单片机的光感应红外避障小车的设计与制作
摘 要本文设计了一款实现能够对小车操纵者的手势进行采集，并将手势转换为小车控制指令，通过单片机对射频无线通信芯片的驱动实现了将遥控指令的无线发送，从而控制小车的超声波避障、前进、停止、左转以及右转功能的智能小车控制系统。本设计使用了51单片机来担任主控核心，不但使得成本大大降低，更是将系统的功耗特性以及使用性能得到大大提升。在软硬件设计上，本文以先搭建硬件系统后进行软件程序代码编写的顺序进行设计，选用了Protel、Keil以及Visio等软件平台的辅助，最终经过了大量的试验验证以及改进优化，本系统实现了预期拟设的所有功能指标。
目录
引言 1
一、 方案选择及元器件介绍 2
（一） 智能小车系统的硬件结构框图设计 2
（二） 方案选择 3
1.主控器件的选择.3
2.通信模块的选择.4
（三） 元器件介绍.5
1. STC89C51单片机 5
2. ADXL345三维加速度传感器 5
3. HCSR04超声波传感器 6
4. LM2596直流稳压电源模块 6
5. LCD1602点阵显示器 7
6.小型直流电机 7
二、 系统硬件设计 9
（一） 遥控端系统电路设计 9
1. STC89C51单片机最小系统电路设计 9
2. 遥控指令发送电路设计 10
3. ADXL345三维加速度传感器电路设计 11
4. 遥控端供电电路设计 12
（二） 小车端系统电路设计 12
1. 车轮传动电机驱动电路设计 12
2. 遥控指令接收电路设计 13
3. HCSR04超声波传感器电路设计 13
4. 点阵显示器电路设计 13
5. 供电电路设计 14
三、 系统软件设计 16
（一） 智能小车系统的软件工作流程设计 16
1. 遥控端主程序流程设计 16
2. 小车端主程序流程设计 16
（二） N
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
RF24L01射频无线通信模块驱动流程设计 18
（三） ADXL345工作流程图设计 18
（四） HCSR04超声波传感器流程设计 18
（五）显示工作流程设计 19
四、 系统的调试与结果 21
（一）实物制作 21
（二）故障分析及解决方法 23
1. 液晶屏出现乱码现象 23
2. 51单片机供电异常 23
(三) 实验测试23
总结 25
致谢 26
参考文献 27
附录 28
（一） 原理图 28
（二） PCB图 30
（三） 实物图.31 （四） 源程序 32
引言
所谓的“智能小车系统”是指系统内部被植入了一定程度的数据检测、处理等过程，使其具有处理功能，通过控制芯片对传感器、驱动器的操作，从而实现系统的自动运行，实现智能小车系统对控制指令的接收、处理、路线识别、外部环境条件的检测、显示、报警或者其他无线通信等功能。智能小车系统的出现在一定程度上推进了人类社会前进的脚步，它在一定程度上突破了人们对传统小车的想象，通过实现无线数据收发、控制等新型功能来打破传统的智能小车系统，因此设计出性能更高、功能更强的智能小车系统控制系统是非常必要的。
下列为本多功能小车将要实现的功能：
能实现51单片机最小系统的设计，实现对ADXL345三维加速度传感器、NRF24L01射频无线收发芯片模块、直流电机模块、L298N驱动模块以及液晶屏等模块的驱动；
系统分为遥控端和小车端两个部分，其中遥控端部分用于实现对小车操控者手势进行采集，通过将手势左转、右转、折下以及平放四个姿态转换为小车左转、右转、前进以及停止，并将四个状态通过射频无线收发芯片发送给小车端；
小车端接收到控制指令后，能够实现小车的左转、右转、前进以及停止四个状态；
小车端配置超声波雷达探头，通过超声波测距作用首先对小车前方障碍物距离探测，使得小车在前进过程中能够自动避开障碍物，避免发生与障碍物的碰撞；
5）能实现51单片机对液晶屏的驱动，实现对多功能小车运行状态的小时以及其他参数的显示。
方案选择及元器件介绍
智能小车系统的硬件结构框图设计
如图1所描述的是本基于单片机的智能小车控制系统的硬件结构原理框图，它对本系统在硬件上所表现的内部各模块之间的联系进行了简要展现，下面对结构原理框图进行描述：结构框图最核心的部分是由STC89C51、复位和时钟电路三个部分组成的最小系统模块，该模块之所以是核心部分，是因为它不但作为整个控制系统的控制器，还要负责对其周围的各模块进行驱动，以此来驱使各模块发挥出其自身功能；三维加速度传感器采用ADXL345模块，其与STC89C51单片机之间通过IIC接口进行通信，无线通信模块采用NRF24L01无线通信模块，其与单片机之间通过SPI接口进行通信。
遥控端供电采用两节1.5V串联进行供电，由于电池组电压为3V不能够使系统工作，因此通过LM2596升压稳压模块将电池组电压升压至+5V，并为遥控端系统内各芯片和模块进行供电。
图1 遥控端硬件框图
小车端也是以STC89C51单片机作为核心，实现对驱动模块、通信模块、显示屏三者的驱动；L298N驱动模块主要用于实现将STC89C51单片机输出的驱动信号进行功率放大，实现对左右两轮直流电机的控制；液晶显示模块采用了LCD1602屏幕，通过这款具有32个字符显示能力的液晶屏对系统中的相关参数进行呈现；无线通信模块也采用NRF24L01射频无线收发芯片，实现接收遥控端发射来的指令。
图2 小车端硬件框图
(二) 方案选择
1. 主控器件的选择
