使用Arduino開發(fā)板設(shè)計的智能小車

　　芯片是從很早的六七十年代簡單的單片機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在先進(jìn)的處理器，已經(jīng)變得越來越強大。它給人們的生活帶來了不少的便利，不管是電腦，電視，空調(diào)，手機(jī)還是相機(jī)，都離不開芯片技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。但是隨著人們的要求越來越高，對芯片的性能要求也不斷提高，51單片機(jī)陳舊的結(jié)構(gòu)和落后的性能已經(jīng)越來越不能滿足人們對知識的渴望，所以一種嶄新的硬件平臺應(yīng)運而生——Arduino開發(fā)板。本文將介紹Arduino開發(fā)板的一些知識以及利用其各種便利特性設(shè)計的一款智能小車。

　　1.Arduino開發(fā)板

　　Arduino開發(fā)板(如圖1所示)是一個開源平臺，適合沒有基礎(chǔ)的學(xué)生學(xué)習(xí)和使用。Arduino是一塊基于開放源代碼的USB接口Simple LO接口板(包括12通道數(shù)字GPIO,4通道PWM輸出，6-8通道10bit ADC輸入通道)，該系統(tǒng)的硬件主要由Arduino UNO主控板、Arduino Xbee傳感器擴(kuò)展板、藍(lán)牙串口模塊和數(shù)字溫度傳感器組成。它構(gòu)建于開放原始碼simple I/O介面版，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。主要包含兩個的部分：硬件部分是可以用來做電路連接的Arduino開發(fā)板;另外一個則是Arduino IDE，你的計算機(jī)中的程序開發(fā)環(huán)境。你只要在IDE中編寫程序代碼，將程序上傳到Arduino開發(fā)板后，程序便會告訴Arduino開發(fā)板要做些什么了。

　　Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達(dá)和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。板子上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進(jìn)制文件，燒錄進(jìn)微控制器。對Arduino的編程是通過Arduino編程語言 (基于Wiring)和Arduino開發(fā)環(huán)境(基于Processing)來實現(xiàn)的?；贏rduino的項目，可以只包含Arduino，也可以包含Arduino和其他一些在PC上運行的軟件，它們之間進(jìn)行通信(比如Flash, Processing, MaxMSP)來實現(xiàn)。

圖1 Arduino開發(fā)板

　　2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1尋線功能的實現(xiàn)

　　小車想要完成尋線功能，希望它能夠跟著黑線走，那么它首先也要能夠“看見”那些黑線，因此需要用到傳感器。傳感器，簡單的說就是一種檢測裝置，能夠感受到被測量的信息，并將檢測到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或者是其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸，處理，存儲，顯示，記錄，控制等要求。這里選擇一個紅外巡線傳感器，而這個紅外傳感器就將充當(dāng)智能小車的眼睛來檢測黑線。紅外巡線傳感器模塊的原理是利用紅外對管檢測自己發(fā)出的紅外線反射光(深色反射弱，淺色反射強)。尋線傳感器可以幫助機(jī)器人進(jìn)行白線或者黑線跟蹤，可以檢測白底中的黑線，也可以檢測黑底中的白線，檢測到黑線返回低電平。

　　設(shè)計的小車采用前置驅(qū)動，由兩個電機(jī)分別控制左右兩個前輪，后面是個萬向輪，可以自由轉(zhuǎn)動。當(dāng)確定了小車模型之后，如果小車的兩個前輪同時以相同的速度向前轉(zhuǎn)的話那么小車就往前走。當(dāng)小車右輪向前轉(zhuǎn)左輪不動那么小車就會向左轉(zhuǎn)，同理小車左輪向前轉(zhuǎn)右輪不動那么小車就向右轉(zhuǎn)，兩個輪子同時以相同的速度向后轉(zhuǎn)那么小車就會倒車。接下來就是由傳感器控制小車運行了，在這里設(shè)置三個尋線傳感器，三個傳感器也就有三種情況，分別是每個傳感器遇到黑線而兩外兩個沒有遇到黑線時的三種情況。中間一個用于檢測黑線，當(dāng)中間的一個檢測到黑線時就返回低電平，此時小車直走;當(dāng)黑線向左邊轉(zhuǎn)彎，此時小車若直走則左邊的傳感器則會檢測到黑線，此時返回低電平，此時就要右輪轉(zhuǎn)，左輪停，小車就會向左轉(zhuǎn)彎;當(dāng)轉(zhuǎn)過彎后左邊的傳感器已經(jīng)檢測不到黑線，中間的又能檢測到黑線了，那么就繼續(xù)向前直走。同理，當(dāng)黑線向右轉(zhuǎn)彎時右邊的傳感器也會檢測到黑線，返回低電平，此時小車左輪轉(zhuǎn)，右輪停止，那么小車就會像右轉(zhuǎn)，直到中間的傳感器檢測到黑線為止。

　　2.2避障功能的實現(xiàn)

