摘 要：立足仓储运输过程中效率低的痛点，设计了基于STC89C52RC的一种自动跟随多功能智能小车，小车由红外模块、循迹模块、避障模块、超声波模块、蓝牙模块等组成。通过两个超声波测出与前方物体的距离判断出小车的跟随状态，并由液晶显示屏显示，利用舵机的转向和超声波模块测出三个方向的距离，实现超声波舵机避障；通过蓝牙模块实现手机与小车的连接，通过APP控制小车的运动状态，小车运行速度快、效率高。
关键词：STC89C52RC；自动跟随；红外遥控；蓝牙遥控
中图分类号：TN709；TP273 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）15-0010-05
Design and Implementation of an Automatic Following Multi-function Car
YANG Mengmeng1，2， ZHAO Zhizheng1，2， ZHAO Jiahao3， SONG Qianpeng1， ZHANG Longwei1
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering， Huanghe Jiaotong University， Jiaozuo 454950， China;
2.Henan intelligent Robot Engineering and Technology Research Center in Jiaozuo City， Jiaozuo 454950， China;
3.Henan University of Science and Technology， Luoyang 471000， China）
Abstract： Based on the pain point of low efficiency in the process of storage and transportation， this paper designs an automatic following multi-function intelligent car， and the car consists of infrared module， tracking module， obstacle avoidance module， ultrasonic module， Bluetooth module and so on. Two ultrasonic waves are used to measure the distance to the object in front to determine the following status of the car and the LCD screen displays it. The distance in three directions is measured through the steering of the steering gear and ultrasonic module， and realizes the ultrasonic steering gear obstacle avoidance. It realizes the connection between the mobile phone and the car through the Bluetooth module， and controls the motion state of the car through the APP. The small car runs fast and it is efficient.
Keywords： STC89C52RC; automatic following; infrared remote control; blue tooth remote control
0 引 言
工业4.0和5G时代的到来，意味着未来智能制造的发展速度会越来越快，智能化产品的应用场景将更加多元化，随着各种智能化产品的出现，许多人力工作正在被智能化所替代，实现了更高的效率。随着科技信息技术的快速发展，物流行业也将迎来一个智能化的时代，传统的人工分拣、存储、运输等已经不能满足大时代背景下人们对物流行业的要求，因此推动物流行业的转型升级迫在眉睫[1]。各种人工智能技术的优势越来越突出，通过这些技术，使得中国物流快递行业开始进入一个新的发展时期，智能小车的发展将促进物流行业的发展与转型，也可以满足人民日益增长的美好生活需求。
国外对于智能小车的研究开始于20世纪60年代，人类历史上第一台智能小车是由斯坦福研究院（SRI）人工智能中心研制出了名为Shakey的自主移动的智能小车，这辆小车的出现是智能小车发展的起点，由于当时的技术存在一些缺陷，这辆小车的运算速度较缓慢。在之后的一段时间，各种智能小车层出不穷，如日本稻田大学研制的人形机器人，德国研发的智能工业机器人等。
