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摘要:為了有效減少我國交通事故的發生，提高人民的生活水平，給越來越多擁有汽車的人帶來方便，同時減少身邊的安全隱患，設想如果可以實現汽車的智能化，使其可以自動避障，那就可以大幅度地減少交通事故的發生。本文根據單片機原理與傳感器理論，提出一種在實驗室條件下基于超聲波傳感器的避障小車模型系統，它以單片機為控制核心，通過分析測速、測距模塊傳遞回來的數據以達到避開前方障礙物的目的。超聲波測距的易實現性、高精度性以及自適應理論的應用，都使得小車能更好地避障。通過理論研究與實物制作演示，證明此小車可以很好地完成避障目的，但要達到實際應用還需要進一步的探討與研究。

關鍵詞:超聲波測距;避障小車;單片機;自適應

私家車的普及改變了我們的生活方式，提高了我們的生活質量。現如今，汽車已成為人們生活必需品之一，它給我們帶來方便的同時，發生在身邊的交通事故也越來越頻繁，我們的安全保障已極度下降。設想如果能使小車變得智能化，使其可以自動避開障礙物，那么人們的安全將會有極大的保障，所以智能汽車的研究已經是一個必然趨勢［1－4］。超聲波作為智能汽車避障的一種重要手段，有其明顯的優點，主要表現在避障的易實現性，易實時控制性和高精度性，因此，超聲波傳感器在汽車智能化進程中將會發揮極大的作用。目前我國在很多科技領域都達到國際領先水平，可以預見，未來智能車的發展也一定會大步向前。在這種情況下研究基于超聲波的智能避障小車將具有很大的意義，這將會間接促進我國在汽車智能化領域競爭力的逐步提高。

1．總體方案設計

本文主要闡述了基于超聲波傳感器的避障小車系統的理論以及設計。系統使用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片［5］，通過超聲波測距傳感器來獲取小車與障礙物之間的距離，并用光電計數器測得小車的行駛速度，并且用LCD實時地顯示出來，在小車與障礙物的距離小于20cm(軟件設定)時，小車會發出“距離前方20cm(此時LCD也實時顯示20cm)，請避讓”的語音提示，并且轉向，以避開障礙物。本文將設計方案主要分為兩部分［6－8］。一部分是硬件電路的實現，主要包括單片機主控模塊、超聲波測距模塊、電源模塊、光控測速模塊、電機及電機驅動模塊、語音提示模塊、LCD顯示模塊;另外一部分是軟件的實現，主要包括主程序，各個分塊程序等方面。圖1為避障小車系統框圖。

2．硬件系統設計

2．1單片機主控模塊設計

圖2為單片機主控模塊電路圖，該模塊使用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片，它相比一般單片機有處理速度快、運行功耗低、抗干擾強等優點。主控模塊利用單片機定時/計數器來計算超聲波發射與接收的時間差，計算出小車與障礙物之間的距離;通過定時/計數器來計算與光控計數器配套的碼盤單位時間轉過的圈數來計算小車的行進速度;并將障礙物距離信息與速度信息實時顯示在LCD上;使用電機驅動模塊來控制電機的拐彎與前行;通過語音模塊在轉彎避障的同時發出語音提示。

2．2超聲波測距模塊設計

超聲波穿透力強，具有優良的穿透性，被廣泛使用在測距方面。超聲波測距的原理是在已知聲波在室溫下傳播速度為V=340m/s，測量聲波S=V*7/2在發射后遇到障礙物返回來的時間差T，利用公式來計算發射點與障礙物之間的距離。圖3為超聲波測距模塊電路圖，該模塊采用的是HC－SR04，此模塊性能穩定、精度較高，盲區非常小。探測距離最遠可達400cm，能滿足此次設計的需求。理論上使用一個超聲波測距模塊即可，但在實際測試中，發現如果用一個超聲波測距模塊，小車在拐彎之后不容易走直線。因此我們使用了三個超聲波測距模塊來改進控制效果，分別放在小車的左側、前方、右側三個方向。實驗證明改進后小車避障后行進路線明顯改善，特別是在墻角以及三面都有障礙物的環境下。

2．3光控測速模塊設計圖

4為光控測速模塊電路圖，該模塊利用的是光電計數器原理［9，10］，本次設計所使用的傳感器是比較常見且效果明顯的紅外光電式傳感器。其中一個紅外二極管發出紅外波長的光，它不受室內其他自然光的影響，紅外線如果沒有障礙物所阻擋，就會被另一個光敏三極管所接收。光敏三極管接收到此信號之后，我們再接一個放大器進行放大，最終通過整形，轉換為矩形數字脈沖信號，通過STC12C5A60S2單片機來計數。本次設計采用的是一個10格碼盤和SD/2測速傳感器，此測速傳感器使用的是74HC14D，工作電壓為3．3～5V，輸出為數字脈沖信號，采用紅外線中斷的檢測方式，當探測到障礙物時輸出為高電平，反之為低電平。測速模塊有三個端口，一個為電源正極輸入口，接3．3～5V的輸入電壓，一個為負極輸入口，接GND，還有一個為信號輸出口，接單片機的一個外部中斷口，每當有紅外線導通時就是一個低電平脈沖，將10格碼盤套在電機上，將速度傳感器置于碼盤兩側，電機轉一圈射線便導通10次，此時外部低電平觸發中斷10次，這樣我們用單片機的定時器計算1S內能接受多少個外部中斷，除以10就能判斷小車輪子在1S內轉了幾圈，然后用尺子量出小車輪子的周長，就可得知小車1S行駛的速度。

