1 引言

       避障小車以單片機(jī)為控制核心的小車改變了傳統(tǒng)遙控小 車的控制方式，應(yīng)用超聲波測(cè)距技術(shù)與小車相結(jié)合實(shí)現(xiàn)小車 自動(dòng)避障，使小車能夠更加智能，小車在行進(jìn)過程中降低人的 干預(yù)。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

（1）通過紅外遙控器按鍵控制小車行動(dòng)，如前進(jìn)、后退、 停止、左右轉(zhuǎn)。

（2）距離障礙物小于設(shè)定距離時(shí)，左轉(zhuǎn)；左轉(zhuǎn)之后判斷距 離障礙物是否大設(shè)定距離，若大于則前進(jìn)，反之右轉(zhuǎn)180度；右 轉(zhuǎn)之后判斷與障礙物距離，是否大設(shè)定距離，若大于則前進(jìn)，反 之右轉(zhuǎn)90度前進(jìn)。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

       單片機(jī)控制簡(jiǎn)單、方便、快捷。價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。采用單片 機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，用其控制小車運(yùn)動(dòng)。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如 圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

      該設(shè)計(jì)系統(tǒng)以89C51單片機(jī)為核心，利用紅外遙控器控制小車的啟停，能實(shí)現(xiàn)小車的啟動(dòng)停止、左右轉(zhuǎn)和直行與后退等功能[1]。

      車頭中間超聲波發(fā)射和接收裝置檢測(cè)小車行進(jìn)方向的障 礙物，用于判斷是否轉(zhuǎn)彎來達(dá)到避障功能。單片機(jī)發(fā)出頻率為40千赫茲的信號(hào)，經(jīng)放大電路發(fā)大后由超聲波發(fā)射裝置發(fā)出；超聲波接收器進(jìn)一步放大接收到的信號(hào)，用鎖相環(huán)電路檢波后，調(diào)用單片機(jī)中斷程序，測(cè)出時(shí)間t，再由程序運(yùn)算得出距離參數(shù)，然后經(jīng)過單片機(jī)程序處理，得到的數(shù)據(jù)來對(duì)小車的電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制[2-3]。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 紅外接收器

紅外接收器電路通常集成在一個(gè)元件中，即紅外接收頭。內(nèi)部電路包括紅外監(jiān)測(cè)二極管，放大器，限幅器，帶通濾波器，積分電路，比較器等[4]。紅外監(jiān)測(cè)二極管監(jiān)測(cè)到紅外信號(hào)后，放大器放大紅外信號(hào)通過限幅器、解調(diào)電路和積分電路進(jìn)入比較器，比較器輸出高低電平，還原發(fā)射信號(hào)。該模塊使用紅外接收頭1838。電路如圖2所示。

圖2中，C3為去耦電容，起濾除輸出信號(hào)的干擾得作用。1端是解調(diào)信號(hào)的輸出端，與單片機(jī)的P3.2口相連。當(dāng)有紅外編碼信 號(hào)發(fā)射時(shí)，經(jīng)紅外接頭處理輸出檢波整形后的方波信號(hào)，并送 給單片機(jī)，執(zhí)行相應(yīng)的操作，從而來實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。

圖2 紅外接收模塊

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

      該模塊采用芯片L298，L298芯片是一種高壓、大電流雙全橋式的驅(qū)動(dòng)器可同時(shí)控制兩個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)并調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，滿足設(shè)計(jì)要求。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路圖如圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

