基于STC89C52和nRF24L01的智能小車設(shè)計

　　智能小車，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。它可以適應(yīng)不同環(huán)境，不受溫度、濕度等條件的影響，完成危險地段、人類無法介入等特殊情況下的任務(wù)，因此在軍事、航空、探險等領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用。但隨著應(yīng)用的深入，在很多場合下需要多個小車之間可以實時通信，協(xié)作開展工作。基于上述考慮，本文基于STC89C52和nRF24L01開發(fā)設(shè)計了一款具備無線通信功能的智能小車。該小車不僅具備循線、避障等功能，而且在一定距離范圍內(nèi)可以實時無線通信，協(xié)作開展相關(guān)工作。

　　1系統(tǒng)設(shè)計

　　1.1系統(tǒng)整體方案設(shè)計

　　基于STC89C52和nRF24L01的智能小車設(shè)計涉及到傳感器的應(yīng)用、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

　　整個系統(tǒng)由單片機最小控制系統(tǒng)、電源模塊、電機及驅(qū)動、無線通信模塊、模式選擇模塊、循跡模塊以及避障模塊等。智能小車上電后，可由模式選擇模塊來確定小車的工作模式（作為主機或從機、循跡或避障等）;循跡、避障模塊是根據(jù)相應(yīng)傳感器所檢測數(shù)據(jù)來執(zhí)行相應(yīng)動作。為了使多個小車能夠同時協(xié)調(diào)工作，需要獲取對方的精確定位，這里可建立坐標(biāo)系并根據(jù)運行情況實時更新坐標(biāo)，并通過設(shè)計通信模塊及相應(yīng)通信方式來實現(xiàn)小車之間的通信。

　　1.2特征信號選擇

　　要實現(xiàn)自動行駛，智能小車的傳感系統(tǒng)必須通過各類傳感器，獲取小車的狀態(tài)特征、道路環(huán)境特征兩類特征信號。

　　1.2.1小車特征參數(shù)

　　小車在共同工作時需要明確對方位置及行駛模式，從而可以獲得信息采集點坐標(biāo)。特征狀態(tài)包括如下參數(shù)：

　　行駛模式，由撥碼開關(guān)確定的行駛模式。

　　小車坐標(biāo)，小車當(dāng)前位置相對于上電地點的坐標(biāo)。

　　程序標(biāo)志位，標(biāo)志數(shù)據(jù)是否接收完數(shù)據(jù)。

　　方向，小車當(dāng)前狀態(tài)與x軸方向的夾角。設(shè)上電時車身前方為x軸方向，逆時針旋轉(zhuǎn)90°為y軸方向。單位脈沖轉(zhuǎn)角，微控制器輸出單位脈沖小車所轉(zhuǎn)角度，數(shù)據(jù)需測量得到。

　　單位脈沖位移，微控制器輸出單位脈沖小車改變位移，數(shù)據(jù)需測量得到。脈沖數(shù)，小車運動時微控制器所輸出脈沖數(shù)。

　　1.2.2環(huán)境特征參數(shù)

　　實際工作時，兩車需獲知對方所處狀態(tài)，故無線傳輸數(shù)據(jù)中應(yīng)包括環(huán)境特征參數(shù)。環(huán)境狀態(tài)包括以下參數(shù)：

　　狀態(tài)位，小車在運行過程中檢測到標(biāo)志線后狀態(tài)標(biāo)志。

　　道路狀態(tài)，由激光傳感器讀取的道路狀態(tài)。

　　障礙物狀態(tài)，由光電傳感器讀取的障礙物狀態(tài)。絕對位移，兩車之間的相對位置。

　　1.2.3參數(shù)定義及計算

　　對程序中各個參數(shù)的定義見表1。

　　小車方向的計算公式如式（1）所示：

　　angle=angle±n*Δangle（1）

　　坐標(biāo)的計算公式如式（2），式（3）所示：

　　x=x+cosα*n*Δs（2）

　　y=y+sinα*n*Δs（3）

　　絕對位移的計算公式如式（4）所示：L0=（x 1-x2）2+（y1-y2）2（4）

　　2系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

　　2.1單片機最小控制系統(tǒng)

　　單片機最小控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示，本系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為控制核心，微控制器通過I/O口與各個模塊相連。