主控器件的选择对于设计一款自动控制系统来说是最关键的一部分，该器件的控制性能、处理速度以及内部资源模块将在很大程度上决定了控制系统的软硬件结构以及开发成本，另外不同类型的主控器件要求开发者具备不同的开发功底，下面就对单片机以及FPGA这两款性能卓越的微处理器进行介绍和分析。
目录
引言 1
一、 方案选择及元器件介绍 2
（一） 智能小车系统的硬件结构框图设计 2
（二） 方案选择 3
1.主控器件的选择.3
2.通信模块的选择.4
（三） 元器件介绍.5
1. STC89C51单片机 5
2. ADXL345三维加速度传感器 5
3. HCSR04超声波传感器 6
4. LM2596直流稳压电源模块 6
5. LCD1602点阵显示器 7
6.小型直流电机 7
二、 系统硬件设计 9
（一） 遥控端系统电路设计 9
1. STC89C51单片机最小系统电路设计 9
2. 遥控指令发送电路设计 10
3. ADXL345三维加速度传感器电路设计 11
4. 遥控端供电电路设计 12
（二） 小车端系统电路设计 12
1. 车轮传动电机驱动电路设计 12
2. 遥控指令接收电路设计 13
3. HCSR04超声波传感器电路设计 13
4. 点阵显示器电路设计 13
5. 供电电路设计 14
三、 系统软件设计 16
（一） 智能小车系统的软件工作流程设计 16
1. 遥控端主程序流程设计 16
2. 小车端主程序流程设计 16
（二） N
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
RF24L01射频无线通信模块驱动流程设计 18
（三） ADXL345工作流程图设计 18
（四） HCSR04超声波传感器流程设计 18
（五）显示工作流程设计 19
四、 系统的调试与结果 21
（一）实物制作 21
（二）故障分析及解决方法 23
1. 液晶屏出现乱码现象 23
2. 51单片机供电异常 23
(三) 实验测试23
总结 25
致谢 26
参考文献 27
附录 28
（一） 原理图 28
（二） PCB图 30
（三） 实物图.31 （四） 源程序 32
引言
所谓的“智能小车系统”是指系统内部被植入了一定程度的数据检测、处理等过程，使其具有处理功能，通过控制芯片对传感器、驱动器的操作，从而实现系统的自动运行，实现智能小车系统对控制指令的接收、处理、路线识别、外部环境条件的检测、显示、报警或者其他无线通信等功能。智能小车系统的出现在一定程度上推进了人类社会前进的脚步，它在一定程度上突破了人们对传统小车的想象，通过实现无线数据收发、控制等新型功能来打破传统的智能小车系统，因此设计出性能更高、功能更强的智能小车系统控制系统是非常必要的。
下列为本多功能小车将要实现的功能：
能实现51单片机最小系统的设计，实现对ADXL345三维加速度传感器、NRF24L01射频无线收发芯片模块、直流电机模块、L298N驱动模块以及液晶屏等模块的驱动；
系统分为遥控端和小车端两个部分，其中遥控端部分用于实现对小车操控者手势进行采集，通过将手势左转、右转、折下以及平放四个姿态转换为小车左转、右转、前进以及停止，并将四个状态通过射频无线收发芯片发送给小车端；
小车端接收到控制指令后，能够实现小车的左转、右转、前进以及停止四个状态；
小车端配置超声波雷达探头，通过超声波测距作用首先对小车前方障碍物距离探测，使得小车在前进过程中能够自动避开障碍物，避免发生与障碍物的碰撞；
5）能实现51单片机对液晶屏的驱动，实现对多功能小车运行状态的小时以及其他参数的显示。
方案选择及元器件介绍
智能小车系统的硬件结构框图设计
如图1所描述的是本基于单片机的智能小车控制系统的硬件结构原理框图，它对本系统在硬件上所表现的内部各模块之间的联系进行了简要展现，下面对结构原理框图进行描述：结构框图最核心的部分是由STC89C51、复位和时钟电路三个部分组成的最小系统模块，该模块之所以是核心部分，是因为它不但作为整个控制系统的控制器，还要负责对其周围的各模块进行驱动，以此来驱使各模块发挥出其自身功能；三维加速度传感器采用ADXL345模块，其与STC89C51单片机之间通过IIC接口进行通信，无线通信模块采用NRF24L01无线通信模块，其与单片机之间通过SPI接口进行通信。
遥控端供电采用两节1.5V串联进行供电，由于电池组电压为3V不能够使系统工作，因此通过LM2596升压稳压模块将电池组电压升压至+5V，并为遥控端系统内各芯片和模块进行供电。
图1 遥控端硬件框图
小车端也是以STC89C51单片机作为核心，实现对驱动模块、通信模块、显示屏三者的驱动；L298N驱动模块主要用于实现将STC89C51单片机输出的驱动信号进行功率放大，实现对左右两轮直流电机的控制；液晶显示模块采用了LCD1602屏幕，通过这款具有32个字符显示能力的液晶屏对系统中的相关参数进行呈现；无线通信模块也采用NRF24L01射频无线收发芯片，实现接收遥控端发射来的指令。
图2 小车端硬件框图
(二) 方案选择
1. 主控器件的选择
主控器件的选择对于设计一款自动控制系统来说是最关键的一部分，该器件的控制性能、处理速度以及内部资源模块将在很大程度上决定了控制系统的软硬件结构以及开发成本，另外不同类型的主控器件要求开发者具备不同的开发功底，下面就对单片机以及FPGA这两款性能卓越的微处理器进行介绍和分析。
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