　　至于小車的避障功能，首先要選用傳感器，在這里選用紅外避障傳感器，由一個紅外****管和一個　　紅外接收管構(gòu)成。工作原理是：傳感器****紅外線，根據(jù)反射紅外光探測前方障礙物，無障礙物時輸出高電平，有障礙時輸出低電平。這樣看來其實這個傳感器的原理和之前的尋線傳感器是差不多的，因此可以如法炮制，先將傳感器裝在小車的前端來感受環(huán)境變化，在這里一樣使用三個傳感器，分別放在正前方，左前方，右前方。這里情況會比前面的尋線功能要稍微復(fù)雜一點，因為尋線只有一條，但是這里有可能是只有一個傳感器被遮擋，也有可能有兩個傳感器被遮擋，也有可能是三個傳感器都被遮擋，因此就需要把這幾種情況都要考慮進(jìn)去。

　　2.3超聲波測距功能的實現(xiàn)

　　對于超聲波測距功能，使用的是HC-SRO4，它是最常見的超聲波傳感器之一，價格便宜，好用;如圖2所示。超聲波的****和接收采用HC-SR04模塊，模塊包括超聲波****、接收器和控制電路3。超聲波的原理是非常簡單的，想要在Arduino平臺中實現(xiàn)也是—件非常方便的事情，不過因為要顯示到電腦上，所以別忘了串口的波特率設(shè)置。

　　2.4 溫度傳感功能的實現(xiàn)

　　溫度傳感功能，在這里選用的是DS18B20數(shù)字溫度傳感器。DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用接口線少等優(yōu)點。從主機(jī)CPU到DSI820僅需一條線(和地線)，DS1820的電源可以由數(shù)據(jù)線提供而不需要外部電源。因為每一個DS1820在出廠時已經(jīng)給定了唯一的序號，因此任意多個DS1820可以連接在同一條單線總線上。DS1820的測量范圍從- 55℃到+125℃增量值為0.5℃，可在ls(典型值)內(nèi)把溫度變換成數(shù)字。簡單的理解DS18B20測溫原理就是芯片把感知到的溫度換成數(shù)值放在數(shù)據(jù)寄存器里面，要想得到寄存器里面的數(shù)據(jù)，只有按照DALLAS規(guī)定的一種時序才能正確傳出數(shù)據(jù)，這種時序被稱為單總線，CPU就可通過單總線協(xié)議，取得DS18B20里面的溫度值。圖3是DS18B20引腳排列。

圖3 DS18B20引腳圖

　　2.5紅外控制功能的實現(xiàn)

　　為了實現(xiàn)紅外控制功能，所選擇的是38K紅外接收模塊，并且還帶有一個小遙控器以方便控制。這里要實現(xiàn)的目標(biāo)是對小車行走進(jìn)行控制，也就是控制小車前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)。前面的尋線也好，紅外避障也好，都提供了一個對小車行走的控制函數(shù)，在這里進(jìn)行調(diào)用就好了，這不是問題。限于紅外****的本質(zhì),也就是紅外線本身的限制，所以在控制范圍上是有限制的，就好比家里的電視遙控器，必須對準(zhǔn)了才能遙控，所以把紅外接收頭裝在小車后面，在后面進(jìn)行控制。

　　2.6智能小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　圖4是小車被三個傳感器控制的運行狀態(tài)，另外還有兩個傳感器的結(jié)果是要輸出到電腦用專用軟件的監(jiān)視窗口去進(jìn)行監(jiān)視的，如圖5所示。

圖4 小車控制框圖

　圖5 智能小車控制框圖

　　3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1超聲波傳感器程序設(shè)計

　　超聲波傳感器測距是通過先****超聲波然后檢測傳回的超聲波所耗費的時間從而計算距離，圖6是其流程圖。

圖6 超聲波測距流程圖

　　3.2紅外遙控程序設(shè)計

　　紅外模塊，因為配備了一個遙控器，所以先讀取出每個遙控中按鈕的值，然后將每個按鈕的值記錄下來，將每個值作為一個操作命令。當(dāng)遙控器中的某個按鈕按下時，就會****出那個對應(yīng)的值，然后當(dāng)紅外接收頭接收到信號時，處理器就會讀取到那個值并按照程序做出相應(yīng)的反應(yīng)，圖7是紅外控制邏輯框圖。

　圖7 紅外控制邏輯框圖

　　結(jié)束語

　　以上就是使用Arduino開發(fā)板設(shè)計的智能小車介紹了，該設(shè)計實現(xiàn)了小車的自動循跡、避障、超聲波測距等功能，在設(shè)計中軟件采用模塊化設(shè)計思想。實驗結(jié)果表明，利用傳感器自動采集環(huán)境數(shù)據(jù)從而按照程序自動運行。設(shè)計的智能小車操作簡單，穩(wěn)定可靠，該系統(tǒng)具有寬廣潛力和應(yīng)用價值。

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