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摘要：針對小車在前進過程中可能遇到的復雜環境，采用STC89C52RC單片機作為核心控制器件，以模塊化的設計思想實現智能小車的多功能性。循跡模塊能夠使小車沿著黑色軌跡線自動行駛；避障模塊能夠使小車自動躲避障礙物；趨光模塊能夠使小車自動向光源方向行駛；并且加入了指示燈來指示小車的運行狀態。該設計使得智能小車的各個模塊很好地結合在一起，體現了其多功能性，并具有很強的實用性。
關鍵詞：智能小車；循跡；避障；趨光
0引言
隨著時代的跨越式發展，汽車工業也迎來了一次大規模的革新，各種關于智能汽車的研究也就備受關注。智能小車自從問世以來便一時風評如潮，是以后發展的必然方向，智能意味著小車可以收集信息并分析信息所對應的預先設定程序，然后驅動執行機構使小車做出相應的動作。于是，可以做到在設定的環境里不需要人為的干預就能自主的運行?；谛≤嚨倪@種特性，它的主要應用范圍在于科學勘探、無人駕駛等等。
1系統總體方案設計
多功能智能小車要求具有自動循跡功能，以完成特殊任務；具有自動避障功能，避免小車撞毀；具有趨光的功能，能實時反應光源方向并趨光前進。根據設計要求，多功能智能小車控制系統的總體方案如圖1所示。本次系統設計以STC89C52RC單片機最小系統為核心，由循跡模塊、避障模塊、趨光模塊、電機驅動模塊、LED指示等模塊組成。基于小車的移動性，整個系統的供電必須由電池提供，系統所需的7.2V電壓由兩節3.6V充電電池提供，然后通過7805穩壓模塊為單片機及其他電路提供5V電源。
2系統硬件設計
2.1紅外循跡模塊
為了使小車能夠精確循著白色地面上的黑色軌跡線行駛，需要同時安裝4路紅外探測頭RPR-220，分別放置在小車前方車底的左2、左1、右1、右2四個位置。其中左1、右1兩個探測頭應臨近黑色軌跡線，如果是這兩個紅外探測頭檢測到黑色軌跡線，小車的行駛方向進行稍微調整即可；左2、右2兩個探測頭位于小車的更外側一點，如果這兩個紅外探測頭檢測到黑色軌跡線，說明小車偏轉的比較多，要加速調整小車的行駛方向。紅外循跡模塊連接到單片機的P2口，其中一路和單片機的連接關系如圖2所示[2]。小車行駛時，RPR-220中的紅外發光二極管不斷向外發出紅外線，紅外線發射到白色地面時會反射回紅外接收三極管，這時光電三極管導通，輸出低電平到LM339的同相端，比較器輸出低電平給單片機。LM339為四路電壓比較器剛好匹配四路紅外探測頭。紅外線發射到黑色軌跡線時被吸收，不能反射回接收管，這時光電三極管截止，輸出高電平到LM339的同相端，比較器輸出高電平給單片機。單片機將信息處理后控制電機驅動模塊使車輪進行相應的動作，從而實現小車的自動循跡功能。
2.2紅外避障模塊
智能小車采用了HJ-IR2不怕光的紅外避障模塊，在小車的左前方和右前方各安裝一個這樣的集成模塊，其中左前方的紅外避障模塊與單片機的電路連接如圖3所示。如果小車左前方檢測到有障礙物，左前方紅外避障模塊HJ-IR2的OUT引腳將對單片機的P1.4引腳輸出一個低電平（與紅外循跡的工作原理類似，只不過接收管是光電二極管），單片機控制小車右轉，避開左前方的障礙物。同理，如果小車右前方檢測到有障礙物，右前方紅外避障模塊HJ-IR2的OUT引腳將對單片機的P1.4引腳輸出一個低電平，單片機控制小車左轉，避開右前方的障礙物。如果左右兩個紅外避障模塊均檢測到了障礙物，說明障礙物在小車的正前方，此時由程序規定小車默認右轉。
2.3超聲波避障模塊
本設計采用紅外側面避障和超聲波正面避障結合的混合避障技術來優化智能小車的避障問題。采用超聲波避障需要在車頭正前方安裝一個HC-SR04測距模塊，其與單片機的連接如圖4所示。單片機控制器通過P1.2引腳給到HC-SR04的Trig端一個高電平信號，使模塊自動發送超聲波，同時Echo端會變成高電平，如果前方有障礙物，則超聲波會返回到接收端，這時Echo端會變成低電平，Echo端高電平的持續時間通過P1.3引腳由單片機定時器所記錄，這個時間即為超聲波由發射到返回被接收到的總時間t，由公式S=Ct/2即可求出小車到障礙物之間的距離。把檢測到的距離和程序中預先設定好的最小距離進行對比，如果小于最小距離由單片機控制電機轉向和調速。
