智能探测小车的设计与实现

李龙，邓兆强，龚聪，金宇健，周建华（指导老师）

（邵阳学院信息工程学院，湖南邵阳，422000）

0 引言

智能小车集成了多种高新技术，因此在国内外都深受重视。就目前高校来看，智能小车大多采用C51系列作为控制模块，外加红外避障模块、寻迹传感器模块、电源模块、直流电机及其驱动模块构成[1]，控制器将传感器模块发出的数据进行处理后发给驱动模块，从而控制整个小车的运动。但传感器受环境影响大，工作不稳定，本文将用STC89C52单片机外加各个模块，提高精度及实时性，设计并实现智能小车循迹避障的优化。

1 智能小车的总体设计

1.1 设计思路

智能探测小车采用前轮驱动，有左转、右转、直行、停止四种状态。利用红外对管对路面信号进行检测，将信号传输到比较器处理之后送给STC89S52控制模块进行实时控制，输出相应的信号驱动直流电机，通过调结两个电机的转速选择不同的状态[2]，从而达到循迹避障的目的，模块设计图如图1所示。

图1 模块设计图

1.2 系统硬件设计

1.2.1 控制模块

STC89C52微处理器，工作电压5V、DC电流50mA、晶振频率11.0592MHz，输出电压为5VDC或3.3VDC，接上USB时无须外部供电或外部12VDC输入低电压，高性能，时钟速度稳定，外部接口丰富，可外接各类型的传感器模块[3]，非常适合用作本次小车的控制模块。

1.2.2 驱动模块

直流电机是能实现直流电能和机械能互相转换的旋转电机[4]。在智能小车上我们主要的运用其直流电能转换成机械能的作用，来带动轮子的转动。直流电机调速性能好、控制简单、过载能力较强、受电磁干扰影响小。为了小车的平稳行驶，本次设计选择三个轮子，前面两个轮子使用同类型额定电压12V的直流电机接单片机的5V输出驱动，后轮使用的是小滑轮起支撑作用来平稳运行。

1.2.3 红外循迹避障模块

本次采用的红外循迹避障模块（如图2所示）由红外发射与接收管和比较器组成，发射管发射出一定频率的红外线，当前方有物体时，根据物体的颜色不同反射出不同强度的红外线被接收管接收，经过比较器电路处理之后，根据事先调节的判断范围输出接口输出高电平或低电平。可通过调节光敏感度改变检测距离，有效距离范围2~60cm，工作电压为3.3~5V。该模块可调范围广、工作稳定、反应迅速、模块小巧便于安装，适用于小车循迹避障、测量仪器等场所[5]。

1.2.4 电源模块

因为AT89C52处理器的特性，我们只需要对其供电，保证其稳定的工作电压就能运行整辆小车。在初步调试过程中，将单片机的USB口接主机就能正常工作，还能方便检查。在完成拼装，接入程序调试校准时，可以使用充电宝。整个硬件系统的电路图如图3所示。

图3 智能探测小车电路图

1.3 系统软件设计

智能小车的各个模块在连接完成后，还需要软件对单片机进行控制，在即将偏离轨道或前方有障碍物时，传感器将信号发送给单片机，单片机通过循迹避障程序控制驱动模块，从而真正的实现小车循迹避障的功能。本系统由主函数、循迹函数、避障函数及延迟函数构成，以此达到模块化控制[6]。在软件开发环境上使用的是Keil 4，编程语言使用C语言，通过STC-ISP将hex文件下载到单片机来实现对各个模块的控制，逻辑功能如表1所示。

表1 逻辑功能表

1.3.1 延时程序

单片机的延时程序通过执行指令来达到延时效果，这个时间等于执行的指令需要的时间，而一个指令需要的时间叫做指令周期，这个时间等于若干个机器周期。因为我们使用的为C语言，就需要将其转化为等步骤的机器周期[7]，而本单片机的机器周期=12*(1/11.0592)。

1.3.2 循迹程序

因为直流电机与单片机接了两个接口：正向供电01和反向供电10，分别对应正转和反转。当一侧的红外对管感应到黑色轨迹时，就会通过循迹避障模块将信号1传输给单片机，此时单片机所对这一侧直流电机的两个接口由01变为10，即对直流电机反向供电，另一侧则保持不变，这样可以让小车在较高速度下能够及时转向，而不会在遇到幅度较大的弯道时因为转向慢而偏离轨道，循迹流程如图4所示。

图4 循迹流程图

1.3.3 避障程序

当中间的红外对管前方检测到障碍物时，就会通过循迹避障模块将信号1传给单片机，控制直流电机转向，避障流程如图5所示。考虑到障碍有不同的大小形状，本次设计遇到障碍时一律右转90°，并且障碍物的颜色也会对反应产生影响。同时，为避免循迹与避障发生冲突导致行驶异常，循迹时轨道上出现障碍时我们将情况1避障程序的优先级设置高于循迹程序，对于优先级我们可以通过改变代码判断顺序或发生条件来实现[9]。

图5 避障流程图

2 系统的调试

首先烧入电机控制小程序，控制电机正反转、停止均无误。接着检测循迹避障模块，检查红外灯是否能正常亮灯，测试灵敏度是否能达到要求，两个用于循迹的红外对管分别位于小车的车头两侧，垂直朝下，便于及时对路面进行判断，之间的间隔应大于轨道宽度，具体位置以对轨迹的敏感度要使遇到黑线立即做出反应，同时又不会使小车凭空行驶为佳；一个用于避障的红外对管位于小车车头并朝向正前方，敏感度根据需要与障碍物相隔距离多远转弯来调节，并且因为转向为90°，就需要我们调用延时函数，不断观测延时在多少时转向会在90°左右。软件调节上，我们利用PWM调速原理[10]，两侧电机在相同时间里，短暂时间停止较快的一侧电机,多次校准来达到两边转速近乎一致来达到直行，这样就避免因为速度不匹配而发生不必要的偏转。调试中的小车如图6所示。

图6 循迹中的小车

3 结束语

本文实现了基于AT89S52的智能探测小车硬件和软件的设计及优化，相较于普通的智能小车更加灵活、可靠，功能稳定，精度高，可满足对系统的各项要求，同时使用硬件少，功耗、成本低，绿色环保，达到了预期效果。