淺析Arduino的單片機(jī)智能小車設(shè)計(jì)

依托各式各樣傳感器以實(shí)現(xiàn)對(duì)一系列信息的采集，傳輸至主控單元Arduino單片機(jī)處理數(shù)據(jù)后實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作，進(jìn)而達(dá)成自身控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，借助H橋驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)；借助手機(jī)藍(lán)牙用戶界面、HC-06藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙控制，借助HC-SR04超聲波模塊、舵機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)距及避障，最后通過(guò)控制單元處理數(shù)據(jù)后完成編程，并有效對(duì)一系列模塊信號(hào)予以整合，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作，達(dá)成智能控制目的，如同簡(jiǎn)易機(jī)器人。

1  整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

相較于其他系統(tǒng)，Arduino表現(xiàn)出編程簡(jiǎn)易、成本低、平臺(tái)跨越等諸多優(yōu)勢(shì)?，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(jì)提供有力支持。智能小車，指的是一款可對(duì)一系列實(shí)際狀況開(kāi)展智能自主評(píng)估分析，進(jìn)一步作出相應(yīng)最理想應(yīng)對(duì)操作的智能機(jī)器。智能小車整體結(jié)構(gòu)主要為，依托直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(jī)，單片機(jī)開(kāi)展對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理分析，實(shí)現(xiàn)最理想相應(yīng)的操作，這一過(guò)程也可稱之為智能化自身控制。

2  硬件設(shè)計(jì)

智能小車硬件環(huán)節(jié)以模塊化方式開(kāi)展設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1  智能小車硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

其中，對(duì)于電源模塊設(shè)計(jì)而言，電源模塊在全面系統(tǒng)設(shè)計(jì)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，該模塊設(shè)計(jì)穩(wěn)定與否重要決定了全面系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗。電源模塊設(shè)計(jì)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(hù)、保險(xiǎn)等手段變壓調(diào)整為其他電壓值，供由其他模塊使用。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源為12V，Arduino單片機(jī)運(yùn)行電壓為5V，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、紅外收發(fā)模塊等運(yùn)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(jì)框架示意圖

對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)而言，運(yùn)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N，其包括含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，連接外部續(xù)流二極管保護(hù)電路，進(jìn)而便可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。因?yàn)橹悄苄≤囯姍C(jī)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(hào)占空比，以實(shí)現(xiàn)對(duì)小車速度的控制。調(diào)節(jié)完畢PWM控制端后，變更控制信號(hào)輸入腳電平，便可使智能小車實(shí)現(xiàn)不同姿態(tài)的轉(zhuǎn)變。

圖3  電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于控制模塊設(shè)計(jì)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(jì)應(yīng)用Arduino單片機(jī)控制單元，通過(guò)主從通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)全面系統(tǒng)有序運(yùn)行的有效控制。主從雙方依托SPI總線開(kāi)展數(shù)據(jù)交互。模塊設(shè)計(jì)時(shí)，Arduino基于單片機(jī)控制核心，本模塊依據(jù)Arduino UNO開(kāi)展設(shè)計(jì)。Arduino作用于控制命令關(guān)鍵詞的傳輸及從機(jī)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(jī)主要作用于主機(jī)傳輸來(lái)命令關(guān)鍵詞的接收，并結(jié)合各種命令執(zhí)行對(duì)應(yīng)的子函數(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)不同的功能。

對(duì)于紅外收發(fā)模塊設(shè)計(jì)而言，其主要可劃分為紅外發(fā)射頭、接收頭的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，其中，兩個(gè)紅外發(fā)射頭通過(guò)PNP三極管實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，接收頭通過(guò)對(duì)應(yīng)的指示燈實(shí)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(gè)接收頭接收面正對(duì)發(fā)射頭正前方，同時(shí)發(fā)射頭、接收頭呈相應(yīng)角度列于智能小車頭部?jī)啥?，切?shí)縮減紅外信號(hào)誤接受率。與此同時(shí)，通過(guò)對(duì)紅外發(fā)射頭驅(qū)動(dòng)電路中可調(diào)電阻的控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)智能小車的紅外避障功能。

