基于STC89C52和nRF24L01的智能小车设计 - 全文

　　智能小车，是一个集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统。它可以适应不同环境，不受温度、湿度等条件的影响，完成危险地段、人类无法介入等特殊情况下的任务，因此在军事、航空、探险等领域有着极其重要的应用。但随着应用的深入，在很多场合下需要多个小车之间可以实时通信，协作开展工作。基于上述考虑，本文基于STC89C52和nRF24L01开发设计了一款具备无线通信功能的智能小车。该小车不仅具备循线、避障等功能，而且在一定距离范围内可以实时无线通信，协作开展相关工作。

　　1系统设计

　　1.1系统整体方案设计

　　基于STC89C52和nRF24L01的智能小车设计涉及到传感器的应用、无线数据传输等，系统总体方案如图1所示。

　　整个系统由单片机最小控制系统、电源模块、电机及驱动、无线通信模块、模式选择模块、循迹模块以及避障模块等。智能小车上电后，可由模式选择模块来确定小车的工作模式（作为主机或从机、循迹或避障等）;循迹、避障模块是根据相应传感器所检测数据来执行相应动作。为了使多个小车能够同时协调工作，需要获取对方的精确定位，这里可建立坐标系并根据运行情况实时更新坐标，并通过设计通信模块及相应通信方式来实现小车之间的通信。

　　1.2特征信号选择

　　要实现自动行驶，智能小车的传感系统必须通过各类传感器，获取小车的状态特征、道路环境特征两类特征信号。

　　1.2.1小车特征参数

　　小车在共同工作时需要明确对方位置及行驶模式，从而可以获得信息采集点坐标。特征状态包括如下参数：

　　行驶模式，由拨码开关确定的行驶模式。

　　小车坐标，小车当前位置相对于上电地点的坐标。

　　程序标志位，标志数据是否接收完数据。

　　方向，小车当前状态与x轴方向的夹角。设上电时车身前方为x轴方向，逆时针旋转90°为y轴方向。单位脉冲转角，微控制器输出单位脉冲小车所转角度，数据需测量得到。

　　单位脉冲位移，微控制器输出单位脉冲小车改变位移，数据需测量得到。脉冲数，小车运动时微控制器所输出脉冲数。

　　1.2.2环境特征参数

　　实际工作时，两车需获知对方所处状态，故无线传输数据中应包括环境特征参数。环境状态包括以下参数：

　　状态位，小车在运行过程中检测到标志线后状态标志。

　　道路状态，由激光传感器读取的道路状态。

　　障碍物状态，由光电传感器读取的障碍物状态。绝对位移，两车之间的相对位置。

　　1.2.3参数定义及计算

　　对程序中各个参数的定义见表1。

　　小车方向的计算公式如式（1）所示：

　　angle=angle±n*Δangle（1）

　　坐标的计算公式如式（2），式（3）所示：

　　x=x+cosα*n*Δs（2）

　　y=y+sinα*n*Δs（3）

　　绝对位移的计算公式如式（4）所示：L0=（x 1-x2）2+（y1-y2）2（4）

　　2系统硬件实现

　　2.1单片机最小控制系统

　　单片机最小控制系统原理图如图2所示，本系统采用STC89C52单片机作为控制核心，微控制器通过I/O口与各个模块相连。

　　STC89C5是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程FLASH存储器。具有以下标准功能：8KB FLASH，512BRAM，32bI/O口线，看门狗定时器，内置4KB E2PROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。此次设计传感器共需要控制器I/O口20个（传感器6个，电机4个，无线模块6个，拨码开关4个），对输出处理速度要求并不高，STC89C52芯片的I/O口，中断及定时器完全可以满足其功能要求。

　　2.2电机驱动

　　由于单片机输出电流无法直接驱动电机，本系统采用基于TB6560芯片的步进电机驱动用以驱动步进电机。

　　TB6560是东芝公司推出的低功耗、高集成两相混合式步进电机驱动芯片。其主要特点有：内部集成双全桥MOSFET驱动;最高耐压40V，单相输出最大电流3.5A（峰值）;具有整步、1/2，1/8，1/16细分方式;内置温度保护芯片;具有过流保护;采用HZIP25封装。

