本文完成了基于單片機STC89C52的超聲波避障小車的設(shè)計，程序使用KEIL開發(fā)工具編寫，硬件部分的核心元件有超聲波傳感器和電機驅(qū)動模塊。當(dāng)小車向前行駛時，超聲波傳感器發(fā)送脈沖檢測小車與障礙物間的距離。當(dāng)單片機偵測到前方障礙物進入到危險距離時，即低于設(shè)定的安全距離，報警裝置發(fā)出報警信號，同時根據(jù)預(yù)先設(shè)置的規(guī)則及障礙物具體位置信息輸出PWM波控制電機轉(zhuǎn)動、調(diào)速，控制小車的轉(zhuǎn)彎、后退，完成自動避障。

隨著社會的不斷發(fā)展，科技的進步和人力成本的增加，創(chuàng)新型、科技型甚至傳統(tǒng)型的企業(yè)都開始把目光放在智能小車、智能機器人等一切智能裝備的發(fā)展，京東研發(fā)了智慧物流基地，智能機器人分揀快遞，智能小車運送快遞到指定位置；蘇寧研發(fā)無人重卡，用以支撐物流配送；亞馬遜研發(fā)智能倉儲；阿里建立智慧一號倉庫等，智能小車與智能機器人將成為自動化物流最重要的一員，將完成很多工作。企業(yè)對自動化技術(shù)的要求也越來越高，智能避障是智能小車自主工作的第一步，因此，研究智能小車避障技術(shù)對于完善智能小車的功能是至關(guān)重要的。

自動避障小車其技術(shù)內(nèi)容涵蓋了計算機、機電、自動化控制和傳感器技術(shù)等多個學(xué)科的知識領(lǐng)域，設(shè)計自動避障小車對于自動化專業(yè)本科畢業(yè)生來說具有一定的實踐價值，有利于學(xué)生把學(xué)到的知識運用到實踐中去。本設(shè)計結(jié)合前人的研究成果，利用單片機技術(shù)，設(shè)計智能避障小車模型，最終完成小車的自動避障。

1 避障小車總體設(shè)計

本設(shè)計小車的核心裝置是STC89C52單片機，小車的行駛情況由單片機控制輸出信號，經(jīng)過驅(qū)動模塊輸出PWM波控制電機轉(zhuǎn)動、調(diào)速。超聲波智能避障小車設(shè)計的功能核心在于智能小車避障功能的實現(xiàn)，設(shè)計的關(guān)鍵點是要解決單片機與超聲波模塊的通信問題，超聲波模塊主要負責(zé)測量周邊的環(huán)境數(shù)據(jù)，單片機則是負責(zé)將超聲波模塊反饋的信息進行處理判斷，通過電機驅(qū)動模塊控制小車的轉(zhuǎn)彎、后退等避障功能的完成。

圖1為避障小車系統(tǒng)設(shè)計框圖

本系統(tǒng)主要由STC89C52單片機、超聲波測距模塊、數(shù)碼管驅(qū)動模塊、按鍵模塊、電源模塊、L298N電機驅(qū)動模塊、數(shù)碼管顯示模塊和聲光報警模塊構(gòu)成。

超聲波智能避障小車基本功能為小車能前進與自主避障。電機L298N驅(qū)動模塊在這方面起至關(guān)重要的作用。正是因為有了它，可以更方便的驅(qū)動電機。直流電機帶動輪子，實現(xiàn)了雙驅(qū)的行駛。在小車的后面，裝上萬向輪可以更好配合雙驅(qū)行駛。

2 避障小車硬件設(shè)計
2.1 單片機最小系統(tǒng)

本設(shè)計使用51系列的STC89C52單片機。此類單片機主要是在8051內(nèi)核的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化升級的單片機，兼容了8051的全部功能，運行速度與8051相比，速度快，并且因為它帶有ADC， 4路的PWM，兩個串口，不存在兩個同樣的ID號，加密性強，抗干擾好。 STC89C52的工作電壓為3.3-5.5V，工作頻率不高于40MHZ。

圖2 單片機最小系統(tǒng)圖

STC89C52擁有32個通用IO口，不同的端口，結(jié)構(gòu)和功能也不盡相同，大部分的端口不僅可以寫入也可以輸出，如圖2所示。 P0端口因為內(nèi)部沒有上拉電阻，當(dāng)P0作為總部拓展，可直接使用，無需添加外部部件；當(dāng)被用作IO口使用時，需要加上外部上拉電阻。再者，該單片機具有EEPROM及看門狗功能， 512字節(jié)的RAM、 8K字節(jié)FLASH、全雙工串行口、 3個16位定時器/計數(shù)器。

STC89C52存在兩種中斷：定時器中斷和外部中斷。定時器中斷是當(dāng)時間到達設(shè)定時間時，系統(tǒng)中斷。當(dāng)外部輸入信號有下降沿時，會發(fā)生外部中斷；當(dāng)外部電路為低電平電路時，后發(fā)生外部中斷，低電平電路還可以讓單片機從掉電模式中恢復(fù)過來。

與單片機RST引腳連接的那部分電路就為復(fù)位電路，由于給單片機RST引腳高電平持續(xù)2us就可以實現(xiàn)復(fù)位。復(fù)位電路是單片機RST經(jīng)電容接VCC，經(jīng)電阻接地，電容處可并聯(lián)按鍵按鈕。當(dāng)用戶輕擊一下開關(guān)按鍵， VCC、電容和開關(guān)形成回路，導(dǎo)致短路給電容充電，單片機RST引腳得到高電平，因此達到手動復(fù)位的目的。
在圖2中，導(dǎo)線連接在XTAL1、 XTAL2和GND間所組成的電路為時鐘電路， XTAL就是外接晶振，時鐘電路由一個晶振和兩個20pF的電容器組成，晶振頻率采用最常見的12MHz，為了方便設(shè)置波特率。

