淺析Arduino的單片機智能小車設(shè)計

依托各式各樣傳感器以實現(xiàn)對一系列信息的采集，傳輸至主控單元Arduino單片機處理數(shù)據(jù)后實現(xiàn)相應(yīng)操作，進而達成自身控制。電機驅(qū)動電路，借助H橋驅(qū)動模塊驅(qū)動2個直流電機；借助手機藍牙用戶界面、HC-06藍牙模塊實現(xiàn)藍牙控制，借助HC-SR04超聲波模塊、舵機模塊實現(xiàn)測距及避障，最后通過控制單元處理數(shù)據(jù)后完成編程，并有效對一系列模塊信號予以整合，并實現(xiàn)相應(yīng)操作，達成智能控制目的，如同簡易機器人。

1  整體系統(tǒng)設(shè)計方案

相較于其他系統(tǒng)，Arduino表現(xiàn)出編程簡易、成本低、平臺跨越等諸多優(yōu)勢?，F(xiàn)階段，較為常用的Arduino版本為Arduino UNO R3，其高效性、穩(wěn)定性可為智能小車設(shè)計提供有力支持。智能小車，指的是一款可對一系列實際狀況開展智能自主評估分析，進一步作出相應(yīng)最理想應(yīng)對操作的智能機器。智能小車整體結(jié)構(gòu)主要為，依托直流電動機驅(qū)動，將各式各樣傳感器采集的信息數(shù)據(jù)傳輸至主控單元Arduino單片機，單片機開展對應(yīng)的數(shù)據(jù)處理分析，實現(xiàn)最理想相應(yīng)的操作，這一過程也可稱之為智能化自身控制。

2  硬件設(shè)計

智能小車硬件環(huán)節(jié)以模塊化方式開展設(shè)計，設(shè)計內(nèi)容主要包括電源模塊、電機驅(qū)動模塊、控制模塊、紅外收發(fā)模塊、LCD顯示模塊等，智能小車硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1  智能小車硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖

其中，對于電源模塊設(shè)計而言，電源模塊在全面系統(tǒng)設(shè)計中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，該模塊設(shè)計穩(wěn)定與否重要決定了全面系統(tǒng)設(shè)計的成敗。電源模塊設(shè)計框架，如圖2所示。本次系統(tǒng)的電源主要源自12V、720mA可充電式鋰電池，經(jīng)由逆流保護、保險等手段變壓調(diào)整為其他電壓值，供由其他模塊使用。電機驅(qū)動電源為12V，Arduino單片機運行電壓為5V，電機驅(qū)動模塊、顯示模塊、紅外收發(fā)模塊等運行電壓為5V，另外Arduino還可提供3.5V、5V雙電壓。

圖2  電源模塊設(shè)計框架示意圖

對于電機驅(qū)動模塊設(shè)計而言，運用電機驅(qū)動芯片L298N，其包括含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，連接外部續(xù)流二極管保護電路，進而便可實現(xiàn)兩個電機的運動姿態(tài)控制。電機驅(qū)動模塊電路設(shè)計結(jié)構(gòu)，如圖3所示。因為智能小車電機未設(shè)置轉(zhuǎn)速編碼盤或者相關(guān)傳感器，依托調(diào)節(jié)PWM輸出腳脈沖信號占空比，以實現(xiàn)對小車速度的控制。調(diào)節(jié)完畢PWM控制端后，變更控制信號輸入腳電平，便可使智能小車實現(xiàn)不同姿態(tài)的轉(zhuǎn)變。

圖3  電機驅(qū)動模塊電路設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖

對于控制模塊設(shè)計而言，控制模塊在全面系統(tǒng)中可發(fā)揮至關(guān)重要的控制作用。系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用Arduino單片機控制單元，通過主從通信方式實現(xiàn)對全面系統(tǒng)有序運行的有效控制。主從雙方依托SPI總線開展數(shù)據(jù)交互。模塊設(shè)計時，Arduino基于單片機控制核心，本模塊依據(jù)Arduino UNO開展設(shè)計。Arduino作用于控制命令關(guān)鍵詞的傳輸及從機數(shù)據(jù)的接收，但不直接參與底層硬件模塊的控制工作；單片機主要作用于主機傳輸來命令關(guān)鍵詞的接收，并結(jié)合各種命令執(zhí)行對應(yīng)的子函數(shù)，進一步實現(xiàn)不同的功能。

對于紅外收發(fā)模塊設(shè)計而言，其主要可劃分為紅外發(fā)射頭、接收頭的驅(qū)動電路設(shè)計，其中，兩個紅外發(fā)射頭通過PNP三極管實現(xiàn)驅(qū)動，接收頭通過對應(yīng)的指示燈實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收指示。紅外發(fā)射頭設(shè)置于PCB頂部，接收頭設(shè)置于PCB底部，兩個接收頭接收面正對發(fā)射頭正前方，同時發(fā)射頭、接收頭呈相應(yīng)角度列于智能小車頭部兩端，切實縮減紅外信號誤接受率。與此同時，通過對紅外發(fā)射頭驅(qū)動電路中可調(diào)電阻的控制，可實現(xiàn)對紅外發(fā)射頭電流的有效調(diào)節(jié)。值得一提的是，依托紅外收發(fā)模塊，可實現(xiàn)智能小車的紅外避障功能。

