使用Arduino開(kāi)發(fā)板設計的智能小車(chē)

　　芯片是從很早的六七十年代簡(jiǎn)單的單片機，發(fā)展到現在先進(jìn)的處理器，已經(jīng)變得越來(lái)越強大。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，手機還是相機，都離不開(kāi)芯片技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。但是隨著(zhù)人們的要求越來(lái)越高，對芯片的性能要求也不斷提高，51單片機陳舊的結構和落后的性能已經(jīng)越來(lái)越不能滿(mǎn)足人們對知識的渴望，所以一種嶄新的硬件平臺應運而生——Arduino開(kāi)發(fā)板。本文將介紹Arduino開(kāi)發(fā)板的一些知識以及利用其各種便利特性設計的一款智能小車(chē)。

　　1.Arduino開(kāi)發(fā)板

　　Arduino開(kāi)發(fā)板(如圖1所示)是一個(gè)開(kāi)源平臺，適合沒(méi)有基礎的學(xué)生學(xué)習和使用。Arduino是一塊基于開(kāi)放源代碼的USB接口Simple LO接口板(包括12通道數字GPIO,4通道PWM輸出，6-8通道10bit ADC輸入通道)，該系統的硬件主要由Arduino UNO主控板、Arduino Xbee傳感器擴展板、藍牙串口模塊和數字溫度傳感器組成。它構建于開(kāi)放原始碼simple I/O介面版，并且具有使用類(lèi)似Java、C語(yǔ)言的Processing/Wiring開(kāi)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(kāi)發(fā)板;另外一個(gè)則是Arduino IDE，你的計算機中的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。你只要在IDE中編寫(xiě)程序代碼，將程序上傳到Arduino開(kāi)發(fā)板后，程序便會(huì )告訴Arduino開(kāi)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(xiě)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(guò)Arduino編程語(yǔ)言 (基于Wiring)和Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境(基于Processing)來(lái)實(shí)現的?；贏(yíng)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(lái)實(shí)現。

圖1 Arduino開(kāi)發(fā)板

　　2.系統硬件設計

　　2.1尋線(xiàn)功能的實(shí)現

　　小車(chē)想要完成尋線(xiàn)功能，希望它能夠跟著(zhù)黑線(xiàn)走，那么它首先也要能夠“看見(jiàn)”那些黑線(xiàn)，因此需要用到傳感器。傳感器，簡(jiǎn)單的說(shuō)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，按一定規律變換成為電信號或者是其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)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(gè)紅外巡線(xiàn)傳感器，而這個(gè)紅外傳感器就將充當智能小車(chē)的眼睛來(lái)檢測黑線(xiàn)。紅外巡線(xiàn)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(xiàn)反射光(深色反射弱，淺色反射強)。尋線(xiàn)傳感器可以幫助機器人進(jìn)行白線(xiàn)或者黑線(xiàn)跟蹤，可以檢測白底中的黑線(xiàn)，也可以檢測黑底中的白線(xiàn)，檢測到黑線(xiàn)返回低電平。

　　設計的小車(chē)采用前置驅動(dòng)，由兩個(gè)電機分別控制左右兩個(gè)前輪，后面是個(gè)萬(wàn)向輪，可以自由轉動(dòng)。當確定了小車(chē)模型之后，如果小車(chē)的兩個(gè)前輪同時(shí)以相同的速度向前轉的話(huà)那么小車(chē)就往前走。當小車(chē)右輪向前轉左輪不動(dòng)那么小車(chē)就會(huì )向左轉，同理小車(chē)左輪向前轉右輪不動(dòng)那么小車(chē)就向右轉，兩個(gè)輪子同時(shí)以相同的速度向后轉那么小車(chē)就會(huì )倒車(chē)。接下來(lái)就是由傳感器控制小車(chē)運行了，在這里設置三個(gè)尋線(xiàn)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(xiàn)而兩外兩個(gè)沒(méi)有遇到黑線(xiàn)時(shí)的三種情況。中間一個(gè)用于檢測黑線(xiàn)，當中間的一個(gè)檢測到黑線(xiàn)時(shí)就返回低電平，此時(shí)小車(chē)直走;當黑線(xiàn)向左邊轉彎，此時(shí)小車(chē)若直走則左邊的傳感器則會(huì )檢測到黑線(xiàn)，此時(shí)返回低電平，此時(shí)就要右輪轉，左輪停，小車(chē)就會(huì )向左轉彎;當轉過(guò)彎后左邊的傳感器已經(jīng)檢測不到黑線(xiàn)，中間的又能檢測到黑線(xiàn)了，那么就繼續向前直走。同理，當黑線(xiàn)向右轉彎時(shí)右邊的傳感器也會(huì )檢測到黑線(xiàn)，返回低電平，此時(shí)小車(chē)左輪轉，右輪停止，那么小車(chē)就會(huì )像右轉，直到中間的傳感器檢測到黑線(xiàn)為止。

