淺析Arduino的單片機智能小車設計

依托各式各樣傳感器以實現對一系列信息的采集，傳輸至主控單元Arduino單片機處理數據后實現相應操作，進而達成自身控制。電機驅動電路，借助H橋驅動模塊驅動2個直流電機；借助手機藍牙用戶界面、HC-06藍牙模塊實現藍牙控制，借助HC-SR04超聲波模塊、舵機模塊實現測距及避障，最后通過控制單元處理數據后完成編程，并有效對一系列模塊信號予以整合，并實現相應操作，達成智能控制目的，如同簡易機器人。

1  整體系統設計方案

相較于其他系統，Arduino表現出編程簡易、成本低、平臺跨越等諸多優(yōu)勢?，F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計提供有力支持。智能小車，指的是一款可對一系列實際狀況開展智能自主評估分析，進一步作出相應最理想應對操作的智能機器。智能小車整體結構主要為，依托直流電動機驅動，將各式各樣傳感器采集的信息數據傳輸至主控單元Arduino單片機，單片機開展對應的數據處理分析，實現最理想相應的操作，這一過程也可稱之為智能化自身控制。

2  硬件設計

智能小車硬件環(huán)節(jié)以模塊化方式開展設計，設計內容主要包括電源模塊、電機驅動模塊、控制模塊、紅外收發(fā)模塊、LCD顯示模塊等，智能小車硬件設計結構，如圖1所示。

圖1  智能小車硬件設計結構示意圖

其中，對于電源模塊設計而言，電源模塊在全面系統設計中發(fā)揮著至關重要的作用，該模塊設計穩(wěn)定與否重要決定了全面系統設計的成敗。電源模塊設計框架，如圖2所示。本次系統的電源主要源自12V、720mA可充電式鋰電池，經由逆流保護、保險等手段變壓調整為其他電壓值，供由其他模塊使用。電機驅動電源為12V，Arduino單片機運行電壓為5V，電機驅動模塊、顯示模塊、紅外收發(fā)模塊等運行電壓為5V，另外Arduino還可提供3.5V、5V雙電壓。

圖2  電源模塊設計框架示意圖

對于電機驅動模塊設計而言，運用電機驅動芯片L298N，其包括含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，連接外部續(xù)流二極管保護電路，進而便可實現兩個電機的運動姿態(tài)控制。電機驅動模塊電路設計結構，如圖3所示。因為智能小車電機未設置轉速編碼盤或者相關傳感器，依托調節(jié)PWM輸出腳脈沖信號占空比，以實現對小車速度的控制。調節(jié)完畢PWM控制端后，變更控制信號輸入腳電平，便可使智能小車實現不同姿態(tài)的轉變。

圖3  電機驅動模塊電路設計結構示意圖

對于控制模塊設計而言，控制模塊在全面系統中可發(fā)揮至關重要的控制作用。系統設計應用Arduino單片機控制單元，通過主從通信方式實現對全面系統有序運行的有效控制。主從雙方依托SPI總線開展數據交互。模塊設計時，Arduino基于單片機控制核心，本模塊依據Arduino UNO開展設計。Arduino作用于控制命令關鍵詞的傳輸及從機數據的接收，但不直接參與底層硬件模塊的控制工作；單片機主要作用于主機傳輸來命令關鍵詞的接收，并結合各種命令執(zhí)行對應的子函數，進一步實現不同的功能。

對于紅外收發(fā)模塊設計而言，其主要可劃分為紅外發(fā)射頭、接收頭的驅動電路設計，其中，兩個紅外發(fā)射頭通過PNP三極管實現驅動，接收頭通過對應的指示燈實現數據接收指示。紅外發(fā)射頭設置于PCB頂部，接收頭設置于PCB底部，兩個接收頭接收面正對發(fā)射頭正前方，同時發(fā)射頭、接收頭呈相應角度列于智能小車頭部兩端，切實縮減紅外信號誤接受率。與此同時，通過對紅外發(fā)射頭驅動電路中可調電阻的控制，可實現對紅外發(fā)射頭電流的有效調節(jié)。值得一提的是，依托紅外收發(fā)模塊，可實現智能小車的紅外避障功能。

