(湖北职业技术学院机电工程学院,湖北孝感 432000)

0 引言

随着人工智能技术的不断发展,各种关于智能小车的研究也就备受关注。文中以四驱小车为结构载体,设计了一款能够自动避障及循迹功能的四驱智能小车。

1 系统总体设计

智能小车系统设计框图如图1所示,本系统由单片机控制模块、电源及电机驱动模块、循迹模块及超声波模块组成。

电源及电机驱动模块,由电源电路及电机驱动电路组成。

循迹模块采用8路循迹,通过8个反射式红外光电传感器对循迹线(黑线)进行检测,实现四驱小车循迹功能。

避障模块利用超声波测距模块测距,可检测前方是否存在障碍物以及障碍物的距离,由单片机控制电机转向和速度,可实现避障功能。

2 系统硬件电路设计

2.1 单片机控制模块原理图

单片机控制模块由STC12C5A60S2单片机、复位电路、时钟电路、USB转串口通信电路、电源开关及指示电路、液晶显示接口电路、声光报警电路、超声波传感器接口等组成。

2.1.1 单片机最小系统

单片机最小系统包括STC12C5A60S2单片机电路及时钟与复位电路。STC12C5A60S2单片机具有两路可编程计数器阵列(PCA)模块,通过编程可用作脉宽调制(PWM)输出。本设计中,智能小车的速度控制就是通过改变单片机输出两路P W M 信号的占空比来实现的。

图1 系统设计框图

2.1.2 USB转串口通讯电路

单片机有一个全双工的串行通讯口,为了实现单片机与计算机之间的通信,在电路设计中采用USB转串口芯片CH340T[1]。如图2所示,通过USB接口,可以实现程序的在线下载,方便单片机程序下载与调试。

2.1.3 液晶显示电路

本模块采用LCD1602液晶作为显示器。单片机与LCD显示模块数据传输形式可分为8位和4位。本设计中采用4位连接方式,如图3所示:单片机的P1.0-P1.3与液晶显示器的4条数据线连接,P2.6、P2.5、P2.4分别于液晶的3个控制端RS、R/W、E连接。LCD1602的3脚为液晶显示器对比度调整端,将第3脚接入一个10K的电位器,用来调整液晶显示器对比度。

2.1.4 发光二极管及蜂鸣器电路

本设计中,采用发光二极管来显示小车的各种运行状态,如前进、后退等,状态指示可根据需要自行设定。蜂鸣器发声,可用于起步、停车,或报警提示等。发光二极管及蜂鸣器驱动电路如图4所示。

2.2 小车循迹模块电路原理

循迹传感器采用TCRT5000红外光电传感器进行设计[2]。本设计中,共有8路循迹模块,采用8个红外对管对循迹线(黑线)进行检测,8路检测信号接到单片机P0口的8个I/O口。8路循迹电路完全相同,以其中一路为例进行说明。

某一路四驱小车循迹模块电路原理图如图5所示,当施加电源后,光电发射二极管由R3限流后导通,不断发射红外光。当循迹传感器检测到黑线时,由于黑色吸光,光电晶体管因接收不到光线而截止,传感器输出高电平, 此时,比较器LM339的“+”端电压大于“-”端电压,比较器输出高电平。当红外光照射到非黑线时,光电晶体管因接收到反射光线而导通,传感器输出低电平。此时,比较器LM339的“+”端电压小于“-”端电压,比较器输出低电平。调节电位器Rp1,可以调节传感器的灵敏度。

单片机对8路传感器的输出信号进行接收和处理,判断四驱小车是否沿黑色循迹线行驶,实时调整小车的运行方向,可以实现循迹功能。

2.3 电源及电机驱动模块电路原理图

2.3.1 电源电路原理图

系统电池提供的电源为+12V,考虑到为单片机提供稳定的+5V电源,并为循迹模块提供电源,利用LM2596设计了如图6所示的电源电路。

电源电路由开关型电源芯片LM2596构成,并由12V可充电锂电池提供电源。LM2596开关电压调节器具有良好的线性和负载调节特性。其5V固定输出端,能稳定的输出5V直流电压,为其他模块提供5V电压。

2.3.2 电机驱动电路原理图

电机驱动模块电路如图7所示,整个电路以L298N为核心。STC12C5A60S2单片机P1.3、P1.4引脚输出两路PW M信号控制L 29 8N 的使能端实现两路电机的转速控制;P1.1、P1.2、P1.5、P1.6输出四路开关量信号实现两路电机的正反转运行控制。

图2 USB 转串口电路

图3 液晶显示电路

图4 发光二极管及蜂鸣器电路

图5 某一路小车循迹模块电路原理图

图6 电源模块电路原理图

2.4 超声波测距传感器

避障模块采用超声波测距传感器HC-SR04。超声波测距传感器与单片机的接口电路如图8所示:超声波测距传感器的TRIG端(2脚)与ECHO端(3脚)与单片机的P3.4、P3.3连接。利用超声波测距模块测距,可检测前方是否存在障碍物以及障碍物的距离,由单片机控制电机转向和速度,可实现避障功能[3]。

图7 电机驱动模块电路原理

图8 超声波测距传感器与单片机的接口

图9 主程序流程图

3 系统软件设计

实现循迹及避障功能的智能小车主程序流程图如图9所示,系统上电后,执行PWM模块、液晶显示及定时器初始化处理,然后进入主循环。在主循环中,60ms执行一次超声波测距,以判读前方是否存在障碍物,若存在障碍物,则进行避障处理。若无障碍物,则采集循迹模块信号执行循迹动作。程序设计中,可根据小车循迹线(黑线)及行驶路线要求,调整控制程序。