基于STC89C52和nRF24L01的智能小車設(shè)計(jì) - 全文

　　智能小車，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)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(xiǎn)地段、人類無(wú)法介入等特殊情況下的任務(wù)，因此在軍事、航空、探險(xiǎn)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(chǎng)合下需要多個(gè)小車之間可以實(shí)時(shí)通信，協(xié)作開展工作?；谏鲜隹紤]，本文基于STC89C52和nRF24L01開發(fā)設(shè)計(jì)了一款具備無(wú)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(shí)時(shí)無(wú)線通信，協(xié)作開展相關(guān)工作。

　　1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

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

　　整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)最小控制系統(tǒng)、電源模塊、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)、無(wú)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(lái)確定小車的工作模式（作為主機(jī)或從機(jī)、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(cè)數(shù)據(jù)來(lái)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。為了使多個(gè)小車能夠同時(shí)協(xié)調(diào)工作，需要獲取對(duì)方的精確定位，這里可建立坐標(biāo)系并根據(jù)運(yùn)行情況實(shí)時(shí)更新坐標(biāo)，并通過(guò)設(shè)計(jì)通信模塊及相應(yīng)通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)小車之間的通信。

　　1.2特征信號(hào)選擇

　　要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛，智能小車的傳感系統(tǒng)必須通過(guò)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(hào)。

　　1.2.1小車特征參數(shù)

　　小車在共同工作時(shí)需要明確對(duì)方位置及行駛模式，從而可以獲得信息采集點(diǎn)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(duì)于上電地點(diǎn)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(shí)車身前方為x軸方向，逆時(shí)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(cè)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(cè)量得到。脈沖數(shù)，小車運(yùn)動(dòng)時(shí)微控制器所輸出脈沖數(shù)。

　　1.2.2環(huán)境特征參數(shù)

　　實(shí)際工作時(shí)，兩車需獲知對(duì)方所處狀態(tài)，故無(wú)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(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)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(duì)位移，兩車之間的相對(duì)位置。

　　1.2.3參數(shù)定義及計(jì)算

　　對(duì)程序中各個(gè)參數(shù)的定義見表1。

　　小車方向的計(jì)算公式如式（1）所示：

　　angle=angle±n*Δangle（1）

　　坐標(biāo)的計(jì)算公式如式（2），式（3）所示：

　　x=x+cosα*n*Δs（2）

　　y=y+sinα*n*Δs（3）

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

　　2系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

　　2.1單片機(jī)最小控制系統(tǒng)

　　單片機(jī)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(jī)作為控制核心，微控制器通過(guò)I/O口與各個(gè)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(chǔ)器。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8KB FLASH，512BRAM，32bI/O口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB E2PROM，MAX810復(fù)位電路，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。此次設(shè)計(jì)傳感器共需要控制器I/O口20個(gè)（傳感器6個(gè)，電機(jī)4個(gè)，無(wú)線模塊6個(gè)，撥碼開關(guān)4個(gè)），對(duì)輸出處理速度要求并不高，STC89C52芯片的I/O口，中斷及定時(shí)器完全可以滿足其功能要求。

　　2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)

　　由于單片機(jī)輸出電流無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，本系統(tǒng)采用基于TB6560芯片的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)用以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

　　TB6560是東芝公司推出的低功耗、高集成兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。其主要特點(diǎn)有：內(nèi)部集成雙全橋MOSFET驅(qū)動(dòng);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(hù)芯片;具有過(guò)流保護(hù);采用HZIP25封裝。

　　基于TB6560的驅(qū)動(dòng)電路中步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)有3個(gè)（CLK，CW，ENABLE），分別由微控制器的P0.0，P0.1端控制電機(jī)的方向（轉(zhuǎn)向時(shí)輸出電平類型相反，前進(jìn)時(shí)輸出電平類型相同），P0.2，P0.3控制電機(jī)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(wú)線通信模塊采用nRF24L01無(wú)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(qiáng)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(guò)程序進(jìn)行配置。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有9mA;接收時(shí)，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(jì)更方便。

　　由模式選擇模塊確定小車的主、從機(jī)模式后，主機(jī)檢測(cè)到相應(yīng)標(biāo)志線后發(fā)送數(shù)據(jù)，從機(jī)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(wú)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(guò)P1.1，P1.2，P1.3，P1.4來(lái)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(gè)激光傳感器，型號(hào)為HLSD-2010B，分別置于小車左、右、前方，通過(guò)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(hào)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(duì)于不同的測(cè)量值會(huì)執(zhí)行不同的動(dòng)作。

　　2.5避障模塊

　　避障模塊采用4個(gè)光電傳感器，型號(hào)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(shí)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(yùn)動(dòng)分為四種情況，如圖4所示。

　　（1）只有1，2號(hào)紅外傳感器檢測(cè)到障礙物，此時(shí)小車向右運(yùn)動(dòng)，若3，4號(hào)傳感器檢測(cè)到則向左運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)。

　?。?）當(dāng)前方發(fā)現(xiàn)障礙物，1，4號(hào)均未檢測(cè)的障礙物時(shí)，令小車向右運(yùn)動(dòng)。

　?。?）當(dāng)4個(gè)紅外傳感器都測(cè)到障礙物時(shí)，小車先倒退，然后向右運(yùn)動(dòng)。

　　（4）若1，4檢測(cè)到障礙物而1，3沒有檢測(cè)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(jī)、循跡模塊及避障模塊的工作電壓為5V，無(wú)線模塊工作電壓為3.3V，設(shè)計(jì)過(guò)程中采用兩個(gè)由LM2596芯片構(gòu)成的DC-DC穩(wěn)壓模塊。

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

　　3系統(tǒng)軟件開發(fā)

　　本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采取模塊化的編程思想對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行程序編寫。在Keil4軟件所提供的平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。

　　主程序流程圖及中斷子程序流程圖如圖6，圖7所示。

　　設(shè)A車為主機(jī)，B車為從機(jī)。A車正常運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)送自身特征參數(shù)與環(huán)境特征參數(shù)數(shù)據(jù)給B車，隨后進(jìn)入接收模式等待應(yīng)答信號(hào)，從機(jī)接收到信息后返回應(yīng)答信號(hào)。單次通信成功后A車轉(zhuǎn)入接收模式，等待B車發(fā)送自身特征參數(shù)與環(huán)境特征參數(shù)，互相接收完成對(duì)方數(shù)據(jù)為一次完整通信成功。A、B在通信成功后又返回原行駛模式，并處理所接收對(duì)方數(shù)據(jù)后執(zhí)行相應(yīng)程序。

　　無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)包格式為：x軸坐標(biāo)-y軸坐標(biāo)-狀態(tài)位-道路狀態(tài)-障礙物狀態(tài)。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　本文基于51單片機(jī)和nRF24L01無(wú)線模塊設(shè)計(jì)的智能小車，其硬件部分采用模塊化的設(shè)計(jì)思路不僅為軟件的調(diào)試提供便利，同時(shí)有利于其他功能模塊的添加。該智能小車不僅包含避障、循跡等功能單元模塊，而且包含了無(wú)線通信模塊，實(shí)現(xiàn)了多車之間的實(shí)時(shí)通信，為多車協(xié)作開展高復(fù)雜度和高難度工作提供了可能性。