　　基于TB6560的驱动电路中步进电机控制信号有3个（CLK，CW，ENABLE），分别由微控制器的P0.0，P0.1端控制电机的方向（转向时输出电平类型相反，前进时输出电平类型相同），P0.2，P0.3控制电机的转速，本电路中使能端始终接+5V。

　　2.3通信模块

　　本系统的无线通信模块采用nRF24L01无线模块。nRF24L01是一款内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术的新型单片射频收发器件。工作于2.4～2.5GHz ISM频段，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。

　　由模式选择模块确定小车的主、从机模式后，主机检测到相应标志线后发送数据，从机接收到数据后应答并反馈回自身信息，并执行相应程序。

　　nRF24L01无线模块原理图如图3所示，CE引脚功能为使能发射或接收，由P1.0控制;CSN，SCK，MOSI，MISO为SPI引脚端，微处理器可通过P1.1，P1.2，P1.3，P1.4来配置nRF24L01;IRQ为中断标志位，由P1.5控制。

　　2.4循迹模块

　　循迹模块采用3个激光传感器，型号为HLSD-2010B，分别置于小车左、右、前方，通过P2.5，P2.6，P2.7控制。

　　HLSD-2010B激光传感器的工作电压为5V，工作电流最大为30mA，信号输出方式为直接电平输出。

　　激光传感器真值表见表2，控制器对于不同的测量值会执行不同的动作。

　　2.5避障模块

　　避障模块采用4个光电传感器，型号为E18-D80NK分别置于车体前方位置。

　　光电传感器E18的技术参数工作电压5V，消耗电流DC小于25mA，响应时间小于2ms，指向角小于等于15°，有效距离为3～80cm可调，工作环境温度为-25～55℃。

　　根据不同环境可将智能小车避障运动分为四种情况，如图4所示。

　　

　　（1）只有1，2号红外传感器检测到障碍物，此时小车向右运动，若3，4号传感器检测到则向左运动方向运动。

　　（2）当前方发现障碍物，1，4号均未检测的障碍物时，令小车向右运动。

　　（3）当4个红外传感器都测到障碍物时，小车先倒退，然后向右运动。

　　（4）若1，4检测到障碍物而1，3没有检测到障碍物，小车并不改变方向仍按直线行走。

　　2.6电源模块

　　本系统采用2节容量为2 250mA·h，额定电压为3.6V的锂电池供电。由于系统中单片机、循迹模块及避障模块的工作电压为5V，无线模块工作电压为3.3V，设计过程中采用两个由LM2596芯片构成的DC-DC稳压模块。

　　原理图如图5所示，对于微控制器稳压模块，输入为7.2V，输出为5.0V;对于nRF24L01稳压模块，输入为5.0V，输出为3.3V。

　　

　　3系统软件开发

　　本系统程序设计采取模块化的编程思想对各个模块进行程序编写。在Keil4软件所提供的平台进行开发。

　　主程序流程图及中断子程序流程图如图6，图7所示。

　

　　设A车为主机，B车为从机。A车正常运行一段时间后发送自身特征参数与环境特征参数数据给B车，随后进入接收模式等待应答信号，从机接收到信息后返回应答信号。单次通信成功后A车转入接收模式，等待B车发送自身特征参数与环境特征参数，互相接收完成对方数据为一次完整通信成功。A、B在通信成功后又返回原行驶模式，并处理所接收对方数据后执行相应程序。

　

　　无线传输数据包格式为：x轴坐标-y轴坐标-状态位-道路状态-障碍物状态。

　　4结语

　　本文基于51单片机和nRF24L01无线模块设计的智能小车，其硬件部分采用模块化的设计思路不仅为软件的调试提供便利，同时有利于其他功能模块的添加。该智能小车不仅包含避障、循迹等功能单元模块，而且包含了无线通信模块，实现了多车之间的实时通信，为多车协作开展高复杂度和高难度工作提供了可能性。