對(duì)于LCD顯示模塊設(shè)計(jì)而言，該模塊由LCD160、背光以及對(duì)比度調(diào)節(jié)電路組成，其主要負(fù)責(zé)呈現(xiàn)智能小車執(zhí)行相關(guān)功能的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)信息。該模塊設(shè)計(jì)過(guò)程中，依托四線制方式開(kāi)展數(shù)據(jù)信息發(fā)送，可實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)I/O端的有效控制

3  軟件設(shè)計(jì)

3.1  主機(jī)程序設(shè)計(jì)

在主機(jī)程序設(shè)計(jì)過(guò)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(jī)與從機(jī)的SPI通信可有效建立與否，則是實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)功能庫(kù)函數(shù)的調(diào)用。與此期間會(huì)涉及片選信號(hào)端電平拉低、命令關(guān)鍵詞及數(shù)據(jù)傳輸、片選信號(hào)端電平拉電等流程，結(jié)合對(duì)應(yīng)的時(shí)序便可實(shí)現(xiàn)對(duì)某一字節(jié)或若干字節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸，主機(jī)程序流程。

3.2  從機(jī)程序設(shè)計(jì)

對(duì)于從機(jī)程序設(shè)計(jì)而言，可將其劃分成兩個(gè)部分，即為初始化調(diào)用、子函數(shù)調(diào)用。單片機(jī)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(tái)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(hù)與否等。單片機(jī)配置位調(diào)節(jié)結(jié)束后，從機(jī)的SPI初始化應(yīng)當(dāng)與主機(jī)SPI初始化通信時(shí)序保持統(tǒng)一。程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，接收主機(jī)的數(shù)據(jù)通過(guò)中斷響應(yīng)方式實(shí)現(xiàn)接收。接收完成后，依托關(guān)鍵命令字的分析轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)的子函數(shù)，然后經(jīng)由數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)底層硬件調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，從機(jī)程序流程。

4  示例功能實(shí)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(shí)現(xiàn)智能小車的自動(dòng)避障功能。在這一功能設(shè)計(jì)過(guò)程中，借助外部中斷、定時(shí)器中斷方式以檢測(cè)紅外接收頭的信號(hào)輸出腳電壓轉(zhuǎn)變情況，縮減紅外信號(hào)檢測(cè)滯后性，進(jìn)一步增強(qiáng)智能小車對(duì)障礙物的檢測(cè)靈敏度。另外，可依托對(duì)PWM信號(hào)占空比的控制，以達(dá)成對(duì)智能小車運(yùn)動(dòng)速度的有效調(diào)節(jié)；可依托對(duì)智能小車避障動(dòng)作延時(shí)參數(shù)、紅外發(fā)射頭可調(diào)電阻值的調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車避障效果的有效調(diào)節(jié)。

4.2  藍(lán)牙遙控

藍(lán)牙遙控是以Arduino連接藍(lán)牙模塊及手機(jī)應(yīng)用軟件藍(lán)牙遙控為基礎(chǔ)，實(shí)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(lán)牙模塊從設(shè)備端接收數(shù)據(jù)，并對(duì)其開(kāi)展分析，然后將分析結(jié)果控制邏輯及應(yīng)用軟件手勢(shì)控制邏輯開(kāi)展評(píng)定處理，進(jìn)而便可達(dá)成手持設(shè)備遙控智能小車的目的。依托手勢(shì)的不同方向操作，可實(shí)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(jì)的一款應(yīng)用軟件，該應(yīng)用軟件可實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙連接，并可實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收、傳輸?shù)裙δ堋?/span>

5  結(jié)語(yǔ)

基于Arduino的單片機(jī)智能小車設(shè)計(jì)，主要是以Arduino單片機(jī)為核心，依托藍(lán)牙系統(tǒng)對(duì)Arduino單片機(jī)的反饋，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車通信行動(dòng)的智能控制，然后依托控制處理器對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)開(kāi)展分析，進(jìn)一步調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的主驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)智能小車的紅外避障、藍(lán)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(kāi)拓創(chuàng)新，加強(qiáng)對(duì)國(guó)內(nèi)外成功發(fā)展經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)借鑒，提高對(duì)Arduino的有效認(rèn)識(shí)，切實(shí)推進(jìn)智能小車設(shè)計(jì)的健康穩(wěn)定發(fā)展。

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