2.4趨光模塊
在小車的左右前方各有一個趨光模塊，其中左邊的趨光電路如圖5所示。有光照時，光敏電阻RL1的阻值減小，電壓比較器LM393的V+＜V-，輸出低電平到單片機的P1.0引腳，同時LED燈點亮；無光照時，光敏電阻RL1的阻值增大，電壓比較器LM393的V+＞V-，則比較器輸出高電平給單片機，LED燈不亮?？烧{電阻RV5可以調節反相端的參考電壓，用于光照靈敏度的調節。當只有左邊檢測到有光源時，左邊的指示燈點亮，小車進行左轉彎；右邊亦是如此；當左右兩邊都能檢測到光源時，小車繼續直行。
2.5電機驅動模塊
智能小車采用四個車輪驅動及支撐，其中前面兩個車輪作為驅動輪（后面兩個車輪為萬向輪），用兩個直流減速電機進行驅動。鑒于所使用的直流減速電機功率較小，電機部分采用L293D芯片進行驅動，其中一組引腳之間的邏輯關系如表1所示[3]。L293D可直接對電機進行控制，不需要隔離電路，其與單片機之間的連接電路如圖6所示。根據表1的邏輯關系，要使電機正轉，只需要單片機的P0.0、P0.2引腳送出高電平，P0.1引腳送出低電平即可；要使電機反轉，P0.2引腳控制的使能端也需高電平有效，而P0.0、P0.1的取值和正轉時相反。電機正反轉和小車運行狀態之間的關系如表2所示，右轉向時右轉指示燈閃爍，左轉向時左轉指示燈閃爍。
3系統軟件設計
3.1主程序
基于模塊化思想，智能小車控制系統軟件設計和硬件系統相對應，主要分為循跡子程序模塊、避障子程序模塊、趨光子程序模塊，主程序按照邏輯順序對這些子程序模塊進行調用。單片機收集各個模塊傳感器采集的信號，經過處理，再通過電機驅動程序來控制小車的動作，完成預定目標[4]。主程序流程圖如圖7所示，當檢測到黑線時，調用循跡子程序去調整小車的方向；當檢測到有障礙物時，調用避障子程序使小車自動避開障礙物；當檢測到有光源時，調用趨光子程序使小車向光源方向行進。
3.2循跡子程序
智能小車底盤裝有左2、左1、右1、右2四個紅外傳感器模塊，其中左1、右1兩個探測頭臨近黑色軌跡線，左2、右2在小車外側。根據程序：當左1紅外探測頭檢測到黑色軌跡線時，小車自動稍微向左行駛；當左2探測頭也檢測到黑色軌跡線時，說明小車右偏的有點多，則小車加速向左行駛；同理，當右1檢測到黑色軌跡線時，小車稍微向右行駛；當右2也檢測到黑色軌跡線時，說明小車左偏的有點多，小車加速向右行駛。4組傳感器持續檢測軌跡，進行兩級修正行駛方向，使小車始終能夠循著黑色軌跡線行駛。
3.3避障子程序
智能小車的左前方、右前方各安裝了一個紅外避障模塊，在小車的正前方還安裝了一個超聲波避障模塊，實行混合避障技術。當左前方檢測到有障礙物時，單片機通過電機驅動模塊子程序控制小車右轉；當右前方檢測到有障礙物時，單片機通過程序控制小車左轉；當正前方檢測到有障礙物時，根據程序使小車默認右轉。3.4趨光子程序智能小車的左右前方各有一個光敏電阻，當左前方檢測到光源時小車根據程序向左行駛；當右前方檢測到光源時小車根據程序向右行駛；兩個光敏電阻都檢測到光源時小車根據程序繼續向前行駛。
4結論
本設計以STC89C52RC單片機為控制核心，結合電機驅動模塊L293D實現小車的向前、向后、左右轉向等；采用RPR-220實現紅外循跡功能；采用不怕光的紅外避障模塊HJ-IR2和超聲波避障模塊HC-SR04實現混合避障功能；采用簡單的光敏電阻實現趨光功能。通過Keil、Proteus、STC-ISP等軟件進行軟硬件聯調，達到了預期的功能設計，實現了智能小車功能的多樣性。另外，軟硬件的模塊化設計也有利于小車的調試、維修及進一步的功能擴展。
參考文獻
[1]谷明信,焦志勇,王偉,等.多功能導航智能小車設計[J].微型機與應用,2017,36(12):33-35.
[2]史洪宇.基于單片機的多功能智能小車的設計[J].儀表技術,2010(12):16-18.
[3]王瑞琦.基于STC89C51單片機的多功能智能小車設計[J].國外電子測量技術,2017,36(7):103-106.
[4]祝松柏.基于STC89C52的循跡避障智能小車的設計[J].輕工科技,2018,34(3):65-66.
作者:張延麗 趙前 金琦淳 單位:無錫城市職業技術學院機電工程學院 上海無線電設備研究所