2．4電源模塊設計圖

5為電源模塊電路圖，小車各個模塊都需要供電，如果分別供電會使整體結構顯得臃腫。經過分類，得出單片機主控模塊、超聲波測距模塊、光控測速模塊、語音提示模塊、LCD顯示模塊以及電機驅動模塊都需要5V的供電。而電機驅動模塊需要兩路供電，除了使用5V外，還需要7～12v電源供電。綜合上面的兩種供電模式，我們選擇采用2節Ultrafire18650可充電鋰電池，此電池電壓為3．7V，可以反復充電10000次。此7．4V電源一路直接給電機驅動供電，另外分出一路送入穩壓電路模塊，產生5V的電壓。在5V的穩壓電路中，選用的是7805芯片，如果能夠保證散熱情況良好，可以提供1．5A以上的電流。采用7805芯片搭建的電源電路非常簡單、實用，輸出電流完全能夠滿足需要5V供電的系統模塊。

2．5電機及電機驅動模塊設計

電機模塊用來控制小車前進，電機驅動模塊是為了給電機提供穩定的工作電壓，使電機正常工作。圖6為電機及電機驅動模塊電路圖，本次設計選擇的是四個直流電機，當小車直走時，給四個電機相同組合的電壓，小車就會一直向前走。當檢測到障礙物，通過控制輸入電機的電壓，使電機產生速度差來控制小車轉彎。但由于電機工作時，需要較大的工作電流，因此需要電機驅動芯片來驅動電機。在避障時候，給左邊兩個輪子相同組合電壓，右邊兩個輪子相反電平組合，小車就會左轉;使上述操作相反，小車就會向右轉。如果小車需要停止，給使能端輸入低電平信號即可。本設計使用的是L298N電機驅動芯片，L298N可同時驅動兩路直流減速電機，OUT1和OUT2接IN1和IN2控制的電機，OUT3和OUT4接另一路電機。

2．6LCD顯示模塊設計

LCD顯示模塊主要用來實時顯示小車行駛過程中的信息，包括距離前方、左側和右側障礙物之間的距離，以及當前小車的行駛速度。圖7為LCD顯示模塊電路圖，本次設計采用的是1602液晶顯示屏，這次設計第一行顯示的為距離信息，包括:;第二行包括:1602顯示屏共有16個引腳，VSS接5V電源，VDD接GND。RS為數據/命令選擇端，當高電平時，使用數據寄存器，低電平時采用指令寄存器，接STC12C5A60S2的一個I/O口。E為使能信號端口，當其有高電平轉為低電平的時候，液晶模塊開始執行命令，也接單片機的一個I/O口，加上RS以及R/W，此三個端口為液晶的控制端口。還有D1－D8八個數據傳送端口，用來和單片機之間進行數據傳送。

2．7語音提示模塊

圖8為語音提示模塊電路圖，該模塊的作用是用來在小車拐彎避障時發出提示。事先設定一個“距離”，當小車到達此要求時，語音模塊會發出語音提示，此提示是:“距離前方二十厘米，請避讓。”本次設計采用的是WT588D語音芯片，使用它時不需要搭建復雜的外圍電路，將需要的信息下載到它的內存中，再通過上位機來控制它。預先給語音芯片錄入“距前方X，請避讓”等語音信息，再通過單片機程序來控制語音芯片的播放，以達到避障提醒的目的。

3．軟件系統設計

軟件部分的設計思路與硬件設計相似，程序使用C語言編寫，采用模塊化設計，將一個大程序按照功能劃分為若干子程序模塊，將具體的問題抽象化，使得程序設計更加簡單、直觀，這樣不僅使程序易于編寫而且擴展性大大增強，從而提高了程序的易讀性和可維護性，還可以把程序中經常用到的一些功能編寫成通用函數，做到隨調隨用。軟件部分包含主程序、測距函數、測速函數、中斷服務函數、延時函數、顯示函數、驅動函數［11－13］。測距函數用來對超聲波測距模塊返回的外部中斷進行處理進而實時測得距離前方障礙物的距離。測速函數用來對光控測速傳感器傳回的外部中斷進行處理以實時獲得小車的速度。顯示函數用來顯示測距模塊與測速模塊反饋回的信息。圖9為主程序流程圖，程序開始執行的同時驅動小車前進，單片機發送觸發信號，判斷前方是否有障礙物，如果沒有障礙物，則繼續前進，否則計算距離并播報給用戶，判斷是否小于預先設定的閾值20cm，如果不是，則繼續前進，否則驅動電機完成避障后，繼續前進。程序中用到自適應控制理論，當小車拐彎后，由于各種原因可能導致小車拐彎不夠精確或拐彎后不能按直線走，針對此問題，在軟件中進行處理，當小車拐彎時，讓小車不斷的檢測調整，使其快速糾正走直線，以達到自適應控制的目的。圖10為超聲波避障小車的成品圖。

4．結論與展望

本系統以STC12C5A60S2單片機為主控芯片，采用超聲波傳感器來精測測距，設計了一種超聲波避障小車系統，實現了全自動避障并語音播報障礙物距離的功能。經實驗證明，該系統運行良好，能夠以較高的速度穩定運行，且硬件簡單，能實現對周邊環境的動態感知，達到了預期效果。今后如能對硬件結構進行更合理的優化，該系統的功能仍有很大的擴展空間。

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作者：喬凌霄 郭超維 劉源濤 溫帥 孟朝霞 單位：山西能源學院