對于LCD顯示模塊設(shè)計而言，該模塊由LCD160、背光以及對比度調(diào)節(jié)電路組成，其主要負責(zé)呈現(xiàn)智能小車執(zhí)行相關(guān)功能的對應(yīng)數(shù)據(jù)信息。該模塊設(shè)計過程中，依托四線制方式開展數(shù)據(jù)信息發(fā)送，可實現(xiàn)對單片機I/O端的有效控制

3  軟件設(shè)計

3.1  主機程序設(shè)計

在主機程序設(shè)計過程中，涉及到SPI連接、SPI通信初始化、SPI數(shù)據(jù)發(fā)送等關(guān)鍵函數(shù)，而主機與從機的SPI通信可有效建立與否，則是實現(xiàn)其他功能函數(shù)的重要基礎(chǔ)。SPI總線初始化函數(shù)實現(xiàn)SPI功能初始化，涉及片選引腳選擇、輸入輸出模式設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸方式等內(nèi)容。調(diào)節(jié)滿意后，loop主函數(shù)部分便可實現(xiàn)對相關(guān)功能庫函數(shù)的調(diào)用。與此期間會涉及片選信號端電平拉低、命令關(guān)鍵詞及數(shù)據(jù)傳輸、片選信號端電平拉電等流程，結(jié)合對應(yīng)的時序便可實現(xiàn)對某一字節(jié)或若干字節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸，主機程序流程。

3.2  從機程序設(shè)計

對于從機程序設(shè)計而言，可將其劃分成兩個部分，即為初始化調(diào)用、子函數(shù)調(diào)用。單片機配置位設(shè)置涉及諸多方面內(nèi)容，諸如選擇芯片振蕩器模式、禁用后臺調(diào)試器、調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)區(qū)和引導(dǎo)區(qū)中相關(guān)數(shù)據(jù)保護與否等。單片機配置位調(diào)節(jié)結(jié)束后，從機的SPI初始化應(yīng)當(dāng)與主機SPI初始化通信時序保持統(tǒng)一。程序設(shè)計過程中，接收主機的數(shù)據(jù)通過中斷響應(yīng)方式實現(xiàn)接收。接收完成后，依托關(guān)鍵命令字的分析轉(zhuǎn)至對應(yīng)的子函數(shù)，然后經(jīng)由數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)底層硬件調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)各項功能，從機程序流程。

4  示例功能實現(xiàn)

4.1  紅外避障

紅外避障是以Arduino兩組紅外收發(fā)器為基礎(chǔ)實現(xiàn)智能小車的自動避障功能。在這一功能設(shè)計過程中，借助外部中斷、定時器中斷方式以檢測紅外接收頭的信號輸出腳電壓轉(zhuǎn)變情況，縮減紅外信號檢測滯后性，進一步增強智能小車對障礙物的檢測靈敏度。另外，可依托對PWM信號占空比的控制，以達成對智能小車運動速度的有效調(diào)節(jié)；可依托對智能小車避障動作延時參數(shù)、紅外發(fā)射頭可調(diào)電阻值的調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)對智能小車避障效果的有效調(diào)節(jié)。

4.2  藍牙遙控

藍牙遙控是以Arduino連接藍牙模塊及手機應(yīng)用軟件藍牙遙控為基礎(chǔ)，實現(xiàn)手持設(shè)備遙控智能小車的功能。Arduino模塊經(jīng)由串口接收藍牙模塊從設(shè)備端接收數(shù)據(jù)，并對其開展分析，然后將分析結(jié)果控制邏輯及應(yīng)用軟件手勢控制邏輯開展評定處理，進而便可達成手持設(shè)備遙控智能小車的目的。依托手勢的不同方向操作，可實現(xiàn)智能小車的不同功能。手持設(shè)備控制軟件依托第三方設(shè)計的一款應(yīng)用軟件，該應(yīng)用軟件可實現(xiàn)藍牙連接，并可實現(xiàn)藍牙數(shù)據(jù)接收、傳輸?shù)裙δ堋?/span>

5  結(jié)語

基于Arduino的單片機智能小車設(shè)計，主要是以Arduino單片機為核心，依托藍牙系統(tǒng)對Arduino單片機的反饋，從而實現(xiàn)對智能小車通信行動的智能控制，然后依托控制處理器對相關(guān)數(shù)據(jù)開展分析，進一步調(diào)節(jié)電動機的主驅(qū)動，以實現(xiàn)智能小車的紅外避障、藍牙遙控等智能化功能。因而，相關(guān)人員必須要加大研究力度，不斷開拓創(chuàng)新，加強對國內(nèi)外成功發(fā)展經(jīng)驗的學(xué)習(xí)借鑒，提高對Arduino的有效認識，切實推進智能小車設(shè)計的健康穩(wěn)定發(fā)展。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://m.00559.cn/w/qk/21223.html