對于LCD顯示模塊設計而言，該模塊由LCD160、背光以及對比度調節(jié)電路組成，其主要負責呈現智能小車執(zhí)行相關功能的對應數據信息。該模塊設計過程中，依托四線制方式開展數據信息發(fā)送，可實現對單片機I/O端的有效控制

3  軟件設計

3.1  主機程序設計

在主機程序設計過程中，涉及到SPI連接、SPI通信初始化、SPI數據發(fā)送等關鍵函數，而主機與從機的SPI通信可有效建立與否，則是實現其他功能函數的重要基礎。SPI總線初始化函數實現SPI功能初始化，涉及片選引腳選擇、輸入輸出模式設置、數據傳輸方式等內容。調節(jié)滿意后，loop主函數部分便可實現對相關功能庫函數的調用。與此期間會涉及片選信號端電平拉低、命令關鍵詞及數據傳輸、片選信號端電平拉電等流程，結合對應的時序便可實現對某一字節(jié)或若干字節(jié)數據的傳輸，主機程序流程。

3.2  從機程序設計

對于從機程序設計而言，可將其劃分成兩個部分，即為初始化調用、子函數調用。單片機配置位設置涉及諸多方面內容，諸如選擇芯片振蕩器模式、禁用后臺調試器、調節(jié)數據區(qū)和引導區(qū)中相關數據保護與否等。單片機配置位調節(jié)結束后，從機的SPI初始化應當與主機SPI初始化通信時序保持統一。程序設計過程中，接收主機的數據通過中斷響應方式實現接收。接收完成后，依托關鍵命令字的分析轉至對應的子函數，然后經由數據分析實現底層硬件調節(jié)，進而實現各項功能，從機程序流程。

4  示例功能實現

4.1  紅外避障

紅外避障是以Arduino兩組紅外收發(fā)器為基礎實現智能小車的自動避障功能。在這一功能設計過程中，借助外部中斷、定時器中斷方式以檢測紅外接收頭的信號輸出腳電壓轉變情況，縮減紅外信號檢測滯后性，進一步增強智能小車對障礙物的檢測靈敏度。另外，可依托對PWM信號占空比的控制，以達成對智能小車運動速度的有效調節(jié)；可依托對智能小車避障動作延時參數、紅外發(fā)射頭可調電阻值的調節(jié)，以實現對智能小車避障效果的有效調節(jié)。

4.2  藍牙遙控

藍牙遙控是以Arduino連接藍牙模塊及手機應用軟件藍牙遙控為基礎，實現手持設備遙控智能小車的功能。Arduino模塊經由串口接收藍牙模塊從設備端接收數據，并對其開展分析，然后將分析結果控制邏輯及應用軟件手勢控制邏輯開展評定處理，進而便可達成手持設備遙控智能小車的目的。依托手勢的不同方向操作，可實現智能小車的不同功能。手持設備控制軟件依托第三方設計的一款應用軟件，該應用軟件可實現藍牙連接，并可實現藍牙數據接收、傳輸等功能。

5  結語

基于Arduino的單片機智能小車設計，主要是以Arduino單片機為核心，依托藍牙系統對Arduino單片機的反饋，從而實現對智能小車通信行動的智能控制，然后依托控制處理器對相關數據開展分析，進一步調節(jié)電動機的主驅動，以實現智能小車的紅外避障、藍牙遙控等智能化功能。因而，相關人員必須要加大研究力度，不斷開拓創(chuàng)新，加強對國內外成功發(fā)展經驗的學習借鑒，提高對Arduino的有效認識，切實推進智能小車設計的健康穩(wěn)定發(fā)展。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://k2057.cn/w/qk/21223.html