基于Mega16单片机的智能小车循迹避障设计方案

基于Mega16单片机的智能小车循迹避障设计方案

摘要：随着我国汽车行业以及相关工业水平的发展，智能小车车被广泛应用于各种玩具和其他工业产品的设计中，智能小车的研究越来越受到各企业及研究机构的重视。本文基于ATmega16 单片机设计了一种智能循迹避障小车，利用红外对管和超声波检测黑线与障碍物，以ATmega16单片机为控制芯片控制电动小车的速度及转向，从而实现自动循迹避障的功能。基于以上工作原理，对小车循迹壁障的循迹电路模块、循迹结构设计、设计方案和传感器的工作原理做出了简单阐述。

关键词：智能小车:ATmega16单片机;循迹避障

一、循迹模块电路

本实验的采用的微处理器ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。

在改电路中，脉冲调制的反射式红外发射接收器返回的信号较弱，且直接输入给单片机的话容易产生误判，而对信息处理出现错误的分析，以致出现循迹的错误，因此，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机输入信号的要求。本系统采用的LM339比较器实现滤波及电平调整。常见的运算放大器中，LM339价格低廉、使用简单等优点比较突出，因此本设计中的信号处理、电平调整用LM339作为电路的比较器。

图 1 循迹模块电路图

LM339是四电压比较器集成电路。其工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作。LM393/339是高增益，宽频带器件，像大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡.这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙.电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入—输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量(滞回1.0~10mV)能导致快速转换，使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡。

如图1所示，即为循迹模块电路图。其中红外发射接收对管将信号返回至LM339正输入端，与负输入端电压比较，当大于负输入端电压时，输出端为高电平，反之，则输出为低电平。如当路线为黑线时，接收管则不导通，LM339正输入端为高电平，此时比较器的输出也为高电平，反之，为地面或白色时，比较器输出为低电平。并且模块灵敏度可由电位器调节负端输入电压来调节。

循迹模块三个传感器安装主要是分为左中右，前进时中间的传感器在黑线上，这样安装能使小车更稳定地在规定的路线上行驶，即中间的传感器是第一级保护，当小车偏离路线时，快速的反应使小车能纠正回到规定路线，外面的两个传感器是第二级保护，即当小车转大角度时，第一级保护传感器得到反应时用于对小车路线的纠正，这样能使小车更稳定地运行。

二、小车循迹避障的结构设计

本文所述小车采用RP5大功率坦克车体，它采用带电感的大扭力280马达，组合斜齿+金属齿，形成大扭力、低噪音底盘系统，具有动力性能强、底盘稳定性高、可原地转圈、转弯灵活等特点。负载能力至少3KG以上。可以越障碍物，适合比较高要求的场合。因此可模拟家庭及工业等场合的一些环境。

小车系统结构框图如图2所示，系统以Mega16单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、路线检测、障碍检测、按键输入、信号显示和小车姿态控制等功能。循迹采用单片机查询脉冲调制的反射式红外发射接收器返回的信号以获取道路信息，避障则有中断和查询协同完成，并用发光二极管显示障碍信息及小车运行状态。系统采用高性能的单片机，要求工作稳定、处理速度快、通用性强，保证小车循迹避障的稳定性及可靠性，而且成本低。

图2循迹避障小车结构框图

三、小车循迹避障设计方案

本论文中的小车以Mega16单片机为控制核心，采用脉冲调制的反射式红外发射接收器采集道路信息，采用超声波和红外反射式传感器采集前方以及左右放障碍的情况。

首先，脉冲调制的反射式红外发射接收器对道路信息，即对黑线信息进行采集，并经过LM339比较器转化为稳定的电平信号送至Mega16单片机，然后在Mega16单片机内对信号进行处理，如中间传感器下为黑线时，由于黑色对光的反射能力最弱，因此传感器返回给单片机的信号为高电平，即1，两侧均为白色，则返回给单片机的信号为低电平，即0，此时，小车前进。其余情况则小车根据传感器的信息进行运行状态的调整，以实现准确循黑线行进。

另外，避障模块则由中间的超声波模块和左右两侧的红外传感器组成，由超声波模块对所测物体斜度有要求，并且红外对斜度无要求但对光线有要求，因此，两者协同工作，超声波通过测距实现障碍的判断，一旦距离小于某个定值，便是小车转向，同时考虑左右两侧红外传感器的信息，以确定障碍物的信息，实现小车的准确避障。其中超声波利用Mega16单片机的中断2对小车控制，同时单片机查询左前右前方红外对管返回的信号，确定小车应该采取的控制状态。

四、小车循迹避障传感器的工作原理

循迹模块有三路红外探测模块，均使用红外线发射和接收管等分立元器件组成探头，又由于所采用的红外反射式传感器属于接近式传感器, 其光电二极管光生电流随所受到的反射光的强度而连续变化，因而会引起其两端电压的连续变化。因此, 若直接把这个电平信号供给单片机，容易产生误读情况,因此使用LM339或LM358比较器，防止临界输出抖动作为核心器件构成中控电路。当有路线为黑色时，则对应的接收管返回给单片机的信号为1；为白色或地面时，则单

片机相应端口接收到的信号为0。用电位器产生一个基准电平，当光电二极管的光生电流超过某一值时，运放的正向输入端电平高于基准电平，这时运放的输出电平发生跳变，该信号即可被单片机处理。通过对基准电平的调整, 还可以调整传感器的灵敏度和探测距离，以改变单片机接收到信号的强弱和探测的灵敏度。三路探头协同工作，根据三路探头返回值的不同确定路线的方向，通过单片机改变两个直流电机的运行状态，来调整小车的姿态，以完成随导引线完成循迹的任务。

图3 超声波时序图

避障模块应用声波和脉冲调制的反射式红外发射接收器协同工作。其中，超声波模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。其工作时序图如图2所示。

以上时序图表明只需要采用IO口TRIG提供一个10uS以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并自动检测是否有信号返回。一旦检测到有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。即公式：

距离=高电平时间*声速（340M/S）/2

五、总结

本次设计以Mega16为主控芯片对循迹避障小车的硬件和软件进行了设计。采用Mega16单片机控制小车，具有稳定性好、编程方便自由、易于扩展等优点。以此方案的小车能很好地识别路径、避障，运行稳定，障碍及小车运行状态显示准确，有一定的抗干扰能力。从运行情况来看，循迹和避障都比较好，但红外线传感器容易受到外界的影响，这时其中的不足之处。

参考文献

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