基于單片機的智能車控制系統研究

蘇倩， 吳連波， 許孔孔， 戴昊斌， 張燕

（西安航天動力測控技術研究所，西安 710025）

0 引言

智能車作為輪式移動機器人，對環境具有很強的感知力，可以發揮動態決策與規劃作用，具備智能控制、執行等功能。當前智能車在發展中主要應用自動控制、模式識別、傳感器技術、電子、計算機以及機械等技術，在我國工業生產、國防安全、導盲車輛等方面都有廣泛應用，具有較高的軍用價值和民用價值?？刂葡到y作為智能車研發中的重要內容，通過單片機能夠實現對智能車的有效控制，確保智能車具備智能化調速等功能。

1 基于單片機的智能車控制系統運行原理

本研究的智能車控制系統的核心處理器由52個單片機構成，與循跡傳感器、障礙感測器以及無線收發模塊連接，可以向單片機輸送信號。信號進入單片機以后，在提前設計的程序下進行識別和處理，實現對電機電壓各項參數的控制，如正負和大小等。通過上述過程，電機的轉動方向、轉速等能夠按照規定要求運行，最終驅動智能車實現前進、后退及轉向等功能。利用編程的方式，使單機片具備對來自不同傳感器的信號進行直接處理的能力，具體處理方法提前設置與確定。研究中為了完成對智能車的遠距離無線控制，設計了2片單片機和2個無線收發模塊，一組可以作為遙控器，具備發送操控指令的功能；另一組在智能車上安裝，主要用于接收各種操控指令，達到有效操控智能車的目的。設置循跡傳感器和障礙感測器后，可以檢測智能車軌跡及遇到的障礙，從而具備自動循跡、避障等功能。信號傳輸至單片機以后直接完成識別，從而確保智能車可以正常實現上述兩種功能。

2 基于單片機的智能車控制系統設計

2.1 系統總體設計方案

圖1所示為系統總體框圖。系統主要由電源、電機、無線接收、避障以及單片機主控等模塊構成。其中電源模塊采用線性穩壓電源。紅外傳感器電路也不復雜，且有較高的靈敏度，檢測與調節都非常簡單，選擇紅外避障的方式實現自動避障功能。通過達林頓管形成H型PWM電路，可以發揮調速功能，并利用無線接收器傳輸數字信號。單片機為內存8 K的STC89C52單片機，設計4個驅動輪智能車，確保其可以達到走直線的效果。

圖1 系統設計框圖

2.2 系統硬件電路設計

2.2.1 驅動模塊

智能車兩邊各安裝1個驅動電機，同時設置1個后萬向輪，形成3點結構，讓智能車可以保持穩定行駛。在電機上主要設計直流電機驅動模式，并通過減速齒輪讓智能車以規定的減速比實現減速，這樣才能作為智能車的驅動電機。否則智能車速度較快，也不能對傳輸至單片機的信號進行識別與處理，最終智能車的移動無法處于控制中。智能車運動方向主要采用改變電機轉速、轉向等方法，為了更好地控制電機，需要設置一個L298N驅動模塊。電機主要通過H橋電路提供動力來源，電機驅動芯片為L298N，各條輸出線總共包括兩個二極管IN4007，可以避免芯片受到干擾。

2.2.2 無線模塊

根據頻率覆蓋與模塊收發距離，主要采用NRF24L01，讓單片無線收發器芯片工作頻段保持在2.4 GHz～2.5 GHz之間。這樣不僅可以提高速率，保證性能更加穩定，還能減少成本投入，且體積也得到了控制。

2.2.3 自主避障模塊

在電路設計中選擇的光電管帶有濾光片，光電開關在工作時主要結合待測物體受到光束后進行反射、遮擋等現象，利用同步回路選通電路，能夠保證最終檢測的準確性與有效性，任何可以對光線進行反射的物體都處于檢測范圍[2]。發射器可以對光電開關輸入電流進行適當轉換，并射出光信號，接收器結合光線強度等情況檢測目標物體。

2.2.4 電源模塊

系統所有器件通過電源電路分配電壓，在電源輸入時主要提供或轉換5 V、3.3 V電壓，單片機、驅動模塊以及避障模塊主要獲取5 V電壓，而無線模塊則獲取3.3 V電壓。圖2為電源電壓分布圖。