清华大学在国家的资助下，从1988年开始研究智能车，并成功研制出THMR系列智能车，但还不是真正意义的智能车。在1992年，国防科技大学成功研制出了一辆智能小车，是中国自动驾驶技术研发的开端，不通过人工干预就能实现自主行驶。在这之后，吉林大学研制了基于GPS的自动驾驶智能车。
2015年宇通研发的无人驾驶客车完成了首次无人干预的道路测试并取得成功，阿里与上汽集团合作，百度与金龙客车等，互联网与汽车结合，形成了更加智能的网联车。目前，我国的智能车研究已进入了L4和L5阶段，广州生物岛文远小巴的投入使用，标志着无人智能车开始进入了商业化应用，诸如长城汽车、长安汽车、广汽集团等企业、高校等也陆续开启了无人驾驶智能汽车等方面的研发并取得了一定成绩[2-5]。
1 系统方案
考虑物流行业的运输、配送工作大多依靠人力来完成，工作效率低，容易出错的问题[6-8]，设计了一种可以自动跟随的多功能小车用于物流行业的运输、配送等工作，只需给小车设定一定的路线，小车便能准确地到达指定地点。以单片机为核心搭载各功能模块来实现小车的各项功能，通过循迹模块、红外避障模块、超声波模块、蓝牙模块、显示模块实现小车的自动跟随、循迹避障、测距、超声波舵机避障等功能，系统框图如图1所示。
2 系统硬件电路设计
2.1 主控器STC89C52RC
单片机选用超低功耗、抗干扰能力强、低电磁辐射和超低价的8位单片机STC89C52RC。STC89C52RC是宏晶公司研发的增强型51单片机，其控制简单、方便、快捷，更难能可贵的是价格非常低廉，既能实现需要的智能控制还节约了资金[9]。并且具备四个八位I/O口，拓展其他功能时更加方便，另外还具有很宽的工作电压，不怕电源抖动，抗干扰能力强，还有512字节数据存储空间。
单片机的最小系统由三个基本电路组成，其中时钟电路为单片机提供一个正常工作的时钟，复位电路使单片机可以进行初始化，电源电路为其提供一个正常工作的电压，如图2所示。
2.2 红外循迹电路设计
循迹是利用红外探测法。TCRT5000循迹模块采用一种红外传感器，主要由一对红外对管组成，该模块对外部光线的抗干扰能力较强，通过红外线对各种颜色的吸收特性不同，分辨黑色与白色，当检测黑色时，接收端处于截止状态；反之为白色时，接收端处于导通状态，从而实现小车的循迹[10]。
以红外对管为核心的红外循迹电路如图3所示。循迹模块共有三个外接口，VCC接电源，GND接地，通过数字量输出口D0与主控器进行数据交换。
本循迹设计通过两个循迹模块来进行黑白线检测，两个循迹模块的数字量输出口D0分别与单片机引脚P17和P37相连接，通过STC89C52RC单片机进行数据处理，进而驱动电机转动，实现小车的循迹前行。
2.3 红外避障电路设计
红外避障传感器是由红外检测的方法实现，它由一对红外发射管和接收管组成，发射管会向小车的前方发出红外线，当探测到障碍物时红外线便会返回被接收管收到，接收管通过LM393转变为电信号传输给单片机，通过其内部的信息处理判断小车的运行状态，如图4所示。
红外避障模块有VCC、GND和OUT三个外接口，本设计中采用两个红外避障模块实现小车的避障功能，两个模块的OUT引脚分别于单片机P16和P20相连接，通过STC89C52RC单片机进行数据处理，进而驱动电机转动，实现小车躲避障碍。
2.4 超声波电路设计
HC-SR04超声波模块有VCC、GND、Trig、Echo四个外接口，Trig引脚与单片机的P35引脚相连，Echo引脚与P36引脚相连，如图5所示。
Trig引脚与发射传感器相连，发出一个40 kHz的脉冲信号，Echo引脚与接收传感器相连，负责接收该信号，并以电信号传入单片机中进行信息处理，其中高电平持续的时间就是超声波遇到障碍物返回的时间，通过距离公式（（高电平时间×340 m/s）/2）测出与障碍物的距离，并通过液晶显示模块显示出距离[11]。
将小车到障碍物的距离和设定值进行对比，如果大于设定值，就会驱动电机向前移动，反之则驱动小车倒退一段距离，然后向右转避开障碍物。为了实现小车自动跟随，采用超声波模块实现，通过测量到物体的距离与设定值比较来实现跟随功能，与物体距离适中则小车前进，距离过近则小车停止或后退。
2.5 驱动电路设计
2.5.1 H桥型电路
如图6所示是一个直流减速电机的H桥型驱动电路，该控制电路的构成是两对三极管和一个直流减速电机，只有电流从正极进入一个三极管，经电机进入另一个三极管到负极，电机才能正常工作[12]。
电机的转向是根据不同的三极管对的导通情况来决定的，在Q1和Q4导通的时候，电流从正极经Q1从左到右流过电机，最终通过Q4回到负极，则电机正转。同理，当Q2和Q3接通时，电流从正极经过电机回到负极，则反转。