      圖3中L298DE VCC端與單片機(jī)共用5V直流電源，VS端接12V電源。ENA，ENB為使能端，低電平禁止輸出。IN1，IN2， IN3，IN4為數(shù)據(jù)輸入引腳，分別與單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2、 P1.3口相連。OUT1，OUT2接電動(dòng)機(jī)MG1；OUT3，OUT4接電動(dòng) 機(jī)MG2。通過調(diào)節(jié)IN1，IN2，IN3，IN4之間輸入的高低電平來實(shí) 現(xiàn)電動(dòng)機(jī)MG1和MG2的正向和反向運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)小車左右轉(zhuǎn) 和前進(jìn)后退等功能。當(dāng)IN1輸入低電平，MG1電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)IN2輸 入低電平，MG1電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)IN3輸入低電平時(shí)，MG2電機(jī)正轉(zhuǎn)； 當(dāng)IN4輸入低電平時(shí)，MG2電機(jī)反轉(zhuǎn)。高電平輸入時(shí)，電機(jī)不工 作。D1~D8是保護(hù)二極管，用于電機(jī)緊急制動(dòng)時(shí)，保護(hù)L298不被 損壞。

3.3 超聲波模塊

      采用BNCS超聲波測(cè)距模塊，包括超聲波發(fā)射器、接收 器與控制電路[5]�；�本工作原理：(1)采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給最少10us的高電平信呈。 (2)模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自 動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回； (3)有信號(hào)返回，通過IO口ECHO輸出 一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí) 間。測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S))/2。超聲波測(cè)距模塊 電路如圖4所示。

圖4 超聲波模塊

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序

程序啟動(dòng)后，開始檢測(cè)紅外接收模塊，如果接收到信號(hào)， 單片機(jī)開始判斷鍵值，發(fā)出信號(hào)到驅(qū)動(dòng)模塊使小車并作出相應(yīng)動(dòng)作。在小車前進(jìn)時(shí)，超聲波模塊開始發(fā)出信號(hào)，單片機(jī)判斷與 障礙物的距離，向驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出信號(hào)并使小車進(jìn)行避障。

4.2 超聲波避障流程（圖5）

圖5 超聲波避障流程

圖5所示的避障流程，小車開始前進(jìn)就檢測(cè)前方障礙物，若有則左轉(zhuǎn)，繼續(xù)檢測(cè)，若還有則反轉(zhuǎn)180°，若無則繼續(xù)前行。

5 驅(qū)動(dòng)模塊仿真

使用Protel軟件對(duì)小車控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，仿真電路 如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)模塊仿真

       在仿真過程中紅色表示高電平，藍(lán)色表示低電平。由于仿 真軟件無法模擬紅外遙控和光電感應(yīng)信號(hào)和超聲波檢測(cè)，所 以在仿真過程中通過按鍵來提供仿真所需的各種信號(hào)。2號(hào)按 鍵實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)功能，8號(hào)按鍵實(shí)現(xiàn)小車后退功能，5號(hào)按鍵停 止，4號(hào)按鍵小車左轉(zhuǎn)，6號(hào)按鍵小車右轉(zhuǎn)。

6 結(jié)束語

      本小車控制系統(tǒng)采用單片機(jī)為控制核心，使用超聲波測(cè)距 模塊探測(cè)小車運(yùn)動(dòng)方向的障礙物，單片機(jī)處理后發(fā)出指令驅(qū)動(dòng) L298，驅(qū)動(dòng)電機(jī)避開障礙物繼續(xù)運(yùn)行。并通過仿真軟件進(jìn)行仿 真，仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)滿足要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙海蘭. 基于單片機(jī)的紅外遙控智能小車的設(shè)計(jì)[J]. 電子世界,  2011 (8): 45-47. 

[2] 王懿川. 基于單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)[J]. 上海計(jì)量測(cè) 試, 2011 (5): 53-56. 

[3] 李錄鋒.基于AT89C51超聲波測(cè)距控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 制造業(yè)自動(dòng) 化,2012(4):45-47. 

[4] 朱高偉. 基于單片機(jī)的自動(dòng)蔽障移動(dòng)小車控制系統(tǒng)[J]. 通訊世界:  下半月, 2015 (8): 277-278.

[5] 蘇琳. 基于 HC-SR04 的超聲波測(cè)距器的設(shè)計(jì)[J]. 科技信息, 2012  (9): 125-125.