2.2 超聲波模塊
本設(shè)計采用超聲波傳感器實現(xiàn)避障，超聲測距具有方便、計算簡單、容易實現(xiàn)實時控制的優(yōu)點，并且在測量距離、測量精度等方面能達到實際使用的要求。

采用超聲波模塊HC-SR04，其由超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路組成，最大射程為4m，最小射程為2cm，測距精度可達3mm。本模塊性能穩(wěn)定，測度距離精確，模塊高精度，盲區(qū)小。通常用于機器人避障、物體測距、公共安防和停車場檢測等項目。

HC-SR04超聲波模塊如圖3所示，有四個引腳，包括觸發(fā)信號Trig，回響信號Echo，供電VCC和GND，測量周期60ms以上。當(dāng)Trig接收到10us以上的脈沖時， HC-SR04內(nèi)部8個40kHZ的電平并檢測回波。

Echo剛收到回波時置1(超出一定范圍收到的信號不夠HC-SR04置1定時器不計數(shù))，單片機定時器開始計算次數(shù)，直到Echo沒有收到信號，則置0，記了TH+TL次機器周期，一個機器周期需要12個振蕩周期，由此時間就可以計算出來，再用時間與聲速相乘就可以獲得距離S。

圖3 HC-SR04超聲波模塊

2.3 電機驅(qū)動模塊

本設(shè)計采用L298N電機驅(qū)動模塊，該模塊控制兩個直流電機完成小車避障行駛。 L298N電機驅(qū)動模塊不僅可以驅(qū)動兩路直流電機，還能夠驅(qū)動二相四線步進電機、四相五線，四相六線步進電機。如采用兩個電源供電，則單片機與L298N模塊共地，這樣L298N才能正常工作，給電機賦能。電機賦能之后，緊接著是通過控制四個信號IN1， IN2， IN3， IN4的輸入控制電機制動、變速等。若對直流電機進行PWM調(diào)速，需對使能端輸出PWM（ Pulse Width Modulation）脈沖，即可實現(xiàn)調(diào)速。

L298N有四路輸入，四路輸出。輸入口接單片機的P0， IN1和IN3為高電平時左右電機正轉(zhuǎn)，根據(jù)ENA、 ENB口輸入的PWM信號的占空比調(diào)整小車的行駛快慢。當(dāng)小車右側(cè)遇到障礙物的時候，控制小車左轉(zhuǎn)，左側(cè)電機停轉(zhuǎn)，右側(cè)電機在PWM信號調(diào)制下變速轉(zhuǎn)動。當(dāng)小車左側(cè)遇到障礙物時，控制小車右轉(zhuǎn)，右側(cè)電機停轉(zhuǎn)，左側(cè)電機在PWM信號調(diào)制下變速轉(zhuǎn)動。當(dāng)左右都有障礙物時，通過IN2和IN4端口輸入高電平， IN1， IN3端口輸入低電平控制小車后退，然后再執(zhí)行下一步操作，如左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。

圖4 L298N電機驅(qū)動模塊

3 避障小車軟件設(shè)計
3.1 超聲波測距程序設(shè)計

超聲波測距程序流程如圖5所示。超聲波測距程序，程序代碼如下：定義了一個send_wave()函數(shù)，給HC-SR04的Trig高電平10uS時間，使超聲波模塊發(fā)出超聲波，接著給定時器清零，啟動定時器，收到返回的聲波后關(guān)閉定時器，通過定時器時間測算出距離，實現(xiàn)超聲波測距。

圖5 超聲波測距程序流程圖圖6 主程序流程圖
3.2 主程序設(shè)計
程序使用KEIL開發(fā)工具編寫，小車啟動后，超聲波模塊工作，調(diào)用超聲波測距函數(shù)，得到距離后，傳給單片機，然后數(shù)碼管將距離顯示給用戶看，系統(tǒng)再調(diào)用處理顯示函數(shù)，判斷是否小于設(shè)定安全距離，如果小于安全距離，聲光報警，調(diào)用報警函數(shù)及小車避障子程序，控制驅(qū)動電路，小車按照預(yù)定的避障規(guī)則行進避障。即當(dāng)小車右側(cè)遇到障礙物的時候，控制小車左轉(zhuǎn)，左側(cè)電機停轉(zhuǎn)，右側(cè)電機在PWM信號調(diào)制下變速轉(zhuǎn)動。當(dāng)小車左側(cè)遇到障礙物時，控制小車右轉(zhuǎn)，右側(cè)電機停轉(zhuǎn)，左側(cè)電機在PWM信號調(diào)制下變速轉(zhuǎn)動。當(dāng)左右都有障礙物時，通過IN2和IN4端口輸入高電平， IN1， IN3端口輸入低電平控制小車后退，然后再執(zhí)行下一步操作，如左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。如果否，則繼續(xù)使用小車前進函數(shù)，繼續(xù)測量距離。

4 結(jié)論
本文設(shè)計了一款基于STC89C52單片機的超聲波避障小車，設(shè)計采用HC-SR04超聲波模塊和L298N電機驅(qū)動模塊。超聲波傳感器檢測小車與障礙物之間的距離，單片機對障礙物位置信息進行判斷，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的規(guī)則及障礙物當(dāng)前位置信息，通過L298N電機模塊控制電機前進，轉(zhuǎn)彎或后退，實現(xiàn)自動避障。