使用Arduino開發(fā)板設(shè)計(jì)的智能小車

　　芯片是從很早的六七十年代簡(jiǎn)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(lái)越強(qiáng)大。它給人們的生活帶來(lái)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(lái)越高，對(duì)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(lái)越不能滿足人們對(duì)知識(shí)的渴望，所以一種嶄新的硬件平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生——Arduino開發(fā)板。本文將介紹Arduino開發(fā)板的一些知識(shí)以及利用其各種便利特性設(shè)計(jì)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(gè)開源平臺(tái)，適合沒(méi)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(yǔ)言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。主要包含兩個(gè)的部分：硬件部分是可以用來(lái)做電路連接的Arduino開發(fā)板;另外一個(gè)則是Arduino IDE，你的計(jì)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(huì)告訴Arduino開發(fā)板要做些什么了。

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

圖1 Arduino開發(fā)板

　　2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1尋線功能的實(shí)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(jiǎn)單的說(shuō)就是一種檢測(cè)裝置，能夠感受到被測(cè)量的信息，并將檢測(cè)到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)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(chǔ)，顯示，記錄，控制等要求。這里選擇一個(gè)紅外巡線傳感器，而這個(gè)紅外傳感器就將充當(dāng)智能小車的眼睛來(lái)檢測(cè)黑線。紅外巡線傳感器模塊的原理是利用紅外對(duì)管檢測(cè)自己發(fā)出的紅外線反射光(深色反射弱，淺色反射強(qiáng))。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(cè)白底中的黑線，也可以檢測(cè)黑底中的白線，檢測(cè)到黑線返回低電平。

　　設(shè)計(jì)的小車采用前置驅(qū)動(dòng)，由兩個(gè)電機(jī)分別控制左右兩個(gè)前輪，后面是個(gè)萬(wàn)向輪，可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)確定了小車模型之后，如果小車的兩個(gè)前輪同時(shí)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(dòng)那么小車就會(huì)向左轉(zhuǎn)，同理小車左輪向前轉(zhuǎn)右輪不動(dòng)那么小車就向右轉(zhuǎn)，兩個(gè)輪子同時(shí)以相同的速度向后轉(zhuǎn)那么小車就會(huì)倒車。接下來(lái)就是由傳感器控制小車運(yùn)行了，在這里設(shè)置三個(gè)尋線傳感器，三個(gè)傳感器也就有三種情況，分別是每個(gè)傳感器遇到黑線而兩外兩個(gè)沒(méi)有遇到黑線時(shí)的三種情況。中間一個(gè)用于檢測(cè)黑線，當(dāng)中間的一個(gè)檢測(cè)到黑線時(shí)就返回低電平，此時(shí)小車直走;當(dāng)黑線向左邊轉(zhuǎn)彎，此時(shí)小車若直走則左邊的傳感器則會(huì)檢測(cè)到黑線，此時(shí)返回低電平，此時(shí)就要右輪轉(zhuǎn)，左輪停，小車就會(huì)向左轉(zhuǎn)彎;當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)彎后左邊的傳感器已經(jīng)檢測(cè)不到黑線，中間的又能檢測(cè)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(shí)右邊的傳感器也會(huì)檢測(cè)到黑線，返回低電平，此時(shí)小車左輪轉(zhuǎn)，右輪停止，那么小車就會(huì)像右轉(zhuǎn)，直到中間的傳感器檢測(cè)到黑線為止。

　　2.2避障功能的實(shí)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(gè)紅外****管和一個(gè)　　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(cè)前方障礙物，無(wú)障礙物時(shí)輸出高電平，有障礙時(shí)輸出低電平。這樣看來(lái)其實(shí)這個(gè)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(lái)感受環(huán)境變化，在這里一樣使用三個(gè)傳感器，分別放在正前方，左前方，右前方。這里情況會(huì)比前面的尋線功能要稍微復(fù)雜一點(diǎn)，因?yàn)閷ぞ€只有一條，但是這里有可能是只有一個(gè)傳感器被遮擋，也有可能有兩個(gè)傳感器被遮擋，也有可能是三個(gè)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(cè)距功能的實(shí)現(xiàn)

　　對(duì)于超聲波測(cè)距功能，使用的是HC-SRO4，它是最常見的超聲波傳感器之一，價(jià)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(jiǎn)單的，想要在Arduino平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)也是—件非常方便的事情，不過(guò)因?yàn)橐@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(shí)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(guó)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(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用接口線少等優(yōu)點(diǎn)。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?yàn)槊恳粋€(gè)DS1820在出廠時(shí)已經(jīng)給定了唯一的序號(hào)，因此任意多個(gè)DS1820可以連接在同一條單線總線上。DS1820的測(cè)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(jiǎn)單的理解DS18B20測(cè)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(shí)序才能正確傳出數(shù)據(jù)，這種時(shí)序被稱為單總線，CPU就可通過(guò)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(shí)現(xiàn)

　　為了實(shí)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(gè)小遙控器以方便控制。這里要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是對(duì)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(gè)對(duì)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(wèn)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(duì)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(gè)傳感器控制的運(yùn)行狀態(tài)，另外還有兩個(gè)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(jì)

　　3.1超聲波傳感器程序設(shè)計(jì)

　　超聲波傳感器測(cè)距是通過(guò)先****超聲波然后檢測(cè)傳回的超聲波所耗費(fèi)的時(shí)間從而計(jì)算距離，圖6是其流程圖。

圖6 超聲波測(cè)距流程圖

　　3.2紅外遙控程序設(shè)計(jì)

　　紅外模塊，因?yàn)榕鋫淞艘粋€(gè)遙控器，所以先讀取出每個(gè)遙控中按鈕的值，然后將每個(gè)按鈕的值記錄下來(lái)，將每個(gè)值作為一個(gè)操作命令。當(dāng)遙控器中的某個(gè)按鈕按下時(shí)，就會(huì)****出那個(gè)對(duì)應(yīng)的值，然后當(dāng)紅外接收頭接收到信號(hào)時(shí)，處理器就會(huì)讀取到那個(gè)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(yǔ)

　　以上就是使用Arduino開發(fā)板設(shè)計(jì)的智能小車介紹了，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了小車的自動(dòng)循跡、避障、超聲波測(cè)距等功能，在設(shè)計(jì)中軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用傳感器自動(dòng)采集環(huán)境數(shù)據(jù)從而按照程序自動(dòng)運(yùn)行。設(shè)計(jì)的智能小車操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，該系統(tǒng)具有寬廣潛力和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)注公眾號(hào)“優(yōu)特美爾商城”，獲取更多電子元器件知識(shí)、電路講解、型號(hào)資料、電子資訊，歡迎留言討論。