基于STC89C52单片机的智能小车设计

李亚振

（安阳师范学院 河南安阳 455000）

当前，社会新工艺、新技术快速发展，人工智能技术逐步成熟，并广泛应用于工业、农业、医疗等行业。智能小车作为人工智能领域研究的重要分支，可以代替人类在一些危险环境下完成相关工作。本设计以STC89C52单片机作为小车控制系统的核心处理器，包括驱动、红外循迹、避障和音乐播放等模块，通过对各模块的设计，全面说明该智能小车工作的基本原理。

1 系统总体设计目标

本设计增添红外线遥控电路，控制智能小车运动，功能除了前进后退，还可以按照设置路线行驶并躲避障碍物，利用C语言程序设置智能小车的运动状态，在编写代码时写入不同的音乐模块，调试实现小车的多功能运行［1］。系统设计框图如图1所示。

图1 系统设计框图

2 系统模块设计

2.1 电源输入模块

本设计选用7.4V 可充电锂电池，可以循环使用，经过LM7805稳压芯片后，给单片机和外围器件提供供电。电机驱动的芯片由7.4V 锂电池直接提供。二极管D1起着防反接的作用，LED2作为电源指示灯，当开关SW1打开时，系统就会开始供电。电源输入原理图如图2所示。

图2 电源输入原理图

2.2 控制模块

单片机最小系统由STC89C52 芯片、晶振电路、复位电路、程序下载电路及上拉电阻组成。具体原理如图3所示，程序下载电路用来下载经过keil软件编译好的程序文件。本设计的控制模块核心是STC89C52 芯片，该芯片具有高速、低功耗、超强抗干扰、价格便宜的优点，而且指令代码完全兼容传统8051 单片机，这也是选择它的重要原因［2］。

图3 控制模块原理图

2.3 电机驱动模块

电机驱动的作用是让小车跑起来、跑得稳。单片机直接输出的电流较小，智能小车跑不起来，因此，需要电机专用驱动芯片。RZ7899芯片外围电路简单，适用于多种电路。芯片由逻辑输入端口BI 和FI 控制小车前进、后退及制动，与PWM 的输出可以控制电机转速［3］。当两个电机转速相同时，可以实现前进与后退，当两个电机的转速不同时，可以实现转弯。这个电路的优点是抗干扰能力强、待机电流小、输出内阻低等。本次设计的电机采用的是N20 直流减速电机，它有着寿命长、转速精确等特点，也是市面上比较受大众用户支持与喜爱的一个系列。驱动模块原理如图4所示。

图4 驱动模块原理图

2.4 红外循迹模块

智能小车的循迹是在地板上贴上黑色的胶带，智能小车沿着黑胶带跑起来。利用红外线光在不同颜色的反射下得到的结果不同进行识别，红外线一直对外发射，遇到白色会被折回，接收器接收到信号，经过比较器输出高电平反馈给单片机，遇到黑色会被吸收，无法接收信号，比较器电路则输出为低电平。循迹电路采用了393电压比较器与ITR9909红外对管进行设计，ITR9909 红外传感器内部含有红外发射管和接收管，两个红外传感器应安装在智能小车底部，二者之间距离应小于黑色胶带的宽度，从而实现循迹的功能［4］。循迹模块原理图如图5所示。

图5 循迹模块原理图

2.5 避障模块

避障电路采用红外避障方式，使用IR333C红外发射管和PT333-3B 红外接收管实现此项功能。IR333C红外发射管发出红外光，PT333-3B红外接收管接收前方物体反射的红外光，判断前方是否有障碍物，小车会做出相应的反应来躲避障碍物，还可以根据反射光的强弱判断前方物体的距离［5］。小车前方左右两端分别装了两套红外发射管和接收管，可以实现短距离内避障。避障模块原理如图6所示。

图6 避障模块原理图

2.6 其他模块

实现智能小车的基本功能之后，还可以对小车功能进一步丰富。外部控制按键用来切换功能和调试代码；增加2个LED灯放在智能小车前方的左右两端，对不同场景模拟不同行驶的功能；增加无源蜂鸣器，可以在行驶过程中鸣笛示意［6］，无源蜂鸣器还可以播放音乐。

3 PCB设计

3.1 边框外形

智能小车的外形比较特别，需要设计的PCB 边框就是小车的底盘。用PCB设计软件里面的边框层进行设计，设计工程中，可以用绘图工具中的直线和弧线工具及其网络大小和栅格尺寸做辅助。其具体样式可以根据自己的喜好进行设计，本次设计是一个四驱车的形状，如图7所示。

图7 PCB图

3.2 PCB布局

智能小车的元器件比较多，使用菜单栏中工具的布局传递功能，可以快速地对元器件进行分类布局。在布局过程中，需要注意每个电路的核心器件和外围器件放到一起，特殊器件布局时附近的元件会对特殊器件进行干扰，为了操作更方便，输入输出的接口应该放到板子边缘处。

4 软件设计

在智能小车设计中，硬件模块较多，程序控制比较复杂，程序代码也较多，为了增强程序可读性，可以分步调试。首先，让智能小车动起来；然后，依次测试智能小车的前进后退和左转右转功能；最后，将程序综合起来，做成循迹子程序和避障子程序，实现避障和循迹的功能。下面，主要展示智能小车循迹和避障功能的实现，如图8所示。

图8 程序流程图

当智能小车底部的ITR9909红外传感器检测到黑线时，循迹子程序就会被调用，从而判断出哪侧的红外传感器检测到了信号。若左侧的红外传感器检测到了信号，智能小车就会向右转；若右侧红外传感器检测到了信号，智能小车就会向左转；若两侧均未检测到信号，小车则继续前行。当小车前方两侧IR333C红外发射管和PT333-3B 红外接收管检测到前方有障碍物存在时，避障子程序就会被调用，若判断出左边有障碍物，智能小车则会向右转，反之，则会向左转。

5 焊接调试

根据PCB设计图，对智能小车进行安装与焊接，把编译好的文件下载到STC89C52 芯片中去，最后，进行综合调试，观察是否能够实现设计的功能。

经过多次调试，小车能够完成循迹和避障功能，蜂鸣器能够正常播放声音，红外遥控器可以正常控制智能小车，完成了设计目标（见图9和图10）。

图9 实物调试图

6 结语

本设计基于STC89C52 芯片，通过系统设计、软件设计、PCB设计和焊接调试4个方面，说明了智能小车的基本工作原理，该智能小车通过4个RZ7899驱动芯片进行驱动，利用ITR9909 反射式红外传感器实现循迹功能，利用IR333C 红外发射管和PT333-3B 红外接收管实现避障功能，并达到了预期的效果。虽然该智能小车的设计结构比较简单，但功能齐全，而且成本较低，具有广泛的实用价值和应用前景。因此，本设计思路和原理适合应用于各智能领域当中。

图10 实物图