圖2 電源電壓分布圖

2.2.5 實時監控系統

要想準確及時掌握智能車運動情況，需要根據其反饋信息形成完善的監控系統[3]。為保證和提升系統的實時性，選擇STM32103C8單片機對反饋信息發送予以控制，工作頻率甚至可達72 MHz。該系統主控芯片主要為STM3210C8芯片，以有效、及時處理智能車反饋信息。圖3為監控系統硬件主要構成部分。

圖3 監控系統硬件主要構成部分

2.3 電路模擬與仿真

完成電路設計后要進行驗證，無線接收、電機驅動等模擬仿真主要通過Proteus軟件完成。根據指示燈情況判斷電機工作狀態，并借助示波器觀察加速、減速按鍵的PWM調速波形占空比，從而保證模擬判斷的準確度。第一種情況：未按下“加速”、“減速”按鍵條件下利用示波器對L298N使能端進行觀察；第二種情況：在啟動“加速”按鈕條件下利用示波器對L298N使能端進行觀察；第三種情況：啟動“減速”按鈕條件下利用示波器對L298N使能端進行觀察。最終結果反映出第一種情況比第二種情況占空比小，得出加速功能模擬成功，同時第三種情況比第二種情況占空比小，得出減速功能模塊模擬成功。從模擬電路仿真結果可知，系統電路設計比較科學。

2.4 系統軟件設計

NRF24L01設計為SPI通信，利用軟件模擬SPI接口，能夠為單片機與無線模塊通信提供支持。將單片機中斷引腳與IRQ引腳連接，防止出現多個if語句對有無獲取數據造成的延時進行判斷[4]，以保證最終性能符合設計要求，智能車始終處于實時控制狀態。系統通過PWM調速，利用軟件模擬手段形成PWM信號調節車速。改變PWM占空比達到調節車速的目的，模擬軟件主要用到單片機中的定時器。圖4為程序流程圖。

圖4 程序流程圖

3 基于單片機的智能車控制系統調試

3.1 智能車系統調試

3.1.1 示波器調試

第一種情況：將遙控器電源開關按下，與無線接收模塊電源未接通，觀察無線遙控器IRQ引腳，得出波形圖a；第二種情況：接通無線接收模塊電源，觀察接收模塊IRQ引腳波形圖，波形圖為b；第三種：將無線發射與接收模塊都接通，將遙控器按鍵按下，無線發射與接收的IRQ波形為c和d。對比分析a與c，其中c形成了一個5 ms低電平，可見已接收到自應答信號，表明成功發射了數據。對比分析b與d，無線接收模塊IRQ引腳構成100 ms低電平，表明順利接收了數據。

3.1.2 LED調試

根據LED指示燈工作狀態，能夠判斷數據接收狀況。為準確判斷接收數據是否正確，采用如表1所示的接收數據與LED運行對比情況。判斷接收數據是否正確，主要檢驗的按鍵有前進、后退、停止、左轉以及右轉[4]。打開電源開關，將遙控器按鍵按下后檢查智能車指示燈，分析與遙控器按鍵有無出入，只有在相同的情況才表明接收數據正常，沒出現丟包的問題。

表1 接收數據與LED運行對比情況

3.1.3 實時監控系統

按下前進、后退和停止按鍵，出現障礙物后觀察監控系統的顯示器輸出情況。根據智能車反饋信息驗證系統穩定性能，智能車可以有效執行遙控器的各項控制命令[5]。系統不僅穩定性較好，也能滿足實時性要求。

3.2 聯合調試

設計科學合理的聯合調試方案，主要分為三個點完成整個系統的驗證，即發射與接收數據、執行命令和反饋信息的正確性。聯合調試系統構成部分包括LED指示燈、遙控器、液晶顯示器和智能車。對LED指示燈來說，主要根據其工作狀態判斷是否正常接收數據，同時結合智能車運行情況分析指令執行情況，根據監控顯示器對智能車反饋信息的正確性進行判斷[6]。結合實驗情況可知，發射與接收數據正常、執行指令與反饋信息正常，整個系統運行處于良好狀態，智能車在遙控器控制下能順利完成各項動作。

4 結語

設計的智能車控制系統核心是STC89C52，通過對資源的充分利用達到了智能車無線控制的目標。因為其工作速率比較慢，為提高實時性采用了一定方法。在對智能車運動狀態檢測過程中，通過構建基于STM32的智能車反饋系統，能夠實時監測其運動狀態。在測試后得出智能車所有功能都能順利實現，穩定性與可靠性有保障，基本上達到了預期目標，應用前景也非常廣闊。