基于单片机的智能跟随小车的设计与实现

张文霞等

【摘要】本文设计了一种能够通过传感器实时采集信号、智能分析周围环境以及路径信息、自动控制方向等功能的智能小车。小车以STC89c52单片机控制为核心，利用车前三个反射式红外发射—接收探头检测周围信息，以及利用光电传感器检测前方物体，并将检测信号反馈给单片机，实现小车的避障和跟随功能。基于STC89C52单片机的智能小车系统结构简单，性价比高，易于推广和移植，具有广阔的应用前景。

【关键词】STC89C52；避障；跟随；光电传感器

引言

随着科技的发展和人民生活水平的提高，越来越多的智能车得到普及普及，和传统汽相比，智能小车具有更好的安全性，机动性和广泛的应用性。智能小车，也就是轮式机器的智能化成果，是一种集传感器应用，智能芯片控制，驱动控制的高科技创意性设计。智能小车的功能是对指定的目标物进行跟踪和实时的躲避障碍物，这是他与其他小车最大的区别也是最大的一个特点。小车通过红外传感器对目标物体进行实时识别和跟踪，并且及时的躲避障碍物，具有灵敏性好，智能化程度高的特点。如果把它用在超市，将会极大地方便人们的生活。如果用在商城和机场，人们也不用提着沉重的行李箱满地跑了。

1、总体方案设计

智能小车总体设计内容：一是STC89C52芯片控制电路的设计；二是驱动电路的设计；三是光电传感器电路的设计；四是避障系统的设计；五是电源稳压电路的设计；六是硬件的焊接组装；七是软件的编程调试。小车总共分为5个部分，以单片机为核心的主控模块，电源模块，红外传感模块，驱动模块，避障模块。具体工作原理是：红外传感器在预设距离内检测前方是否有目标物体，如果有则自动进行跟随。同时，红外光电对管检测前方障碍物，当检测到前方有障碍物并且小于预设值时将把信息发回给单片机，控制驱动电路让车轮停止转动并后退绕过障碍物继续跟随。

2、系统的硬件设计

2.1主控模块

主控模块通过单片机利用程序来精确控制小车的运动，从而实现对小车的自动控制。STC89C52单片机具有控制简单、方便、快捷等优点，因此我們采用STC89C52单片机作为控制芯片。

2.2传感器模块

本设计所采用的传感器是集发射与接收为一体的光电传感器，具有很多其他传感器所没有的特性比如发射机距离远，抗干扰能力强，结构简单，可调节等优良的特点[1]。红外传感器是利用物体对近红外线光束的反射原理，由同步回路感应反射回来的光，据其强弱来检测物体的存在与否。通过有无信号来输出高低电平，然后把信号送给单片机处理，实现实时跟随的功能。红外探测法是避障模块所使用的方法，就是利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同反射性质的特点来进行避障[2]。由于红外光遇到白光的时候会发生漫反射，光电传感器就可以不断向外发射红外光，接收管就能接收到反射回来的信号，然后发送到单片机。若遇到黑色的物体将不会接收到信号而检测到障碍物进而启动躲避系统。传感器模块原理图如图2所示。

2.3驱动模块

驱动模块采用L298N驱动芯片，总共有四路输入，四路输出。INX均接单片机的P1口，IN1和IN3口控制轮子正转，IN2和IN4口控制轮子逆转，通过调节输入信号的占空比来调节小车轮子转动的速度。当小车左侧遇到障碍物时，驱动电路控制右侧轮子不动，左侧轮子加速转动，进行右转；当小车右侧遇到障碍物时，情况正好相反；当小车前方遇到障碍物时，驱动电路控制轮子停止，然后反转后退，绕过障碍物继续前进。

2.4电源模块

电源供电模块，使用的是直流稳压[3]电源，输入的是直流+12V电压，运用三线稳压器件7805，输出+5V直流电压。电源部分电路设计简单方便，同时也充分发挥了稳压器保护电路的作用。

3、系统的软件设计

软件设计部分决定了智能小车能否实现其跟随和避障的功能，是本次设计的关键部分。小车程序分为以下三部分：主程序部分，跟随和避障程序部分，驱动程序部分[4]。主程序流程图如图3所示。

4、仿真测试

基于PROTEUS仿真软件，我们设计了智能跟随小车控制电路的仿真图，如图4所示。

由于PROTEUS软件中没有红外传感器，所以我们用从上到下编号1-6的六个开关代替传感器，来实现探测目标的功能[5]。图中四个电机的转动方向代表四个轮子的转动方向，同时速度的快慢也可以从图中显示出来。首先，闭合开关3，表示发现目标物体，四个轮子正转，并且加速前进，闭合开关4，表示遇到障碍物，轮子停止转动并且反向转动直到障碍物离开检测范围。断开开关3、4，闭合开关5，表示目标物体向左移动，此时左侧轮子停止转动，右侧轮子正转并且加速转动，当小车右侧出现目标物是动作与之相反。闭合开关6，表示左侧有障碍物，这时右侧轮子不动，左侧轮子正转，实现向右转向的目的。当小车右侧出现障碍物时动作与之相反。

5、系统调试

先进行硬件调试，通过仿真好的电路图[6]，用万用表检测已经焊好的电路板上每一个节点是否有短路、断路和接触不良的情况，看各个节点电压是否正常。当硬件调试没有问题，完成了以后进行软件调试，通过修改各个接口对应的程序进行调试，最终完成软件的修改，达到了预期的效果。

6、结束语

本次项目设计非常成功，通过老师的指导和我们的团队合作，小车很好了实现了其跟随和避障的功能效果。最然在开始我们对这个项目没有任何的头绪，但是经过我们共同的努力成功完成了这个作品，每一个人都感到了团队合作的艰辛和成功后的喜悦。通过实验测试智能跟随小车的灵敏性，效果良好，能够很好的按照预期完成指定动作，并且运行稳定。

参考文献

[1]周继明，江世明.传感器技术及应用[M].长沙：中南大学出版社，2005.

[2]冯博琴，吴宁.微型计算机原理与接口技术[M].北京：清华大学出版社，2011.

[3]余锡存，曹国华.单片机原理及接口技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.

[4]李学礼.基于Proteus 的8051单片机的实例教程[M].北京：电子工业出版社，2008.

[5]谭浩强.C++面向对象程序设计[M].清华大学出版社，2006.

[6]周润景，郝晓霞.传感器与检测技术[M].北京：电子工业出版社，2009.

[7]来清民.传感器与单片机接口及实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

作者简介

张文霞，女，1982年生，鄂尔多斯市人，在读博士，讲师，工作于内蒙古大学鄂尔多斯学院，研究方向为图像处理及模式识别。