2.5.2 L298N芯片
电机驱动模块的核心就是L298N芯片，该芯片集成了双H桥型驱动电路，其电机驱动电路图如图7所示。驱动模块的逻辑输入有四个，两两结合控制一个电机，例如IN1和IN2控制一个电机，通过给其输入高低电平控制电机的转向和停止，并对使能端A输出PWM脉冲，进而控制电机的速度大小。
2.6 蓝牙遥控电路设计
蓝牙模块通过串口与单片机进行数据传输，蓝牙模块的RXD口接在单片机的P30引脚，TXD口接在P31引脚，如图8所示。以蓝牙模块为中介，将小车与手机连接起来，通过手机APP对电机进行控制，从而控制小车的运行状态。
2.7 红外遥控电路设计
红外遥控由红外接收管和红外遥控器组成，接收管有VCC、GND和OUT三个引脚组成，OUT与STC89C52RC单片机的P32引脚连接，如图9所示。在遥控器按下指定按键，通过调制电路调制信号，经放大电路通过红外发光二极管发出红外线，然后红外接收管接收到该信号，并传入单片机进行数据处理，驱动电机的前进、后退和转向，进而改变小车的运行状态。
2.8 按键电路设计
按键电路由按键和接地组成，并且与STC89C52RC单片机的P33引脚相连，如图10所示。通过按下按键的次数进入小车的不同模式，接通电源后小车先进入低速测试模式。
按一次，进入小车快速测试模式；按两次，进入小车红外循迹模式；按三次，进入小车红外避障模式；按四次，进入小车红外遥控模式；按五次，进入小车蓝牙遥控模式；按六次，进入小车物体跟随模式；按七次，进入小车超声波避障模式。
2.9 报警电路设计
报警电路由电阻、三极管和蜂鸣器组成，与STC89C52RC的P21引脚相连，如图11所示。系统上电时、通过按键切换功能模式时和距离物体过近时，蜂鸣器会发出声响提示。
2.10 舵机电路设计
舵机模块的OUT与单片机的P34连接，如图12所示。将舵机模块和超声波模块连接在一起，在舵机模块转向的作用下，超声波模块测出左右中三个方向的距离，通过相互距离判断，进而实现超声波避障功能。
3 系统软件流程图
系统的主程序设计采用C语言进行编写。当控制系统通电后，循迹避障、红外蓝牙以及LCD1602等模块进行初始化，先进行测距并在显示屏上显示出来，然后通过按键去实现各个模块的功能。
3.1 红外循迹设计
循迹是依靠检测黑线的存在而自主地沿着黑线行走，本设计依靠二路红外循迹来实现小车的自主行走，循迹流程如图13所示。
3.2 红外避障设计
红外传感器的发射管发射出红外线，当红外线扫描到障碍物时便会返回，由接收管接收信号，避障流程如图14所示。
3.3 超声波设计
超声波模块发出脉冲信号，用来测量与物体的距离和实现避障功能，超声波流程如图15所示。
4 硬件调试
4.1 距离检测
系统通电后，超声波模块进行初始化，通过给TRIG口至少10 μs的高电平，超声波发射器发出40 kHz的脉冲信号，检测到前方存在物体时，脉冲信号返回被接收，通过高电平持续的时间测出与物体的距离，同时在LCD显示屏显示出来，如图16所示。
4.2 红外循迹
小车的循迹功能是根据红外线区别黑线与其他颜色的特点，在本设计中选择两个红外避障模块。当两个模块都没有识别到黑线，则小车前进；右边识别到黑线，小车右转，并通过报警电路提醒；左边识别到黑线，小车左转，并报警；左右都识别到，小车停止，如图17所示。
4.3 蓝牙遥控
通过蓝牙模块与手机的蓝牙相连接，通过APP软件控制小车的运行状态，如图18所示。APP软件共有四个箭头和一个圆圈，上下的箭头控制着小车的前进和后退，左右的箭头控制着小车的左转和右转，中间的圆圈控制小车的停止。
4.4 自动跟随
小车的自动跟随功能是通过超声波模块实现，通过超声波模块测出与前方物体的距离，然后判断两者之间的距离，小于5 cm后退，大于5 cm且小于10 cm则停止，大于10 cm小于60 cm前进，大于60 cm处于停止状态，如图19所示。
5 结 论
本文主要是对一种具有自动跟随、红外遥控、红外循迹避障、蓝牙遥控、超声波避障和报警等功能的智能小车控制系统进行了研究。采用STC89C52RC作为主控芯片，由红外循迹、避障、电机驱动、超声波、红外遥控、蓝牙和报警等模块组成控制系统。自动跟随由超声波模块实现，通过两个超声波测出与前方物体的距离判断出小车的跟随状态，液晶显示屏显示测出的距离，通过舵机的转向和超声波测出三个方向的距离，实现超声波舵机避障；蓝牙模块实现手机与小车的连接，通过APP控制小车的运动状态，当红外遥控器按下指定按键，经信号调制并放大被红外接收管接收，进而控制小车的运动状态。以上这些功能会通过按键切换工作模式，每切换一次蜂鸣器会发出声音提醒。
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作者简介：杨蒙蒙（1989.01—），女，汉族，河南焦作人，讲师，硕士，研究方向：网络化控制系统。