　　STC89C5是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程FLASH存儲器。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8KB FLASH，512BRAM，32bI/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB E2PROM，MAX810復(fù)位電路，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。此次設(shè)計傳感器共需要控制器I/O口20個（傳感器6個，電機4個，無線模塊6個，撥碼開關(guān)4個），對輸出處理速度要求并不高，STC89C52芯片的I/O口，中斷及定時器完全可以滿足其功能要求。

　　2.2電機驅(qū)動

　　由于單片機輸出電流無法直接驅(qū)動電機，本系統(tǒng)采用基于TB6560芯片的步進電機驅(qū)動用以驅(qū)動步進電機。

　　TB6560是東芝公司推出的低功耗、高集成兩相混合式步進電機驅(qū)動芯片。其主要特點有：內(nèi)部集成雙全橋MOSFET驅(qū)動;最高耐壓40V，單相輸出最大電流3.5A（峰值）;具有整步、1/2，1/8，1/16細(xì)分方式;內(nèi)置溫度保護芯片;具有過流保護;采用HZIP25封裝。

　　基于TB6560的驅(qū)動電路中步進電機控制信號有3個（CLK，CW，ENABLE），分別由微控制器的P0.0，P0.1端控制電機的方向（轉(zhuǎn)向時輸出電平類型相反，前進時輸出電平類型相同），P0.2，P0.3控制電機的轉(zhuǎn)速，本電路中使能端始終接+5V。

　　2.3通信模塊

　　本系統(tǒng)的無線通信模塊采用nRF24L01無線模塊。nRF24L01是一款內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst技術(shù)的新型單片射頻收發(fā)器件。工作于2.4～2.5GHz ISM頻段，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率發(fā)射時，工作電流也只有9mA;接收時，工作電流只有12.3mA，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計更方便。

　　由模式選擇模塊確定小車的主、從機模式后，主機檢測到相應(yīng)標(biāo)志線后發(fā)送數(shù)據(jù)，從機接收到數(shù)據(jù)后應(yīng)答并反饋回自身信息，并執(zhí)行相應(yīng)程序。

　　nRF24L01無線模塊原理圖如圖3所示，CE引腳功能為使能發(fā)射或接收，由P1.0控制;CSN，SCK，MOSI，MISO為SPI引腳端，微處理器可通過P1.1，P1.2，P1.3，P1.4來配置nRF24L01;IRQ為中斷標(biāo)志位，由P1.5控制。

　　2.4循跡模塊

　　循跡模塊采用3個激光傳感器，型號為HLSD-2010B，分別置于小車左、右、前方，通過P2.5，P2.6，P2.7控制。

　　HLSD-2010B激光傳感器的工作電壓為5V，工作電流最大為30mA，信號輸出方式為直接電平輸出。

　　激光傳感器真值表見表2，控制器對于不同的測量值會執(zhí)行不同的動作。

　　2.5避障模塊

　　避障模塊采用4個光電傳感器，型號為E18-D80NK分別置于車體前方位置。

　　光電傳感器E18的技術(shù)參數(shù)工作電壓5V，消耗電流DC小于25mA，響應(yīng)時間小于2ms，指向角小于等于15°，有效距離為3～80cm可調(diào)，工作環(huán)境溫度為-25～55℃。

　　根據(jù)不同環(huán)境可將智能小車避障運動分為四種情況，如圖4所示。

　?。?）只有1，2號紅外傳感器檢測到障礙物，此時小車向右運動，若3，4號傳感器檢測到則向左運動方向運動。

　?。?）當(dāng)前方發(fā)現(xiàn)障礙物，1，4號均未檢測的障礙物時，令小車向右運動。

　?。?）當(dāng)4個紅外傳感器都測到障礙物時，小車先倒退，然后向右運動。

　?。?）若1，4檢測到障礙物而1，3沒有檢測到障礙物，小車并不改變方向仍按直線行走。

　　2.6電源模塊

　　本系統(tǒng)采用2節(jié)容量為2 250mA·h，額定電壓為3.6V的鋰電池供電。由于系統(tǒng)中單片機、循跡模塊及避障模塊的工作電壓為5V，無線模塊工作電壓為3.3V，設(shè)計過程中采用兩個由LM2596芯片構(gòu)成的DC-DC穩(wěn)壓模塊。

　　原理圖如圖5所示，對于微控制器穩(wěn)壓模塊，輸入為7.2V，輸出為5.0V;對于nRF24L01穩(wěn)壓模塊，輸入為5.0V，輸出為3.3V。