基于模块化控制的多功能智能小车设计

数记录下来送到液晶显示，就能得到检测的金属片个数。

　　1.4 超声波避障模块

　　用单片机给超声波发生器输入端输入一列脉冲触发信号，超声波发生器的发射端就会产生一列对应频率的超声波，当声波遇到障碍物（3 m以内）时就会反射回来，被接收端接受，其输出端输出一系列PWM波。记录这列PWM 波的高电平持续时间，并忽略小车在此段时间内的位移，就可计算出小车到障碍物的距离，当距离达到某一设定值时，控制电机使小车转弯，绕过障碍物。

　　本系统中充分利用Mega128 单片机的中断捕捉功能，将超声波发生器产生的输出回响信号输入到单片机，首先设置下降沿触发捕捉中断，定时器计时开始，当中断触发时马上更改触发方式为上升沿触发，再次响应中断时记录此时定时器的值T1同时原计数值清零，此时记录的高电平时间T1即为声波在空中传播的时间。再次更改触发方式为下降沿触发，实现动态实时测量。与传统的中断响应测量相比，中断捕捉具有快速、精准的优点假设单片机晶振为M,分频系数为N,声音的传播速度为V.声波传播的时间为（单位：s）：

　　因此，可以按照下式计算出距离障碍物的距离L1:

　　1.5 硅光电池趋光模块

　　为了使小车具有更理想的趋光效果，本系统采用硅光电池作为传感器。当光源照射到硅光电池的表面，硅光电池的电阻值会发生变化，光照强度越大，电阻值越小。在小车前端的左中右分别装上一个硅光电池，将光管电池接在相同的参考电压源上，将其两端的电压送入单片机的采样通道转化成数字量，通过比较三路采样值的大小就能判断出哪个方向上的光照强度大，从而控制小车直走或转弯，进而趋向光源。

　　由于使用了硅光电池采样方案，系统的灵敏度可以被有效调节。程序设定只有当采样电压达到了某一规定值时，才来比较三路采样电压。调整这一规定电压值就可以改变系统的趋光灵敏度了，根据环境设定合适的规定值就能较好的避开环境光的干扰。

　　1.6 测距模块

　　在电机的转轴上安装两块小磁铁，并将霍尔传感器固定在转轴正上方的车身上，当电机转动，磁铁经过霍尔元件时，霍尔传感器的输出端就会产生电频跳变，通过记录电频跳变的次数N,即可根据行驶距离公式L2=（N × 2πR）/ 2 测量出小车行驶的距离。其中R表示车轮半径。所测距离可通过液晶屏显示出来。

　　2 软件设计

　　在硬件设计基础上，通过在单片机中烧写程序来控制小车功能的实现。本系统中采用模块化控制方法，将各个独立的功能作为一个独立的子程序，在主程序中按照逻辑顺序来调用各子程序。这样使得程序条理清晰，提高了程序的执行效率，也便于程序修改和调试，主程序设计流程如图2所示。

　　如循迹模块中所述，在程序1 中，采用模糊控制算法，控制小车沿着轨道行驶，不至于失控。子程序2判断小车与障碍物间的距离，控制小车转弯避障。子程序3 根据硅光电池采集的光照强度，控制小车左右轮转动，确保小车进库成功。程序采用动态扫描，实时监测，使得小车一直处于动态调整中。

　　3 实物测试及结果分析

　　为了测试小车的性能，按照比赛要求为小车设计了如图3所示的小车赛道。测试地点选择在四周较开阔、自然光较弱的地方，小车从起点沿着黑色的牵引线行走，离开牵引线后避开障碍物，开始趋光进库。在牵引线下方放有若干枚用于检测的硬币，小车经过时检测到硬币并报警，将记录的硬币个数显示到液晶屏上。

　　由于在寻迹模块的硬件设计中加入了灵敏度调节，并在软件设计中采取了模糊控制算法，因此，小车寻迹测试结果比较理想，能按照设计路线行驶。测试结果如表1所示。

　　在避障模块中，由于超声波模块对反射物体的形状和表面积都有要求，当放置的障碍物不满足要求时，就会接收不到反射信号，造成避障失败。同时在测试时周围还站有人，也能形成反射源，对测试造成干扰。测试结果如表2所示。表3所示为趋光模块测试结果。

　　趋光模块采用硅光电池采样，具有连续可变的无极比较，比目前广泛使用的光敏电阻只比较高低电平更灵敏精确，从而提高了系统的准确性。但同光敏电阻一样自然光的影响不能完全避免，因此仍然不能达到100%的准确。

　　4 结语

　　本系统使用一片8 位单片机，采用模块化设计思想，实现了智能小车多功能的设计。设计时将多种传感器综合到一个系统中，并把采集到的多路信号送入单片机进行分析处理、作出判断。

同时，系统还设计了友好的人机交换界面，可方便地读出检测到的金属片数量、行驶路程和行驶时间。由于运用模块化控制方法，各模块相互影响较小，因此还可对系统进行二次开发，在本系统上增加更多模块，实现其他扩展功能，例如在系统上增加语音芯片，可实现语音播报功