基于虚实结合的智能小车设计

吴蓬勃，张金燕，王拓，孙会泽，南陪钧，于逸龙，刘慧，刘涛

（1.石家庄邮电职业技术学院，河北石家庄，050021；2.河北工程技术学院，河北石家庄，050091）

0 引言

随着疫情的常态化[1]，许多高校的实践课程无法正常在线下开展，需要在线上进行或者线上、线下同步进行。另一方面，在实践过程中，经常存在物品损坏的情况，影响了正常教学开展。

本文以单片机课程为例，以智能小车为载体，论述了如何通过Proteus 虚拟仿真和实物相结合的方式进行单片机课程教学的过程[2~4]。

1 智能小车总体设计

智能小车组成，如图1 所示。智能小车主要面向单片机的初级入门人员，所以选择了较为简单、经典、可进行软件仿真的STC89C52。智能小车的外部设备主要包括：黑线循迹、红外避障和超声波测距传感器；LCD 显示单元；直流电机驱动模块和4 路直流电机；同时，采用串口连接蓝牙模块，实现与手机或者PC 的通信。

图1 智能小车组成

2 硬件电路的虚实设计

■2.1 单片机与运动控制单元

单片机最小系统与电机驱动单元硬件电路图，如图2所示。单片机最小系统，包括：复位、时钟电路、P0 口上拉电阻、用户按键和串口选择端子；其中，通过串口选择端子实现了串口的复用，计算机可通过CH340（USB 转串口芯片）与单片机实现串口通信、串口程序烧写以及蓝牙模块调试。

图2 单片机最小系统与电机驱动单元硬件电路图

电机驱动部分，通过L293D 实现四路电机的驱动。L293D 为推挽四通道驱动器，工作电压4.5V ～36V，电流最大600mA，内部有2 路H 桥，可以同时驱动2 路电机运动。通过1 脚EN1 可开启第一路H 桥，通过2脚IN1、7 脚IN2 可控制3 脚OUT1、6 脚OUT2 的高低电平，OUT1 和OUT2 控制左侧的两路并联直流电机运动；通过9 脚EN2 可以开启第2 路H 桥，通过OUT3和OUT4 控制右侧两路并联直流电机运动。

图3为单片机最小系统与电机驱动单元的Proteus仿真图，除了单片机与L293D 驱动电路外，还增加了四路直流电机（需设置为6V 电压）。在编写好单片机电机驱动程序后，可以通过Proteus 仿真电路验证程序的逻辑功能，为程序在实车上的正常运行奠定基础，有利于进行软硬件故障排查和降低车辆的电机损耗。

图3 单片机最小系统与电机驱动单元仿真图

■2.2 黑线循迹单元

黑线循迹单元硬件电路图，如图4 所示。智能小车包括左右2 路黑线循迹单元，主要采用反射型光电探测器RPR220 实现黑线和白色地面的识别。RPR220 通过砷化镓发光二极管向外发射红外光，通过高灵敏度硅平面光电三极管接收反射光，如遇到黑色物体，则光电三极管将接收到很少的反射光，其自身的电阻值将增加；如遇到白色或者浅色物体，则有更多的红外光被接收到，其自身的阻值将减小。RPR220 的光电三极管与电阻R6（以左循迹为例，见图4）对5V 进行分压，地面黑白颜色的变化，将导致R6 上端电压发生变化，R6 上端电压与电位器R1 电压送入LM358AD 进行电压比较，从而向外输出高低电平，单片机通过IO 口读取该信号，从而判断小车循迹传感器下面是黑线还是白色地面。实际中，可通过电位器R1 和R9 调节黑线探测距离。

图4 黑线循迹单元硬件电路图

左右两路黑线循迹单元的Proteus 仿真电路，如图5所示。仿真图中，采用了与实物RPR220 功能相近的仿真元件ALS-PT19 来模拟光的变化，在右侧的输出端，通过直流电压表可观察输出信号的电压值。通过图5 可知，左循迹单元设置的光线较强，循迹电路输出电压为0.02V；右侧循迹单元设置的光线较弱，循迹电路输出电压为5.00V。需要注意一点，仿真中LM358 输出端信号较弱，需要添加2个非门增加信号强度，才可以被单片机正常识别。

图5 黑线循迹单元仿真图

■2.3 红外避障单元

红外避障单元硬件电路与黑线循迹（如图4）类似，区别在于传感器从RPR220 更换为红外发射管和红外解码器，在此不再赘述。红外避障单元Proteus 仿真电路，如图6所示，基本原理与黑线循迹相同，红外传感器采用了光敏电阻TORCH_LDR。在图6 中，左侧避障传感器前方没有障碍物，反射回来的光线较少，红外避障电路输出5.00V 电压；右侧避障传感器前方有障碍物，红外避障电路输出0.00V电压。

图6 红外避障单元仿真图

■2.4 超声波测距与LCD 显示单元

超声波测距与LCD 显示单元仿真电路，如图7 所示，主要包括：HCSR04 超声波测距模块和LM016L 液晶显示模块。通过HCSR04 的距离（单位为cm）调节按钮，可模拟超声波模块到物体的距离，通过单片机的程序处理后，在LM016L 液晶模块上显示实际测量距离。实际中距离的测量值是存在误差的，这一现象在仿真中也得到了体现；通过不断优化程序，使得仿真中距离的测量值接近实际值，从而提高了在真实小车上超声波测距的准确率。

图7 超声波测距与LCD 显示仿真图

3 软件设计

智能小车的软件部分包括：直流电机调速和运动控制、黑线循迹、红外避障、超声波测距与LCD 显示。其中，直流电机调速通过定时器产生PWM 波实现，直流电机运动控制、黑线循迹、红外避障和LCD 显示主要通过IO 口的控制与检测实现。本部分重点对超声波测距进行介绍。

超声波测距的时序图，如图8 所示。单片机通过IO 口向超声波测距模块的触发引脚TR 发送最少10μs 的高电平脉冲，然后，超声波测距模块内部的单片机会通过升压电路向外发射8 个40kHz 的脉冲信号；超声波遇到前方障碍物会产生反射回波，回波经超声波测距模块处理后，通过ECHO 引脚向外输出一定宽度的高电平脉冲。单片机通过测量ECHO 引脚输出脉冲信号的宽度，即可计算出小车到前方障碍物的实际距离。

图8 超声波测距时序图

超声波测距软件流程图，如图9 所示。首先初始化用于脉冲测量的定时器，向超声波测距模块的TR引脚发送15μs 的高电平脉冲；然后，判断回波引脚ECHO 是否为高电平，如果为高电平，则证明回波脉冲开始出现，此时开启定时器；当ECHO 引脚变低时，说明回波脉冲已经结束，此时关闭定时器。根据定时器的计数值Count，结合晶振频率Fosc 和声波在空气中的传播速度，即可计算出相应的距离。

图9 超声波测距软件流程图

4 测试

图10为智能小车黑线循迹和超声波测距的实际效果。

图10 智能小车测试效果

5 总结

本文基于虚拟仿真与实物相结合的方法，设计了一套智能小车系统，实现了虚拟仿真与实物硬件电路的映射；通过虚拟仿真验证了软件功能，有利于线上教学的开展，有利于实车验证时的故障排查和降低车辆的硬件损耗。为当前疫情常态化下单片机课程的实践教学，提出了一套切实可行的方案。