基于STC89C52和nRF24L01的智能小車設計 - 全文

　　智能小車，是一個集環境感知、規劃決策、自動行駛等功能于一體的綜合系統。它可以適應不同環境，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，因此在軍事、航空、探險等領域有著極其重要的應用。但隨著應用的深入，在很多場合下需要多個小車之間可以實時通信，協作開展工作。基于上述考慮，本文基于STC89C52和nRF24L01開發設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可以實時無線通信，協作開展相關工作。

　　1系統設計

　　1.1系統整體方案設計

　　基于STC89C52和nRF24L01的智能小車設計涉及到傳感器的應用、無線數據傳輸等，系統總體方案如圖1所示。

　　整個系統由單片機最小控制系統、電源模塊、電機及驅動、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、避障模塊是根據相應傳感器所檢測數據來執行相應動作。為了使多個小車能夠同時協調工作，需要獲取對方的精確定位，這里可建立坐標系并根據運行情況實時更新坐標，并通過設計通信模塊及相應通信方式來實現小車之間的通信。

　　1.2特征信號選擇

　　要實現自動行駛，智能小車的傳感系統必須通過各類傳感器，獲取小車的狀態特征、道路環境特征兩類特征信號。

　　1.2.1小車特征參數

　　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。特征狀態包括如下參數：

　　行駛模式，由撥碼開關確定的行駛模式。

　　小車坐標，小車當前位置相對于上電地點的坐標。

　　程序標志位，標志數據是否接收完數據。

　　方向，小車當前狀態與x軸方向的夾角。設上電時車身前方為x軸方向，逆時針旋轉90°為y軸方向。單位脈沖轉角，微控制器輸出單位脈沖小車所轉角度，數據需測量得到。

　　單位脈沖位移，微控制器輸出單位脈沖小車改變位移，數據需測量得到。脈沖數，小車運動時微控制器所輸出脈沖數。

　　1.2.2環境特征參數

　　實際工作時，兩車需獲知對方所處狀態，故無線傳輸數據中應包括環境特征參數。環境狀態包括以下參數：

　　狀態位，小車在運行過程中檢測到標志線后狀態標志。

　　道路狀態，由激光傳感器讀取的道路狀態。

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

　　1.2.3參數定義及計算

　　對程序中各個參數的定義見表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系統硬件實現

　　2.1單片機最小控制系統

　　單片機最小控制系統原理圖如圖2所示，本系統采用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在系統可編程FLASH存儲器。具有以下標準功能：8KB FLASH，512BRAM，32bI/O口線，看門狗定時器，內置4KB E2PROM，MAX810復位電路，三個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口。此次設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電機驅動

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

　　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動芯片。其主要特點有：內部集成雙全橋MOSFET驅動;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細分方式;內置溫度保護芯片;具有過流保護;采用HZIP25封裝。

　　基于TB6560的驅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控制電機的轉速，本電路中使能端始終接+5V。

　　2.3通信模塊

　　本系統的無線通信模塊采用nRF24L01無線模塊。nRF24L01是一款內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst技術的新型單片射頻收發器件。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）使節能設計更方便。

　　由模式選擇模塊確定小車的主、從機模式后，主機檢測到相應標志線后發送數據，從機接收到數據后應答并反饋回自身信息，并執行相應程序。

　　nRF24L01無線模塊原理圖如圖3所示，CE引腳功能為使能發射或接收，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的技術參數工作電壓5V，消耗電流DC小于25mA，響應時間小于2ms，指向角小于等于15°，有效距離為3～80cm可調，工作環境溫度為-25～55℃。

　　根據不同環境可將智能小車避障運動分為四種情況，如圖4所示。

　　（1）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。

　　（2）當前方發現障礙物，1，4號均未檢測的障礙物時，令小車向右運動。

　　（3）當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。

　　（4）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

　　本系統采用2節容量為2 250mA·h，額定電壓為3.6V的鋰電池供電。由于系統中單片機、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，設計過程中采用兩個由LM2596芯片構成的DC-DC穩壓模塊。

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

　　3系統軟件開發

　　本系統程序設計采取模塊化的編程思想對各個模塊進行程序編寫。在Keil4軟件所提供的平臺進行開發。

　　主程序流程圖及中斷子程序流程圖如圖6，圖7所示。

　　設A車為主機，B車為從機。A車正常運行一段時間后發送自身特征參數與環境特征參數數據給B車，隨后進入接收模式等待應答信號，從機接收到信息后返回應答信號。單次通信成功后A車轉入接收模式，等待B車發送自身特征參數與環境特征參數，互相接收完成對方數據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，并處理所接收對方數據后執行相應程序。