　　2.2避障功能的實(shí)現

　　至于小車(chē)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)　　紅外接收管構成。工作原理是：傳感器****紅外線(xiàn)，根據反射紅外光探測前方障礙物，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(xiàn)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(chē)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(xiàn)功能要稍微復雜一點(diǎn)，因為尋線(xiàn)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超聲波測距功能的實(shí)現

　　對于超聲波測距功能，使用的是HC-SRO4，它是最常見(jiàn)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A(yíng)rduino平臺中實(shí)現也是—件非常方便的事情，不過(guò)因為要顯示到電腦上，所以別忘了串口的波特率設置。

　　2.4 溫度傳感功能的實(shí)現

　　溫度傳感功能，在這里選用的是DS18B20數字溫度傳感器。DS18B20是美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，具有測溫系統簡(jiǎn)單、測溫精度高、連接方便、占用接口線(xiàn)少等優(yōu)點(diǎn)。從主機CPU到DSI820僅需一條線(xiàn)(和地線(xiàn))，DS1820的電源可以由數據線(xiàn)提供而不需要外部電源。因為每一個(gè)DS1820在出廠(chǎng)時(shí)已經(jīng)給定了唯一的序號，因此任意多個(gè)DS1820可以連接在同一條單線(xiàn)總線(xiàn)上。DS1820的測量范圍從- 55℃到+125℃增量值為0.5℃，可在ls(典型值)內把溫度變換成數字。簡(jiǎn)單的理解DS18B20測溫原理就是芯片把感知到的溫度換成數值放在數據寄存器里面，要想得到寄存器里面的數據，只有按照DALLAS規定的一種時(shí)序才能正確傳出數據，這種時(shí)序被稱(chēng)為單總線(xiàn)，CPU就可通過(guò)單總線(xiàn)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

　　為了實(shí)現紅外控制功能，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)現的目標是對小車(chē)行走進(jìn)行控制，也就是控制小車(chē)前進(jìn)，后退，左轉，右轉。前面的尋線(xiàn)也好，紅外避障也好，都提供了一個(gè)對小車(chē)行走的控制函數，在這里進(jìn)行調用就好了，這不是問(wèn)題。限于紅外****的本質(zhì),也就是紅外線(xiàn)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，必須對準了才能遙控，所以把紅外接收頭裝在小車(chē)后面，在后面進(jìn)行控制。

　　2.6智能小車(chē)系統結構

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

圖4 小車(chē)控制框圖

　圖5 智能小車(chē)控制框圖

　　3.系統軟件設計

　　3.1超聲波傳感器程序設計

　　超聲波傳感器測距是通過(guò)先****超聲波然后檢測傳回的超聲波所耗費的時(shí)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紅外遙控程序設計

　　紅外模塊，因為配備了一個(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。當遙控器中的某個(gè)按鈕按下時(shí)，就會(huì )****出那個(gè)對應的值，然后當紅外接收頭接收到信號時(shí)，處理器就會(huì )讀取到那個(gè)值并按照程序做出相應的反應，圖7是紅外控制邏輯框圖。

　圖7 紅外控制邏輯框圖

　　結束語(yǔ)

　　以上就是使用Arduino開(kāi)發(fā)板設計的智能小車(chē)介紹了，該設計實(shí)現了小車(chē)的自動(dòng)循跡、避障、超聲波測距等功能，在設計中軟件采用模塊化設計思想。實(shí)驗結果表明，利用傳感器自動(dòng)采集環(huán)境數據從而按照程序自動(dòng)運行。設計的智能小車(chē)操作簡(jiǎn)單，穩定可靠，該系統具有寬廣潛力和應用價(jià)值。

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